Was ist der bisher stärkste und effizienteste Raumschiffantrieb entwickelte oder in der Theorie und wie funktioniert er?

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CHEMISCH:
Der bisher schubstärkste Antrieb in der Praxis ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung, technisch beherrschbar und umweltfreundlich, da das Abfallprodukt Wasser ist.

Die Kombination Fluor/Sauerstoff könnte das noch toppen; allerdings ist Fluor sehr aggressiv und nur schwer handhabbar - und alle Zähne der Welt müssen ja auch noch damit geputzt werden, wenn man der Werbung glauben schenken will.

Das alles wäre noch zu steigern mit "Superchemie": Atomarer oder metallischer Wasserstoff. Der erste ist bisher nicht lagerfähig, der zweite funktioniert nur bei extrem hohen Drücke (>2 Mio. bar). Könnte in den tiefen Schichten der Jupiteratmosphäre vorhanden sein.

ELEKTRISCH:
Elektrische Antriebe liefern unabhängig vom Konzept (elektrothermisch, elektrostatisch, elektromagnetisch) kleine Schubbeschleunigungen, aber über lange Zeiträume. Sie funktionieren nur im Vakuum und eignen sich nicht für einen Start von einer Planetenoberfläche. Durch die langen Beschleunigungsperioden kommen hohen Fluggeschwindigkeiten zusammen.
Strom gibt es von Sonnenpaddeln oder Radionuklidbatterien.

NUKLEAR:
Vier Möglichkeiten: 1. Radioisotope, 2. Kernspaltung, 3. Kernverschmelzung, 4. Materiezerstrahlung

a) Die Stützmasse, das Arbeitsmedium, wird durch einen Reaktor, dessen Kern fest, flüssig oder gasförmig ist, geschickt, erhitzt und treibt dadurch das Raumschiff an. Hoher Schub verfügbar, auch für den Start von einer Planetenoberfläche, aber Spaltmaterial dringt mit nach außen. Bisher gab es ein Konzept (NERVA) und auch nur für Festkern-Reaktoren. Die anderen beiden Vorschläge liefern mehr Leistung, sind aber nur Theorie und technologisch für die nächsten Jahrzehnte oder das nächste Jahrhundert von einer Beherrschung noch weit entfernt. Anwendung eines Festkernreaktors in einer hohen Umlaufbahn wäre aber jetzt schon möglich.

b) Kleine (Atom)bomben! bzw. Pellets explodieren entweder in einer geschlossenen „Brennkammer“ und heizen das Arbeitsmedium auf oder sie explodieren „offen“ hinter dem Heck des Raumschiffs und die auftreffende Druckwelle (durch verdampfendes Material) trifft auf eine Druckplatte und treibt das Raumschiff an. Das Konzept lief mal unter dem Namen ORION. Die Pellest müssten eine spezielle Form haben, damit ein möglichst vollständiger Strahl die Druckplatte treffen würde. 

ORION wurde eingehend untersucht und stellte sich als das leistungsfähigste Antriebssystem heraus. Es gibt auch keine wissenschaftlichen Hindernisse oder naturgesetzliche Beschränkungen; nur die Technik bedarf noch einiger Fortschritte. 

Eine ingenieurmäßig sehr gut ausgearbeitete Studie gab es mal unter dem Namen DAEDALUS von der BIS, der „British Interplanetary Society“.

c) Materiezerstrahlung, die berühmte Photonenrakete. Durch Materie-/Antimateriezerstrahlung wird die größte bisher bekannte Energiemenge freigesetzt: pro kg 25 Milliarden kWh. Probleme: Die Menge der Antimaterie. Bisher erzeugt von CERN und Fermilab etwa 140 Nanogramm pro Jahr. Das Konzept ICAN legt diese Zerstrahlung auch als internen Pulsdetonationsantrieb aus. Benötigt würden für einen Marsflug ca. 10 Gramm Antimaterie; das ist aktuell weit jenseits aller absehbaren Produktionmöglichkeiten. Die Lagerung: Antimaterie kann nicht in festen Tanks gelagert werden. Speicherung in elektrischen Wechselfeldern ist für einige Minuten möglich.
Würde eine Zerstrahlung erfolgen, um damit das Raumschiff anzutreiben, entsteht extrem harte Röntgenstrahlung. Die müsste gebündelt werden zu einem Strahl; eine Lösung ist noch nicht in Sicht.

Andere Antriebe wie Bussard-Ramjet oder Warpantrieb (durch Verzerrung der Raumzeit), Nutzung von Gravitation, elektromagnetischer Strahlung aus dem Weltraum oder auch „Sonnensegel“, bei denen der Strahlungsdruck der Sonne auf ein Segel trifft und z. B. einen Raumfrachter vorwärtstreibt, sind bisher rein theoretische Konzepte. Gerade der Warpantrieb würde Energien benötigen, die jenseits aller vorstellbaren Physik und Technik liegen und wäre auch nicht das „stärkste“ Triebwerk, da er keinen Vortrieb im Sinne der klassischen Mechanik liefert.

Fazit: Der chemisch stärkste Antrieb - und beherrschbar - ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung. Nuklear für große Nutzlasten und Start aus Umlaufbahnen (wegen der Strahlungsgefahr) bietet der ORION-Antrieb ein technisch evtl. machbares Konzept. Der Rest ist für die nächsten Jahrhunderte - oder das nächste Jahrtausend. 

Hinsichtlich der Effizienz müssen wir erst einmal zwischen zwei grundsätzlichen Einsatzbereichen von Raumschiffantrieben mit völlig verschiedenen Anforderungen unterscheiden: 1. Start von einem Planeten in den Raum, 2. Navigation im Raum.

Für den ersten Fall braucht man sehr leistungsstarke Antriebe. Dazu nutzt man flüssige Brennstoffe.

Beim 2. Fall lässt sich Leistung durch Zeit ersetzen. Hier kommt es v.a. darauf an, möglichst wenig Rückstoßmasse einzusetzen. Hier taugen z.B. solarthermische, elektrothermische, elektromagnetische, elektrostatische und nukleare Antriebe.

Hallo TheDeadserius,

ich würde mal sagen, der bisher effizienteste Antrieb ist der "Alcubierre-Antrieb". Er basiert auf den Einsteinschen Feldgleichungen (Gleichungen, mit denen sich das  Verhalten von Raum und Zeit beschreiben lassen) und beschreibt die Felddynamik des Raumes um das Schiff herum. Vorne ist die Raumzeit (das gemeinsame Kontinuum aus Raum und Zeit) gedehnt und hinten gestreckt. Diese Verzerrung bewegt sich dann durch den Raum und nimmt das Schiff wie in einer Raumzeitblase mit.

Das Wichtig dabei: Das Raumschiff bewegt sich nicht selbst, es ruht im Raum, während sich der Raum drumherum bewegt. Sehr schwierig sich vorzustellen. Es ist wie ein Laufband. Du bewegst dich zwar auf dem Laufband, aber du bleibst trotzdem auf der Stelle.

Der Alcubierre-Antrieb ist rein theoretisch, es kann aber berechnet werden, welchen Antriebsstoff man für solch ein seltsames Werk bräuchte.
 Dabei handelt es sich um sogenannte "exotische Materie". Den Begriff musst du jetzt einfach mal googlen, das kann man nicht so schnell erklären. Jedenfalls braucht man diese, damit sich der Raum (oder die Raumzeit, nicht egal, aber trotzdem) so krümmt, dass man ihn wie oben erwähnt zur Fortbewegung nutzen kann.

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