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[SF: Redshift] Schiffsdesign und Technologie

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Funktionalist:
Ist ein geiles Zeug.
Jetzt brauchen wir noch durchsichtige, größenvariable, reißfeste, selbstversiegelnde Membranen mit guter Wärme und Strahlungsisolation um richtig Sexy-Schiffe zu bauen.^^
Quasi das durchsichtige latech zur Netzstrumpfhose. ~;D

Feuersänger:
Animiert von Waldviechs zeitgenössischem SF-Thread habe ich hier wieder mal in meinen Aufzeichnungen gewühlt und daran noch ein wenig rumgebastelt. Ich greife mal hier den Faden wieder auf:


--- Zitat von: Feuersänger am  5.08.2011 | 14:03 ---Ein interessantes Konzept für "Heavy Lifter" ist das sogenannte "Liberty Ship", was eine senkrechtstartende Rakete von der Größe einer Saturn V darstellt, die aber dank nuklearem Antrieb (genauer: NTR Gas/Closed) glatt 1000 Tonnen Nutzlast in den Orbit und wieder zurück bringen kann. Das ist aber mehr brachial als elegant.
--- Ende Zitat ---

Nochmal die Infos zum Liberty Ship zum Nachlesen:
http://www.projectrho.com/rocket/surfaceorbit.php#id--GCNR_Liberty_Ship
(es sind tatsächlich 900 metrische Tonnen Nutzlast, nicht 1000)

Mir ist hier aufgefallen, dass dieses Konzept des Mr Tate doch ziemlich halbgar ist; wenn wir mal davon ausgehen dass die Triebwerke wirklich so gebaut werden könnten, wäre dieses Schiff dennoch ein gewaltiger Energieverschwender. Er hat sich in den Kopf gesetzt, dass das Schiff a) die Startmasse einer Saturn-V besitzen und b) Wasserstoff als Stützmasse verwenden soll. Dabei hat er aber außer acht gelassen, dass die Triebwerke in dieser Spezifikation mit 560 Gigawatt etwa vierzehnmal (14x!) mehr Leistung entwickeln als die gesamte erste Stufe der original Saturn-V, und das führt den ganzen Sinn und Zweck der Skalierung ad absurdum. Man müsste glatt befürchten, dass die Triebwerksstrahlen das Startgelände in einen Lavasee verwandeln.

Jedenfalls habe ich das ganze Konzept, wie heisst es so schön, auf Basis der GCNR-Triebwerke "reimagined". Als Maßstab verwende ich ebenfalls die Startmasse der Saturn V, etwa 2.700 Tonnen. Nun sieht es so aus:
- als Treibstoff nehmen wir nicht Wasserstoff, sondern Wasser. Dadurch sinkt die maximale V_e von 30km/s auf 15km/s. Das macht aber nix, solange wir eine delta-V nicht über ebenfalls 15km/s anstreben.
- eigentlich sind aber 15km/s völlig überlaboriert; vor allem wenn wir von einem Setting mit orbitaler Infrastruktur reden - da kann das Schiff bei Bedarf im Orbit neu betankt werden. Kurzum, 10km/s delta-V reichen dicke aus.
- die größte Energieeffizienz erreichen wir wenn delta-V = V_e, also stellen wir die Triebwerke auf ebendiese V_e ein.
- daraus ergibt sich automatisch ein Masseverhältnis von R = e = 2,72. Das heisst, von den 2.700 Tonnen Startmasse sind 1000 Tonnen Trockenmasse und 1700 Tonnen Wasser.
- da Wasser sehr dicht ist, fällt auch der Tank wesentlich kompakter aus; wenn wir z.B. den Durchmesser der Original-Saturnrakete hernehmen (10 Meter), muss der Tank nur schlappe 20 Meter lang/hoch sein; außerdem entfällt die sehr aufwendige Speicherung des Wasserstoffs.
- Aufgrund der niedrigeren V_e ist das Verhältnis von Schub zu Leistung wesentlich günstiger, sodass wir insgesamt deutlich weniger Gigawatt brauchen. Um das Vehikel ins All zu katapultieren, benötigen wir ca. 32 Meganewton. Diesen Schub können wir bereits mit 160 Gigawatt erzeugen. Das wäre also schon mit zwei der Triebwerke machbar, von denen das "Liberty Ship" satte 7 Stück besitzen soll (allerdings sind 2 dieser 7 als Redundanz eingeplant). Wenn wir stur bei diesen zwei Triebwerken bleiben, verbrauchen wir nur 110 Tonnen statt 385 Tonnen für das Antriebssegment.
- zwei Triebwerke böten bei einer konventionellen Rakete jedoch keinerlei Redundanz. Also machen wir doch einfach aus dem ganzen Design ein ASP, also ein Raum-Flugzeug mit adaptiven Tragflächen, dann kann es im Fall eines Triebwerksversagens immer noch im Gleitflug sicher zum Erdboden zurückkehren.
- nun zur Baugröße des Rumpfs: planen wir 15 Meter für die Triebwerke und 20 Meter für den Tank bei 10 Meter Durchmesser ein, kann der Frachtraum gut und gerne nochmal 35 Meter vorne dran setzen. Damit wäre der Rumpf etwa so groß wie die 1. Stufe der Saturn V, insgesamt 70 Meter lang. Die Oberfläche wäre dabei nur 1/3 so groß wie die des "Liberty Ships", somit können wir auch für die strukturelle Masse bei gleicher großzügiger Auslegung 1/3 dessen Wertes annehmen, unterm Strich also 115 Tonnen. Auch bei einem deutlich größeren Frachtraum wäre die zusätzliche Strukturmasse überschaubar.
- da die Trockenmasse aber 1000 Tonnen betragen darf (s.o.), ergibt sich daraus eine mögliche Nutzlastkapazität von 1000-110-115 = 775 Tonnen. (Zum Vergleich, die Leermasse der Saturn V betrug 188 Tonnen insgesamt, und sie konnte ca. 130 Tonnen Nutzlast in einen niedrigen Erdorbit bringen.)
Das ist auf den ersten Blick etwas weniger als die 900 Tonnen des Liberty Ship, aber dafür kommen wir mit viel schwächeren Antrieben und wesentlich geringerem Energiebedarf aus. Das Liberty Ship frisst satte 540 Megajoule pro Kilogramm Nutzlast. Mein Entwurf kommt mit bescheidenen 110MJ/kg aus, also kaum mehr als ein Fünftel. ^^

Soweit zum STO-Verkehr. In umgekehrter Richtung wären zwei Modi denkbar: entweder antriebslos im Gleitflug, wie ein Space Shuttle, oder frisch betankt auf dem eigenen Feuerstrahl in die Atmosphäre eintauchend.

Besonders elegant ist nebenbei noch, dass sich das Missionsprofil bis zu einer delta-V von 15km/s beliebig variieren lässt; dann müssen eben einfach die Triebwerke auf ein "magereres" Gemisch für höhere V_e eingestellt werden, was den Energiebedarf zwar erhöht, aber Nutzlast und Masseverhältnis unberührt lässt. So kann die volle Nutzlast auch in höhere Umlaufbahnen transportiert werden, wenn dies nötig sein sollte. Noch größere delta-Vs können erreicht werden, indem man Nutzlast opfert und das Masseverhältnis erhöht. Dennoch ist dieser Schiffstyp nicht für interplanetaren Verkehr im Sinne dieses Settings geeignet, da eine solche Reise Monate dauern würde.

Feuersänger:
*bump*

Hoppla, ich stelle grad fest, dass der Thread ja gar nicht mehr auf dem aktuellen Stand ist.
Also wen's interessiert, hier ein paar der Entwicklungen des letzten Jahres (Kinder wie die Zeit vergeht).

Den Techlevel habe ich noch etwas mundaner gemacht. Von der Energieerzeugung durch katalysierte Materiekonversion bin ich jetzt weitgehend abgerückt. Ich bin mir zunehmend weniger sicher, ob ich die Tech überhaupt im Setting haben will. Nicht weil sie physikalisch unplausibel wäre oder so, aber weil sie die Sache eigentlich zu einfach macht. Durch Wasserstoffkonversion gäbe es Energie quasi zum Nulltarif, und das ist aus storytechnischer Sicht weniger wünschenswert.

Darum ist jetzt die primäre Energiequelle für interplanetare Antriebe zur Settinggegenwart: D-3He-Fusion.
Dadurch wird auch der im Vergleich zur Gegenwart fortschrittliche Techlevel eigentlich nochmal unterstrichen: wir mühen uns hier ab, D-T-Fusion am Laufen zu halten. D-3He-Fusion ist 17mal schwieriger zu bewerkstelligen. Aber in 200 Jahren können wir das.
Im Gegensatz zu D-T-Fusion is D-3He weitgehend aneutronisch (ca. 5% der Energie wird in Form von Neutronen freigesetzt, die durch eine D-D-Nebenreaktion entstehen). Strahlenschutz spielt also eine gewisse Rolle.
Ansonsten ändert sich am Design der Antriebe quasi nichts. Die Reaktion wird in Magnetischen Flaschen aufrechterhalten, die Magnetfelder werden durch Supraleiterspulen erzeugt, die wiederum durch extrem spitzwinklige Wolfram/Karbidschilde vor Hitze- und Neutronenstrahlung geschützt werden. Der Großteil der Energie wird in geladenen Teilchen freigesetzt, und kann wiederum für mehr Schub auf beliebige Mengen zusätzlich zugeführten Treibstoffs (i.d.R. Wasser) übertragen werden.

Storytechnisch ist der Vorteil an D-3He, dass das als Brennstoff benötigte Helium-3 relativ knapp und teuer ist, da man ihn aus der Atmosphäre von Gasriesen (z.B. Saturn) darstellen und dann mehr oder weniger weit dorthin transportieren muss, wo er gebraucht wird (z.B. Erde).

Eine andere Frage ist, woher die Bordenergie kommen soll: ein zweiter Mini-Fusionsreaktor? Ein Fissionsreaktor? Oder doch "schummeln" und Konversionsreaktoren zulassen? Da bin ich noch nicht so richtig weiter.

Beim STO-Lifting hingegen hat sich das LANTR-Prinzip durchgesetzt, bei dem zunächst Wasserstoff durch nukleare Energie auf Touren gebracht wird, und dann in der Düse mit zusätzlich eingespritztem Sauerstoff quasi im Nachbrennerprinzip verbrannt wird. Dadurch sind V_e von 6500-7000m/s möglich, was wiederum bedeutet, dass einstufige, vollständig wiederverwendbare Raumflugzeuge (ASPs) mit einem überschaubaren Masseverhältnis von 4 vom Erdboden in den Orbit gelangen.
Ich bin mir nur noch nicht ganz sicher, ob die nukleare Energie nun ebenfalls durch Fusion erzeugt werden soll, oder durch herkömmliche Fission (z.B U-233). Ist auch nicht zuletzt eine Frage der Baugröße und des Strahlenschutzes.
Diese Methode ist denn auch sehr ökonomisch, da man auf die Weise nur je nach Skalierung etwa 50-70MJ/kg(Nutzlast) an nuklearer Energie aufbringen muss; nochmal etwa genausoviel wird durch die chemische Reaktion beigetragen. Unter anderem wird also um Faktor 10 weniger Kernkraft benötigt als mit dem im vorigen Beitrag beschriebenen "Liberty Ship".

Schließlich haben auch kleine Flitzer mit rein chemischen Raketen eine Chance, in den Orbit zu kommen, wenn sie nach Verbrennen des mitgebrachten Treibstoffs von einem bereits im Orbit befindlichen Schiff in Schlepp genommen werden.
Auf anderen Welten mit geringerer Schwerkraft stellt sich freilich das Problem gar nicht so, da kommt man mit rein chemischen Antrieben bequem in den Orbit.

FTL funktioniert wie gehabt: man muss den Vektor des Schiffes an den des Zielsternes anpassen, d.h. 0 relative Geschwindigkeit, und kommt dann nach dem Sprung ebenso stillstehend an der Polachse des anderen Sterns an. Allerdings ist die maximale Masse eines Sternenschiffes begrenzt.
Das ganze ist freilich pures Phlebotinum, aber der Modus verhindert immerhin Zeitreisen und Kausalitätsparadoxa.

--

Abseits der Antriebstechnologie gibt es natürlich auch diverse Unterschiede zu heute.
Weit fortgeschritten sind die Werkstoffe, vor allem auf Kohlenstoffbasis. Strukturmaterial aus Supercarbonen (CNT, DLC) ist federleicht und dabei extrem stabil. Ein Personenfahrzeug von der Größe eines heutigen Autos würde nur etwa 1/4 desselben wiegen.
Analog: ein Lifter mit einem Haupttank in der Größe des Space Shuttle External Tanks hätte ein Leergewicht von etwa 65 Tonnen, und könnte über 150 Tonnen in den Orbit wuchten.

In Sachen Elektronik (oder bis dahin vielleicht eher: Optronik) gehe ich beim momentanen Wasserstand davon aus, dass Moore's Law noch ein paar Jahrzehnte gilt, ehe der Zuwachs an Rechenleistung dann so langsam mal auspegelt. Für Redshift heisst das, dass handelsübliche Alltagselektronik locker einige 1000mal so leistungsstark ist wie die heutige. Entsprechend durchtechnisiert ist das alles. Anstelle von Smartphone und Notebook sind kleine Implantate gerückt, die z.B. Informationen direkt ins Auge einspiegeln, als Endpunkt der Evolution von Google Glasses.
Es gibt zwar keine echten, starken KIs, aber Computer können praktisch _alles_ -- was man ihnen aufträgt.
Das bedeutet allerdings auch, dass die Raumfahrt kein "seat of the pants" Feeling mehr erlaubt -- im Wesentlichen sagt man dem Computer, wo man hinwill, und er kümmert sich um den Rest. Da das im Wesentlichen heute schon so geht, ist ein Rückschritt in der Zukunft (hin zu mehr Handbetrieb) leider unglaubwürdig.

Einzige Alternative, die ich mir vorstellen kann, wäre: FTL-Sprünge sind ganz schlecht für Halbleiter. Die Strahlung im Hyperraum grillt alle Chips, blabla. Sternenschiffe können daher keine modernen Computer mitführen. Lediglich Elektronenröhren sind unempfindlich -- aber Röhrencomputer sind groß, schwer und langsam, darum müssen Sternenschiffe mit sehr wenig Rechenpower auskommen, und es käme mehr auf die Skills der Raumfahrer an.
Dies würde das Setting im Weltall deutlich in Richtung Rocketpunk verschieben, aber ganz unproblematisch ist das natürlich nicht:
- dies würde bedeuten, dass es auch auf sämtlichen extrasolaren Kolonien nur maximal Röhrenrechner geben kann; schließlich dürfen auch deaktivierte Chips den Sprung nicht überleben, sonst wäre es ja gar kein Hindernis.
- auch die Implantate dürften nicht funktionieren, was ich etwas schade fände.
- vor allem würde ich erwarten, dass bis dahin sowieso längst optische Chips die elektronischen abgelöst haben dürften, und diese wiederum sollten eigentlich robuster sein, würde ich erwarten. Soweit ich gelesen habe, sind optische Chips eh schon um die Ecke.
- dazu kommt noch das Dilemma, das ausgerechnet die Raumfahrer, die ja per se technikbegeistert sein sollten, auf den Stand vor 1950 eingefroren werden, während die daheimgebliebenen Schafe auf der Erde jedes Jahr die neuesten Sperenzchen aus der Optronik-Welt ausprobieren dürfen.
- und selbst wenn man das alles in Kauf nimmt -- wirkt das nicht wahnsinnig konstruiert?

Im Moment bin ich fast geneigt, das Setting zu splitten: in eine "futurologische" bzw. "plausible Midfuture" Version mit fortschrittlichen Computern, und eine "Rocketpunk" Version mit Röhrenrechnern. Ist aber nur so ein Gedanke.

Der Unterschied wäre halt folgender:
Der Kontrollraum eines Rocketpunk-Schiffes sähe ungefähr aus wie bei Star Trek TOS oder Buck Rogers, mit Röhrenbildschirmen, großen blinkenden Kästen (die Computer) und Kippschaltern, womöglich sogar gläsernen Tafeln auf die man die Bahnen der Planeten und Schiffe mit einem Stift einzeichnet.
Der Kontrollraum eines Midfuture-Schiffes hingegen könnte den Anschein einer transparenten Sphäre erwecken, da sämtliche Oberflächen ein einziges großes Display darstellen, sodass man mitten im All zu schweben scheint während man dem Bordcomputer über Implantat-Uplink die Befehle gibt.

Eulenspiegel:
Ich würde zweiteres bevorzugen.

Grund: Rocketpunk gibt es schon Dutzende.
Aber ein wirklich futuristisches Setting, in der auch die Kommandozentrale durchtechnisiert ist, gibt es eigentlich kaum.

Gasbow:
Reicht für die Bordelektrik eines Schiffes nicht eine ganz konventionelle Energiequelle? z.b. Brennstoffzellen.
Oder brauchen die Schiffe für irgendwas ausser dem Antrieb noch viel Energie?

Ich finde die Rocketpunk Idee zwar an sich schön, aber zu deinem ja sehr auf plausibilität bedachten Hard SciFi Setting eher unpassend.

Wenn du nicht nur die Energietechnik und Raumschiffe so rigoros durchdenken möchtest brauchst du auch noch etwas mehr Erklärung dafür, warum die Rechenleistung weiter so fortgeschritten ist.
Weiter alle 18 Monate die Transistordichte auf einem Halbleiterchip verdoppeln geht nämlich keine paar Jahrzehnte mehr.
Zu sagen die Lösung ist, dass die Computer Optotronisch arbeiten ist etwa, wie zu sagen, die Lösung für die Frage wie Raumschiffe angetrieben werden ist: "Nuklear!" ;)

Was machen Menschen als Raumfahrer bei dir was nicht die Automatisierung übernimmt?

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