Thema: Raketenberechnungen für Warpspace

[Quaint]

Ich wollte mal einen Gegenentwurf zu Feuersängers Berechnungen hier reinstellen.
Das ganze hat mit meinem Setting Warpspace zu tun, das es freilich nicht ganz so genau nimmt mit der Hardscifi wie Feuersänger manchmal.

Die Raumschiffe sind so etabliert, dass sie eben nur einen relativ kleinen Teil ihrer Masse als Stützmasse für die Triebwerke mitnehmen und als Energiequelle ist Kernfusion üblich, wobei es da ein paar verschiedene Fusionstypen gibt, die eine Rolle spielen, aber die ganz klassische Deuterium-Tritium Fusion ist durchaus üblich und liegt diesen Berechnungen zu Grunde.

Der Angelegenheit liegt ein Raumboot mit einer Gesamtmasse von etwa 300 Metrischen Tonnen zu Grunde, mit einem Reaktor, der etwa eine Tonne Fusionstreibstoff im Monat verbrennen kann, wovon, wenn wir mal Wirkungsgrade usw usf. berücksichtigen rund 80 Gigawatt für den Antrieb bereitstehen. (1g Gemisch zu reagieren gibt 100 MWh oder 12,3 t SKE) Nur etwa 10% des Raumbootes sind üblicherweise Stützmasse.
Der Antrieb ist eine flexible Einheit, die auf der einen Seite des Spektrums als eine Art Fusionsfakel fungieren kann um relativ rasch großen Schub zu entwickeln, andererseits aber auch sparsam, eher in der Art eines Ionenantriebs, viel Energie in wenig Stützmasse stecken kann, um hohe spezifische Impulse zu entwickeln.

Für die relation von Leistung zu Schub habe ich mich am Triebwerk der realweltlichen Smart-1 Sonde orientiert (ein Hall-Effect Triebwerk, also quasi sowas wie ein Ionentriebwerk, das 70 Millinewton Schub mit 1300W Leistung erzeugt). Für den spezifischen Impuls habe ich mich aber an einem neuen Triebwerk der ESA orientiert (Dual Layer Quad Grid).
Und ich hab die Zahlen dann für verschiedene Triebwerksmodi angepasst, nach dem Schema, dass man für die vierfache Energie den doppelten spezifischen Impuls bekommt. Und umgekehrt. Wobei natürlich die Leistung des Reaktors mit etwa 80 Gigawatt etwa konstant ist, dementsprechend muss man einen niedrigen Impuls wählen, wenn man einen hohen Schub will (etwa für Kampfmanöver). Dabei kam dann folgendes rum:

Schub      Vektor pro Tonne      Spezifischer Impuls   Maximale Schubdauer (10%/30t Stützmasse)
0,1g              3,6 km/s pro t      800.000 Ns / kg      30 Stunden
1/160tel g            14,4 km/s pro t      3,6 Mio Ns / kg      20 Tage
1g              1,1 km/s pro t      253000 Ns / kg      40-50 Minuten

Ich hab freilich nicht vor, meine Spieler mit derlei Berechnungen zu belasten, aber nachdem ich das mal so überprüft habe, halte ich es für durchaus nicht unrealistisch, auch mit kleinen Stützmassen zu spielen, wie man das ja gerade von klassischer Scifi mit Weltraum und allem gewohnt ist. Wenn man eine größere Strecke zurücklegen will, muss man halt auch etwas mehr Zeit lassen für seine Beschleunigung. Umgekehrt kann bei Kampfmanövern mit mehreren g Andruck auch mal ganz schnell der Sprit alle sein.

[Feuersänger]

Das mit dem "Gänge wechseln", also variabler Schub/spez. Impuls ist durchaus relativ üblich in der SF heutzutage. Habe ich bei mir z.B. auch drin. Bzw Langstreckenraumer sind sowieso darauf eingestellt, dass sie den spez. Impuls automatisch so anpassen, dass die Beschleunigung konstant bleibt.

Aber eine Frage juckt mir erstmal unter den Fingern: wie willst du D-T-Fusion für Triebwerke nutzbar machen? Bei diesem Prozess steckt 80% der freigesetzten Energie in Neutronen, die also nicht irgendwie umlenkbar sind und einem nur alles verstrahlen.

Allerdings bin ich mir auch ziemlich sicher, dass du bei deinen Berechnungen irgendwelche Fehler drin hast... wenn ich deine Werte in mein Spreadsheet einstöpsele, kommen jedenfalls ganz andere Resultate heraus:

Gegeben:
M_dry 300t
R = 1,1
P = 80GW

Wenn ich hier z.B. den Eco-Modus einstelle (1/160G), komme ich auf eine delta-V von 727km/s und 126 Tagen Brenndauer.
Beim mittleren Gang (0,1G) hingegen 12 Stunden Brenndauer und 45km/s delta-V
Und beim niedrigen Gang (1G) schließlich nur 460s Brenndauer und 4,73km/s delta-V.

Edit:
Achja, und das mit dem "1 Tonne Brennstoff pro Monat" haut so glaub ich auch nicht hin; muss ich aber nochmal nachrechnen.
Nachgerechnet; kommt hin, wenn du von ca 60% Wirkungsgrad ausgehst.

Edit 2:
Dann wär da noch die Frage: warum?
Ökonomisch ist das nicht, du sparst weder Zeit noch Energie.

Beispiel:
Zwei Schiffe, eins nach Redshift, eins nach Warpspace, machen ein kleines Rennen von der Erde zum Jupiter. Distanz setzen wir auf 5AU. Beide haben 300 Tonnen Trockenmasse, und ich setze mal auch das Redshift-Schiff auf 80GW (statt 100-120). Der Redshift-Clipper startet aber mit R=3 und max v_e=900km/s, der Warpspace-Flitzer mit R=1,1 und dafür beliebig hoher v_e.

Warpspace-Flitzer: optimaler Flugplan mit 0,01G. Reisedauer: 62,8 Tage. Verbrauchte Ressourcen: 341 Petajoules, 30t Stützmasse (Wasser?).
Redshift-Clipper: optimaler Flugplan mit 0,06G. Reisedauer: 34,4 Tage. Verbrauchte Ressourcen: 81 Petajoules, 600t Wasser.

Du verbläst also mehr als 4mal soviel Energie dafür, dass du fast doppelt so lange brauchst. Das ist doch kein Geschäft?

[Dark_Tigger]

Warpspace-Flitzer: optimaler Flugplan mit 0,01G. Reisedauer: 62,8 Tage. Verbrauchte Ressourcen: 341 Petajoules, 30t Stützmasse (Wasser?).
Redshift-Clipper: optimaler Flugplan mit 0,06G. Reisedauer: 34,4 Tage. Verbrauchte Ressourcen: 81 Petajoules, 600t Wasser.

Du verbläst also mehr als 4mal soviel Energie dafür, dass du fast doppelt so lange brauchst. Das ist doch kein Geschäft?

570Tonnen Stützmasse weniger?
Ich weiß nicht wie viel Reaktormasse du brauchst für die 260 Extra Petajule, aber das Klingt für mich so als ob, seine Schiffe einiges mehr an Nutzlast mitschleppen können.

[Feuersänger]

570Tonnen Stützmasse weniger?
Ich weiß nicht wie viel Reaktormasse du brauchst für die 260 Extra Petajule, aber das Klingt für mich so als ob, seine Schiffe einiges mehr an Nutzlast mitschleppen können.

Für die Zwecke dieses Vergleichs haben beide Schiffe genau denselben Reaktor. (Auch wenn Quaint von D-T-Fusion gesprochen hat, die ich wie gesagt für unbrauchbar für Raumschiffanwendungen halte, aber das ist jetzt nicht so wichtig.)
570 Tonnen Stützmasse? So what, es ist Wasser, einer der am häufigsten vorkommenden und somit billigsten Stoffe im Universum. [edit: Zum Vergleich: 600 Tonnen entspricht ungefähr dem Inhalt eines typischen Hallenbad-Schwimmbeckens. Bei uns wird heutzutage Trinkwasser zu etwa 1€ pro Tonne gehandelt.]
Die dafür aufzuwendende Tankmasse würde vielleicht 6-10 Tonnen ausmachen, das macht das Kraut nicht fett.
Beide Schiffe sollen eine Trockenmasse von 300t haben -- da ist die Ladung in beiden Fällen schon eingerechnet. Das WS-Schiff hat halt entsprechend 330t Startmasse, das RS-Schiff 900t.
Du kannst auch beiden Schiffen nochmal 300 Tonnen Ladung draufklatschen -- dann erhöhen sich halt auch die Stützmassen entsprechend, und die Reisedauern erhöhen sich (weil ja die Antriebe nicht stärker werden), aber unterm Strich kommt es aufs selbe raus.

[Quaint]

Nein, die Nutzlast macht da keinen großen Unterschied. Und ist auch nicht der Grund. Zunächst mal finde ich Raumschiffe, die einfach zu 80% oder so aus Tank bestehen unsexy und dann ist halt Warpspace ein eher klassisches SciFi-Setting, wo man z.B. in den Raumkämpfen auch mal was sieht anstatt Todeslaser aus absurden Entfernungen. Es ist also an sich vom Feeling her näher an Wingcommander, Babylon 5, Aliens oder auch dem neuen Battlestar Galactica. Und es hat halt auch gewisse Erklärungen, aber halt nicht unbedingt Hard SciFi.
Beispielsweise ist die dominante FTL-Technologie (es gibt mehrere) eine Art Raumtunnel, der sich miteinander interagierender Gravitationswellen bedient, die dann eine Art Strudel bilden. Handwavium, klar, aber in diesen Raumtunneln gibt es halt schonmal Gravitationsverwerfungen die zu überleben eine robuste Struktur erfordert. Da müsste man derart große Tanks dann derart stabil auslegen, dass sie deutlich weniger attraktiv werden. Und dann kann man natürlich diese Raumtunnel eigentlich überall aufmachen, man muss nur ein wenig von starken Gravitationsquellen weg. Ergo ist das übliche Bild, dass man ein paar Tage vom Planeten weggondelt und dann halt einen Raumtunnel bemüht. Im inneren Sonnensystem würde man vielleicht noch normal fliegen (schon weil ja auch die Sonne stört), aber wollte man etwa zu Jupiter oder Saturn, würde mit Sicherheit ein Tunnelflug Teil des Flugplans sein. (Was aber rein hypothetisch ist - Warpspace spielt weit weit weg von der Erde, in einer fremden Galaxie; die Menschheit hatte sich quasi jahrtausendelang ausgebreitet, aber wurde dann durch einen Kataklysmus zu ca. 99% ausgelöscht und auch technisch wieder zurückgeworfen und man spielt dann quasi in einem neuen Zeitalter der Raumfahrt, wo man dann aber neben richtigen Aliens natürlich allerlei kulturell und genetisch abweichenden Menschen begegnen kann)

Und D-T-Fusion gibt in der Tat einen großen Teil der Energie in Form von Neutronenstrahlung ab, aber mit einem geeigneten Reaktoraufbau kann man das ja auch nutzen, es gibt ja durchaus heute bekannte Materialien, die relativ gut Neutronen bremsen und/oder absorbieren. Bei Warpspace ist das ein noch kleineres Problem, weil es da Repulsortechnologie gibt. Das erzeugt quasi Kraftfelder, die auch mit ungeladener Materie interagieren und die dann Kräfte übertragen zwischen der erzeugenden Spule und der beeinflussten Materie. In Warpspace macht man damit diverses, von quasi Energieschilden über "künstliche Gravitation" (Repulsorplatten in der Decke, die die Leute gen Boden drücken) bis hin zu Spezialanwendungen wie Strahlungsschilde (die freilich nur gegen Partikelstrahlung helfen) bzw. Umlenkung von Neutronen bzw. evtl. haben sie sogar was ausgefuchst um aus der Neutronenstrahlung nutzbare (elektrische) Energie zu gewinnen.

[Feuersänger]

Ahja, ich verstehe schon worauf du hinauswillst. Ungefähr so sah auch der allererste Entwurf meines Settings aus -- bzw der war noch extremer, da hatte ich mich nämlich an den Raumschiffen von Elite 2: Frontier orientiert.
Aber da finde ich den Ansatz ehrlich gesagt ein bißchen von hinten durch die Brust ins Auge -- ich meine, wenn du schon derartige Magitech hast, die quasi die volle Kontrolle über die Gravitation erlaubt, wieso gurkst du dann noch mit vergleichsweise primitiver D-T-Fusion rum, die wiederum nur durch diese Magitech nutzbar wird? Das ist irgendwie so, als ob du ein Wasserfahrzeug konstruierst, das mit einem Kernreaktor Wärme erzeugt, mit der Wärme Dampf, mit welchem eine Turbine betrieben wird, und mit der Turbine ein Generator, und mit dem so erzeugten Strom einen Ventilator, der Luft in die Segel bläst.



Will sagen, da könntest du auch gleich mit deiner (Anti-)gravitation selbst eine künstliche Sonne erzeugen, womöglich wäre damit sogar Proton-Proton drin. Ich meine, immerhin reicht offenbei ein sekundäres System in der Lebenserhaltung von wenigen Tonnen Eigenmasse, um ohne nennenswerten Energieaufwand die Schwerkraft von 6*10²⁴kg zu simulieren.
Oder du bemühst einfach eine "künstliche Quantensingularität" oder sowas als Energiequelle.

BTW, noch was die Masseverhältnisse angeht -- auch heutige Flugzeuge bestehen im startbereiten Zustand aus bis zu 30% Treibstoff, ohne dass man es ihnen groß ansieht. Ganz so knickerig muss man also damit nicht sein.

[Quaint]

Naja, das ist halt keine Gravitation. Sondern ein anderes, rein fiktionales Phänomen, das sich auch wesentlich anders verhält als Gravitation.  Und geeignete Werkstoffe vorrausgesetzt tut DT-Fusion potentiell auch ohne das. Sonst würden für den ITER und Konsorten kaum soviele Gelder verbraten. Und ehrlich gesagt ist mir die genaue Technik bei der Fusion relativ schnuppe, wenn dich das also beruhigt, dann nimmste halt D-He3 oder sowas.

Deinen kleinen Rant über die vermeintliche Antigravitation/Gravitationsbeherrschung finde ich etwas daneben. Ist für dich eine rotierende Habitatsektion dann auch gleich ein Wunderding ohne Gleichen nur weil sie mit vernachlässigbarer Energie (im Vergleich zu 80GW Triebwerksleistung) Leute mit 0,5g oder 1g Andruck zu Boden presst?
Aber dann natürlich im bitterernstesten Hardscifi-Setting mal eben noch Totale Energiekonversion einbauen.  Man gönnt sich ja sonst nix.

[Feuersänger]

Oh, versteh mich bitte nicht falsch, ich habe das wirklich nicht abwertend gemeint. Ich wollte lediglich sagen, man kann schon durchaus auf Hard Science pfeifen, aber auch dann finde ich, sollten die einzelnen Elemente vom Feeling her zusammenpassen. Die Analogie hat vielleicht nur so halb gepasst -- worauf es ankommt ist, dass sich im Verhältnis zu deinem Repulsor ein D-T-Reaktor ausnimmt wie ein Segelschiff zum Atomreaktor, Techlevel-mäßig.
Ich könnte dir jetzt auch einen längeren Aufsatz dazu schreiben, warum D-T für Raumschiffe ungeeignet ist, aber du signalisierst ja dass dich das nicht wirklich interessiert. Also würde ich dir in der Tat den Tip geben, einfach auf D-3He umzusteigen, und alle Kinder sind glücklich.

Was meinst du mit Totaler Energiekonversion? *Kopfkratz*