Interstellare Raumfahrt: Ramjet

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Bussard Ramjet

Der interstellare Ramjet wurde 1960 vom Physiker Robert W. Bussard vorgeschlagen. Die Grundidee besteht darin, dass ein Ramjet seinen Treibstoff bei hoher Geschwindigkeit aus dem Interstellaren Medium (ISM) bezieht.

Der gewaltige Vorteil dieses Konzeptes besteht darin, dass ein solches Raumschiff seinen Treibstoff und Reaktionsmasse nicht mit sich führen muss. Wenn wir den Widerstand durch das Medium zunächst ignorieren, könnte ein Ramjet permanent beschleunigen und damit enorm hohe Geschwindigkeiten erreichen, bis hin zu beliebigen Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit.

Praktisch wird der Widerstand der sich durch das Verdichten des Mediums ergibt mit steigender Geschwindigkeit zunehmen, so dass sich letztlich eine Grenzgeschwindigkeit ergibt, bei der der erzeugte Schub den Geschwindigkeitsverlust gerade ausgleichen kann.

Die Fragen die bei einem Ramjet analysiert werden müssen sind also:

• Ist das ISM als Treibstoff geeignet?
• Wie kann es eingesammelt werden?
• Wie hoch ist der entstehende Widerstand?
• Welcher Schub kann erzeugt werden?

Das ursprüngliche Konzept

Im ursprüngliche Konzept ging Bussard davon aus, dass das ISM zu einem Großteil aus ionisiertem Wasserstoff besteht. Diese Ionen können mittels elektrischer oder magnetischer Felder verdichtet werden. Eine Fusionsreaktion (Proton-Proton) könnte aus jeweils 4 Protonen ein Helium(4)-Ion sowie 26.73 MeV an Energie. Die freiwerdende Energie wird genutzt um einerseits das Ramfeld aufrecht zu erhalten, andererseits um die Fusionsprodukte beschleunigt auszustoßen.

Beispiel 1:

Um ein Gefühl für die Zahlen zu bekommen, gehen wir zunächst davon aus das das ISM zu 100% aus ionisertem Wasserstoff (Protonen) besteht. Ein Proton hat eine Masse von $1,66*10^{-27}kg$.

Unser Ramjet soll pro Sekunde 1g Treibstoff einsammeln, also: $1,66*(10^{27}*10^{-3})=1,66*10^{24}$Atome

Bei einer Dichte von 0.2 Atomen / cm³ finden wir pro m³ also 200.000 Atome. Das sind pro m³ also etwa: $332*10^{-21}g$.

Nehmen wir nun an unser Ramscoop bewegt sich zunächst mit einer Geschwindigkeit von 50 km/s. Also wird pro m² Fläche der Ramschaufel 50.000m³ Volumen mit insgesamt $50.000*332*10^{-21}g=1,66*10^{-14}g$ Masse eingefangen. Um insgesamt auf 1g zu kommen müssen wir also eine Fläche von $1,66*10^{14}m^{2}$ abdecken. Das entspricht $1,66*10^{8}km^{2}=166.000.000km^{2}$.

Wenn wir von einer kreisförmigen Ramschaufel ausgehen ergibt sich ein Radius von: $R={\sqrt {A/pi}}={\sqrt {1,66/3.14159}}*{\sqrt {10^{8}}}=0,5284*10^{4}km=5284km!$

Wenn unsere Schaufel in (mindestens) 5300 km Entfernung Ionen beeinflussen soll muss das elektrische oder magnetische Feld in dieser Entfernung mindestens so stark wie das natürliche Feld der Galaxis sein.

Das galaktische elektrische Feld besitzt eine Stärke von $1,6*10^{-19}V/m$, das galaktische Magnetfeld 0.1 nanotesla ( $1*10^{-6}$ gauss). (5 µGauss, 30nT sind andere Werte). Die Feldstärke des Sammelfeldes nimmt mit 1/d³ proportional zur Distanz zum Generator ab. D.h. ein Magnetfeld muss am Generator eine Stärke von

$X=Tesla$ erreichen.

Zum Vergleich: die supraleitenden Magneten am LHC operieren zeitweise bei 8.3 Tesla, das Feld mit stärkster stetiger magnetischer Flussdichte wird an der Florida State University mit 45 Tesla erzeugt. Gepulst lassen sich bis zu 80 Tesla erzeugen.

Interstellares Medium in unserer Nachbarschaft

Der Raum zwischen den Sternen ist nicht vollständig leer. Zwar ist das Vakuum des interstellaren Raumes weit reiner, als jedes Vakuum, das derzeit künstlich erzeugt werden kann[1], dennoch finden sich auch dort Partikel, die beständig von den Oberflächen der Sterne emittiert werden.

Im wesentlichen setzt sich das interstellare Medium zu 99% aus Gasen und zu 1% aus Staub zusammen. Der gasförmige Anteil besteht wiederum zu 89% aus Wasserstoff, 9% Helium und 2% schwereren Elementen.

Das interstellare Medium hat für die gesamte Milchstraße im Durchschnitt eine Dichte von 0.5 Atomen / cm³ [4]. Diese Gase sind jedoch nicht gleichmäßig verteilt, vielmehr lassen sich unterschiedliche Zonen mit unterschiedlicher Dichte feststellen: [2-2a]

Unser Sonnensystem befindet sich in der Local Interstellar Cloud[3], wo die durchschnittliche Dichte nur 0.26 Atome / cm². Damit ist unsere unmittelbare Umgebung zwar nur etwa 1/5 so dicht, wie der Durchschnitt des ISM, aber immer noch doppelt so dicht, wie das Gas in der Lokalen Blase, die eine Dichte von nur 0.1 Atom / cm³ besitzt.