Der Hauptpunkt ist, dass das Raumschiff ein geschlossenes System ist und das Auto nicht

Um den Impuls zu erhalten, müssen wir etwas anderem den Impuls geben, den unser Verzögerungsobjekt zuvor hatte.

• Im Fall des Raumschiffs muss etwas in die entgegengesetzte Richtung zur Fahrtrichtung ausgeworfen werden. Dafür müssen wir Energie einsetzen.
• Im Falle des Autos waren wir die ganze Zeit mit der Straße verbunden und aufgrund dieser Reibung müssen wir kontinuierlich Energie bereitstellen, damit nicht abgebremst wird. Unsere Räder drehen sich also und aufgrund der Verbindung mit der Straßenreibung verlangsamen wir uns. Elektroautos fügen dem Drehen der Räder (die benötigt werden, um weiterzumachen) eine zusätzliche Widerstandskraft hinzu und nutzen die gewonnene Energie von diesem.

Da Raumschiffe keinen weiteren Schub benötigen, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, haben wir keinen Prozess, um die Energie zu stehlen. Wenn Sie eine Widerstandskraft auf das Raumschiff ausüben könnten, könnten Sie einen Teil der Energie zurückgewinnen, diese müsste sich jedoch außerhalb des Raumschiffs befinden (z. B. ein Magnetfeld, das von einer Reihe von Raumstationen ausgesendet wird).

Sie müssen sich relativ zu etwas anderem bewegen, dem Sie Energie verleihen können.

Die vorhandenen Antworten enthalten eine bestimmte Lücke, die ich korrigieren möchte.

Es gibt einen ganz besonderen Kontext, in dem Sie das Problem lösen können, der die Frage mit sehr geringem Aufwand bejaht. In diesem Referenzrahmen scheint das reisende Raumschiff in Ruhe zu beginnen und sich dann rückwärts zu bewegen.

Referenzrahmen

Die moderne Physik erkennt im Allgemeinen, dass Sie dieselbe Physik in einer Reihe verschiedener Referenzrahmen ausführen können, die durch eine Art Transformationsgruppe verbunden sind. Sie können einen beliebigen Rahmen auswählen, alle geben die gleiche Physik. In der klassischen Physik erfolgt dies durch die galiläische Transformation $$ (\ vec r, ~~ t) \ mapsto (\ vec r - \ vec v ~ t, ~~ t), $$ für jeden konstanten Geschwindigkeitsvektor $ \ vec v . $ Wie Sie sehen können, ist alles, was sich mit der Geschwindigkeit $ \ vec v vorwärts bewegt, $ mit $ \ vec r (t) = \ vec r_0 + \ vec v ~ t, $ nach dieser Ausführung plötzlich in Bezug auf uns stationär Transformation: Das ist eine schöne Art zu sehen, "oh, das entspricht einer Geschwindigkeit von $ v $ relativ zu meiner vorherigen Situation."

Da es sich um ein Raumschiff handelt, fragen Sie sich vielleicht, ob die seltsamen Relativitätsregeln diese Erklärung durcheinander bringen, aber tatsächlich nicht. Tatsächlich ändert die spezielle Relativitätstheorie für kleine Geschwindigkeitsänderungen nur ein unbedeutendes Bit: Anstelle dieser galiläischen Transformation müssen wir stattdessen $$ (\ vec r, ~~ t) \ mapsto (\ vec r - \ vec v ~ t, ~~ verwenden t - \ vec v \ cdot \ vec r /c^2).$$ Der einzige Haken ist, dass jede "große" Beschleunigung aus vielen dieser kleinen Beschleunigungen gemacht werden muss, was für die klassische Physik nicht wichtig war, wenn Die $ t $ -Komponente behielt ihre feste Identität bei, ist aber jetzt viel wichtiger, wenn beide Komponenten miteinander verflochten sind. Aber ich verspreche, dass wir diese seltsamen kleinen Gleichzeitigkeitsverschiebungen im folgenden Vortrag nicht verwenden werden.

Unser spezieller Referenzrahmen

Der Punkt ist jedenfalls: Alle Gesetze der Physik sind in dem Referenzrahmen, der sich entlang des Raumschiffs bewegt, sobald es sich mit seiner Reisegeschwindigkeit bewegt, vollkommen gültig, und sie sind in dem Referenzrahmen, der sich neben dem Auto bewegt, vollkommen gültig . Und die Gesetze, an denen wir interessiert sind, sind die Gesetze zur Erhaltung von Energie und Dynamik.

Überlegen Sie nun, wie "Bremsen" in diesem Referenzrahmen aussieht: Es sieht aus wie das Raumschiff / Auto, das sich in Ruhe befand und sich jetzt rückwärts bewegt. So gewinnt es kinetische Energie, wo es vorher keine hatte, und gewinnt an Dynamik, wo es vorher keine hatte.

Aber was sagen die Naturschutzgesetze aus? Sie geben an, dass in diesem Referenzrahmen etwas nur bremsen kann (negativer Impuls erhalten), indem andere Dinge "vorwärts" bewegt werden als zuvor (positiver Impuls erhalten). Der übliche Weg, dies zu tun, besteht darin, einen Raketentriebwerk vorwärts zu feuern: Dies nimmt Raketentreibstoff, der sich "nicht bewegt", und treibt ihn "vorwärts", und dies kostet immer Energie: Sie haben jetzt zwei sich bewegende Einheiten (Ihr Raumschiff, das verbrauchte) Kraftstoff) bewegen sich mit etwas kinetischer Energie entgegengesetzt. In unserem speziellen Referenzrahmen können wir sehen, dass dies Energieverbrauch erfordert: Zuerst haben wir 0 kinetische Energie, dann haben wir kinetische Energie ungleich Null.

Wenn Sie jedoch mit einer Atmosphäre langsamer werden oder gegen eine Straße bremsen, sieht dies in diesem Referenzrahmen auf subtile Weise anders aus. In diesem Referenzrahmen bedeutet dies, dass etwas (sagen wir, es hat die Masse $ M $, obwohl dies natürlich eine Idealisierung für eine Straße oder eine Atmosphäre ist) mit der Geschwindigkeit $ - \ vec v $ auf Sie zukommt, und Sie gehen um es zu ergreifen oder vielleicht (wie bei Sonnensegeln) von Ihnen abzuprallen, um in Richtung $ - \ vec v $ an Dynamik zu gewinnen.

Wenn Sie eine Sekunde darüber nachdenken, werden Sie feststellen, dass Sie nicht unbedingt sicher sind, wo die Energie landen wird.Diese große Sache $ M $ wird sich langsamer rückwärts bewegen, etwa mit der Geschwindigkeit $ -v '$, und Ihr kleines Raumschiff / Auto $ m $ wird sich schneller rückwärts bewegen, etwa mit der Geschwindigkeit $ -u $.Da $ v '< v $ nicht klar ist, ob $ \ frac 12 M (v') ^ 2 + \ frac 12 mu ^ 2 $ größer oder kleiner als $ \ frac 12 M v ^ 2 $ sein wird, entsprechendEntweder benötigen Sie Energie oder Sie können Energie ablassen und "regenerativ bremsen".Lassen Sie uns also die Bedingung ableiten.

Einige Formeln

Unser Auto / Raumschiff hat also die Masse $ m $ und beginnt mit der Geschwindigkeit $ 0 $ und endet mit der Geschwindigkeit $ -u $. Das Objekt, mit dem es interagiert, hat die Geschwindigkeit $ -v $ und die Masse $ M $ und endet mit der Geschwindigkeit $ -v '. $ Die Impulserhaltung besagt, dass $ M v' + mu = M v, $ so dass $ v '= v - \ frac mM u. $ Die resultierende Änderung der kinetischen Energie ist $$ \ frac 12 M \ left (v - \ frac mM u \ right) ^ 2 + \ frac 12 mu ^ 2 - \ frac 12 M v ^ 2 = - mvu + \ frac 12 m \ left (1 + \ frac mM \ right) ) u ^ 2. $$ Wenn diese Änderung der kinetischen Energie negativ ist, bedeutet dies, dass die fehlende kinetische Energie mit einer Größe von $$ E = mu \ left (v - \ frac12 \ left (1 + \ frac mM) gesammelt werden könnte \ right) u \ right). $$ Wenn wir das Limit als $ M \ gg m $ nehmen, sehen wir, dass diese Bedingung tatsächlich $ u < 2v $ für die Möglichkeit der Energierückgewinnung ist. Dieser Schwellenwert $ u = 2v $ enthält eine intuitive Erklärung im Referenzrahmen, der sich mit dem Boden bewegt. Dort heißt es: "Sie können möglicherweise keine Energie mehr regenerieren, wenn Sie Ihr Auto daran hindern, 100% dieser Energie zu regenerieren, und diese dann verwenden." Fahren Sie rückwärts, also fahren Sie mit der Geschwindigkeit $ + v $ und jetzt mit der Geschwindigkeit $ -v. $ "Aber für jede Geschwindigkeit $ u $ (relativ zur Straße), bei der $ -v < u < v $ it Es ist hypothetisch möglich, etwas Energie zu regenerieren. Gleiches gilt für das Raumschiff, es könnte hypothetisch genug Energie aufnehmen, um sich mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der es hereinkam, in eine beliebige Richtung zu schleudern.

Also: Wir sehen aus dem sich zusammen bewegenden Referenzrahmen, dass ja Energie regenerieren kann, aber nur , wenn Sie (um einen winzigen Bruchteil) etwas Massives verlangsamenObjekt, das sich durch den Raum bewegt.Sie können dieses Prinzip auch beispielsweise in Gravitationsschleudern anwenden: Um eine Gravitationshilfe zu vervollständigen, möchten Sie hinter einem Planeten vorbeifahren, der seiner Umlaufbahn um die Sonne folgt.Dies bedeutet, dass Ihre Schwerkraft auf diesem Planeten rückwärts zieht und die entsprechende Schwerkraft auf Sie viel mehr kinetische Energie liefert.Wenn Sie versuchen würden, eine Gravitationshilfe vor dem Planeten in Gang zu bringen (wiederum in Bezug auf die Richtung, in die er sich in seiner Umlaufbahn bewegt), würden Sie feststellen, dass Sie mit viel weniger Geschwindigkeit als beim Betreten.

Wenn das Raumschiff etwas zum Bremsen finden könnte, könnte es technisch etwas Energie zurückgewinnen.Sie benötigen ein Bremssystem, das entwickelt wurde, um den Widerstand oder den Luftwiderstand zu nutzen, wo immer Sie ihn finden könnten.Vielleicht in irgendeiner Weise in der Atmosphäre oder Schwerkraft eines Planeten oder sogar in einem großen Gerät, das das Raumschiff auffangen und dem Prozess Energie entziehen soll.Du könntest weiter und weiter gehen.Für jede Aktion gibt es eine entgegengesetzte Aktion.

Es gibt einige Arbeiten an Systemen, die Energie aus der Verlangsamung eines Raumschiffs zurückgewinnen könnten.Hier sind zwei der Hauptideen.

Einer wird als elektrodynamisches Kabel bezeichnet. Es erfordert ein Magnetfeld und einen sehr langen Draht.Das Feld und der Draht wirken ein bisschen wie ein Generator / Motor und können mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt.

Die andere Idee ist ein Momentum Exchange Tether.Hier könnte eine Kapsel an ein anderes Fahrzeug gebunden werden (das Fahrzeug wäre wahrscheinlich viel massiver als die Kapsel) und beide drehen sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt.Wenn der Pod freigegeben wird, wird die kinetische Rotationsenergie in kinetische Translationsenergie geändert und der Pod in eine neue Umlaufbahn geschleudert.Es könnte dann am Ende seiner Reise von einem ähnlichen Fahrzeug gefangen genommen werden, und wenn die Rückfahrt benötigt wird, wieder freigegeben werden, um in die Umlaufbahn geschleudert zu werden, in die es gekommen ist.

Um ein Auto zu bremsen und daraus Energie zu erzeugen, interagieren zwei Systeme: die Antriebswelle des Autos und der elektrische Generator.Die lineare kinetische Energie des Autos wird aufgrund der Reibung zwischen den Rädern und dem Boden in kinetische Rotationsenergie der Welle umgewandelt

Die Konfiguration des Raumschiffs ist anders: Sie haben nichts Analoges zum Boden, das die lineare kinetische Energie des Raumschiffs in eine kinetische Rotationsenergie umwandeln könnte, die Ihren elektrischen Generator drehen könnte.Um das Raumschiff zu bremsen, müssen Sie Materie aus ihm herauswerfen, und diese Materie verschwindet zusammen mit der Energie, die Sie zum Beschleunigen verwendet haben.

Ein Elektroauto mit Gleichstrommotor kann sich durch regeneratives Bremsen verlangsamen, bei dem die an den Motor angelegte Spannung auf weniger als die Gegen-EMK Eb reduziert wird.Ankerstrom und Drehmoment werden umgekehrt, der Anker verlangsamt sich, die Drehzahl sinkt und der Motor wirkt als Gleichstromgenerator, der durch die Trägheit der sich drehenden Räder des Fahrzeugs angetrieben wird.Der Strom kann dann zur zukünftigen Verwendung in einer Batterie gespeichert werden.

Ein Raumschiff treibt sich nicht durch rotierende Räder oder rotierenden Anker an.Wenn ein Raumschiff verlangsamt wird, muss der Prozess einen Rückwärtsschub und keine Umkehrung des Stroms beinhalten.Schub wird erzeugt, indem Materie aus dem Raumschiff ausgestoßen wird, was ein irreversibler Prozess ist, wie Toliveira in seiner Antwort hervorhebt.

Sie scheinen Äpfel und Ziegel zu vergleichen.Ein Raumschiff kann und tut absolut Energie durch Bremsen gewinnen, aber es ist nicht nützlich.Der Vorteil des Autos ist, dass es mit Energie betrieben wird, die wir aus dem Bremsprozess erzeugen können.

Raumschiffe werden nicht mit Strom betrieben.Sie werden auch nicht mit Wärme betrieben, was der offensichtlichste Energiegewinn ist, wenn Sie sich unseren aktuellen Stand der Raumfahrt ansehen.Wenn wir diese Wärme in mehr Raketentreibstoff umwandeln könnten, hätten Sie Ihre Äquivalenz, aber wir können nicht.

Es gibt viele Möglichkeiten, wie wir beim Bremsen oder Wiedereintritt eines Raumfahrzeugs Energie gewinnen können, aber wir können diese Energie nicht in Raketentreibstoff umwandeln. Dazu müssten wir in der Lage sein, Materie aus Energie zu erzeugen, aber bisher wissen wir nur, wie man Materie in Energie umwandelt.Nicht umgekehrt.

Wenn Sie noch etwas darüber nachdenken, können Sie es aufteilen: Benötigen Sie unbedingt ein Außenobjekt mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (die Straße für ein Auto, das als Raumschiff in eine Atmosphäre schlägt), um kinetische Energie in ein anderes umzuwandeln bilden. Was ist das Grundprinzip dieser Tatsache?

Trägheit. Ein in Bewegung befindliches Objekt bleibt in Bewegung, es sei denn, es wird von einer äußeren Kraft beaufschlagt. Für ein Auto ist die "äußere Kraft" die Reibung der Luft auf der Karosserie und der Straße auf den Rädern. Anstatt diese Energie mit herkömmlichen Bremsen in Wärme umzuwandeln, wird sie durch regeneratives Bremsen in Energie umgewandelt, indem mit den Rädern ein elektrischer Generator gedreht wird, der die gegen die Straße ziehenden Räder verlangsamt.

Für ein Raumschiff in einem idealisierten Vakuum gibt es keine solche äußere Kraft ... aber in Wirklichkeit gibt es sie. Zum Beispiel könnte ein Raumschiff in der Umlaufbahn um einen Körper mit einem starken Magnetfeld ihre Bewegung durch dieses Feld nutzen, um über einen elektrischen Generator Strom zu erzeugen. Dies würde auch eine Bremswirkung haben und seine Umlaufbahn verringern.

Staubsauger sind selbst im Weltraum nicht perfekt. Ein Raumschiff bewegt sich normalerweise durch eine Art sehr wispiges Gas und Sonnenwind. Sie können dieses Medium verwenden, um wie ein Auto gegen die Straße zu bremsen, nur sehr, sehr, sehr, sehr langsam. Nehmen wir zum Beispiel an, unser Raumschiff bewegt sich mit 10 km / s relativ zum Medium.

  == >. . . . .
   10 km / s - > 0 km / s
 

Oder wenn wir das Raumschiff als Referenzpunkt verwenden.

  == >. . . . .
    0 km / s <-- 10 km / s
 

Auf das Raumschiff fliegen all diese Partikel mit 10 km / s. Ihr Abprallen vom Rumpf des Raumschiffs übt abhängig von ihrem Gesamtimpuls eine kleine "Bremskraft" aus. Es ist sehr klein, aber es wird sich im Laufe der Zeit summieren. Aber denken Sie daran, Bremsen ist Beschleunigung. In diesem Referenzrahmen beschleunigt "Bremsen" also in Richtung des Mediums.

  == >. . . . .
< - 0,000001 km / s < - 10 km / s
 

Wenn das Raumschiff stattdessen diese Partikel einfing und damit einen Generator drehte, würden sie sowohl Elektrizität und Reaktionsmasse als auch Bremsen gewinnen.

Die Oberfläche eines normalen Raumfahrzeugs ist zu klein und das Medium zu dünn, um als signifikante Kraft- oder Schubquelle verwendet zu werden (es sei denn, Sie befinden sich in LEO, wo der Luftwiderstand erheblich ist). Aber erweitern Sie Ihre Oberfläche und Sie haben ein Sonnensegel. Kombinieren Sie beide mithilfe elektromagnetischer Felder, um das interstellare Medium zu sammeln, und Sie haben einen Bussard-Ramjet.

Denken Sie an die Dynamik in beiden Situationen. In jedem geschlossenen System muss der Impuls erhalten bleiben. Wenn Sie ein Auto beschleunigen, schieben Sie die Erde mit genau dem gleichen Impuls in die entgegengesetzte Richtung. Wenn Sie langsamer werden möchten (was wiederum eine Beschleunigung ist, nur in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung), drücken Sie erneut auf die Erde, und sie wird in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Da die Erde viel massereicher ist als das Auto, ist die Beschleunigung auf der Erde winzig, wodurch sich die Erde leicht abschieben lässt (vergleichen Sie das Springen auf Beton mit dem Springen auf ein Stück Schaum - der Beton ist fast unnachgiebig, was Ihnen viel gibt der Hebelwirkung).

In diesem Fall sind Bremsen und Beschleunigen symmetrisch. Beim Beschleunigen bewegt sich das Auto relativ zum Boden schneller, beim Bremsen langsamer zum Boden. Wenn Sie eine schnelle Sache auf eine langsame Sache verlangsamen, können Sie nützliche Arbeit extrahieren, ähnlich wie Sie Arbeit beispielsweise von einer Schnittstelle zwischen einem Hochtemperatur- und Niedertemperaturobjekt oder einem Hochdruck- und einem Niederdrucksystem extrahieren können.

Dies ist jedoch bei einem Raumschiff im freien Raum nicht der Fall (d. h. wo wir die Schwerkraft, den Weltraumstaub usw. sicher ignorieren können). Es gibt keine einfache Möglichkeit, irgendetwas im Weltraum "abzustoßen" - Sie tragen also Ihre eigene "Druckmasse". Das Momentum bleibt erhalten - wenn Sie von einem Referenzrahmen aus schauen, in dem das ursprüngliche Raumschiff bewegungslos ist, sehen Sie beim Beschleunigen, dass sich das Raumschiff mit einem bestimmten Impuls in eine Richtung bewegt, und das Treibmittel (die Masse, die Sie rückwärts werfen) hat genau das entgegengesetzter Schwung. Zusammen ist der Gesamtimpuls immer noch Null - aber relativ zum Fixpunkt wurden beide Massen beschleunigt und beide haben ihren eigenen Impuls. Auf diese Weise können wir zu anderen Planeten gelangen, obwohl wir keine Straßen zum Abstoßen haben - das ist der Unterschied zwischen einem Düsenflugzeug (das Umgebungsluft als Treibmittel verwendet) und einer Rakete (die sowohl Treibstoff als auch Treibmittel transportieren muss).

Stellen Sie sich nun vor, was passieren müsste, wenn Sie ähnlich wie bei einem Auto bremsen würden. Sie müssten irgendwie das bereits ausgestoßene Treibmittel zurückbekommen - stellen Sie sich vor, Sie hätten zwei Kugeln, die durch eine Schnur verbunden sind. Wenn die Saite straff reißt, "ziehen" sich die Kugeln zurück, ihre Bewegungsrichtung ist umgekehrt, und sie kollidieren irgendwann. Wenn Sie vorsichtig genug sind, können Sie einen Ball beschleunigen, indem Sie den anderen Ball in die entgegengesetzte Richtung werfen. Wenn die Saite ausgeht, hören sie wieder auf. Das Problem ist, genau wie der Impuls erhalten bleibt, wie auch der Schwerpunkt - irgendwo zwischen den beiden Kugeln befindet sich der Schwerpunkt genau an der gleichen Position wie vor der Beschleunigung und der anschließenden Verzögerung (oder besser gesagt, dort, wo er hätte) war, wenn Sie überhaupt nicht beschleunigt haben, solange wir eine Störung beispielsweise der Atmosphäre oder des Gravitationsfeldes usw. annehmen können. Der einzige Grund, warum sich Raketen im Weltraum bewegen können, ist, dass das Treibmittel nicht mehr mit der Rakete verbunden ist.

Wenn Sie eine magische Schnur haben könnten, mit der Sie Ihre Rakete mit ihrem Treibmittel verbinden und zurückziehen könnten, könnten Sie die Rakete "kostenlos" bremsen. Sie würden die Rakete aber auch zurück dorthin ziehen, wo sie begonnen hat. Nun, wohlgemerkt, in einem Planetensystem könnte dies immer noch für den Transport verwendet werden, und es wäre eine Revolution in der Raumfahrt - Sie würden Gravitationsmanöver mit Ihrem Zielplaneten verwenden, um einen Teil seines Impulses zu stehlen, der es Ihnen ermöglichen würde, zu zeichnen das Treibmittel zurück mit mehr "Hebelkraft". Aber wir haben keine solche magische Schnur und keine andere Möglichkeit, uns im freien Raum zu bewegen.

Wir haben jedoch ein paar Tricks. Aerobraking und Gravitationshilfen sind beide Möglichkeiten, um Impulse mit Planeten (und anderen massiven Körpern) auszutauschen, und als solche unterscheiden sie sich stark vom Raketentriebwerk selbst. Das Momentum bleibt wieder erhalten - jeder solche "Stoß" verändert die Bewegungseigenschaften des betreffenden Körpers; es könnte seine Umlaufbahn verlangsamen oder beschleunigen oder seine Rotation verlangsamen oder beschleunigen. Aber da wir uns wieder mit Objekten befassen, die viel massiver sind als Ihr Raumschiff, sind wir wieder "im Wesentlichen frei". Und tatsächlich nutzen wir diese Manöver ausgiebig - unsere Fähigkeiten sind so begrenzt, dass wir es uns kaum leisten können, dies nicht zu tun. Erinnern Sie sich an diese brutalen Wiedereintrittsvideos des Space Shuttles und ähnlicher Fahrzeuge? Riesige Geschwindigkeiten, enorme Temperaturen, enorme Belastung des Raumfahrzeugs? Sie sind nur notwendig, weil wir nicht effizient genug Raumschiff-Motoren haben. Wenn wir Raketentriebwerke hätten, die die Hälfte der Treibmittel- / Treibstoffmasse bei gleichem Impuls verbrauchen würden, würde die Raumfahrt viel einfacher und wir könnten den gefährlichen Wiedereintritt mit vorhandenen Raumfahrzeugen leicht vermeiden (obwohl wir möglicherweise einfach kleiner bauen würden Raumschiffe, um dasselbe zu tun).

Okay, wenn wir also etwas abschieben müssen, können wir Energie zurückgewinnen. In der Tat können wir sogar mehr Energie zurückgewinnen, als wir ursprünglich verwendet haben, wenn wir nur die richtigen Flugbahnen zwischen den richtigen massiven Körpern verwenden! Aber mit dieser Energie kann man vernünftigerweise wenig anfangen. Wir haben Raumschiff-Antriebssysteme, die mit Elektrizität betrieben werden (sie benötigen immer noch Treibmittel, sie benötigen nur viel weniger Masse bei gleicher Geschwindigkeitsänderung). Diese werden jedoch entweder von Solarzellen oder RTGs angetrieben - sie haben keinen Vorteil aus der Rückgewinnung der Energie, selbst wenn dies praktisch möglich wäre. Mit unserer Technologie ist Energie nicht das größte Problem - Treibmittel ist es. Solange wir weiterhin Masse aus der Rückseite einer Rakete werfen, um eine Geschwindigkeitsänderung zu erzeugen, brauchen wir einen Weg, um diese Masse zurückzubekommen. Die kinetische Energie des Raumfahrzeugs ist im Vergleich zur Massenenergie des Treibmittels winzig. Und der Spaß ist, je weniger massiv das Treibmittel ist, desto höher ist der Wirkungsgrad, aber desto mehr Energie wird für denselben Impuls benötigt (der Impuls nimmt linear mit der Geschwindigkeit zu, während die kinetische Energie mit einem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt ) und je niedriger der Schub. Der größte Teil der Energie kann nicht zurückgewonnen werden, da sie sich im Treibmittel und nicht in Ihrem Raumschiff befindet. Je effizienter Ihr Motor ist, desto mehr Energie befindet sich im Treibmittel im Gegensatz zum Raumschiff. Letztendlich benötigen die Systeme, die am meisten von der Rückgewinnung der Energie profitieren würden, auch viel mehr davon.

Der heilige Gral der Raumfahrt wäre ein magisches Mittel, mit dem Sie jedes gewünschte Objekt mit so viel Kraft abschieben können, wie Sie möchten - dies würde die Raumfahrt fast so einfach machen wie das Autofahren.Willst du beschleunigen?Schieben Sie den Planeten ab, den Sie verlassen.Langsamer?Gewinnen Sie die Energie zurück, während Sie den Zielplaneten abschieben.Es würde genauso funktionieren wie der Elektromotor in Ihrem Auto!Leider haben wir wenig Grund zu der Annahme, dass wir jemals in der Lage sein werden, ein solches Gerät herzustellen.Theoretisch ist es technisch nicht unmöglich, aber wir kennen keinen Mechanismus, der angemessen wäre.Man könnte sich eine Orbitalinfrastruktur vorstellen, die es uns ermöglichen würde, den Impuls von Planeten mit Raumfahrzeugen auszutauschen, die von einem Planeten auf einen anderen geschleudert werden, aber sicherlich nicht für unabhängige Raumschiffe, die sich wohl oder übel um das System bewegen.

Ein Schlüsselprinzip, das diesem zugrunde liegt, ist die reversibilität von Prozessen.

Reversibilität ist mit Entropie verbunden: Ein reversibler Prozess erhöht die Entropie nicht, während ein Prozess, der die Entropie erhöht, nicht reversibel ist.

Die Prozesse beim regenerativen Bremsen sind reversibel:

• Elektrische Energie kann von einem Elektromotor in kinetische Energie umgewandelt werden - und umgekehrt.
• Chemische Energie kann in einer Batterie in elektrische Energie umgewandelt werden - und umgekehrt, wenn die Batterie wiederaufladbar ist.

Beide Prozesse beinhalten Verluste, die eine gewisse Entropie erzeugen, aber als Effekte zweiter Ordnung wie Widerstand, die für den Prozess nicht grundlegend sind.

Die an der Raketentechnik beteiligten Prozesse sind irreversible, entropische Prozesse:

• Chemische Energie wird durch Verbrennung in Wärme umgewandelt - nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist dies ein irreversibler Prozess, der die Entropie erhöht
• Diese Wärmeenergie wird verwendet, um Reaktionsmasse zu emittieren. Die Umwandlung eines organisierten Materiezustands in einem Treibstofftank in eine unorganisierte Abgasfahne ist wiederum eine Zunahme der Entropie und nicht reversibel.

(Genau genommen KÖNNEN Sie beide Prozesse umkehren - jedoch nur durch Anlegen weiterer Energie, wodurch die Gesamtentropie weiter erhöht wird, wodurch der Punkt des regenerativen Bremsens negiert wird.)

Um ein Raumschiff regenerativ zu bremsen, müssen Sie die Raketentechnik aufgeben und reversible Prozesse finden, die Sie auf das Problem anwenden können. Eine Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld oder einem Sonnenstrom ist möglicherweise möglich - wie die derzeit führende Antwort nahe legt, bedeutet dies, dass das Raumschiff kein geschlossenes System mehr ist.

Kleine Satelliten (wie Cubesats) interagieren bereits mit den Erdmagnetfeldern, um sich durch Magnetorquers zu drehen, zu taumeln und zu orientieren.Diese sind im Prinzip reversibel - obwohl das Feld so schwach und der Wicklungswiderstand so hoch ist, dass die erzeugte Energie unbedeutend ist.Vielleicht könnten supraleitende Magnetorquierer etwas Energie erzeugen.

Ein weiteres Beispiel: Es ist möglich, von einer Sonne wegzusegeln, auf die Geschwindigkeit ihres Sonnenwinds zu beschleunigen und auf eine andere abzuspringen.

Ich schlage vor, dass das regenerative Bremsen eines Raumfahrzeugs tatsächlich möglich ist und auf ähnliche Weise wie das eines Autos. Dem linearen Impuls des Fahrzeugs wird durch den Zufluss von Energie entgegengewirkt, die aus dem Drehimpuls des Bremssystems verbraucht wird. Die Lösung ist, eine kreisförmige Straße / einen Ring zusammen mit dem Fahrzeug in den Weltraum zu tragen. Es ist nicht wichtig, dass die Straße nicht an einen Planeten gebunden ist, sondern nur, dass sie einen ausreichenden Drehimpuls und genügend Zeit hat, um die Energie zu übertragen. Ob es praktisch ist, ist eine andere Frage.

Regeneratives Bremsen ist kein kostenloses Mittagessen. Die Energie zum Stoppen kommt letztendlich aus dem Kraftstoff, der zum Beschleunigen verwendet wird. Ob Auto oder Raumschiff, beim Start wandelt das Fahrzeug chemische Energie in kinetische Energie um. Das Fahrzeug trägt diese kinetische Energie mit sich.
Das Fahrzeug muss auch die Maschine mit sich führen, um sich an die kinetische Energie zu koppeln und sie in eine andere Richtung oder Form zu ändern.
Am Ende der Fahrt nimmt die "Reibung" zwischen dieser rotierenden Maschine und dem nicht rotierenden Fahrzeug, die niedrig und kontinuierlich war, plötzlich zu, wodurch die kinetischen Energien umgeleitet werden.

Das Raumfahrzeug, das ich mir vorstelle, hat Raketen abgenommen, die auf einem oder mehreren großen konzentrischen Ringen montiert sind, die sich in Bezug auf den Rumpf des Fahrzeugs frei drehen und entlang der Länge des Rumpfes gleiten können. Die Raketen sind leicht abgewinkelt, so dass beim Start gleichzeitig Auftrieb und Spin übertragen werden. Diese Spinnringe könnten verwendet werden, um künstliche Schwerkraft zu erzeugen, aber eine solche Verwendung begrenzt die praktische Winkelgeschwindigkeit, die zum Bremsen verfügbar ist. Die Reibung zwischen Ring und Rumpf muss so gering sein, dass sie sich am Ende der Fahrt noch dreht.Wenn die Rumpfaußenseite aus einer spiralförmig geneigten Ebene (Schraubengewinde) besteht, würde ein Bruchring, der vom Ring in das Gewinde des Rumpfes hineinragt, plötzlich in das Gewinde eingreifen und den Rumpf in Bezug auf die Ringe nach hinten drücken.Wenn der Ring das Ende des Rumpfes erreicht, tritt ein Aufprall auf.Ziehen Sie den Stift zurück, geben Sie dem Ring einen Teil des Rumpfimpulses nach hinten, verlangsamen Sie das gesamte Fahrzeug etwas und setzen Sie die relativen Positionen der sich drehenden Ringe und des Rumpfes zurück, die für einen weiteren Start bereit sind. Der Betrieb ähnelt dem eines massiv vergrößerten Bohrhammers.Vielleicht nicht angenehm, aber theoretisch plausibel.