Fragen Sie Ethan: Wie schnell kann die Lichtgeschwindigkeit erreicht werden?

Um eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, müsste eine mehrstufige Rakete mit zunehmender Geschwindigkeit einen Teil ihrer Masse fallen lassen, wie dies bei der hier gezeigten Super Haas-Rakete der Fall ist

Angenommen, Sie möchten eine interstellare Reise unternehmen und so schnell wie möglich an Ihr Ziel gelangen. Möglicherweise können Sie dies erst morgen tun, aber wenn Sie alle erforderlichen Tools und Technologien sowie ein wenig Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie hätten, könnten Sie in einem Jahr dorthin gelangen? Was ist mit der Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit? Dies ist, was unser Leser diese Woche seine Frage stellt:

Ich habe kürzlich ein Buch gelesen, dessen Autor versucht hat, das Zwillingsparadoxon zu erklären, indem er sich ein Raumschiff vorstellte, das 20 Jahre lang mit einer Beschleunigung von 1 g flog und dann zurückkehrte. Ist es möglich, eine solche Beschleunigung während einer solchen Zeit aufrechtzuerhalten? Wenn Sie beispielsweise am ersten Tag eines neuen Jahres eine Reise beginnen und mit einer Beschleunigung von 9,8 Metern pro Sekunde pro Sekunde fliegen, kann die Lichtgeschwindigkeit nach den Berechnungen bis Ende des Jahres erreicht werden. Wie kann man dann weiter beschleunigen?

Um zu den Sternen zu gelangen, muss diese Beschleunigung unbedingt beibehalten werden.


Dieser Start des Columbia-Raumfahrzeugs im Jahr 1992 zeigt, dass die Rakete nicht sofort beschleunigt - die Beschleunigung dauert lange

Die fortschrittlichsten Raketen und Jet-Antriebssysteme der Menschheit sind für eine solche Aufgabe nicht leistungsfähig genug, weil sie nicht so viel Beschleunigung erreichen. Sie sind beeindruckend, weil sie eine große Masse für eine ziemlich lange Zeit beschleunigen. Die Beschleunigung von Raketen wie Saturn 5, Atlas, Falcon und Sojus übersteigt jedoch nicht die Beschleunigung eines Sportwagens: von 1 auf 2 g, wobei g 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat beträgt. Was ist der Unterschied zwischen einer Rakete und einem Sportwagen? Das Auto erreicht sein Limit in 9 Sekunden bei rund 320 km / h. Eine Rakete kann so viel länger beschleunigen - nicht eine Sekunde oder Minute, sondern eine Viertelstunde.


Die NASA war die erste, die eine Apollo 4-Rakete vom Cape Kennedy Space Center aus startete. Obwohl sie wie ein Sportwagen beschleunigte, war ihr Schlüssel zum Erfolg die fortgesetzte Unterstützung dieser Beschleunigung.

Auf diese Weise können wir die Anziehungskraft der Erde überwinden und in die Umlaufbahn gelangen, andere Welten in unserem Sonnensystem erreichen oder sogar aus der Sonnenanziehung ausbrechen. Aber irgendwann werden wir das Limit erreichen - Sie können aufgrund der begrenzten Menge an transportiertem Kraftstoff für eine begrenzte Zeit beschleunigen. Der von uns verwendete Raketentreibstoff ist leider äußerst ineffizient. Sie haben Einsteins berühmte Gleichung E = mc ^{2 gesehen} , die Masse als Energieform beschreibt und die als Materie gespeichert werden kann. Unser wunderbarer Raketentreibstoff ist furchtbar ineffizient.


Der erste Teststart der SpaceX Raptor Engine Anfang 2016

Durch chemische Reaktionen wandelt der Treibstoff nicht mehr als 0,001% seiner Masse in Energie um, wodurch die dem Raumfahrzeug zur Verfügung stehende Höchstgeschwindigkeit stark eingeschränkt wird. Und genau deshalb ist eine Rakete mit einem Gewicht von 500 Tonnen erforderlich, um 5 Tonnen Nutzlast in die geostationäre Umlaufbahn zu bringen. Nuklearraketen wären effizienter und würden etwa 0,5% ihrer Masse in Energie umwandeln. Das ideale Ergebnis wäre jedoch Brennstoff aus Materie und Antimaterie, der eine Effizienz von 100% bei der Umwandlung von E = mc ^{2 erreicht} . Wenn Sie eine Rakete mit einer bestimmten Masse hätten, egal was passiert, und nur 5% dieser Masse in Antimaterie enthalten wären (und weitere 5% - in Einwegmaterie), könnten Sie die Vernichtung rechtzeitig kontrollieren. Infolgedessen würden Sie über einen viel längeren Zeitraum eine konstante und konstante Beschleunigung von 1 g erhalten, als dies bei jedem anderen Kraftstoff der Fall wäre.


Die Idee des Künstlers eines reaktiven Bewegungssystems mit Antimaterie. Die Vernichtung von Materie / Antimaterie ergibt die höchste Dichte an physikalischer Energie aller bekannten Substanzen

Wenn Sie eine konstante Beschleunigung benötigen, können Sie durch die Vernichtung von Materie / Antimaterie, die einige Prozent der Gesamtmasse ausmacht, mehrere Monate hintereinander mit dieser Geschwindigkeit beschleunigen. Auf diese Weise können Sie bis zu 40% der Lichtgeschwindigkeit erreichen, wenn Sie das gesamte US-Budget für die Erzeugung von Antimaterie ausgeben und 100 kg Nutzlast beschleunigen. Wenn Sie noch länger beschleunigen müssen, müssen Sie die Menge an Kraftstoff erhöhen, die Sie mitnehmen. Und je mehr Sie beschleunigen, desto näher sind Sie der Lichtgeschwindigkeit, desto mehr werden Sie die relativistischen Effekte bemerken.


Wie erhöht sich Ihre Geschwindigkeit im Laufe der Zeit, wenn Sie die Beschleunigung von 1 g für mehrere Tage, Monate, Jahre oder ein Jahrzehnt beibehalten?

Nach zehn Flugtagen mit einer Beschleunigung von 1 g umgehen Sie Neptun, den letzten Planeten des Sonnensystems. Nach einigen Monaten werden Sie eine Verlangsamung der Zeit und eine Verringerung der Entfernung bemerken. In einem Jahr erhalten Sie 80% der Lichtgeschwindigkeit. Nach 2 Jahren nähern Sie sich 98% der Lichtgeschwindigkeit. Nach 5 Flugjahren mit einer Beschleunigung von 1 g bewegen Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 99,99% der Lichtgeschwindigkeit. Und je länger Sie beschleunigen, desto näher kommen Sie der Lichtgeschwindigkeit. Aber du wirst es niemals erreichen. Darüber hinaus wird dies im Laufe der Zeit immer mehr Energie erfordern.


Die logarithmische Skala zeigt, dass je länger Sie beschleunigen, desto näher Sie der Lichtgeschwindigkeit kommen, aber Sie werden sie niemals erreichen. Selbst nach 10 Jahren erreichen Sie 99,9999999% der Lichtgeschwindigkeit, aber Sie werden sie nicht erreichen

Die ersten zehn Minuten der Beschleunigung erfordern eine bestimmte Energiemenge, und am Ende dieses Zeitraums bewegen Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 6 km / s. Nach weiteren 10 Minuten verdoppeln Sie die Geschwindigkeit auf 12 km / s, dies erfordert jedoch dreimal mehr Energie. Nach weiteren zehn Minuten bewegen Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 18 km / s, dies erfordert jedoch fünfmal mehr Energie als in den ersten zehn Minuten. Dieses Schema wird weiter funktionieren. In einem Jahr verbrauchen Sie bereits 100.000 Mal mehr Energie als zu Beginn! Außerdem wird die Geschwindigkeit immer geringer.


Die Längen werden verkürzt und die Zeit verlängert. Die Grafik zeigt, wie ein Raumschiff, das sich hundert Jahre lang mit einer Beschleunigung von 1 g bewegt, zu fast jedem Punkt des sichtbaren Universums reisen und von dort im Laufe eines menschlichen Lebens zurückkehren kann. Aber wenn er zurückkommt, wird zusätzliche Zeit auf der Erde vergehen

Wenn Sie ein Schiff mit einem Gewicht von 100 kg im Laufe des Jahres auf 1 g beschleunigen möchten, benötigen Sie 1000 kg Materie und 1000 kg Antimaterie. In einem Jahr werden Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 80% der Lichtgeschwindigkeit bewegen, aber Sie werden sie niemals übertreffen. Selbst wenn Sie unendlich viel Energie hätten. Eine konstante Beschleunigung erfordert eine konstante Erhöhung der Traktion. Je schneller Sie sich bewegen, desto mehr Energie wird für relativistische Effekte aufgewendet. Und bis wir herausfinden, wie wir die Verformung des Raums steuern können, bleibt die Lichtgeschwindigkeit die ultimative Begrenzung des Universums. Alles, was Masse hat, kann es nicht erreichen, geschweige denn übertreffen. Aber wenn Sie heute anfangen, werden Sie sich in einem Jahr dort befinden, wo noch kein makroskopisches Objekt erreicht hat!

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).