Laserantrieb – Wikipedia

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Laserantrieb ist eine Form eines strahlgetriebenen Antriebs, bei dem die Energiequelle ein entferntes (normalerweise bodengestütztes) Lasersystem ist und von der Reaktionsmasse getrennt ist. Diese Form des Antriebs unterscheidet sich von einer herkömmlichen chemischen Rakete, bei der sowohl Energie als auch Reaktionsmasse von den an Bord des Fahrzeugs mitgeführten festen oder flüssigen Treibmitteln stammen.

Ein Laserstart-Wärmetauscher-Triebwerkssystem

Geschichte[edit]

Die Grundkonzepte eines photonengetriebenen “Segel” -Antriebssystems wurden von Eugene Sanger und dem ungarischen Physiker György Marx entwickelt. Antriebskonzepte mit lasergesteuerten Raketen wurden in den 1970er Jahren von Arthur Kantrowitz und Wolfgang Moekel entwickelt.[1] Eine Ausstellung von Kantrowitz ‘Ideen für Laserantriebe wurde 1988 veröffentlicht.[2]

Laserantriebssysteme können auf zwei verschiedene Arten Impulse auf ein Raumfahrzeug übertragen. Der erste Weg nutzt den Photonenstrahlungsdruck, um die Impulsübertragung voranzutreiben, und ist das Prinzip hinter Sonnensegeln und Lasersegeln. Die zweite Methode verwendet den Laser, um die Masse wie bei einer herkömmlichen Rakete aus dem Raumfahrzeug auszutreiben. Dies ist die am häufigsten vorgeschlagene Methode, die jedoch durch die Raketengleichung in den endgültigen Geschwindigkeiten der Raumfahrzeuge grundlegend begrenzt ist.

Lasergeschobenes Lichtsegel[edit]

Lasergeschobene Segel sind Beispiele für strahlgetriebene Antriebe.

Lasergeschobenes Lichtsegel[edit]

Ein lasergeschobenes Lichtsegel ist ein dünnes reflektierendes Segel, das einem Sonnensegel ähnelt, bei dem das Segel eher von einem Laser als von der Sonne geschoben wird. Der Vorteil des Lichtsegelantriebs besteht darin, dass das Fahrzeug weder die Energiequelle noch die Reaktionsmasse für den Antrieb trägt, und daher werden die Einschränkungen der Tsiolkovsky-Raketengleichung zum Erreichen hoher Geschwindigkeiten vermieden. Die Verwendung eines lasergeschobenen Lichtsegels wurde ursprünglich 1966 von Marx vorgeschlagen.[3] als eine Methode des interstellaren Reisens, die extrem hohe Massenverhältnisse vermeiden würde, wenn kein Kraftstoff transportiert wird, und 1989 vom Physiker Robert L. Forward detailliert analysiert.[4] Eine weitere Analyse des Konzepts wurde von Landis durchgeführt,[5][6] Mallove und Matloff,[7]Andrews[8] und andere.

Der Strahl muss einen großen Durchmesser haben, damit nur ein kleiner Teil des Strahls aufgrund von Beugung das Segel verfehlt, und die Laser- oder Mikrowellenantenne muss eine gute Richtungsstabilität aufweisen, damit das Fahrzeug seine Segel schnell genug kippen kann, um der Mitte zu folgen des Strahls. Dies wird wichtiger, wenn Sie von interplanetaren Reisen zu interstellaren Reisen wechseln und von einer Vorbeiflugmission zu einer Landemission zu einer Rückmission. Der Laser kann alternativ eine große phasengesteuerte Anordnung kleiner Geräte sein, die ihre Energie direkt aus Sonnenstrahlung beziehen.

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Das lasergeschobene Segel wird vom Breakthrough Starshot-Projekt als Methode zum Antreiben einer kleinen interstellaren Sonde vorgeschlagen.

Eine andere Methode, um ein viel größeres Raumschiff auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen, ist die Verwendung eines Lasersystems, um einen Strom von viel kleineren Segeln anzutreiben. Jedes alternative Minisegel wird durch einen Laser aus dem Heimsystem verlangsamt, so dass sie mit ionisierenden Geschwindigkeiten kollidieren. Die ionisierenden Kollisionen könnten dann verwendet werden, um mit einem starken Magnetfeld auf dem Raumfahrzeug zu interagieren, um eine Kraft bereitzustellen, um es anzutreiben und zu bewegen. Eine Erweiterung der Idee besteht darin, Kernmaterial auf den Minisegeln zu haben, das gespalten oder verschmolzen wird, um eine viel stärkere Kraft bereitzustellen, aber die Kollisionsgeschwindigkeiten müssten viel höher sein.

Photonenrecycling[edit]

Metzgar und Landis schlugen eine Variante des lasergeschobenen Segels vor, bei der die vom Segel reflektierten Photonen wiederverwendet werden, indem sie von einem stationären Spiegel zurück zum Segel reflektiert werden. ein “Multi-Bounce-Lasersegel”.[9] Dies verstärkt die Kraft, die durch das Recycling der Photonen erzeugt wird, was zu einer erheblich höheren Kraft führt, die mit derselben Laserleistung erzeugt wird. Es gibt auch eine photonische Multi-Bounce-Segelkonfiguration, die eine große Fresnellinse um ein Lasergenerierungssystem verwendet. In dieser Konfiguration strahlt der Laser Licht auf ein Sondensegel, das es nach außen beschleunigt, und wird dann durch die Fresnellinse zurückreflektiert, um von einer größeren, massiveren Reflektorsonde reflektiert zu werden, die in die andere Richtung geht. Das Laserlicht wird viele Male hin und her reflektiert, wodurch die übertragene Kraft verbessert wird. Wichtig ist jedoch, dass die große Linse in einer stabileren Position bleibt, da sie nicht stark vom Impuls des Laserlichts beeinflusst wird.

Ein optischer Hohlraum ermöglicht eine stärkere Wiederverwendung von Photonen, aber das Halten des Strahls im Hohlraum wird viel schwieriger. Ein optischer Hohlraum kann mit zwei hochreflektierenden Spiegeln hergestellt werden, die einen optischen Fabry-Pérot-Resonanzhohlraum bilden, in dem jede kleine Bewegung von Spiegeln den Resonanzzustand und den photonischen Nullschub zerstören würde. Solche optischen Hohlräume werden zur Gravitationswellendetektion wie bei LIGO wegen ihrer extremen Empfindlichkeit gegenüber der Bewegung des Spiegels verwendet. Bae schlug ursprünglich vor[10] aus diesem Grund Photonenrecycling zur Verwendung in einem Flug mit Nanometergenauigkeitsbildung von Satelliten zu verwenden. Bae entdeckte jedoch[11] In einem aktiven optischen Hohlraum, der aus zwei Spiegeln mit hohem Reflexionsvermögen und einem dazwischen liegenden Laserverstärkungsmedium besteht, wird das Photonenrecycling ähnlich wie beim typischen Laserresonator weniger empfindlich für die Bewegung von Spiegeln. Bae nannte das Laserstrahlruder basierend auf dem Photonenrecycling in einem aktiven optischen Hohlraum Photonic Laser Thruster (PLT).[12] 2015 demonstrierte sein Team mit einem 500-W-Lasersystem die Anzahl der Photonenrecycling bis zu 1.540 über eine Entfernung von wenigen Metern und photonische Stöße bis zu 3,5 mN. In einer Labordemonstration[13] Ein Cubesat (0,75 kg Gewicht) wurde mit PLT angetrieben.[14]

Laserbetriebene Rakete[edit]

Es gibt verschiedene Formen von Laserantrieben, bei denen der Laser als Energiequelle verwendet wird, um dem an Bord der Rakete beförderten Treibmittel Impuls zu verleihen. Die Verwendung eines Lasers als Energiequelle bedeutet, dass die dem Treibmittel zugeführte Energie nicht durch die chemische Energie des Treibmittels begrenzt ist.

Laser-Thermorakete[edit]

Die Laser-Thermorakete (Wärmetauscher (HX)) ist eine Thermorakete, bei der das Treibmittel durch Energie erwärmt wird, die von einem externen Laserstrahl bereitgestellt wird.[15][16] Der Strahl erwärmt einen festen Wärmetauscher, der seinerseits ein inertes flüssiges Treibmittel erwärmt und es in heißes Gas umwandelt, das durch eine herkömmliche Düse ausgestoßen wird. Dies ähnelt im Prinzip dem kernthermischen und solarthermischen Antrieb. Durch die Verwendung eines großen flachen Wärmetauschers kann der Laserstrahl direkt auf den Wärmetauscher scheinen, ohne die Optik auf das Fahrzeug zu fokussieren. Das HX-Triebwerk hat den Vorteil, dass es mit jeder Laserwellenlänge und sowohl mit CW- als auch mit gepulsten Lasern gleich gut funktioniert und einen Wirkungsgrad von nahezu 100% aufweist. Das HX-Triebwerk wird durch das Wärmetauschermaterial und durch Strahlungsverluste auf relativ niedrige Gastemperaturen, typischerweise 1000 – 2000 ° C, begrenzt. Für eine gegebene Temperatur wird der spezifische Impuls mit der Reaktionsmasse mit minimalem Molekulargewicht und mit Wasserstoff-Treibmittel maximiert liefert einen ausreichenden spezifischen Impuls von bis zu 600 – 800 Sekunden, der im Prinzip hoch genug ist, um einstufige Fahrzeuge in die Erdumlaufbahn zu bringen. Das HX-Laserstrahlkonzept wurde 1991 von Jordin Kare entwickelt.[17] Ein ähnliches thermisches Mikrowellenantriebskonzept wurde 2001 von Kevin L. Parkin bei Caltech unabhängig entwickelt.

Eine Variation dieses Konzepts wurde von Prof. John Sinko und Dr. Clifford Schlecht als redundantes Sicherheitskonzept für Vermögenswerte im Orbit vorgeschlagen.[18] Pakete mit eingeschlossenen Treibmitteln sind an der Außenseite eines Raumanzugs angebracht, und Auslasskanäle verlaufen von jedem Paket zur anderen Seite des Astronauten oder Werkzeugs. Ein Laserstrahl von einer Raumstation oder einem Shuttle verdampft das Treibmittel in den Packungen. Der Auspuff wird hinter den Astronauten oder das Werkzeug geleitet und zieht das Ziel in Richtung der Laserquelle. Um den Ansatz zu bremsen, wird eine zweite Wellenlänge verwendet, um das Äußere der Treibmittelpakete auf der nahen Seite abzutragen.

Ablativer Laserantrieb[edit]

Ablativer Laserantrieb (ALP) ist eine Form eines strahlgetriebenen Antriebs, bei dem ein externer gepulster Laser verwendet wird, um eine Plasmafahne von einem festen Metalltreibmittel abzubrennen und so Schub zu erzeugen.[19] Der gemessene spezifische Impuls kleiner ALP-Aufbauten ist mit etwa 5000 s (49 kN · s / kg) sehr hoch, und im Gegensatz zu dem von Leik Myrabo entwickelten Leichtfahrzeug, das Luft als Treibmittel verwendet, kann ALP im Weltraum eingesetzt werden.

Das Material wird mit hoher Geschwindigkeit durch Laserablation mit einem gepulsten Laser direkt von einer festen oder flüssigen Oberfläche entfernt. Je nach Laserfluss und Pulsdauer kann das Material einfach erwärmt und verdampft oder in Plasma umgewandelt werden. Der ablative Antrieb funktioniert in Luft oder Vakuum. Spezifische Impulswerte von 200 Sekunden bis zu mehreren tausend Sekunden sind durch Auswahl der Treibmittel- und Laserpulseigenschaften möglich. Variationen des ablativen Antriebs umfassen einen Doppelpulsantrieb, bei dem ein Laserpuls Material ablatiert und ein zweiter Laserpuls das abgetragene Gas weiter erwärmt, einen Lasermikroantrieb, bei dem ein kleiner Laser an Bord eines Raumfahrzeugs sehr kleine Mengen Treibmittel zur Lagesteuerung oder zum Manövrieren ablatiert. und Entfernung von Weltraummüll, bei dem der Laser Material von Trümmerteilchen in der Erdumlaufbahn ablatiert, ihre Umlaufbahnen ändert und sie wieder eintreten lässt.

Antriebsforschungszentrum der Universität von Alabama, Huntsville[20] hat ALP erforscht.[21]

Gepulster Plasmaantrieb[edit]

Ein energiereicher Impuls, der in einem Gas oder auf einer von Gas umgebenen festen Oberfläche fokussiert ist, führt zu einem Zusammenbruch des Gases (normalerweise Luft). Dies verursacht eine expandierende Stoßwelle, die Laserenergie an der Stoßfront absorbiert (eine lasergestützte Detonationswelle oder LSD-Welle); Die Ausdehnung des heißen Plasmas hinter der Stoßfront während und nach dem Impuls überträgt den Impuls auf das Fahrzeug. Gepulster Plasmaantrieb unter Verwendung von Luft als Arbeitsfluid ist die einfachste Form des luftatmenden Laserantriebs. Das rekordverdächtige Leichtschiff, das von Leik Myrabo vom RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) und Frank Mead entwickelt wurde, arbeitet nach diesem Prinzip.

Ein weiteres Konzept des gepulsten Plasmaantriebs wird von Prof. Hideyuki Horisawa untersucht.[22]

CW-Plasmaantrieb[edit]

Ein kontinuierlicher Laserstrahl, der in einem strömenden Gasstrom fokussiert ist, erzeugt ein stabiles lasergestütztes Plasma, das das Gas erwärmt. Das heiße Gas wird dann durch eine herkömmliche Düse expandiert, um Schub zu erzeugen. Da das Plasma die Wände des Motors nicht berührt, sind sehr hohe Gastemperaturen möglich, wie beim nuklearen thermischen Antrieb des Gaskerns. Um jedoch einen hohen spezifischen Impuls zu erreichen, muss das Treibmittel ein niedriges Molekulargewicht haben; Wasserstoff wird normalerweise für den tatsächlichen Gebrauch mit spezifischen Impulsen um 1000 Sekunden angenommen. Der CW-Plasmaantrieb hat den Nachteil, dass der Laserstrahl entweder durch ein Fenster oder unter Verwendung einer speziell geformten Düse präzise in die Absorptionskammer fokussiert werden muss. CW-Plasma-Triebwerksexperimente wurden in den 1970er und 1980er Jahren hauptsächlich von Dr. Dennis Keefer von UTSI und Prof. Herman Krier von der University of Illinois in Urbana-Champaign durchgeführt.

Laserelektrischer Antrieb[edit]

Eine allgemeine Klasse von Antriebstechniken, bei denen die Laserstrahlleistung in Elektrizität umgewandelt wird, die dann eine Art elektrisches Antriebsstrahlruder antreibt.

Ein kleiner Quadcopter ist 12 Stunden und 26 Minuten geflogen und wurde von einem 2,25-kW-Laser (der mit weniger als der Hälfte seines normalen Betriebsstroms betrieben wird) mit 170-Watt-Photovoltaik-Arrays als Leistungsempfänger aufgeladen.[23] und es wurde gezeigt, dass ein Laser die Batterien eines unbemannten Luftfahrzeugs im Flug 48 Stunden lang auflädt.[24]

Für Raumfahrzeuge wird der laserelektrische Antrieb als Konkurrent des solarelektrischen oder nuklearelektrischen Antriebs für den Antrieb mit geringem Schub im Weltraum angesehen. Leik Myrabo hat jedoch einen elektrischen Hochdruck-Laserantrieb vorgeschlagen, bei dem mithilfe der Magnetohydrodynamik Laserenergie in Elektrizität umgewandelt und Luft um ein Fahrzeug für den Schub elektrisch beschleunigt wird.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Michaelis, MM und Forbes, A. 2006. Laserantrieb: eine Überprüfung. Südafrikanisches Wissenschaftsjournal, 102(7/8), 289 & ndash; 295
  2. ^ A. Kantrowitz, in Tagungsband der Internationalen Laserkonferenz ’87, FJ Duarte, Ed. (STS Press, Mc Lean, VA, 1988).
  3. ^ G. Marx, “Interstellares Fahrzeug mit Laserstrahl” Nature, Vol. 211Juli 1966, S. 22-23.
  4. ^ RL Forward, “Roundtrip Interstellar Travel Using Laser-Pushed Lightsails” J. Spacecraft and Rockets. 21S. 187-195 (März-April 1989)
  5. ^ GA Landis, “Überlegungen zu Optik und Materialien für ein Lasersegel-Lichtsegel”, Papier IAA-89-664 (Text)
  6. ^ GA Landis, “Kleine interstellare Sonde mit lasergeschobenem Lichtsegel: Eine Studie über Parametervariationen”, J. British Interplanetary Society. 504, S. 149-154 (1997); Papier IAA-95-4.1.1.02,
  7. ^ Eugene Mallove & Gregory Matloff (1989). Das Starflight-Handbuch. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3.
  8. ^ DG Andrews, “Kostenüberlegungen für interstellare Missionen”, Papier IAA-93-706
  9. ^ RA Metzger und GA Landis, “Multi-Bounce Laser-Based Sails”, STAIF-Konferenz über WeltraumforschungstechnologieAlbuquerque NM, 11.-15. Februar 2001. AIP Conf. Proc. 552397. doi:10.1063 / 1.1357953
  10. ^ Bae, Young (2007-09-18). “Photon Tether Formation Flight (PTFF) für verteilte und fraktionierte Raumarchitekturen”. AIAA SPACE 2007 Konferenz & Ausstellung. Reston, Virginia: Amerikanisches Institut für Luft- und Raumfahrt. doi:10.2514 / 6.2007-6084. ISBN 9781624100161.
  11. ^ Bae, Young K. (2008). “Photonischer Laserantrieb: Proof-of-Concept-Demonstration”. Zeitschrift für Raumfahrzeuge und Raketen. 45 (1): 153–155. doi:10.2514 / 1.32284. ISSN 0022-4650.
  12. ^ Bae, Young (2007-09-18). “Photonischer Laserantrieb (PLP): Photonenantrieb unter Verwendung eines aktiven resonanten optischen Hohlraums”. AIAA SPACE 2007 Konferenz & Ausstellung. Reston, Virginia: Amerikanisches Institut für Luft- und Raumfahrt. doi:10.2514 / 6.2007-6131. ISBN 9781624100161.
  13. ^ Youtube Video
  14. ^ Bae, Young (2016). “Demonstration eines photonischen Laserstrahlruders der mN-Klasse”. ResearchGate. Internationale Konferenz für Hochleistungslaserablation und gerichtete Energie. Abgerufen 2018-11-22.
  15. ^ H. Krier und RJ Glumb. “Konzepte und Status des lasergestützten Raketenantriebs”, Zeitschrift für Raumfahrzeuge und RaketenVol. 21, No. 1 (1984), S. 70-79.
    https://dx.doi.org/10.2514/3.8610
  16. ^ “Laser Thermal Propulsion”. Antrieb zum Erhöhen und Manövrieren der Umlaufbahn: Forschungsstatus und -bedarf. 1984. S. 129–148. doi:10.2514 / 5.9781600865633.0129.0148. ISBN 978-0-915928-82-8.
  17. ^ [1] Archiviert 24. Juli 2011 an der Wayback-Maschine
  18. ^ “Lasertraktorstrahlen könnten verlorene Astronauten einholen”.
  19. ^ “Claude AIP 2010” (PDF).
  20. ^ “UAH Propulsion Research Center”. Abgerufen 18. März, 2014.
  21. ^ Grant Bergstue; Richard L. Fork (2011). “Strahlungsenergie für ablativen Antrieb im erdnahen Raum” (PDF). Internationale Astronautische Föderation. Archiviert von das Original (PDF) am 18. März 2014. Abgerufen 18. März, 2014.
  22. ^ “Archivierte Kopie”. Archiviert von das Original am 2017-02-07. Abgerufen 2017-02-06.CS1-Wartung: Archivierte Kopie als Titel (Link)
  23. ^ Kare / Nugent et al. “12-Stunden-Schwebeflug: Flugdemonstration eines lasergesteuerten Quadrocopters” Archiviert 2013-05-14 an der Wayback-Maschine LaserMotive, April 2010. Abgerufen: 12. Juli 2012.
  24. ^ “Laser treibt Lockheed Martins Stalker UAS 48 Stunden lang an” sUAS News, 11. Juli 2012. Abgerufen: 12. Juli 2012.

Externe Links[edit]


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