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#2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

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#2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von gravi » 8. Aug 2010, 18:59

Eines der großen Rätsel, an dessen Lösung seit Jahren viele Wissenschaftler arbeiten, ist die Kosmische Strahlung.

Ständig kommen aus den Tiefen des Alls hochenergetische Teilchen zur Erde, die es teilweise gar nicht geben dürfte!
Diese Teilchen sind überwiegend Wasserstoff- und Heliumkerne (also positiv geladene Ionen), manchmal auch Eisenkerne. Niemand weiß, wo und wie sie entstehen, vermutlich aber stammen sie aus den Jets von massereichen Schwarzen Löchern.

Manchmal sind diese Kerne extrem energiereich, viel mehr als es physikalische Berechnungen erlauben. Denn auf ihrem Weg zu uns müssten sie durch Kollisionen mit Photonen der Hintergrundstrahlung auf einen maximalen Energiebetrag "abgekühlt" werden. Das ist manchmal aber nicht der Fall.

Es gibt hierzu zwei Vermutungen:

1. Die Teilchen kommen aus den Tiefen des Alls, also aus fernen Galaxien. Dann aber dürften sie nicht so energiereich sein!

2. Sie stammen aus der Milchstraße, z.B. aus dem Halo und sind noch Relikte des Urknalls, Zerfallsprodukte noch höherenergetischer Teilchen.

Sehr viel Interessantes zu dieser Problematik findet man unter

http://www.auger.de/index.html

Die kosmische Strahlung ist nicht ungefährlich! Sie durchdringt alles und damit auch die Körper von Lebewesen. Dort kann sie zur Entstehung von Krebs führen.
Genau dies ist das größte Problem für eine bemannte Marsmission. Jeder Astronaut geht dabei ein 30%iges Risiko ein, an Krebs zu erkranken. Man geht ja sogar davon aus, dass die Besatzungen von Flugzeugen einer gewissen Gefährdung unterliegen.

Für künftige, große Raumflüge - etwa zu anderen Sternen mit z.B. Generationsraumschiffen - ist dies ein fast unlösbares Problem. Denn die Kosmische Strahlung ist kaum abzuschirmen. Als eine Alternative zum Schutz vor dieser Strahlung könnte man evt. auf herkömmliche Raumschiffe verzichten und an deren Stelle einen Asteroiden verwenden. In dessen Inneren wäre man einigermaßen geschützt und damit könnten dann auch längere Reisen durchgeführt werden.

Gruß
gravi
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von Maclane » 9. Aug 2010, 17:21

Wenn die Teilchen positiv geladen sind, dann würde doch auch ein Magnetfeld ausreichen, um sie um das Raumschiff rumzulenken, oder nicht?

Zugegeben, das Magnetfeld müsste schon ordentlich stark sein.

Gruss
Mac
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von gravi » 9. Aug 2010, 19:12

Es dürfte schwieriger sein, ein Raumschiff mit kilometerdicker Hülle zu bauen als einen Asteroiden ein wenig auszuhöhlen und bewohnbar zu machen.

Mir ist natürlich auch klar, dass dies eine ungeheure Arbeit wäre, aber derzeit wohl der günstigste Schutz vor der Kosmischen Strahlung.

Ja Mac, ein Magnetfeld ginge selbstverständlich auch. Aber ein solch starkes zu erzeugen dürfte recht kostspielig werden und eine Menge an Material erfordern. Vielleicht sollte man einen Magnetaren aushöhlen... :peace:

Gruß
gravi
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von seeker » 9. Aug 2010, 22:59

Es gibt tatsächlich Überlegungen ein Raumschiff durch eine Art Schutzschild vor kosmischer Strahlung zu schützen:
Man erzeugt ein Plasma incl. Magnetfeld um das Raumschiff herum.
Energieschilde in der Wissenschaft
Bis jetzt ging man davon aus, dass der Energieaufwand, um einen solchen Schild zu betreiben, sehr groß sein müsse. Nach neuesten Untersuchungen im Auftrag der NASA, könnte es jedoch zu einer realen Anwendung in der bemannten Raumfahrt kommen. Im Rahmen einer bemannten Mars-Mission müssen die Raumfahrer vor kosmischer Strahlung geschützt werden. Dazu soll eine Blase aus Plasma das Raumschiff umgeben und mit ihrem Magnetfeld dafür sorgen, dass die Besatzung zukünftiger Raumschiffe vor der kosmischen Weltraumstrahlung geschützt wird. Damit ließe sich der mehrere Zentimeter dicke und entsprechend schwere Strahlenschutz herkömmlicher Bauart einsparen.[3]

Ähnlich dem von der NASA konzipierten Schutzschild, funktioniert auch der natürliche Strahlenschutzschild der Erde, welcher durch das natürliche Erd-Magnetfeld (siehe auch Magnetosphäre) – auf der einen Seite – und durch den Teilchenstrom der Sonne (siehe auch Sonnenwind) – auf der anderen Seite – aufrechterhalten wird.
http://de.wikipedia.org/wiki/Energieschild
http://www.wissenschaft.de/wissenschaft ... 67551.html

Vor hochenergetischer EM-Strahlung und neutralen Teilchen schützt das natürlich nicht - aber immerhin: Das Schlimmste wäre abgeschirmt.

Grüße
seeker
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von belgariath » 16. Aug 2010, 18:41

;i
gravi hat geschrieben:2. Sie stammen aus der Milchstraße, z.B. aus dem Halo und sind noch Relikte des Urknalls, Zerfallsprodukte noch höherenergetischer Teilchen.
Wenn diese Teilchen aber aus der Milchstraße stammen und Relikte des Urknalls sind dann müssen sie doch eine ziemlich niedrige Geschwindigkeit haben, oder? (Denn sie sind ja bis heute nur bis zur Erde gekommen, die sich auch in der Milchstraße befindet) Wenn ihre Geschwindigkeit so klein ist, wie können sie dann energiereich sein?
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von gravi » 16. Aug 2010, 19:17

Jein...

Man denkt sich dabei, dass sie zum Beispiel die Zerfallsprodukte von noch viel energiereicheren Teilchen, so genannten schweren Bosonen sind, die kurz nach dem Urknall entstanden sind und scheinbar länger "überlebt" haben als in der Theorie angenommen.

Wenn ein Teilchen energiereich ist, muss das auch nicht unbedingt gleichbedeutend mit hoher Geschwindigkeit sein.
Stell Dir hierzu einmal 2 Stahlkugeln vor, die vor Dir auf dem Tisch liegen. Die eine hat Raumtemperatur und ist damit relativ energiearm. Die andere ist 1000 Grad heiß - hat damit ein viel höhere Energie. Beide Kugeln ruhen aber!

Schönen Gruß
gravi
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von belgariath » 16. Aug 2010, 19:26

aber einem (einzigen) Elementarteilchen kann man keine Temperatur zuordnen.
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von gravi » 17. Aug 2010, 19:09

Das ist schon richtig, sollte ja auch nur ein anschauliches Beispiel sein.
Ersetze Temperatur durch Impuls, das liegt dann näher dran.

Nimm dazu nochmals die beiden Kugeln. Die eine liegt auf dem Tisch, die andere haben wir auf einen Kirchturm gebracht.
Die obere hat nun einen viel größeren Energieinhalt - obwohl wiederum beide ruhen.

Im Endeffekt aber weiß ich jetzt auch nicht zu sagen, wie schnell die Teilchen in Wirklichkeit sind. Deren Energie wird ja stets nur in Elektronvolt (eV) angegeben. Ich denke aber doch, dass die Geschwindigkeiten im relativistischen Bereich liegen.

Gruß
gravi
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von Skeltek » 17. Aug 2010, 22:02

Es wäre mögl4ch, daß die Zerfallswahrscheinlichkeit von Teilchen allgemein von den Energiefluktuationen des Vakuums abhängig ist(weißes Rauschen?).
Wir kennen die Halbwärtszeiten von Teilchen außerhalb von Galaxien oder Clustern ja nicht.

Abbremsen durch Kollision mit Photonen? Dachte das geht nur bei Teilchen, die kurzfristig ihr Elektronegativitätsgefälle durch z.B. freie Elektronen verändern können um das aufgenommene Photon wieder gestückelt abzustrahlen?

Muß für einen Energieaustausch mit einem Photon nicht auch der Elektromagnetische "Quasiimpuls" genau stimmen? Ein Teilchen, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt hat völlig verschobene Spektrallinien. Es müsste mit viel höher oder niederfrequenteren Photonen als üblich kollidieren, damit ein Impulsaustausch überhaupt stattfinden kann?
Dar Photonenspektrum ist jedoch Galaxieintern durch die Art der Sterne und deren nichtrelativistischen Relativbewegungen zueinander limitiert?
Das Wellenlängenspektrum der Sonne zum Beispiel geht ab ca 250nm los und ist bei 2500nm fast nicht mehr vorhanden.

Wie funktioniert abbremsen durch Kollision mit Photonen überhaupt?

Gruß, Skel
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von Skeltek » 18. Aug 2010, 07:33

Damit meinte ich das Gefälle des elektrischen Feldes innerhalb eines Atoms oder Moleküls.
Ein Elementarteilchen hat so etwas nicht. Wie soll bitte ein Proton mit einem Photon Energie austauschen?

Das Bestreben von Atomen im Periodensystem sich an an andere zu binden kommt durch die Ungleichverteilung von positiver und negativer Ladung zustande. Das Teilchen mag nach außen hin auf einige Distanz zwar neutral erscheinen, hat aber trotzdem das bestreben das Spannungsgefälle zwischen Kern und äußersten freien Elektronen mithilfe anderer Teilchen zu entlasten. Hab mir das mal alles hergeleitet in der 4ten Klasse mithilfe der Periodensystemtabelle meiner Schwester... aber das soll jetzt weniger nen Exkurs in die Chemie werden...

Ein Photon hat keine Masse, deshalb konnte ich kaum von Impuls sprechen.
In jedem Fall kann ein Proton nicht einfach Energie absorbieren. Sowohl die Energiebillanz als auch Impulsbillanz von Photon und Proton müssen vor und nach der Kollision übereinstimmen. Nur dann kann eine Kollision zwischen den beiden irgendeine Auswirkung haben.

Photon der Hintergrundstrahlung für die Kollision hatte ich auch schon im Sinn, habe aber die Anzahl der Photonen auf fast null geschätzt...
Sogar die Sonne emittiert Photonen mit einer Wellenlänge von weit über 2500nm, allerdings ist die Strahlungsintensität in dem Bereich praktisch Null.

Sorry, dass ich mich hier nicht so gut ausdrücken kann, ich hab praktisch meine gesammte Schulzeit den Physikunterricht verschlafen... hab mich durch gemogelt indem ich mir während der Prüfungen das meiste hergeleitet hatte =(
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Re: #2 Raumfahrt und Kosmische Strahlung

Beitrag von Skeltek » 18. Aug 2010, 17:40

Sorry, ich hab beim Autofahren bissl Brainstorming gemacht und an Ampeln aufgeschrieben was mir grade spontan durch den Kopf ging ohne genauer darüber nachzudenken.
Man könnte von den vielen Ideen eine nehmen, die vielleicht als Erklärung dafür in Frage kommt und weiter ausweiten, statt die heraus zu picken, wo ich intuitiv falsch lag und diese zu zerpflücken.

Compton Effekt kam mir nicht sofort in den Sinn, weil ich davon ausging, dass das Photon in der Regel bei einem Stoß nicht höherfrequent werden kann bzw keine Energie aufnehmen. Mir kam auf die Schnelle nicht in den Sinn, dass das nur für das Inertialsystem des Protons gilt.
Hatte die Masse des Protons als zu hoch eingeschätzt, als daß ein Bezugssystemwechsel eine nennenswerte Rolle spielt.
Wählt man das Beobachterkoordinatensystem geschickt, hat das Photon seine Frequenz nach dem Stoß nicht verändert und das Proton lediglich die Bewegungsrichtung geändert.

Hat jemand eine Tabelle auftreiben können, wie hoch die Kollisionswahrscheinlichkeit eines Photons und Elektrons in Abhängigkeit von der Wellenlänge ist?


ps: Ja, ich war auf der gymnasialen Oberstufe, war wie in ner Gummizelle. Sorry, dass ich seitdem mich mit sowas nur noch halbherzig befassen kann. Das Lerntempo heutiger Schulen is unter aller Sau. Was soll man machen wenn man sich wie in einer Gummizelle fühlt und warten muss bis die anderen die einfachsten Dinge raffen? Irgendwann resigniert man halt.
Die Formeln hab ich mir dann immer erst während den Prüfungen hergeleitet und die waren in der Regel auch alle richtig.
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