Reizen bijna lichtsnelheid

[TimS]

Hypothetische vraag uiteraard;
Stel we vinden een ruimteschip uit dat met klassieke voortstuwing ongeveer 90% kan behalen van de lichtsnelheid, dat zou energie-technisch nog wel haalbaar moeten zijn. Dat ruimteschip zal vanaf aarde moeten gaan versnellen vanaf 0 tot de gewenste snelheid. Een astronaut kan natuurlijk maar een bepaalde versnelling aan, uitgedrukt in G. Hoe lang (in afstand en in tijd) zal het dan ongeveer duren voordat het schip deze eindsnelheid kan behalen? En heeft het schip voor deceleratie dezelfde tijd nodig?

[Michel Uphoff]

Als we uitgaan van de aangename constante versnelling van 1 G, zal het ruimteschip na 2 jaar (gemeten op Aarde) een snelheid hebben van 90% van de lichtsnelheid (0,9c = 269.809 km/s)
Op het ruimteschip wijst de klok geen 2 jaar, maar slechts 1,56 jaar aan. De afgelegde afstand is 1,25 lichtjaar.
 
De kinetische energie van 1 kg massa met een relatieve snelheid van 0,9 c is 116.000 TJ. Dat is wel een heel groot probleem, want een kg waterstof/zuurstof mengsel verbranden levert ongeveer 13,4 MJ op. Je zou dus ongeveer 8.700.000 kg van deze brandstof nodig hebben om die ene kg die fantastische snelheid te geven. Maar, die brandstof moet ook mee versneld worden en dat kost per kg ... et cetera.
 
Als de astronaut ook weer met die aangename 1 G wil afremmen tot 'stilstand' t.o.v. de Aarde, dan kost dat ook weer 2 aardjaren en zijn de afstand, de reisduur en het energieverbruik verdubbeld. Na 4 aardjaren en 3,12 schipjaren is de afgelegde afstand dan 2,5 lichtjaar, en het energieverbruik 232.000 TJ per kg.
 
Als je wil weten welke formules hier achter zitten, laat dat dan maar weten.

[TimS]

Beste Michel,
 
Bedankt voor je heldere antwoord.
Inderdaad is fossiele brandstof een beetje een probleem voor de complete reis. Dat zal waarschijnlijk een combinatie worden van verbrandingsmotor en ionen-motor. Plus wat natuurlijk nodig is is een soort hyperslaap voor de astronaut(en), er vanuit gaande dat we mensen sturen.
Stel we ontdekken een interessante planeet bij Proxima Centauri dan is een ruimteschip ongeveer 6 aardjaren onderweg.
Dit lijkt mij toch wel haalbaar ergens in de komende 50 jaar.

[Michel Uphoff]

Dit lijkt mij toch wel haalbaar ergens in de komende 50 jaar.

 
Niels Bohr grapte eens: Voorspellen is erg moeilijk, vooral als het om de toekomst gaat.
 
Maar ik denk niet dat het realistisch is te verwachten dat de mensheid binnen 50 jaar in staat is een interstellaire trip met astronauten te ondernemen. Er zijn heel veel beren en leeuwen op die weg, waarvan een van de belangrijkste de fantastische hoeveelheid benodigde energie is.
 
Zoals ik meldde, levert de waterstof-zuurstof verbranding veel te weinig energie voor een haalbare voortstuwing tot deze extreem hoge (relativistische) snelheden. Hoe zit het dan met andere energievormen?
 
Een ideale ionenmotor kan een hoog rendement halen, maar verbruikt behalve de stuwstof (xenon) ook energie om de ionen te versnellen. Die energie komt bij reizen tussen de planeten nu van zonnepanelen. Maar aan zonnepanelen heb je buiten de baan van pakweg Saturnus niets meer, omdat de kracht van de invallende straling van de Zon daar te gering wordt. En als je vervolgens brandstof mee moet nemen, dan krijg je weer het probleem dat ik eerder schetste.
 
Een fusiemotor is dan een volgende kandidaat. Maar betrouwbare kernfusie gedurende lange tijd hoeven we zeker niet de komende 30 jaar te verwachten, en dan hebben we het over installaties van industriële afmetingen. Voordat dat in iets betrouwbaars en zeer compacts is om te vormen zijn we zo weer een paar decaden verder. Maar zelfs als ik daar te somber over ben, dan nog blijft het energieprobleem recht overeind:
 
De fusie van 1 kg deuterium/tritium levert 338 TJ op. Om 1 kg materie een snelheid van 0,9c te geven is (zie eerste antwoord) ruim 116.000 TJ nodig. M.a.w. voor iedere kg nuttige lading is dan ruim 340 kg fusiebandstof nodig, maar al die kilo's brandstof moeten natuurlijk ook meegezeuld worden samen met een omhulsel en een reactor wat in totaal gigantische hoeveelheden brandstof vereist. En wil je dat de astronauten weer terug kunnen keren naar de Aarde (wel zo humaan), dan zal de benodigde hoeveelheid brandstof weer ruwweg verviervoudigen (2 jaar versnellen, 2 jaar afremmen, omkeren, 2 jaar versnellen, 2 jaar afremmen). Deze reis is dan over slechts 1,25 lichtjaar, de dichtstbijzijnde ster ligt op ruim 4 lichtjaar.
 
Het zal vast wel in te schatten zijn hoeveel fusiebrandstof zo'n interstellaire reis op 0,9 c topsnelheid nodig heeft. Een wel heel ruwe poging: Je kan stellen dat om een payload van 100 ton (ongeveer de massa van de Space Shuttle, bescheiden gezien de vluchtduur en alle benodigde life-support systemen) een snelheid van 0,9 c te geven er 100.000 * 116.000 TJ = 11.600 exajoule nodig is. En daar komt dan bij dat die brandstof zelf een grote massa heeft en dat de raket zelf veel meer weegt dan de payload, waardoor je naar schatting nog makkelijk 10 keer (Space Shuttle orbiter - totaalsysteem verhouding is 1:20) hoger voor de energiebehoefte uitkomt en dat vermenigvuldigd met 4 voor een behouden heen- en terugreis. Dan kom je rond pakweg 0,5 miljoen exajoule uit. Het wereld energieverbruik ligt op ongeveer 500 exajoule per jaar. 1000 keer het huidige jaarlijkse wereld energieverbruik in een raket!
 
Ik vrees dat we binnen een eeuw en waarschijnlijk langer niet in staat zullen zijn zulke fantastische hoeveelheden energie in zo'n beperkte ruinte op te slaan.
 
Dan blijven er nog system over die geen brandstof hoeven mee te zeulen, zoals het onlangs met wat tam-tam geopperde idee van aandrijving dmv extreem krachtige laserbundels vanaf de Aarde die micro ruimtevaartuigjes in zeer korte tijd een reusachtige snelheid zouden moeten geven. Maar daar komen versnellingen (30.000+ G) aan te pas die absoluut niet te overleven zijn. En zelfs de haalbaarheid van die microsonde's van enkele grammen die met 0,2 c in twintig jaar naar de meest nabije ster zouden kunnen reizen valt ernstig te betwijfelen. Zie daarvoor ondermeer DIT topic.

[Aromater]

Prachtige theorieen. Lijkt me dat bedenken en berekenen het beste en leukste deel is van dit soort reizen. De ruimte lijkt me erg vijandig en ongezond, of het is plaatselijk leeg of vol straling