Kann ein Raumschiff mit nur einem Atemzug weggeblasen werden?

Wenn ich sage, dass ich Tiangong-1 mit einem Atemzug in den Schatten stellen kann, werden viele Leute mich bestimmt fragen, ob ich damit prahle? Mit meinem Atem kann ich nur ein Blatt A4-Papier wegblasen, aber wenn ich erst einmal den Weltraum erreiche, kann ich mit Sicherheit ein Raumschiff wegblasen.

Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz müssen Sie eine Kraft auf ein Objekt ausüben, wenn Sie es bewegen möchten. Wir bewegen uns vorwärts, indem wir uns auf die Reibung zwischen unseren Fußsohlen und dem Boden verlassen. Würden wir in die Luft gehoben, hätten wir keine Möglichkeit, Kraft auszuüben und könnten uns nicht vorwärts bewegen. Wie also erhält ein Raumschiff Kraft, nachdem es in die Weiten des Weltraums geschossen wurde?

Die ursprünglich stationäre Rakete konnte mithilfe der Schubkraft des Gases erfolgreich ins All geschossen werden, und das Gleiche gilt für die Antriebsquelle des Raumfahrzeugs. Es gibt drei Hauptmethoden, um einen Luftstrom auszustoßen: Die erste ist eine physikalische Methode, bei der zum Antrieb hauptsächlich Druckgasstrahlen verwendet werden. Es hat eine einfache Struktur, aber eine geringe Effizienz. Die zweite Methode ist die chemische, bei der Schub durch die Injektion von chemischem Treibstoff erzeugt wird, der schnell expandierende Gase verbrennt. Es ist sehr stark, aber sperrig. Der dritte Typ ist der elektrische Antrieb, und der Hall-Antrieb ist der am weitesten verbreitete. Es treibt das Raumfahrzeug an, indem es einen Ionenstrom mit hoher Geschwindigkeit ausstößt, um eine Reaktionskraft zu erzeugen. Die Frage ist also: Ionen sind geladene Atome. Können Ionen in der mikroskopischen Welt Raumfahrzeuge in der makroskopischen Welt antreiben? Kann dieser Ionenfluss stark sein?

Der Nachteil des Hall-Antriebs besteht darin, dass sein Schub gering ist. Wie klein ist es? Die auf der Raumstation Tiangong installierten Hall-Triebwerke verfügen jeweils über einen Ausgangsschub von lediglich 80 Millinewton. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass dies nur ein Stück Papier schieben kann! Aber vergessen Sie nicht, dass es im Weltraum grundsätzlich keinen Widerstand gibt. Obwohl 80 Millinewton eine geringe Kraft sind, reicht sie aus, um eine Hunderte Tonnen schwere Raumstation anzutreiben. Mit anderen Worten: Auch wenn der geringe Schub ein Fehler ist, überwiegen seine Vorteile seine Nachteile. Denn der Hall-Antrieb verfügt über die Vorteile der „drei Hochs“: hoher spezifischer Impuls, hohe Geschwindigkeit und hohe Energieeffizienz.

Der spezifische Impuls stellt den Schub dar, der durch die Masseneinheit des Treibstoffs erzeugt wird. Genau wie bei einem Pferd gilt: Je weniger Gras es frisst und je weiter es läuft, desto höher ist der spezifische Impuls. Bei gleichem Triebwerksgewicht können Hall-Triebwerke den zehnfachen Schub herkömmlicher Raketentriebwerke erzeugen.

Die Strahlgeschwindigkeit hängt mit der Endgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs zusammen. Die maximale Strahlgeschwindigkeit herkömmlicher Raketentriebwerke beträgt drei bis vier Kilometer pro Sekunde, während Hall-Triebwerke 10 bis 80 Kilometer pro Sekunde erreichen können.
Herkömmliche Raketentriebwerke brennen schnell und sind auf große Kraft angewiesen, um Wunder zu vollbringen. Allerdings ist ihre Arbeit nicht von langer Dauer, sie dauert normalerweise nur drei- oder vierhundert Sekunden, was gerade ausreicht, um uns von der Erde wegzubringen. Hall-Triebwerke hingegen können Tausende von Stunden lang ununterbrochen arbeiten und ermöglichen so eine kontinuierliche Beschleunigung des Raumfahrzeugs, sodass interstellare Reisen kein Traum mehr sind.

Im Januar 2022 wurde das neueste Hall-Triebwerk meines Landes mit einem maximalen Schub von 4,6 Newton erfolgreich getestet. Der spezifische Impuls und die Energieeffizienz übertrafen den höchsten Rekord der Vereinigten Staaten und erreichten Weltklasseniveau. Jetzt können Sie es glauben: Der kraftvolle „Atem“ des Hall-Triebwerks verleiht dem Raumschiff nicht nur einen neuen Glanz, sondern läutet auch den Weckruf für unseren Marsch ins Sternenmeer ein.

(Der Autor ist Assistenzprofessor an der Strategic Support Force Aerospace Engineering University und Zweitpreisträger des 9. National Science Popularization Explanation Competition)