Gedachte-experimentje

[Michel Uphoff]

Stel:

Ik plaats een ruimtevaartuig in rust in het midden tussen twee gelijke sterren die ook weer in rust tov elkaar zijn.

Zowel aan de voor- als aan de achterzijde plaats ik een warmtecollector.

Beide collectoren ontvangen dus achter en voor een gelijke hoeveelheid stralingsenergie van de ster waar ze op gericht zijn, en hun temperatuur is gelijk.

Nu geef ik het ruimtevaartuigje een snelheid naar een ster. Er treedt dus blauwverschuiving aan de voorzijde op en roodverschuiving aan de achterzijde. Blauwer licht is energierijker dan rood licht, en de collectoren krijgen dus verschillende temperaturen. Hiermee zou ik een aandrijving kunnen voeden, die de aanvankelijk lage snelheid iets verhoogt, met als gevolg meer blauwverschuiving, meer roodverschuiving, groter energieverschil, grotere snelheid et cetera.

Nu haal ik beide sterren weg en laat het ding louter met de kosmische achtergrondstraling hetzelfde kunstje uithalen.

Zou dit theoretisch kunnen werken (we laten de polonaise aan praktische problemen weg) ?

Zo nee waarom niet, en is er dan een fundamenteel verschil tussen de opstelling tussen de twee sterren en de CBR?

Zo ja, hoe moeten we dit dan vanuit een energetisch standpunt beschouwen, hoe worden de energiewetten niet geschonden?

[Bartjes]

Hoe zit het met impulsbehoud?

Wat is naar de kosmische achtergrondstraling toe, en van de kosmische achtergrondstraling af bewegen? Kan dat wel?

[Michel Uphoff]

Impulstoename is hetzelfde als bij iedere raket, alleen is deze aangedreven door externe energie.

Je krijgt een toenemende dipool anisotropie naarmate de snelheid van het denkbeeldige vaartuig toeneemt, net als waarneembaar is in de beelden van Planck, welke veroorzaakt wordt door de relatieve beweging van Planck tov de lokale CBR:

cmbdipole 1173 keer bekeken

De temperatuurverschillen zijn overigens miniem.

[Bartjes]

Impulstoename is hetzelfde als bij iedere raket, alleen is deze aangedreven door externe energie.

Wat ik bedoel is dat de raket alleen extra impuls kan krijgen door iets anders een tegengestelde impuls te geven. En wat is dat "iets anders"? Wanneer dat uit de raket zelf komt, houdt de versnelling van de raket op zeker moment op. De raket heeft immers geen oneindige startmassa.

Je krijgt een toenemende dipool anisotropie naarmate de snelheid van het denkbeeldige vaartuig toeneemt, net als waarneembaar is in de beelden van Planck, welke veroorzaakt wordt door de relatieve beweging van Planck tov de lokale CBR:

[attachment=14334:cmbdipole.gif]

De temperatuurverschillen zijn overigens miniem.

Heel vreemd: dan zijn er dus toch een soort van absolute beweging en absolute rust.

[Benm]

Zo nee waarom niet, en is er een fundamenteel verschil tussen de opstelling tussen de twee sterren en de CBR?

Het principiele verschil is denk ik dat de sterren heter zijn dan je voertuig, en de achtergrondstralig kouder of uiteindelijk gelijk in temperatuur, waardoor die warmtecollectoren niet werken. Er even vanuit gaande dat de kosmische achtergrond wel uniform is kun je daar geen energie aan onttrekken.

[Michel Uphoff]

En wat is dat "iets anders"?

Een fotonen aandrijving bijvoorbeeld, gevoed door het temperatuurverschil tussen beide collectoren.

dan zijn er dus toch een soort van absolute beweging en absolute rust.

Sort of, want het blijft relatieve beweging tov een gekozen rustframe. De beweging van dit rustframe is wel onderhevig aan de expansie van het oneindige- of eindige maar onbegrensde heelal, en vertegenwoordigt geen absolute waarde.

@BenM

en de achtergrondstraling kouder of uiteindelijk gelijk in temperatuur

Als de collectoren een temperatuur hebben gelijk aan die van de lokale CBR, en er is een dipool en dan is de voorste collector warmer dan de achterste. Dan kan je er in theorie stuwkracht aan onttrekken. (Extreem weinig, dus praktisch waardeloos, maar het is dan ook een gedachte-experimentje).

Er even vanuit gaande dat de kosmische achtergrond wel uniform is kun je daar geen energie aan onttrekken.

Maar die straling is niet uniform meer zodra iets een snelheid heeft tov het rustframe van de lokale CBR.

[Bartjes]

Een fotonen aandrijving bijvoorbeeld, gevoed door het temperatuurverschil tussen beide collectoren.

OK - daar had ik nog niet aan gedacht! In dat geval moet je echter ook rekening houden met de impuls van de CBR die door de raket wordt geabsorbeerd (of teruggekaatst?).

[Benm]

Wellicht zit hem daar de kneep.

Bij extreem hoge snelheden is de bluehsift van de cbr uiteindelijk zo groot dat het best hoge temperatuur veroorzaakt aan de ene kant, en de redshift zodanig dat je een grote coldsink aan de andere kant hebt. Dat je daar energie aan kunt onttrekken klinkt logisch. Vereiste is wel dat je eerst op zo'n snelheid begint, maar gezien het gedachten-gehalte mag dat.

Bij die snelheden zal de impuls van de fotonen wel een rol spelen: vanuit de positie van je voertuig bezien moet je 'tegen de wind in zeilen', waarbij die wind bestaat uit fotonen die voornamelijk uit de richting waar je heen wilt komen. Iets dergelijks zou ook kunnen spelen in het voorbeeld met de twee sterren.

[Michel Uphoff]

Aan die impuls zat ik ook te denken, het wordt steeds sneller tegen de fotonenstroom opzwemmen, en dat zou dan ook bij die sterrenreis moeten gelden.

Dat roept dan de vraag op, of absorptie van een foton een impuls oplevert die in dit geval omgekeerd evenredig is aan de energie-inhoud. Dat lijkt mij niet het geval. Een zonnepaneel ondervindt nauwelijks druk van de fotonen die het absorbeert, en kan veel energie leveren.

[Bartjes]

Dat roept dan de vraag op, of absorptie van een foton een impuls oplevert die in dit geval omgekeerd evenredig is aan de energie-inhoud. Dat lijkt mij niet het geval. Een zonnepaneel ondervindt nauwelijks druk van de fotonen die het absorbeert, en kan veel energie leveren.

Je zou netjes een impulsbalans moeten maken. Helaas heb ik van de kosmische achtergrondstraling geen verstand, dus kan ik dat niet zelf doen.

[Benm]

Ik denk eigenlijk dat dat juist zoiets is wat gedachten-experimenten interessant maakt - iets dat je in de praktijk niet echt tegenkomt, maar als de snelheden fors omhoog gaan wel.

Zonnepanelen -lijken- relatief veel energie op te leveren zonder al te veel aangeduwd te worden door de fotonen die erop vallen... maar dat is allemaal bij lage snelheden, bijvoorbeeld sattelieten in een baan om de aarde. Voor iets als een ISS is afremming door de extreem ijle atmosfeer wellicht een groter probleem dan hoe de panelen werken als solar sails.

Maar als je het even helemaal los zit: Stel je hebt een universum met daarin puntbron van licht (~ een ster), en daarnaast alleen lege ruimte, met een achtergrond van 0 kelvin. Is het dan mogelijk om op enige theoretische wijze een voertuig te construeren dan door aandrijving van het licht van die ster een koerst zet recht naar de ster toe, zodanig dat het er uitiendelijk in zal vliegen?

De logische aanpak zou zijn om op de achterkant van je voertuig een lamp/laser/oid te monteren en daardoor momentum richting te ster te verkrijgen. Maar dat momentum kan nooit groter zijn dan het momentum van de fotonen die op de voorkant vallen waar je het systeem van energie voorziet.

[Michel Uphoff]

Maar dat momentum kan nooit groter zijn dan het momentum van de fotonen die op de voorkant vallen waar je het systeem van energie voorziet.

Maar dat zou inhouden dat je een zonnepaneel met de ontvangen energie nimmer meer momentum kan geven dan het momentum van de geabsobeerde fotonen. En dus zou de opgewekte energie gelijk moet zijn aan het momentum (niet de energie-inhoud) van de fotonen. E=pc geldt voor (rust)massaloze fotonen als ik het goed heb.

Natuurlijk zal bij relativistische snelheden de massatoename zodanig toenemen dat er steeds minder snelheid bij komt, maar dan zitten we al diep in de tienduizenden kilometers per seconde.

[Benm]

Ik denk dat het daar wel op neer komt.

Neem gemakshalve even een zonnepaneel van 1 m2 dat 1 kW zonlicht opvangt, met 100% efficientie. Het enige wat je met die 1 kW kan doen is 1 kW straling uitzenden in een richting van je keuze. Eigenlijk is het daarmee gewoon een wat complexer zonnezeil.

Natuurlijk kun je wel meer momentum vergaren, maar dan heb je een propellant nodig. Je zou bijv met dat paneel een ionen-drive van energie kunnen voorzien, maar dat is qua gedachten experiment 'valsspelen': die ionen raken op, of je moet er oneindig veel aan boord hebben waardoor het voertuig niet meer te versnellen is.

[Michel Uphoff]

Dus levert naar jouw inzicht een fotonen aandrijving (dan geen propellant nodig) nimmer meer stuwkracht dan het resulterend momentum van de geabsorbeerde fotonen. Begrijp ik dat correct?

Klinkt logisch: Foton absorberen > negatieve impuls ondergaan > energie omzetten in een nieuw foton > foton uitzenden > gelijke maar tegengestelde positieve impuls ondergaan. Verliezen natuurlijk verwaarloosd.

[Bartjes]

http://nl.wikipedia.org/wiki/Foton#Formule_van_Planck

Is bovenstaande wat we nodig hebben?