Also, hier nochma ein "Stand der Dinge" nach den neuesten Überlegungen:
Erstmal: Paradigmenwechsel
Im Zuge der Entwicklung dieses Threads und meiner Bemühungen haben sich die ursprünglichen Prämissen schrittweise verändert, daher ist es wohl jetzt angebracht, diese Änderungen kurz aufzulisten:
- von den ursprünglich genannten Beschleunigungen von 10-30G bei Dauerbeschleunigung kann keine Rede mehr sein. Für interplanetare Reisen haben sich eher kurzzeitige Beschleunigungen unter 1G mit langen Driftphasen zur Treibstoffersparnis als vernünftig erwiesen. Dennoch sind die Antriebe so ausgelegt, dass sie kurzfristig - in Gefahrensituationen - durchaus Beschleunigungen um 3G liefern können, was bei näherer Betrachtung ja auch ein Arschvoll ist.
- weiterhin bin ich inzwischen von der ursprünglichen Prämisse, dass der Treibstoff maximal 10% der Gesamtmasse ausmachen soll, abgerückt. Es hat sich einfach keine ausreichend harte Technologie gefunden, mit der sich das plausibel darstellen ließe. Mit dem jetzigen Stand der Dinge kommt man aber immerhin auf Masseverhältnisse um 1,25 - 2,00 (das heisst ca. 20-50% Treibstoffanteil an der Startmasse); das genügt mir.
Schlüsseltechnologien:
elektrische Hochtemperatur-Supraleiter (>138K)
Nanotechnologie – keine Nanoroboter, aber z.B. Carbonnanofasern und ähnliche Materialmanipulation
Beherrschung von Elektromagnetismus und Magnetohydrodynamik
Manipulation von topologischen Vakuumdefekten (z.B. Monopole, Q-Balls)
Energieerzeugung
Konversionsreaktoren nutzen topologische Vakuumdefekte aus, um einzelne Nukleonen aus leichten Atomkernen in Energie umzuwandeln. Elektrische Energie wird bevorzugt durch Monopolkatalysierte MHD-Generatoren erzeugt:
Protonen werden durch einen magnetischen Monopol geleitet. Dieser löst nun jedes Proton in ein Pionenpaar und ein Positron auf. Das Gros der Ruheenergie geht hierbei auf die Pionen über. Diese werden durch umliegende Magnetfelder separiert und entsprechend ihrer Ladung in massive eiserne Pole geleitet. Das Eisen absorbiert Pionen geeigneter Energiebandbreiten und baut dadurch ein Potential auf. Diese Pole können nun direkt als Stromquelle verwendet werden und liefern insgesamt ca. 100 Megavolt Spannung. Der Strom hängt dabei von der Flußrate der Pionen ab.
Die Effizienz in diesem Schritt liegt bei ca. 30%.
Daneben werden die Eisenpole, aber auch die Reaktorwände durch die restlichen Pionen aufgeheizt. Diese Wärme wird wiederum von einer Wärmekraftmaschine mit, bei Raumschiffsystemen, ca. 25% Wirkungsgrad ausgebeutet und ebenfalls in elektrischen Strom umgewandelt. Der Wirkungsgrad wurde hierbei bewusst relativ niedrig gewählt, da hier die geringstmögliche Radiatorfläche zur Bewältigung der Abwärme benötigt wird.
(Planetare Kraftwerke können in diesem Schritt ca. 60% Wirkungsgrad erzielen.)
Dadurch ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von annähernd 50% für Raumschiffe und über 70% für planetare Kraftwerke.
Energieausbeute: 90e15J/kg * 0,50 = 45e15J/kg
Abwärme: 45e15J/kg
Brennstoff: Wasserstoff (kann direkt aus mitgeführtem Wasser elektrolysiert werden.)
Die verfügbare Leistung wird hierbei praktisch nur von der Kapazität der Radiatoren begrenzt, da der Brennstoffverbrauch selbst bei mehreren TW Leistung minimal wäre. Die elektrischen Systeme eines Raumschiffes dürften aber eher im Megawatt- bis maximal Gigawattbereich liegen.
Abwärmemanagement:
Radiatoren sind der Flaschenhals aller Raumschiffsysteme. Die kleinstmögliche Radiatorfläche erhält man bei einer Betriebstemperatur von 75% der eigentlichen Wärmekraftmaschine. Dabei muss man jedoch bedenken, dass die Wärme dabei von der heißen zur kalten Seite transportiert werden muss, normalerweise durch Kühlmittel wie flüssiges Lithium, was die Arbeitstemperatur beider Seiten auf maximal dessen Siedepunkt begrenzt.
Selbst perfekte Schwarzkörperradiatoren benötigen dabei immense Flächen. Da die Wärmestrahlung nicht mit sich selbst interferieren darf, müssen die Radiatorflächen mindestens im 90°-Winkel zueinander stehen. Das Optimum stellt hier ein 90°-gewinkeltes zweiseitiges schwarzes Panel dar, da hier die wirksame Fläche ca dem 2,8fachen der Baugröße entspricht.
∂Q/∂t = Re * (5.67x10e-8) * Ra * Rt4
Ein idealer Paneelradiator mit Re=1 kann mithin folgende Abwärme bewältigen:
Pw = 1,0 * (5,67e-8) * 1600^4 * 2,8 ~ 1MW pro m² Baugröße.
Entsprechend bräuchte ein Bordkraftwerk mit 600MW Abwärme z.B zwei Paneele von je 30x10m² Baugröße (mit entsprechender Masse); allerdings dürften dann die Pole nicht aus Eisen bestehen, da dieses einen Schmelzpunkt von unter 1800K besitzt; benötigt werden aber mindestens 2000K (also Wolfram o.ä.).
Radiatoren stellen in der Konstruktion ein Problem dar, da sie groß, massiv und fragil sind.
Mit deutlich geringerer Masse kommen dagegen Tröpfchenradiatoren aus, da hier ein Tröpfchenfilm aus Lithium (hoher Siedepunkt, geringer Vakuumdampfdruck) von einem "Sender" zu einem "Empfänger" geschickt wirkt; allerdings ist durch den sehr geringen Emissionskoeffizienten dieses Elements (0,07) der gesamte Platzbedarf deutlich größer, und zwar um etwa Faktor 18 bei gleicher Arbeitstemperatur.
Nachteil von Tröpfchenradiatoren ist der Kühlmittelverlust durch Vakuumdampfdruck sowie beim Manövrieren mit aktivierten Radiatoren. Daher ist in jedem Fall eine Kühlmittelreserve notwendig, was die Masseersparnis wieder (etwas) verringert. Als Kühlmittel bietet sich trotz einer relativ geringen Emissivität Lithium an, da es einen sehr geringen Dampfdruck hat.
Eine potentielle Ideallösung wäre ein fiktionales Kühlmittel, das einen hohen Siedepunkt, geringen Vakuumdampfdruck und hohen Emissionskoeffizienten mtieinander kombiniert. Muss sich allerdings den Vorwurf des Handwedelns gefallen lassen, wenn keine plausible Erklärung angeboten wird.
STL-Antrieb:
Konversionstriebwerke aka “Torchdrives”
Nach einem ähnlichen Prinzip wie die Stromerzeugung funktionieren auch die Sublichtantriebe, nämlich per Baryonkonversion. Da aber kinetische statt elektrische Energie benötigt wird, wird als Brennstoff nicht Wasserstoff verwendet, sondern schwerere Elemente. Aus einem schweren Kern wird ein einzelnes Nukleon umgewandelt und seine Ruheenergie auf den restlichen Kern übertragen. Dieser zerfällt dadurch in leichte Trümmer, hauptsächlich in 4-He (stabil), 6-He (zerfällt zu 6-Li) und unvermeidbarerweise einige Neutronen, die entsprechend abgeschirmt werden müssen. Diese hochenergetischen Teilchen übertragen nun ihre kinetische Energie auf zusätzlich eingespritzten Treibstoff, z.B. Wassermoleküle.
Die Moleküle werden enorm beschleunigt und, da kein Material ihrer Temperatur standhalten könnte, durch magnetische Manipulation aus der Antriebsdüse ausgestoßen. Die Menge der Treibstoffzugabe lässt sich variieren, dabei erhöht sich der Treibstoffdurchsatz zum Quadrat der Schubsteigerung.
Die Stützmasse wird durch magnetische Düsen in den gewünschten Vektor gelenkt. Dabei ist eine Schubvektorsteuerung bis ca. 20° möglich; je nach Schiffsdesign kann auch das ganze Triebwerk geschwenkt werden. Ferner wird der Abgasstrahl auch um etwa 10-20° aufgefächert, um den notwendigen Sicherheitsabstand zu anderen Objekten möglichst klein zu halten. Der effektive Schub verringert sich hierdurch um wenige Prozent (vernachlässigbar).
Die Triebwerke erzeugen zwar eine prozentual sehr geringe Abwärme (in andere Richtungen als den Schubvektor), da sie als offener Kühlkreislauf funktionieren, jedoch sind aufgrund der enormen Gesamtleistung selbst winzige Verluste schwer in den Griff zu kriegen. Weiterhin wächst der benötigte Durchmesser nur zur Wurzel der Leistung, was bedeutet, dass prinzipiell wenige große Triebwerke günstiger sind als viele kleine.
Die zur Erzeugung der Magnetflasche benötigten Supraleiterspulen werden hierbei von Wolframschilden abgeschirmt, die zur Vergrößerung der relativen Fläche in extrem spitzem Winkel zur Triebwerksachse stehen. Hieraus bedingen sich entsprechend große Triebwerke, als Faustregel etwa 10 Meter Durchmesser bei 1,25TW Konversionsleistung und 80% Wirkungsgrad (d.a. 1TW Schubleistung, 0,25TW Strahlung).
Brenn- und Treibstoff
Als Brennstoff werden Isotope schwerer Elemente benötigt, die eine Konversion mit möglichst geringer Neutronenfreisetzung ermöglichen. Das leichteste stabile Isotop, das diese Anforderung erfüllt, ist 134-Xe.
Die Triebwerke und Reaktoren können zwar prinzipiell mit verschiedenen Treibstoffen betrieben werden, in der Praxis ist jedoch Wasser ("Normal") oder Wasserstoffperoxid ("Super") das Mittel der Wahl. [Für Späteinsteiger: man beachte den Unterschied zwischen Brennstoff und Treibstoff.] Peroxid ist relativ einfach zu handhaben, kann mit geringem Aufwand in flüssigem Zustand gehalten werden, und besitzt mit ca. 1,5g/cm³ eine relativ hohe Dichte. Letzteres ist der Grund, warum es zuweilen trotz der höheren Kosten gegenüber Wasser bevorzugt wird, da mit dem selben Tankvolumen 50% mehr Treibstoff mitgeführt werden kann.
Der für das Stromaggregat benötigte Wasserstoff wird durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Für einen Reaktor mit beispielsweise 600MW Nutzleistung werden ca. 50mg/h benötigt, was schon mit 1,34A erreicht werden kann.
Fluglagesteuerung:
Kombination aus Gyroskopen, Magnettorquern und Manövrierdüsen. Letztere werden aufgrund ihres Treibstoffbedarfs vornehmlich in zeitkritischen Situationen eingesetzt. Ein typisches Raumschiff verfügt dabei über etwa 12 fixe Manövrierdüsen (oder eine kleinere Anzahl schwenkbarer Düsen) und eine Anzahl kleinerer Gyroskope, die eine präzise Steuerung um drei Rotations- und drei Translationsachsen ermöglichen.
Die Manövriertriebwerke sind dabei auf hohen Schub bei kompakter Bauweise ausgelegt, was sich dafür in relativ hohem Massedurchsatz niederschlägt.
Waffensysteme:
Vorherrschend sind EM-Strahlenwaffen basierend auf dem FEL-Prinzip, im Volksmund “Laser” genannt. Wellenlänge, Leistung und Bündelung hängen dabei von der Baugröße ab. Es existieren hauptsächlich kleinere Ausführungen als Point-Defense Systeme zur Abwehr von Impaktoren und später Lenkraketen.
Große Laser, die auch auf weite Distanzen zielgenau und potent sein sollen, benötigen sehr große Reflektoren, die ihrerseits leichte Ziele für den Gegner sind. Verschiedene Gegenmaßnahmen (s.o.).
Aufgrund diverser technischer Faktoren wie z.B. maximale Belastbarkeit der Reflektoren (ca 5MW/cm²) und Platzbedarf für Aktuator (Frequenz) und Apertur/Reflektor, sind mobile Laser im Wesentlichen auf ca. 400nm Wellenlänge und Leistungen im Bereich bis ca. 100MW beschränkt.
FEL besitzen einen Wirkungsgrad von etwa 65%, für 100MW Strahlleistung fallen also etwa 50MW Abwärme an. Aus taktischen Erwägungen besitzen Schiffslaser oft einen offenen Kühlkreislauf mit einem billigen Kühlmittel (z.B. Wasser), welches bei Erreichen der Kapazitätsgrenze einfach ausgestoßen wird.
Massebeschleuniger: Rail- oder Coilguns variabler Größe, die massive (d.h. nicht explosive) Projektile mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf das Ziel schleudern. Relativ geringe Reichweite; im Einzelschuss wenig effektiv, bei Schnellfeuer aber hochgefährlich ("Sandstrahler").
Raketen: größtmögliches Schadenspotential, aber anfällig gegen Abwehrlaser. Normalerweise ohne eigenen Sprengkopf, reine Wuchtgeschosse.
Taktische Erwägungen
Beim Raumkampf ist zu beachten, dass Radiatoren die verwundbarsten Teile eines Raumschiffes sind. Besonders Paneelradiatoren sind groß, fragil und unmöglich zu panzern. Im Kampf gegen einzelne Gegner können sie ggf. noch mit der Schmalseite exakt auf den Gegner ausgerichtet werden, sodass die Gefahr eines Treffers minimiert wird. Im Kampf gegen mehrere Gegner fällt diese Option meist weg, sodass die Radiatoren eingezogen werden müssen, um eine Beschädigung zu vermeiden.
Tröpfchenradiatoren sind hier günstiger, da ein Treffer auf die Tröpfchenfläche abgesehen von etwas Kühlmitelverlust keine negativen Auswirkungen hat. Die Emitter und Sammler wiederum können im gleichen Rahmen wie das restliche Schiff gepanzert werden. Darüber hinaus sind diese Baugruppen meistens einziehbar angeordnet, um bei Bedarf den eigenen Querschnitt zu minimieren.
In solchen Fällen ist das Schiff zur Bewältigung der Abwärme komplett auf interne Hitzespeicher (Heatsinks) oder offene Kühlkreisläufe (mit Ausstoß des Kühlmittels) bzw. einer Kombination aus Beidem angewiesen. Hier muss auch zwischen Kosten und Nutzen abgewägt werden: 1t Wasser ist extrem billig, aber kann nur 0,4GJ aufnehmen. 1t Lithium ist wertvoller, aber kann die zehnfache Wärme bewältigen (4GJ); außerdem muss jede Tonne erstmal mitgeschleppt werden, was zusätzlichen Treibstoff kostet.
Schiffsdesign et al:
Man kann das Design moderner Raumschiffe nicht verallgemeinern, abgesehen davon, dass natürlich alle essentiellen Komponenten ihren Platz finden müssen: Triebwerk, Tanks, Habitat, um nur einige wenige zu nennen.
Darüber hinaus verfügen die meisten Schiffe über einen spitz zulaufenden Bug, um durch die resultierenden schrägen Flächen einen gewissen Schutz vor Mikrometeoriten zu bieten. Der Querschnitt des Bugsegments ist in der Regel so dimensioniert, dass die meisten Schiffskomponenten in seinem “Windschatten” Platz finden.
Für den Schiffsrumpf kommen die verschiedensten Konstruktionsmaterialien in Frage, sodass hier keine allgemeine Aussage getroffen werden kann. Jeder Werkstoff hat naturgemäß bestimmte Vor-und Nachteile, sodass die Wahl schließlich vom Einsatzzweck des Schiffes abhängen sollte.
Mögliche Werkstoffe sind:
Aluminium: sehr geringe Dichte (2.5g/cm³), schweissbar, hochreflektiv, aber wenig robust, geringe Temperaturresistenz (~600K)
Titan(legierungen): hohe Temperaturresistenz (>1800K), passable Dichte (4,5g/cm³), hohe Festigkeit; relativ gut zu reparieren (Schweissbarkeit), aber keine Optimalwerte.
DLC (“Diamant”): hohe Temperaturresistenz (~1800K), geringe Dichte (3,5g/cm³), gute Wärmeleitfähigkeit, höchstmögliche Härte (10), bestmögliche Laserpanzerung, aber unmöglich zu reparieren (beschädigte Segmente müssen ausgetauscht werden). Geringe Emissivität.
Hochtransparente Segmente können u.U. Laser- oder Strahlenbeschuss komplett durchlassen (unmöglich zu beschädigen); diese sind aber auch entsprechend hart und unflexibel.
Wolframlegierungen oder spezielle Carbide: maximale Temperaturresistenz (3300-4000K), hohe Härte, aber extrem hohe Dichte (~20g/cm³).
Eisen/Stahl: billig, stabil, je nach Oberfläche gute Emissivität, aber schwer (~8g/cm³)
Darüber hinaus kann der Rumpf mit verschiedenen Materialien bedampft bzw plattiert werden, je nach gewünschtem Effekt. Eine möglichst schwarze Beschichtung (z.B. Carbon-Nanofasern) bedeutet eine höchstmögliche Emissivität, was das Abwärmemanagement erleichtert.
Verspiegelte Oberflächen hingegen (Silber) besitzen eine minimale Emissivität, aber reflektieren dafür ca. 96% eintreffender Energie, z.B. von Laserstrahlen, solange die Wellenlänge im sichtbaren Spektrum liegt.
