Wie schnell kann ein Raumschiff/Rakete maximal werden?

4 Antworten

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Die Grenze, die die Physik theoretisch zulässt, wäre annährend Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit wäre unerreichbar, auch bei ununterbrochener Beschleunigung.

In der Praxis: mit unserem Treibstoff, der irre schwer ist, ist es unvorstellbar auch nur annährend Geschwindigkeiten von Millionen km/h zu erreichen. Das aktuell schnellste menschengemachte Objekt (ich glaube Parker Solar Probe) fliegt weniger als 400.000 km/h.

Hier gibt es allerdings ein Problem: denn obwohl das Universum nur etwa ein Atom pro Kubikmeter hat, so würde die Reibung bei zunehmenden Geschwindigkeiten zunehmen und dich abbremsen. Bei hohen Geschwindigkeiten können selbst Kollisionen mit kleinsten Staubkörnern fatale Folgen haben. Das würde folglich Schutzsysteme erfordern, die aber eine umso höhere Masse hätte.

Wenn wir auf 0,1 c (10 % der Lichtgeschwindigkeit) beschleunigen wollen, müssten wir schon an diesem Punkt aufgeben, da es technisch nicht realisierbar ist, dass soviel Energie auf dem Raumschiff erzeugt wird. Hier müssten wir also externe Kräfte einbeziehen, z.B. mit Solarsegeln - nur wäre schon bei 10 AE die Distanz so groß, dass sich Solarmodule nicht zur Energieerzeugung eignen.

Wir müssen also weiter die Physik ausschlachten: wenn ich einen Elefanten mit 5000 kg und einen Mann mit 80 kg Gewicht habe - für wen muss ich mehr Energie aufwenden, um ihn zu bewegen?

Korrekt, den Mann - denn er wiegt weniger. Gleichzeitig lehrt aber die Spezielle Relativitätstheorie die Abhängigkeit einer Masse von der Geschwindigkeit. Die Masse wird größer, je schneller sich der Körper bewegt.

Folglich heißt es: mehr Beschleunigung = mehr Masse = mehr erforderliche Energie. Ohne nachzurechnen würden wir bei 0,1 c also eine höhere Energie brauchen als bei 0,05 c, bei 0,3 c wiederum eine noch höhere und bei 0,5 c eine noch höhere - und das immer so weiter, da der Körper immer schwerer wird. Annährend der Lichtgeschwindigkeit hätten wir eine formal unendliche bewegte Masse. Wir brauchen also unendlich Energie, um die erforderliche unendliche Geschwindigkeit zu erreichen, die für die unendliche Masse anfällt.

Ich persönlich halte ein bemanntes Raumschiff für 600.000 - 1.000.000 km/h für umsetzbar. Allerdings wäre es unmöglich auch nur annährend oder gar vollständig Lichtgeschwindigkeit zu erreichen.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Synoptische Meteorologin

IGoHard  26.05.2024, 15:31

Bei schnellerer Bewegung bleibt die tatsächliche Masse gleich, die scheinbare/relativistische Masse wird größer
Physiker sprechen meist von Energie eines Objekts statt von scheinbarer Masse

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Skyler0003  26.05.2024, 15:41
@IGoHard

Was soll die tatsächliche Masse sein, meinst du die Ruhemasse?

Nein, Physiker sprechen da nicht von Energie. Es ist de facto die Masse, nicht die Energie. Die erforderliche Energie zur Beschleunigung und konstanten Geschwindigkeit nimmt unter höheren Geschwindigkeiten zu, da die Masse zunimmt. Das stimmt schon so.

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IGoHard  26.05.2024, 23:04
@Skyler0003

.
Intrinsische Masse
ist die tatsächliche, unveränderliche Masse und ist unabhängig von seiner Bewegung.

Relativistische Masse ist die Masse aus der Sicht eines Beobachters, wenn sich das Objekt relativ zum Beobachter bewegt.
Sie ist eine scheinbare Masse, weil sie von der Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Beobachter abhängt.

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Skyler0003  26.05.2024, 23:28
@IGoHard

Intrinsische Masse ist synonym für Ruhemasse.

SRT sagt in Bezug auf Relativistische Masse sagt aus, dass Masse geschwindigkeitsabhängig ist. Mehr Geschwindigkeit = mehr Masse.

Alles genauso, wie es in meinem Beitrag steht.

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Kaenguruh  11.06.2024, 22:49
@Skyler0003

Doch, Physiker sprechen da von Energie. Das Konzept der Ruhemasse ist überholt, aber nicht falsch! Die moderne Interpretation der SRT spricht von der Masse als Invariante. Was relativistisch zunimmt ist tatsächlich die Energie und nicht die Masse. Es gilt E = 𝞬 m. Wobei in natürlichen Einheiten gerechnet wird, also c = 1.

ACHTUNG: Dies ist lediglich eine Frage der Definition.

Lies hierzu "Physik der Raumzeit" von Taylor und Wheeler.

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Skyler0003  12.06.2024, 06:05
@Kaenguruh
Es gilt E = 𝞬 m.

Wir reden von Ruhemasse oder intrinsischer Masse, da beträgt der Lorentz-Faktor 1.

Lies hierzu "Physik der Raumzeit" von Taylor und Wheeler.

Notiert!

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Kaenguruh  12.06.2024, 10:51
@Skyler0003

Das weiß ich, es geht um die Energie, die zunimmt bei relativ bewegten Körpern und nicht die relativistische Masse. Diesen Begriff gibt es in diesem Buch nicht mehr. Den Begriff der Ruhemasse auch nicht, da ,'Pläonasmus' Sorry für evtl unklare Formulierung meinerseits.

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Etienne07  26.05.2024, 17:52

Kurzer Fakt am Rande hier: Die Parker Solar Probe wird auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne zunehmend schneller - sie wird mit ziemlicher Sicherheit noch die 690.000 km/h erreichen

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Skyler0003  26.05.2024, 18:00
@Etienne07

Das stimmt, 690.000 km/h sollen zwischen 2025 und 2028 erreicht werden.

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Die einzige Grenze wäre rein theoretisch die Lichtgeschwindigkeit gegenüber dem Beobachter.

Antriebstechnisch gibt es keine Geschwindigkeitsgrenze: Zwar ist der Treibstoffvorrat zur Beschleunigung begrenzt. Diese Grenze fällt aber beim solaren Antrieb weg. Dabei ist die Leistung vergleichsweise sehr gering, dementsprechend lange dauert es bis zur Erreichung der Zielgeschwindigkeit. Unter dem rein technischen Gesichtspunkt haben wir aber kein Zeitlimit und damit auch keine Geschwindigkeitsgrenze.

Es gibt bei Weltraumraketen ohnehin keinen direkten Zusammenhang zwischen Antriebstechnik und Geschwindigkeit, weil die Geschwindigkeit relativ ist.

Die Geschwindigkeit ist nur in Bezug auf das jeweils willkürlich ausgewählte Bezugssystem bestimmbar wie z.B. ein Baum auf der rotierenden Erdoberfläche, die Erdachse, das Sonnensystem, die um die Milchstraßenachse rotierende Sonne u.s.w.

Alles klar soweit, oder noch Fragen dazu?

Da die Entwickelten Antriebe immer effizienter werden, kann man es nicht genau sagen. Umso mehr ein Objekt beschleunigt wird, nimmt seine Masse zu. Auf Lichtgeschwindigkeit hätte ein Raumschiff eine unendliche Masse. Das würde bedeuten, wir müssten eine unendliche Kraft und Energie aufwenden um Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Da dies unmöglich ist, können wir uns der Lichtgeschwindigkeit nur nach und nach annähern.


Kimanon 
Fragesteller
 26.05.2024, 04:12

Auch ein Sandkorn hätte bei C die Masse von ganz Universum

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apophis  26.05.2024, 05:42
@Kimanon
Auch ein Sandkorn hätte bei C die Masse von ganz Universum

Wie kommst Du darauf?

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Rassler38  26.05.2024, 04:15

Für die Frage ist theoretisch der Antrieb sogar irrelevant siehe Voyager 1 &2. Deren Geschwindigkeit wurde nur zu einem Bruchteil mit dem Antrieb verursacht. Das meiste kommt von Flugmanövern um Planeten.

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EdgerunnerX  26.05.2024, 04:21
@Rassler38

Die Energie wird durch diese Manöver generiert. Um es präziser zu formulieren, umso schneller ein Objekt bewegt werden soll, desto mehr Energie muss aufgewendet werden.

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Rassler38  26.05.2024, 04:24
@EdgerunnerX

Ist mir bewusst. Mir geht es darum, dass der Antrieb von einem Raumschiff nicht die maximale Geschwindigkeit vorgibt. Streng genommen tut das ja auch nicht mal der Antrieb, sondern wieviel Treibstoff man dabei hat.

Es spielt nur eine Rolle wieviel Energie man der Rakete geben kann und nicht wie das erreicht wird.

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EdgerunnerX  26.05.2024, 04:31
@Rassler38

Habe ich doch im Post vorher noch einmal genauer formuliert. Es muss Energie aufgewendet werden. Sei es indem man durch bestimmte Manöver beschleunigt oder durch einen Antrieb.

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dompfeifer  28.05.2024, 12:00

"Da die Entwickelten Antriebe immer effizienter werden, ...."

Nein, das ist völlig belanglos hinsichtlich der Fragestellung. Mit der "Effizienz der Antriebe" kann die Beschleunigung mehr oder weniger vergrößert werden. Und je größer die Beschleunigung, umso weniger Zeit wird beansprucht zur Erreichung einer bestimmten Geschwindigkeit gegenüber dem Startpunkt. Ein Geschwindigkeits-Maximum ergibt sich daraus keinesfalls. Siehe dazu meine obige Antwort.

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EdgerunnerX  28.05.2024, 15:42
@dompfeifer

Falsch. Effizientere Antriebe = Weniger Energieverlust durch die Umwandlung eines Mediums in Bewegungsenergie = Potenziell entweder längere Beschleunigung oder stärkere. Einfach weil Effizienz heißt, dass ich mehr aus der Energie herausholen kann, die ich in ein Gerät gebe, das ein Objekt beschleunigen soll.

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dompfeifer  28.05.2024, 18:21
@EdgerunnerX

Da finde ich keinen Fehler: Ich schrieb oben durchaus in Deinem Sinne:

"Mit der "Effizienz der Antriebe" kann die Beschleunigung mehr oder weniger vergrößert werden"

Das ist so zu verstehen, dass mit dem jeweils gegebenen Energieeinsatz bei größerer Effizienz eine größere Beschleunigung erzielt wird.

Dazu stellte ich in Bezug auf die Fragestellung fest, dass sich aus der technischen Effizienz des Antriebs kein Geschwindigkeitslimit ergeben kann, solange kein zeitliches Limit vorgegeben ist. Die jeweilige Zielgeschwindigkeit wird bei größerer Effizienz nur schneller erreicht.

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EdgerunnerX  28.05.2024, 20:17
@dompfeifer

Der Haken ist und bleibt dabei einfach, dass man sich dem derzeit bekannten Limit nur annähern, aber nie erreichen kann. Und vergleichsweise sind wir ohnehin Schnecken verglichen mit dem Licht... Naja... nicht einmal das.

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EdgerunnerX  30.05.2024, 00:53
@dompfeifer

Overall schon. Oder wie denkst du wird ein Raumschiff initial beschleunigt? Erzeugte Leistung kann mit effizienter Technik leichter gesteigert werden. Sowohl Leistung, wie auch Drehmoment. Oder wie denkst du schafft man es immer neue Geschwindigkeitsrekorde aufzustellen? Und warum waren Propeller Flugzeuge langsamer als Düsenjäger? Klar weil wir die Bauform verbessert haben, aber auch weil wir unsere Antriebe weiter entwickelt haben. Das gleiche ist doch wieso man in der F1 trotz vorgegebener Spritmenge im laufe des Jahres immer stärkere Motoren baut die immer höhere Geschwindigkeiten ermöglichen.

Hätte der Antrieb keine Auswirkung auf das alles, dann würde man im Motorsport nicht versuchen immer effizientere und stärkere Antriebe zu bauen. Das ist genau das gleiche Prinzip, nur deutlich langsamer als das was ein Spaceshuttle erreichen kann. Aber dennoch ein beweis, dass ein Antrieb wichtig für das Erreichen eines Limits ist.

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dompfeifer  30.05.2024, 13:39
@EdgerunnerX

Nein, da unterliegst Du einem gravierenden physikalischen Irrtum!

"Hätte der Antrieb keine Auswirkung auf das alles, dann würde man im Motorsport nicht versuchen immer effizientere und stärkere Antriebe zu bauen."

Bei der Fahrzeugtechnik (wie z.B. beim "Motorsport") ist die Geschwindigkeit des über den Erdboden rollenden Fahrzeugs von einer Antriebstechnik abhängig, mittels deren Leistung die mit zunehmender Geschwindigkeit wachsenden Reibungskräfte (Rollreibung, Luftreibung u.s.w.) bewältigt werden müssen. Da ist die erzielbare Geschwindigkeit zwischen Straße und Straßenfahrzeug durch die zugeführte Leistung begrenzt. Nach Abschaltung des Antriebs geht die Geschwindigkeit gegen null durch die Reibungen.

Bei der Raumfahrt dagegen ist bei abgeschaltetem Triebwerk die Geschwindigkeit gegenüber dem Startpunkt ewig konstant, solange keine Kollision eintritt (also eine äußere Kraft). Das antriebslose Raumschiff befindet sich im freien Fall. Durch den Rückstoßantrieb kann die Geschwindigkeit in jede beliebige Richtung geändert werden, d.h. das Raumschiff wird auf diese Weise beschleunigt. Dabei bringen kleine Antriebsleistungen eben kleine Beschleunigungen und größere Antriebsleistungen entsprechend größere Beschleunigungen. Das erfordert absolut keine Mindestleistung! Mit schwächerem Antrieb wird für die beliebige Zielgeschwindigkeit nur mehr Zeit beansprucht:

Geschwindigkeit = Beschleunigung mal Zeit

Wie soll dabei die Endgeschwindigkeit begrenzt sein bei hinreichender Zeit?

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Alles was Masse hat kann nur bis kurz vor Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Theoretisch gesehen