Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

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Badabumm
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Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Hallo.

Als ich vor ca. 40 Jahren mein erstes interstellares Raumschiff entwarf, hatte ich nur einen billigen Taschenrechner und lückenhaftes Wissen zur Verfügung. Vermutlich waren meine Berechnungen allesamt falsch.

Ich bin zu dem Ergebnis gekommen, dass ein Raumschiff, das deutlich über 0,3c schnell wird (was man mit Ionen- oder Atomantrieben vielleicht hinkriegen könnte...) bereits aufgrund der Reibung im Raum zu glühen beginnt. Reibung? Ja, ich habe ein Wasserstoffatom pro Kubikmeter postuliert. Ab einer gewissen Geschwindigkeit wird auch das Vakuum dick wie Luft. Ob das stimmt? Diese Protonen würden auf jeden Fall auf die Front des Schiffes aufschlagen und Reaktionen hervorrufen, und durch ihre kinetische Energie das Schiff auch abbremsen.

Zur Lösung hatte ich mir überlegt, das Schiff als Staustrahltriebwerk anzulegen, welches die Protonen im Fluge zerstrahlt. Science Fiction, ganz klar. Aber ein Bussard-Antrieb, der elektromagnetisch Protonen aufsaugt und sammelt, ist noch unrealistischer, weil die Protonen ja erst auf Schiffsgeschwindigkeit abgebremst werden müssten - und woher stammt die Energie des Auffangnetzes..?. Deshalb war mein Schiff ein riesiger Trichter, der die Protonen in die Mitte ablenkt, bündelt und dort zerstrahlt. Ein Teil des Impulses geht natürlich durch den Aufprall und Ablenkung verloren.

Frage: was passiert mit Teilchen, die mit 30%, 50% oder mehr Prozent Lichtgeschwindigkeit auf Materie treffen? Kann man die ablenken wie es ein aerodynamischer Körper tut? Oder prasseln die direkt durch..?
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Harald Lesch
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Gernot »

Mir fallen dabei die Lichtschiffe in Alastair Reynolds’ "Relevation"-Universum ein, die knapp unter Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Sie haben die Form sehr länglicher Kegel und eine dicke Außenhülle aus Eis und Diamant (soweit ich mich erinnere). So pflügen sie sich durch das interstellare Medium. An sich hat sich Reynolds die Dinge doch auch vom wissenschaftlichen Hintergrund gut überlegt, vielleicht könnte das Reisen mit so großen Geschwindigkeiten auf diese Weise funktionieren.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Damals gab es nicht mal Internet, deshalb habe ich meine Ideen nicht verifizieren können. Ich hatte mir was ausgedacht, nachdem ich Andersons "Universum ohne Ende" so faszinierend fand. Auch eine Uni-Bücherei hat nicht viel geholfen. Heute gibt es dazu einen Haufen Texte, leider zu 99% auf Englisch. Diese ganzen Texte hatte ich nicht zur Verfügung.

Da die Materie an sich schon extrem schwierig ist und dann auch noch in einer fremden Sprache, quäle ich mich jetzt ab und zu versuchsweise durch Kilos von Formeln, verstehe aber fast nichts. Die meisten Artikel sind zudem abopflichtig...

Es reicht mir schon, wenn ich abstract und conclusion (wo erfahrungsgemäß selten Berechnungen drin sind...) einigermaßen verstehe... :lol:

Schattschneider und Jackson haben in "The fishback ramjet revisited" postuliert, dass ein Auffangkegel aus einem elektrischen Feld wohl möglich sei. Vorausgesetzt, man besäße die Kenntnis, Antimaterie in riesigen Mengen zu speichern, um die Protonen in einer Fusionsreaktion zu zerstrahlen... Allerdings werden die benötigten elektromagnetischen Kräfte nach ca. 3 Jahren 1g-Beschleunigung so zerstörerisch, dass das Schiff nicht schneller als ca. 0,1- 0,3c fliegen könnte, was dort als "Cut-off speed" bezeichnet wird. Mit 0,3c ist man (SF-mäßig) noch nicht wirklich schnell... Der Traum, mit dem Bussard-Antrieb die Galaxis zu durchqueren, wenn auch ohne Rückflugticket, ist wohl in weiter Ferne.

Als SF-Autor wäre für mich die Schwierigkeit, so viel Antimaterie einzusetzen, einen Level höher als die Probleme, die bei zu starken Magnetkräften aufträten... :kopfkratz: Wenn man also eine komplette Materiezerstrahlung beherrscht, kann man auch Vibrationen der Schiffshülle beherrschen... :rotfl:
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Gernot »

Badabumm hat geschrieben: 22. Mai 2022 13:54
Schattschneider und Jackson haben in "The fishback ramjet revisited" postuliert, dass ein Auffangkegel aus einem elektrischen Feld wohl möglich sei. Vorausgesetzt, man besäße die Kenntnis, Antimaterie in riesigen Mengen zu speichern, um die Protonen in einer Fusionsreaktion zu zerstrahlen...
Verstehe ich das richtig, dass damit gemeint ist, die Protonen (also Wasserstoffionen) einzufangen und mit mitgebrachten Antiprotonen zu zerstrahlen?
Das würde heißen, dass ist die Hälfte des Treibstoffs (und noch dazu die schwierigere, weil Antimaterie), ohnehin mitnehmen muss. Zahlt sich dann das Einfangen überhaupt noch aus?
Badabumm hat geschrieben: 22. Mai 2022 13:54 Allerdings werden die benötigten elektromagnetischen Kräfte nach ca. 3 Jahren 1g-Beschleunigung so zerstörerisch, dass das Schiff nicht schneller als ca. 0,1- 0,3c fliegen könnte, was dort als "Cut-off speed" bezeichnet wird.
Was ist gemeint mit der Zerstörungskraft der elektromagnetischen Kräfte? Sind da die Kraftfelder gemeint, mit denen die Wasserstoffionen ins Triebwerk gelenkt werden sollen?
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Hier ist der Link:

https://www.sciencedirect.com/science/a ... 6521005804

Mein Englisch ist nicht so gut, wirklich alles zu verstehen (abgesehen vom mathematischen Teil sowieso... ;) ). Es gibt mehrere Ansätze in diversen Artikeln. Bei der Methode, Antimaterie mit Materie zu zerstrahlen, hast du Recht: man bräuchte 50% des Treibstoffs - hat aber auch quasi 100% Energieausbeute zu jeder Zeit. Die zweite Methode wäre, die gesammelten Protonen im Fluge zu verschmelzen. Dazu müssten sie aber fusionsfähig, also schnell genug sein. Das bräuchte man bei Antimaterie eben nicht. Außerdem klappt das nicht, wenn Helium oder was anderes dazwischen ist; die Fusion gelang bisher auch nur mit Deuterium, was es im All kaum gibt. Nach meinem Kenntnisstand befinden sich vorrangig neutrale Wasserstoffatome im All, also Proton mit Elektron - was eine Ionisierung nötig machen würde, um sie überhaupt elektromagnetisch abzulenken... Bei Antimaterie gäbe es das Problem nicht. Aber ob nun die Erzeugung und Aufbewahrung von zig Tausend Tonnen Antimaterie so viel einfacher wäre..? ;)
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Gernot »

Ich habe jetzt auch in den Artikel von Schattschneider und Jackson hineingelesen. Dabei ist es mir wie badabumm gegangen, es war mir doch etwas zu heavy, in die physikalischen und technischen Details einzudringen. Unter dem Strich sieht es so aus, dass diese Art von Bussard- bzw. Fishback-Antrieb doch bald an ihre Grenzen stößt.
Generell ist es eine verlockende Idee, das interstellare Medium als Treibstoff zu nutzen. Das das Ganze nach heutigem Stand unmöglich ist, macht von vornherein nichts, wir sprechen ja nicht von Science, sondern von Science fiction.
Allerdings gibt es doch unterschiedliche Grade von Wissenschaftlichkeit und Plausibilität, und im Zweifelsfall bevorzuge ich in der SF doch wissenschaftlich einigermaßen nachvollziehbare Lösungen. Von diesem Standpunkt aus ist die Grundidee der Bussard-Antriebe, wie auch der erwähnte Artikel zeigt, doch äußerst spekulativ, vielleicht zu sehr, um sie in einem konsistenten Weltentwurf einzubauen.

Da bevorzuge ich Lösungen wie die von Alastair Reynolds erdachten Lichtschiffe (englisch lighthuggers), die ich in diesem Thread schon erwähnt habe. Reynolds, von Beruf Astrophysiker, hat sich beim Design doch einiges gedacht, vor allem, wenn es darum geht, dem interstellaren Medium zu trotzen.
Hier eine Skizze von der Website des Autors (http://www.alastairreynolds.com/rs-univ ... hthuggers/):

Bild

Diese Schiffe verfügen teilweise über eine Eisschicht, die sich im Flug plangemäß kleinweise ablöst und so die Energie der auftreffenden Partikel ableitet.

Beim Antrieb geht es schon weiter von heutiger Wissenschaft weg: Die Triebwerke bauen ein kleines Wurmloch in das ganz frühe Universum zur Zeit des Urknalls auf und zapfen die enorme Energiedichte des damaligen Universums an.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Was mir bei der Skizze (und auch bei der Enterprise) auffällt, sind die Triebwerksgondeln. Wenn man annimmt, dass Antriebe irgendwie funktionieren, so müssten diese Kräfte durch die Streben an das Schiff weitergegeben werden. Nimmt man eine sehr hohe Geschwindigkeit kurz unter c an, so wäre auch die Masse wahnsinnig hoch. Ich befürchte, solche Streben knicken einfach weg...
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Gernot »

Das stimmt, die Streben habe ich auch schon als Problem gesehen, auch, weil sie - ebenso wie die Triebwerke selbst - nicht in die schützende Kegelstruktur integriert und deshalb der interstellaren Materie ausgesetzt sind. Manche Illustratoren verlegen die Triebwerke weiter nach hinten, die Streben liegen dann im "Windschatten" und sind besser gegen das interstellare Medium abgeschirmt:

Bild

Bei der Konstruktion auf diesem Bild sehe ich als Problem, dass das Triebwerk, das durch die kleinere Kegelstruktur gut geschützt ist, für die Abbremsphase (also die zweite Hälfte der Reise) herumgedreht werden muss, was ich als eine Quelle für Fehlfunktionen und Unfälle sehe.

Die Skizze von Reynolds geht, wenn ich sie richtig verstanden habe, davon aus, dass man mit dem Triebwerk Gegenschub geben kann, ohne es zu drehen.

(Dass auch diese Lösung ein Problem sein kann, zeigt ein schreckliches Flugzeugunglück aus dem Jahr 1991: https://de.wikipedia.org/wiki/Lauda-Air-Flug_004
Bei einem der Triebwerke wurde im Steigflug fehlerhafterweise die Schubumkehr aktiviert, was zum Absturz mit zahlreichen Todesopfern führte.)

Zurück zum Raumschiff: Die mechanische Belastung der Streben sehe ich als nicht so problematisch an, weil die Beschleunigung moderat ist und sich deshalb auch die auftretenden Kräfte in Grenzen halten. Die relativistische Massenzunahme des Raumschiffs ist für die Triebwerke nicht spürbar, weil sie sich im selben Bezugssystem wie das Raumschiff befinden.
Bei den Star-Trek-Warptriebwerken gibt es gar keine Kräfte, weil der Warpantrieb ja den ganzen Raum verzerrt und so das Schiff als Ganzes mitnimmt.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Gernot hat geschrieben: 29. Mai 2022 18:26 Die relativistische Massenzunahme des Raumschiffs ist für die Triebwerke nicht spürbar, weil sie sich im selben Bezugssystem wie das Raumschiff befinden.
Eigentlich stimme ich dir zu. Aber warum steigt die Masse des Schiffes, je näher man an c gelangt - und umso mehr Treibstoff wird verbraucht? Wäre es richtig, dass die Masse NICHT steigt, bräuchte man doch immer gleich viel Treibstoff für dieselbe Beschleunigung, egal wie schnell man fliegt?

Bin gerade verwirrt.

PS Eine Schubumkehr funktionierte ja, wenn man hinter dem Austoß sowas wie „Umkehrbleche“ ausfährt. Nur halte ich das bei diesen Energiemengen für kritisch.
Den Bussard-Antrieb habe ich auch nie für eine starke Beschleunigung angenommen: da die Masse der Teilchen gering (bei Materie-Antimaterie wären es eh nur Photonen und sowas), deren Geschwindigkeit aber hoch wäre, wäre der Impuls sehr gering. Das heißt, eine 1g-Beschleunigung wäre sehr, sehr sportlich postuliert.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Gernot »

Badabumm hat geschrieben: 29. Mai 2022 20:30
Eigentlich stimme ich dir zu. Aber warum steigt die Masse des Schiffes, je näher man an c gelangt - und umso mehr Treibstoff wird verbraucht? Wäre es richtig, dass die Masse NICHT steigt, bräuchte man doch immer gleich viel Treibstoff für dieselbe Beschleunigung, egal wie schnell man fliegt?

Bin gerade verwirrt.
Von einem "äußeren" Bezugssystem gesehen, wird die Beschleunigung wegen Zeitdehnung und Lorentz-Kontraktion immer geringer, das heißt, dieselbe Treibstoffmenge ergibt weniger Beschleunigung, wass man sich, wenn die Physik weiterhin stimmen soll, nur durch eine Massenzunahme erklären kann. Im Bezugssystem des Raumschiffs merkt man von alledem nichts, man wundert sich nur, dass nach sagen wir zwei Jahren Eigenzeit draußen inzwischen schon 20 Jahre vergangen sind.

(Kleiner biographischer Hinweis: Ich bin von Beruf Lehrer für Mathematik, Physik und Informatik. Ich hoffe, ich komme nicht zu schulmeisterlich daher.) :lehrer:
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Gernot hat geschrieben: 29. Mai 2022 21:27 (Kleiner biographischer Hinweis: Ich bin von Beruf Lehrer für Mathematik, Physik und Informatik. Ich hoffe, ich komme nicht zu schulmeisterlich daher.) :lehrer:
Überhaupt nicht. Ich mag es, wenn jemand ein bissel Ahnung von dem hat, über das er redet... ;) ;)
Das Thema ist aber ohnehin schwer verdaulich, auch für Insider.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Raumschiff013.JPG
Mein Raumschiff in einer bunten Darstellung...

Da ich von weniger als 1g Beschleunigung ausgegangen bin, rotieren die Wohnkugeln beweglich aufgehängt, damit der Rotations- und der Beschleunigungsvektor sich aufheben. Es sind einzelne unabhängige Habitate, um bei einem Ausfall nicht die gesamte Besatzung zu verlieren.

Meine SF Idee bestand darin, dass das Mutterschiff nicht abbremsen kann, sondern im Falle eines optimistischen Sternsystems kleinere Module mit Freiwilligen absetzt, die eventuell Kolonien gründen. Diese Einheiten kann man dann leichter abbremsen.

Zur Navigation fliegen drei dieser Schiffe im Dreieck, um genügend Abstand für eine Triangulation zu haben.
Du hast keine ausreichende Berechtigung, um die Dateianhänge dieses Beitrags anzusehen.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Gernot »

Schönes Rendering! :prima:
Außerdem steckt offenbar doch einiges an Hirnschmalz drin, etwa die Idee mit den kardanisch aufgehängten Habitatskugeln. Die müssten dann als Resultat der ganzen Scheinkräfte aus Rotation und Beschleunigung irgendwie schräg drinnenhängen.
Die Positionspeilung mit drei derartigen Schiffen ist auch eine Idee, auf die ich bislang nicht gekommen bin. Sie ist allerdings nur sinnvoll, wenn die Entfernung zum Zielobjekt die Größenordnung des Abstandes zwischen den Raumschiffen nicht allzu stark übersteigt. Sonst unterscheiden sich die Blickrichtungen von den Raumschiffen zu wenig, um daraus mit hinreichender Präzision etwas berechnen zu können.
Und die Strukturen beim Triebwerk, die auf den ersten Blick wie Zahnräder aussehen, sind offenbar Kühlrippen, die die Triebwerkswärme abstrahlen sollen.

Vom Konzept her halte ich es prinzipiell für verwegen, ein Fortbewegungsmittel ohne Bremse oder Bremsmöglichkeit zu bauen. (Das bekommen schon Kinder zu spüren, wenn sie mit Skateboards, Supermarkt-Einkaufswagen oder Bürosesseln abschüssige Straßen hinunterrasen.) Andererseits könnte man ja das ganze Schiff wenden und das große Triebwerk zum Bremsen einsetzen. Das halte ich sogar für leichter durchführbar, als kleinere abgetrennte Einheiten abzubremsen, weil diese dafür eigene und doch recht kräftige Triebwerke benötigen würden.

Hast du eigentlich daran gedacht, die Besatzung nach verbreitetem Brauch in Kälteschlaf zu versetzen? Bei weniger als 1 g Beschleunigung braucht man für die gewaltigen Entfernungen zwischen den Sternsystemen doch seine Zeit. Oder ist das eine Art Generationenschiff?

Wie funktioniert der Antrieb? Ist das ein Bussard-System? (Obwohl ich keine Strukturen erkennen kann, die darauf hindeuten.) Oder ist es ein "herkömmlicher" Photonenantrieb mit Kernfusion bzw. Antimaterie als Energiequelle?
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Es war ein frühes Konzept, wurde aber erst 2008 gerendert. Die eigentliche Idee stammt aus dem Jahre 1983. Die jetzige, fortgeschrittene Lösung mit Bussard-Antrieb hat vorne den riesigen Einfülltrichter, den auch andere Darstellungen zeigen, und der den gesamten Durchmesser des Schiffes einnimmt. Auch dieses Modell hat vorne einen Einströmkanal - der ist aber zu klein, um wirksam zu sein.

An dem 3D-Modell war die kardanische Aufhängung noch nicht realisiert. Sie würde dann so funktionieren wie ein Fliehkraftregler.

Mein Schiff kann nicht abbremsen, weil es dafür nicht genug Treibstoff mehr hat. Meine Berechnung kam damals zu dem Schluss, dass man, um überhaupt in die Nähe von c zu kommen, 9/10 der Schiffsmasse KOMPLETT zerstrahlen müsste. Da meine Beschleunigung ca. 1/3 g war, musste, wie du richtig erkannt hast, die Erdschwerkraft (wie üblich) zusätzlich durch Rotation erzeugt werden. Damit die Coriolis-Kraft gering bleibt, sollte der Durchmesser so groß wie möglich sein - deshalb sind die Habitate so weit ab vom Schiffskern.

Erst DANACH kam mir in den Sinn, dass die Besatzung durch einen Hagel von Teilchen fliegen müsste, was das ganze Konzept in Frage stellt.

Da die Teilchendichte vermutlich nicht überall im All gleich ist, könnte es also sowieso vorkommen, dass nicht genügend Atome für eine Reaktion im Weg liegen; dann müsste das Schiff eben antriebslos fliegen, bis Nachschub kommt.

Nein, Kälteschlaf war nicht vorgesehen. Ich hatte ca. 10 Jahre Reisedauer geplant, vorausgesetzt, das Schiff wird schnell genug, um Fixsterne in Lebenszeit noch erreichen zu können. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit hat das Schiff dann keinen Sprit mehr und fliegt auf ewig durchs All... Dann sollten alle Leute am besten von Bord sein... ;) ;) Aber 1983 habe ich noch nicht an ALLES gedacht... ;)
Zuletzt geändert von Badabumm am 30. Mai 2022 20:22, insgesamt 4-mal geändert.
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Re: Der Bussard-Antrieb und kosmische Stromlinienform

Ungelesener Beitrag von Badabumm »

Raumschiff vorne.jpg
Raumschiff vorne2.jpg
Ich hatte das Modell in Celestia eingeladen und wollte einen Flug simulieren. Ich befürchte aber, das geht in Celestia entweder gar nicht - oder ich bin einfach zu doof dazu, die Scriptsprache zu benutzen... ;)

Man sieht vorne die riesige „Turbinen“öffnung...

Viele Elemente wurden nicht akkurat ins Obj-File übernommen (das Original ist Cinema4d) - besonders keine Texturen, aber zur groben Veranschaulichung, mit Dummy-Farben, geht das schon...
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