Kommt der Sternenprojektor? Elektromagnetischer Schlitten könnte knappe Ressourcen zur Erde schleudern

Es gibt viele wissenschaftliche Einrichtungen, aber einige davon sind vom Moment ihrer „Geburt“ an dazu bestimmt, die Gehirne zu öffnen, wie zum Beispiel der elektromagnetische Schlitten!

Elektromagnetischer Schlitten, Bild aus dem Screenshot von CCTV News.

Im Oktober 2022 wurde im chinesischen Shandong die weltweit erste elektromagnetische Schlittenanlage erfolgreich in Betrieb genommen. Als großes strategisches Kooperationsprojekt zwischen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Provinz Shandong kann der elektromagnetische Schlitten Objekte mit einem Gewicht von über einer Tonne auf eine Geschwindigkeit von 1.030 Kilometern pro Stunde beschleunigen.

Wenn viele Science-Fiction-Fans den elektromagnetischen Schlitten zum ersten Mal sehen, müssen sie unweigerlich an den „Massenprojektor“ denken, der oft in Science-Fiction-Werken auftaucht.

Ein Massenprojektor, auch Massenbeschleuniger genannt, ist ein Werkzeug, das elektromagnetische Beschleunigung nutzt.

Auch wenn es Unterschiede in den technischen Details und Namen gibt, sind der elektromagnetische Schlitten, der Massenprojektor und das elektromagnetische Katapult auf Flugzeugträgern im Hinblick auf die zugrundeliegenden Prinzipien eigentlich dasselbe.

Seit der Erfindung des Massenprojektors sind mehr als hundert Jahre vergangen und seine derzeit bekannteste Anwendung ist wahrscheinlich das elektromagnetische Katapult auf Flugzeugträgern.

Was schränkt die groß angelegte und schnelle Entwicklung von Massenprojektoren ein?

Die Antwort ist die Erde selbst.

Wie kann man das Problem lösen? Verändere einen Planeten.

01 Einschränkungen von der Erde

Derzeit können elektromagnetische Schlitten Objekte mit einem Gewicht von über einer Tonne auf eine Geschwindigkeit von 1.030 Kilometern pro Stunde beschleunigen. Kann die Geschwindigkeit durch technologische Verbesserungen und eine erhebliche Maßstabserweiterung in Zukunft auf 2.000 oder sogar 3.000 Kilometer pro Stunde gesteigert werden?

Theoretisch sollte dies möglich sein. Aber es ist äußerst schwierig und kostspielig.

Wenn wir den elektromagnetischen Hebel durch Elektronen mit viel kleinerer Masse ersetzen, erhalten wir den linearen Teilchenbeschleuniger, den wir kennen. Beispielsweise kann der 3,2 Kilometer lange lineare Teilchenbeschleuniger SLAC an der Stanford University in den USA Elektronen mit einer Energie von 50 GeV auf 99,99999999 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Luftaufnahme des linearen Teilchenbeschleunigers SLAC, Bild aus Wikipedia.

Tatsächlich stellt die Vergrößerung des elektromagnetischen Schlittens um das Fünf- oder gar Zehnfache nicht die größte Schwierigkeit dar.

Die größte Schwierigkeit geht von der Erdatmosphäre aus.

Es besteht kein Zweifel, dass der Luftwiderstand umso größer ist, je höher die Antriebsgeschwindigkeit ist. Wenn der Widerstand ein bestimmtes Niveau erreicht, wird es äußerst schwierig, die Antriebsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen, und die Kosten werden unerschwinglich.

Einige Internetnutzer könnten sagen, dass elektromagnetische Beschleunigung in einem horizontalen Vakuumtunnel durchgeführt werden kann. Würde man dadurch nicht den atmosphärischen Widerstand vermeiden?

Ja, das ist möglich. Lassen wir die Kosten und Schwierigkeiten zunächst einmal außer Acht und sagen wir nur eines: In diesem Vakuumtunnel beschleunigen Sie ein mehrere Tonnen schweres Raumschiff auf die dreifache oder sogar fünffache Schallgeschwindigkeit, und was dann? Werden Sie einen Crashtest damit durchführen?

Vergessen Sie nicht, dass der ursprüngliche Zweck des Massenprojektors darin bestand, den kostengünstigen Start von Raumfahrzeugen zu unterstützen.

Einige Internetnutzer fragen sich vielleicht: Was wäre, wenn wir den Tunnel in eine extrem stabile große Röhre verwandeln und diese vertikal aufstellen würden, sodass sie bis in den Himmel reicht? Wäre es in diesem Fall nicht möglich, das Raumschiff in den Himmel zu bringen?

Nun, was diese Frage betrifft, warten wir ab, bis Sie eine große Rohrleitung mit einer vertikalen Höhe von mehr als zehn Kilometern konstruieren, die standhält.

Was auch immer Sie sich vorstellen, die NASA hat bereits daran gedacht. Bildnachweis: NASA.

Da die Erde nicht funktioniert, wechseln wir zu einem anderen Planeten.

02 Mondbasis

Es ist äußerst schwierig vorherzusagen, wann etwas passieren wird, und meistens liegt es außerhalb der menschlichen Kontrolle.

Aber vorherzusagen, ob etwas passieren wird, ist viel einfacher.

Wir möchten Letzteres tun.

Es besteht kein Zweifel, dass Menschen eine Mondbasis bauen werden, wenn nicht in diesem Jahrhundert, dann im nächsten oder im übernächsten Jahrhundert. Kurz gesagt: Es wird unweigerlich etabliert werden. Das ist eine menschliche Besessenheit.

Eine geplante Mondbasis. Bildnachweis: NASA, Kitmacher.

Da die Mondbasis früher oder später errichtet wird, können Sie im Vorfeld Ihrer Fantasie freien Lauf lassen:

Wenn China in Zukunft eine Mondbasis baut, wie kann es dann extrem kostengünstige Raumfahrzeuge zum Mond bringen?

Herkömmliche Raketenstarts benötigen Treibstoff, und das Gleiche gilt für den Start zum Mond. Auf dem Mond gibt es nur zwei mögliche Treibstoffquellen.

Eine Möglichkeit besteht darin, es von der Erde zu holen, was jedoch extrem kostspielig ist. Dieser Ansatz wurde bei der Apollo-Mondlandung verfolgt.

Mondlandemodul von Apollo 11. Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA.

Der Transport von Treibstoff von der Erde zum Mond mag gelegentlich in Ordnung sein, aber wenn Sie auf diese Weise eine Mondbasis unterhalten möchten, wird dieses Modell fast alle Länder abschrecken, die eine Mondbasis bauen möchten.

Ein anderes Modell besteht darin, Mineralien auf dem Mond zu zersetzen und daraus dann Treibstoff zu synthetisieren. Beim aktuellen Stand der Technik sind Schwierigkeitsgrad und Durchführbarkeit dieses Modells völlig unbekannt. Selbst wenn dies in Zukunft möglich wäre, könnten die Kosten höher sein als der Transport von der Erde aus.

Und wenn es möglich ist, Materialien auf dem Mond zu synthetisieren, dann sollte in Wirklichkeit nicht Treibstoff synthetisiert werden, sondern die Quelle des Lebens – Wasser.

Daher ist es am besten, häufig Raumfahrzeuge zum Mond zu starten, um die vorteilhaften Ressourcen des Mondes voll auszunutzen. Die Frage ist: Welche Ressourcen sind auf dem Mond von großem Nutzen?

Die Antwort ist Solarenergie.

Die Tageslänge auf dem Mond beträgt 14 Erdentage und in Gebieten mit direkter Sonneneinstrahlung kann die Temperatur bis zu 150 Grad Celsius erreichen. Bei derart reichlich vorhandener Sonnenenergie gibt es kein großes Problem, egal ob es sich um die Stromerzeugung durch Photovoltaik oder Solarthermie handelt.

Auf diese Weise wird der Mond auf derselben Fläche durch die im Vergleich zur Erde um ein Vielfaches reichhaltigeren Sonnenenergieressourcen zwangsläufig mit einer nahezu unerschöpflichen Elektrizitätsversorgung ausgestattet sein. Der elektromagnetische Schlitten verwendet nur Elektrizität, daher ist es naheliegend, einen elektromagnetischen Schlitten zu verwenden, um ein Raumschiff zum Mond zu starten.

03 Vorteile des elektromagnetischen Schlittens auf dem Mond

Der erste Vorteil ist natürlich die Vakuumumgebung auf dem Mond. Als die Apollo-Raumsonde auf dem Mond landete, betrug das gemessene Mondvakuum nur 10 hoch -10 Pascal. Das bedeutet, dass auf dem Mond ein extrem hohes Vakuum herrscht – im Vergleich zu herkömmlichen Teilchenbeschleunigern für hohe Energien liegt der Vakuumgrad in seinem Beschleunigungskanal ebenfalls auf dem Niveau eines extrem hohen Vakuums.

Für das Leben ist Vakuum ein Problem. aber für den elektromagnetischen Schlitten ist das Vakuum das Paradies.

Ohne atmosphärischen Widerstand hängt die Geschwindigkeit, mit der Sie ein Raumfahrzeug antreiben möchten, hauptsächlich von zwei Faktoren ab:

Das eine ist die Größe des elektromagnetischen Schlittens, das andere ist die Stromversorgung.

Je größer der elektromagnetische Schlitten ist, desto mehr Land wird er beanspruchen. Die gute Nachricht ist jedoch, dass derzeit noch freies Land auf dem Mond vorhanden ist.

Massenprojektor. Bildnachweis: NASA.

Was die Stromversorgung betrifft, müssen Sie sich, wie bereits erwähnt, keine Sorgen machen. Ausreichende Solarressourcen können ausreichend Strom liefern.

Das Wichtigste dabei ist, dass dieser Strom mithilfe eines Schwungrads gespeichert werden kann. Die bevorzugte Umgebung des Schwungrad-Energiespeichers ist zufällig ein Vakuum. Je besser das Vakuum, desto länger kann das Schwungrad Energie speichern.

Der zweitgrößte Vorteil ist die geringe Schwerkraft auf dem Mond.

Die Masse des Mondes beträgt 0,0123 der Masse der Erde und seine Schwerkraft beträgt nur ein Sechstel der Erdanziehungskraft. Daher beträgt die Fluchtgeschwindigkeit auf dem Mond nur 2,38 Kilometer pro Sekunde. Wenn die Geschwindigkeit 1,32 Kilometer pro Sekunde erreicht, kann es zu einem Satelliten werden, der den Mond umkreist.

1,32 Kilometer pro Sekunde, ist diese Geschwindigkeit wirklich unerreichbar? Tatsächlich ist dies nicht der Fall.

Einige kinetische panzerbrechende Projektile auf der Erde haben eine Mündungsgeschwindigkeit von bis zu 1,74 Kilometern pro Sekunde. Mit anderen Worten: Wenn dieses panzerbrechende Projektil in einer Vakuumumgebung abgefeuert werden kann, kann der Abschuss einer Granate auf den Mond diesen zu einem Satelliten des Mondes machen.

Einheitenumrechnung, das Bild ist ein Screenshot nach der Berechnung auf der Webseite.

Die geringe Schwerkraft des Mondes führt zu einer geringeren Fluchtgeschwindigkeit und Mondumlaufgeschwindigkeit. Sofern der elektromagnetische Schlitten das Raumfahrzeug auf Mach 3,88 beschleunigen kann, kann es zu einem Mondsatelliten werden, und wenn es auf Mach 7 beschleunigt wird, kann es vom Mond entkommen.

An diesem Punkt könnten einige Internetnutzer sagen: Ist es angemessen, ein elektromagnetisches Schlittenkatapult in solch großem Maßstab für eine Mondbasis zu bauen?

Es ist geeignet. Denn dies könnte die einzige Weltraumstartbasis auf dem gesamten Mond sein. Nach der Fertigstellung können alle Mondlandeprojekte anderer Länder es gegen eine Gebühr nutzen.

Und schließlich kann der elektromagnetische Schlitten, nachdem die Basis errichtet ist, beim Abbau dieser extrem seltenen, aber äußerst wertvollen Mineralien auf der Erde auch dazu verwendet werden, die verpackten seltenen Ressourcen direkt in die Wüste oder das grenzenlose Grasland der Erde zu schleudern.

Kurz gesagt: Es scheint schwierig vorherzusagen, wie der elektromagnetische Schlitten in Zukunft auf der Erde eingesetzt werden wird.

Aber auf dem Mond haben wir schon im Voraus darüber nachgedacht.

Autor: Hanmu Diaomeng, ein populärwissenschaftlicher Autor und Gewinner des „National Excellent Popular Science Work Award“ des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.