Interstellar Spaceships – Prinzipien des Designs

Raumschiff
Raumschiffe gibt es in der Science Fiction in allen Formen und Größen. Gerade in letzter Zeit nehmen im zunehmenden Gigantismus Hollywoods die Mutterschiffe manchmal die Ausmaße ganzer Planeten an und auch die Landefähren sind groß wie Städte. Im Design schlägt sich also vor allem die kreative Fantasie des Autors oder der Filmemacher nieder. Auch die Formen sind äußerst fantasievoll – von monsterhaft stachelig bis aerodynamisch stromlinienförmig ist alles dabei.
Wenn man Google bemüht und nach Raumschiff Größenvergleich sucht, findet man sehr schnell akribisch ausgearbeitete Plakate, auf denen alle bisher bekannten Schiffe maßstabsgerecht gegenübergestellt werden.
Interstellar Spaceships - Prinzipien des Designs
Empfehlenswert ist auch das sehr bekannte Video des spanischen Studios MBS. Es zeigt die Größenverhältnisse einiger Raumschiff-Designs anschaulich im direkten Größenvergleich.

Interstellar Spaceships - Prinzipien des Designs


Aber welche Formen und Größen erfüllen denn nun abseits der Science Fiction am besten die Anforderungen eines interstellaren und bemannten Raumflugs? Das ist gar nicht so leicht zu beantworten, denn die Menschheit hat offensichtlich noch wenig praktische Erfahrung auf diesem Gebiet und Besucher von außerhalb unseres Sonnensystems, mit denen man das Thema mal intensiv diskutieren könnte, sind jetzt gerade auch nicht bei der Hand. In indischen Sanskrit-Texten, insb. im Mahabharata wird zwar von Städten am Firmament und Kriegen, die zwischen den Göttern am Himmel tobten, berichtet, jedoch sind diese Berichte eher der Mythologie zuzuordnen. Und die vielen mutmaßlichen Sichtungen der sogenannten fliegenden Untertassen helfen auch nicht wirklich weiter.

Allerdings kann man einige theoretische Überlegungen anstellen, die schnell ein paar grundlegende Designprinzipien nahe legen bzw. ausschließen.

  • Im Weltraum spielt jedwede aerodynamische Form keine Rolle. Stromlinienförmige Strukturen und Tragflächen bieten also keine Vorteile. Im Gegenteil, diese Elemente stellen vor allen Dingen Materialverschwendung dar.
    Dies ist anders bei Landefähren und Explorationsfahrzeugen, hier haben aerodynamische Körper klare Vorteile, denn die meisten Planeten, auf dem sich eine Landung lohnt, sollten auch eine Atmosphäre besitzen.
  • Wenn wir einmal davon ausgehen, dass ein effizienter Materialeinsatz wertvoll ist, dann ist die Kugel die optimale Form, denn sie bietet das beste Verhältnis aus Oberfläche und umbauten Raum. Bevor jetzt jemand vor Langeweile aufstöhnt, kann ich beruhigen. Auch die Kugel ist nicht optimal, aber aus anderen Gründen. Dazu gleich mehr.
  • Obwohl im Weltraum Schwerelosigkeit herrscht, spielt die Masse eines Schiffs eine große Rolle. Wenn wir einmal Wurmlöcher, Warp-Antriebe und andere hochgradig spekulative Technologien außen vor lassen, dann muss ein Raumschiff konventionell beschleunigt werden. Die dazu notwendige Energie steigt exponentiell mit der Masse des Schiffs an. Und das Raumschiff muss den Energieträger mitschleppen, was die Masse noch weiter erhöht. Da dieser Effekt – wie gerade gesagt – exponentiell wirkt, gibt es eine praktikable Grenzmasse. Größe ist also ein Problem.
  • Ebenfalls relevant ist die Stirnfläche eines Raumschiffs, denn auf der langen Reise zwischen den Sternen besteht eine nicht geringe Wahrscheinlichkeit für Kollisionen mit kleinsten Asteroiden und Staubteilchen. Deswegen hat auch die Kugel Nachteile, denn die Stirnfläche einer Kugel ist sehr groß. Interstellar Spaceships - Prinzipien des DesignsSchutzschildtechnologien wie im Film Passengers könnten zwar eine Lösung für dieses Problem bieten, allerdings benötigt ein solches Schutzschild ebenfalls immense Energiemengen, womit wir wieder bei dem Masse-Paradoxon wären.

Wenn man all diese Überlegungen zusammennimmt, dann eignen sich für interstellare Reisen zylinderförmige, langgezogene Raumschiffe mit einer abgerundeten oder angeschrägten Spitze am besten. Die Größe wird zwischen 100 Metern und einem Kilometer liegen, wenn man noch in endlicher Zeit beschleunigen und abbremsen will. Interessanterweise durchquert zurzeit ein solches Objekt unser Sonnensystem.
A/2017 U1 is most likely of interstellar origin.
Das Omuamua getaufte, ungefähr 400 Meter lange, zigarrenförmige Objekt trat mit ca. 28 km/sec aus dem Sternbild Leier kommend in unser Sonnensystem ein und verlässt es derzeit nach einem SwingBy-Manöver an unserer Sonne wieder. Auch wenn die meisten Astronomen von einem normalen, wenn auch ungewöhnlich geformten Asteroiden ausgehen, hat die Form und die Flugbahn doch einige Wissenschaftler aufgeschreckt und das Objekt soll jetzt belauscht werden.

Nachtrag: Es handelt sich bei Oumuamua aller Wahrscheinlichkeit nach doch um ein natürliches Objekt.


Sozusagen als Bonus habe ich gerade noch einen wunderbar skurrilen Artikel aus dem NASA Archiv von 1996 für Euch gefunden. Besonders das groß geschriebene Requirement BE COST EFFECTIVE ist beachtenswert.

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5 Replies to “Interstellar Spaceships – Prinzipien des Designs”

  1. Ein interessanter Artikel. Ich bin bereits bei meinem ersten Buch (2013) zu gleichen Schlüssen gekommen. Mein Raumschiff hat Kugelform und einen Schutzschild. Und es kann Energie in unvorstellbaren Mengen auf kleinstem Raum speichern. Diese Energie benötigt es u.a., um Erkenntnisse der Quantenphysik in die Makrophysik umzusetzen, nämlich das ein Teilchen sich gleichzeitig an zwei Orten aufhalten kann, womit ich dann die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit, das Problem der meisten SF-Autoren, austrickse.

    1. Da hast Du sicher recht, wir haben noch keine Vorstellung davon, welche Antriebsarten in Zukunft möglich sein könnten. Zwar steht da aktuell noch Einstein dazwischen, aber Newton hätte sich seinerzeit sicher nicht träumen lassen, dass es Verhalten von Materie geben könnte, die der Gravitation widersprechen (=> einer meiner letzten Artikel).

      1. Ich bin immer wieder verblüfft – bzw. es haut mich geradezu um, wenn ich lese, womit Wissenschaftler und Physiker heute umgehen, von dem wir normalen Menschen nicht einmal geträumt hätten und was zum Teil sogar außerhalb unserer Vorstellungskraft liegt – es sei denn, man ist SF-Autor :-). Ich denke da an den jüngsten Nachweis von Gravitationswellen. (Nobelpreis für Physik 2017)
        Eine heftige Gravitationswelle veränderte die Distanz zwischen der Sonne und dem nächsten Nachbarstern Alpha Centauri (4,34 Lichtjahre oder 4,11 x 1014 km, also 411 Billiarden km) nur um Haaresbreite. Sie erreichte die Erde am 14. September 2015. Das hat man messen können. Unglaublich hoch vierzehn!

        1. Das stimmt. Die Größenordnungen, mit denen wir uns in der Astrophysik beschäftigen, sind unvorstellbar. Ich arbeite gerade an zwei Beiträge zu genau diesem Thema – Entfernungen und Gravitation. Einfach faszinierend.

  2. Hallo Oliver, danke für deine Mail. Das sehe ich im Prinzip auch so, das mit den Gemeinsamkeiten zwischen uns. Es gibt nur einen Unterschied: Während du physikalische Erkenntnisse und Themen, an denen noch geforscht wird oder zu forschen ist, möglichst genau und korrekt zu beschreiben versuchst, beschreibe ich dasselbe auf ironische und witzige Art und ziehe die Physiker sowie physikalische Themen durch den Kakao. Das hat manchmal den positiven Effekt, dass auch Menschen, die diesen Themen nicht so zugänglich sind (bedauerlicherweise sind diese oft weiblich, so meine Erfahrung von Physikunterricht in der Schule), es interessant und lustig finden. Mir hat einmal ein junge Frau gesagt: Wenn man mir Physik in der Schule so nahegebracht hätte, hätte ich mich sicher mehr dafür interessiert.

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