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Der Warpantrieb ist ein Überlichtantrieb, welcher u.a. von der Föderation, den Klingonen, den Romulanern und Cardassianern eingesetzt wird. Er ist die einfachste technische Realisation eines Überlichttriebwerkes, aber auch einer der langsamsten Überlichtantriebe.

Funktionsweise des Warpantriebs

Vorwort

Der Grundstein für die Funktionsweise des Warpantriebs wurde im 1. Drittel des 20. Jahrhunderts von Albert Einstein's "Allgemeiner Relativitätstheorie" gelegt. Er beschrieb die Raumzeit nicht als statische Bühne für die Physik, sondern als aktiver Partner. Nach der "Allgemeinen Relativitätstheorie" kann man die Raumzeit wie ein Gummituch beschreiben, das von Massen und Energien gekrümmt wird. Je größer die Masse oder Massendichte/Energiedichte, desto größer ist die Delle an der entsprechenden Stelle. Bei einem schwarzen Loch ist die Massendichte unendlich groß und somit die Delle unendlich tief. Im Laufe der Jahrzehnte wurde den Physikern immer klarer, dass diese Beschreibung der Raumzeit nicht die einzige Möglichkeit war, da durch die Quantenmechanik sich größere Probleme auftaten. Um die Relativitätstheorie und Quantenmechnanik unter einen Hut zu bekommen, entwickelte man verschiedene Konzepte der Quantengravitation. Eines dieser Konzepte wurde Stringtheorie genannt und später zur Brane-Theorie ausgebaut. Diese Theorie setzte allerdings statt der üblichen drei Raumdimensionen und der einen Zeitdimension ein Universum mit elf Dimensionen voraus. Aus der Stringtheorie und der darauf folgenden Brane-Theorie wurde dann Mitte des 21. Jahrhunderts die Existenz und Theorie des Subraums geschlussfolgert. Ab diesem Moment war die theoretische Grundlage des praktisch realisierbaren Warpantriebs geboren, wie sie bis ins 24. Jahrhunderts Verwendung findet. Der Subraum wurde als Übergangsschicht und Braneanteil zwischen einem höherdimensionen Hyperraum und den Normalraumes definiert. Erst mit dem Subraum konnte man das Raumdistorsionskonzept technisch umsetzen, da man jetzt einen Weg gefunden hatte, die enormen Energiemengen, die notwendig sind um den Normalraum zu verzerren, zu umgehen. Der Subraum ist mit dem Normalraum verbunden, so dass man mit geringerem Energieaufwand den Subraum für die Kontraktion und Expansion des Normalraums zur Hilfe nehmen kann. Näheres dazu in den nächsten Kapiteln.

Funktionsweise

Runabout Warp

Ein Runabout der Danube-Klasse im Warpflug

Ursprünglich sollte der Warpantrieb Kontinuums-Distorsions-Antrieb (KDA) heißen, was im wesentlichen seine physikalische Funktionsweise wiedergibt.

Der Warpantrieb verursacht eine lokale Verzerrung des Raum-Zeit-Kontinuums die den Raum zwischen Start- und Zielpunkt so verkürzt, dass man diese Strecke in relativer kurzer Zeit überwinden kann, ohne die Lichtgeschwindigkeitsbarrie zu überschreiten. Statt die 4,5 Lj zwischen Sonne und Alpha-Centauri mit möglichst hoher Geschwindigkeit zu durchfliegen, verändert der Warpantrieb den Raum so, dass die Strecke beispielsweise nur noch 4,5 Mrd. km lang ist und schon kann man mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit diese Strecke mit geringem Zeitaufwand durchqueren. Allerdings wäre es sehr energieaufwändig und unpraktisch die gesamte Strecke mit einmal zu komprimieren, daher verzerrt das Warpfeld nur immer einen kleinen Teil der Strecke. Wenn das Raumschiff diesen Teil durchquert hat, wird dann das nächste Teilstück kontrahiert und das durchflogene Teilstück wieder gestreckt. Da der ganze Vorgang fließend abläuft, sieht es von außen so aus, als wäre das Raumschiff in eine gekrümmte Raumzeit-Blase (der Warpfeldblase) gehüllt, die sich mit mehrfacher Lichtgeschwindigkeit vorwärts bewegt.

Aufbau eines mit Antimaterie betriebenen Warpantriebs

Brennstoff und Lagerung

Als Brennstoff wird Deuterium (schwerer Wasserstoff) und Antideuterium verwendet. Beide Gase werden bei niedriger Temperatur (-259 °C; 13,8K) in festem Zustand gelagert (Dichte ca 168 kg/m³). Zusätzlich ist das Antideuterium noch von einem starken Eindämmungsfeld umgeben, so dass es keinesfalls in Kontakt mit normaler Materie kommen kann. Große Raumschiffe der Sternenflotte haben zwischen 1.000 und 5.000 m³ (entsprechend 168-840 t) Antideuterium und zwischen 25.000 und 75.000 m³ (entsprechend 4.200-12.600 t) Deuterium, welches auch für die Impulstriebwerke benötigt wird, an Bord.

Zudem gibt es an Bord noch die Möglichkeit mithilfe von Bussardkollektoren interstellaren Wasserstoff während des Fluges einzusammeln und die Möglichkeit mit einem Quantenladungsumkehrgerät (QLUG) aus Deuterium Antideuterium zu machen. Beide alternativen Brennstoffgewinnungsmethoden besitzen allerdings einen geringen Wirkungsgrad, erstens wegen der Dünnheit des interstellaren Mediums und zweitens wegen des sehr hohen Energieaufwands des QLUG.

Der Brennstoffvorrat eines normalen Raumschiffes der Sternenflotte ist auf 3 Jahre ausgelegt.

Transport des Brennstoffs zur Reaktionskammer

Aus Sicherheitsgründen sind die Treibstofflagertanks in einigem Abstand zum Warpkern gelagert. Zudem wird der Brennstoff vor der Injektion noch auf Solltemperatur gebracht und zu einem Strom komprimiert. Vor der Injektion wird der Treibstoff vorbereitet, indem er auf 1 Mio K vorgeheizt und somit ionisiert wird. Zudem herrscht in der Reaktionskammer etwa 715 facher Atmosphärendruck. Während beim Deuterium alles über mechanischen Wege abläuft, benutzt der Antideuterium-Injektor starke Magnetfelder für die Aufgaben. Zu aller erst wird der Treibstoff, der im Tank unter Druck steht, über ein Ventil in eine Zwischenkammer geleitet. Von dort aus gibt es eine Zuleitung zu den Injektoren. Die Injektoren erzeugen einen scharf gebündelten Strahl (Strom) aus Deuterium bzw. Antideuterium und richten diesem genau auf den Dillithiumkristall aus. Beide "Ströme" werden, durch die in den Warpkernsegmenten befindlichen Querschnittsverengern, auf den Dilithiumkristall ausgerichtet und kommen im Kristall zur Reaktion.

Dillithiumkristall und Warpplasma

Dotiertes Dilithium (2:5:6 Dilithium 2:1 Diallosilikat 1:9:1 Heptoferranid) ist das einzige bekannte Material, welches in der Lage ist, die Annihiliation von Materie und Antimaterie zu regeln. Es ist so behandelt, dass es für Antideuterium durchlässig ist, ohne mit ihm in Reaktion zu treten. Normalerweise würde Materie beim Kontakt mit Antimaterie in einem Blitz aus elektromagnetischer Strahlung (normales + UV-Licht, Gammastrahlung, Röntgenstrahlung) zerstrahlen und die Strahlung würde die Dillithiumkammer einfach verdampfen lassen. Dillithium hat aber die bemerkenswerte Eigenschaft, das Ganze so zu steuern, dass anstelle von EM-Strahlung das Warpplasma entsteht. Dabei spielen bisher ungenau erforschte Quantenphänomene eine Rolle. Die Kristalle haben eine wohldefinierte Gitterstruktur, wodurch Materie von der einen und Antimaterie von der anderen Seite eingeleitet wird. Die einzelnen Teilchen gewinnen dadurch an Abstand, wodurch die Reaktion kontrollierbar wird. Allerdings müssen die Kristalle von Zeit zu Zeit neu ausgerichtet werden. Darunter versteht man die Neuausrichtung des Gefügegitters von Dilithium. Durch die Reaktion von Materie und Antimaterie wird das Gitter stark beansprucht und verliert im Laufe der Zeit an Integrität. Zudem ist die Reaktion so heftig, dass sich nach und nach das Dilithium zersetzt und in Trilithium umgewandelt wird. Trilithium, welches aus dem Warpplasma auskondensiert, sammelt sich als harzförmige Masse in der Kammer und den Transferleitungen an und wird durch bestimmte Reinigungsverfahren ständig entfernt und gesondert entsorgt, da es sehr instabil ist. Es ist auch bekannt, dass das Warplasma neben normalem Plasma, aus baryonischer Materie und hochenergetischen Photonen, auch exotische Teilchen (Warppartikel) und Subraumpartikel, wie beispielsweise Tetryonen, enthält. Dabei gilt etwa die Zusammensetzung: 67% hochenergetische Photonen und baryonische Materierückstände, 25% Warppartikel und 8% Trilithiumrückstände, andere exotische Partikel und Subraumteilchen.

Transfer des hocheenergetischen Warpplasmas zu den Plasmainjektoren

Das Warpplasma wird durch sehr beständige Energietransferleitungen (ETL) von der Reaktionskammer zu den Plasmainjektoren in den Warpgondeln geleitet. Der Plasmastrom wird in zwei Teilströme gespalten und gleichmäßig auf die Backbord- und Steuerbord-ETL verteilt. Die ETL funktionieren ähnlich den Querschnittsverengersegmenten und halten den Plasmastrom magnetisch im Zentrum des Kanals. Zudem wird das Plasma peristaltisch bewegt. An den ETL sind auch Anzapfstellen angebracht, die für die normale Energieversorgung der anderen Schiffssysteme zuständig sind. Alle 5,10 und 20 Meter befinden sich solche Elektro-Plasma-System-(EPS)-Zapfstellen, die in drei Ausführungsformen vorliegen. Die drei Formen unterscheiden sich im wesentlichen in der Kapazität. Typ 1 ist für Hochenergiegeräte, Typ 2 für beispielsweise experimentelle Geräte und Typ 3 für schwache Energieströme, die direkt in Elektrizität umgewandelt werden.

Funktionsweise der Warpspulen und des Warpfeldes

Die Plasmainjektoren und Warpspulen befinden sich in Warpgondeln, die von einem Raumschiff abstehen und für den Aufbau des Warpfeldes zuständig sind. Das PIS (Plasmainjektionssystem) besteht aus 18 Magnetventilinjektoren, die mit der Warpantriebskontrolle verbunden sind. Das PIS ist direkt an die ETL gekoppelt und injiziert das Warpplasma direkt in das Warpspulensystem, pro Spule ein Injektor. Die Injektoren können je nach Flugfunktion des Warpantriebs in unterschiedlicher Folge befeuert werden. Der Öffnungs-Schließ-Zyklus ist variabel und vom Warpfaktor abhängig, ebenso wie die Befeuerungsfrequenz. Jede Befeuerung setzt die dazugehörige Spule einer Energieladung aus, die in das Warpfeld umgesetzt werden muss. Die Spulen bestehen aus Verterium-Kortenid, einem Material welches den Subraum und die Geometrie des Normalraums beeinflussen kann. Es enthält Verteronen, das sind Subraumpartikel, die allerdings im R-Z-Kontinuum unter bestimmten Bedingungen stabil sind. Wenn Verterium-Kortenid Warpplasma ausgesetzt wird, erzeugt es, durch Verschiebung der vom Plasma getragenen Energiefrequenzen in die Subraumdomäne, Quantenpakete der Subraumfeldenergie. Die Spulen generieren ein intensives, vielschichtiges Subraumfeld, welches aus den Gondeln heraustritt und das Raumschiff völlig umgibt. Der Vorwärtsschub wird durch die Manipulation der Form dieses Feldes erreicht. Der Lichtblitz, der während des Warpsprunges zu sehen ist, und das Leuchten der Warpgondeln, wird durch Rekombinationen einzelner Subraumfeldlinien erzeugt.

Beispiel für Injektionszyklus der Plasmainjektoren der Galaxy-Klasse

Warpfaktor Befeuerungsfrequenz
Hertz
Öffnung-Schließ-Zyklus
Nanosekunden
Injektionszeit
Nanosekunden / Sekunde
Warp 1 30 25 750
Warp 2 32 26 832
Warp 3 34 27 918
Warp 4 36 28 1008
Warp 5 40 30 1200
Warp 6 43 33 1419
Warp 7 46 36 1656
Warp 8 50 40 2000
Warp 9 50 44 2200
Warp 9,2 50 46 2300
Warp 9,6 50 50 2500
Warp 9,9 50 53 2650

Energiebedarf des Warpantriebes

Der Warpantrieb erzeugt, mithilfe der Warpfeldspulen, ein Warpfeld um das Raumschiff, um überhaupt Warpgeschwindigkeit zu erreichen. Damit allerdings eine Spule ein Feld aufbauen kann, muss sie einer Energieladung ausgesetzt sein. Diese Energie wird mithilfe einer kontrollierten Materie/Antimaterie-Reaktion unter Verwendung eines Dillithiumkristalls in einem sogenannten Warpkern erzeugt und über Energietransferleitungen (ETL) zu den Warpspulen befördert.

Nun stellt sich natürlich die allgemeine Frage: Wieviel Energie ist für einen Warpflug nötig und wieviel Antimaterie braucht man dafür?

Der erste wichtige Punkt bei der Aufstellung eines Energieverbrauchsdiagramms ist der sogenannte transitionale Schwellenwert. Aufgrund bestimmter technisch-physikalischer Abläufe gibt es bei bestimmten Subraumverzerrungswerten ein Energieminimum um die Verzerrung aufrecht zu erhalten. Diese Minimum ergibt sich aus der Quantentheorie des Subraums. Wie schon oben erwähnt, kann man diese Minima mittels Ch=n^(10/3) mit natürlichen n ermitteln. Der eigentliche Schwellenwert besteht jedoch aus einem Maximum, welches nötigt ist, um die Schwelle zum Minimum zu durchbrechen. Allgemein nimmt der Energieaufwand jedoch mit jedem Cochranen stärker zu. Das ist auch einfach zu erklären, zunächst muss man mehr Energie aufwenden um die Raumzeitkrümmung zu verstärken und zum anderen nimmt mit jedem Cochranen mehr auch die Anzahl an Feldlinien zu. Da die Feldlinien gegeneinander drücken, braucht man für jede weitere Feldlinie ein wenig mehr Energie um sie "dazwischenzupressen" als bei der vorhergehenden Feldlinie. Dieser Effekt wird als Subraumfeldwiderstand bezeichnet. Zusätzlich zu den genannten Fakten kommt noch hinzu, dass ein Warpfeld auch noch mit der Stärke, an Größe und Reichweite zunimmt und man muss, um die Felddichte aufrecht zu erhalten, nochmals mehr Energie aufwenden.

All diese Effekte in der Summe erzeugen einen exponentiellen Energieverbrauchsverlauf, wie man im nächsten Diagramm sehen kann. Allerdings ist dieses spezielle Diagramm nur für die Warpantriebskonfiguration der Galaxy-Klasse gültig, mit der Veränderung der Feldgeometrie und der Steigerung des Wirkungsgrades der M/A-Reaktion und der Warpspulen kann man den Verlauf der Kurve noch ein wenig flacher gestalten.

Energiebedarf nach Warpgeschwindigkeit

Warpdiagramm(modifiziert)

Diagramm von Warpgeschwindigkeiten und Warpenergie

Anhand des Diagramms und des Rechenbeispiels ist sehr deutlich ersichtlich, das der Energiebedarf exponentiell steigt und auch die transitionalen Schwellenwerte bei höheren Warpfaktoren immer unbedeutender werden, da das Verhältnis von Minimum und Maximum gegen 1 geht und irgendwann prozentual keinen großen Energiegewinn mehr ausmacht. Das war auch der Hauptgrund, warum man nur neun ganzzahlige Warpfaktoren eingeführt hat und dem zehnten Faktor den energetischen Grenzwert zugeordnet hat. Wenn man sich den Treibstoffbedarf in Form von Gramm bzw. Kilogramm M/A-Gemisch pro Sekunde vorstellt, wird schnell klar, dass man die Warpfaktoren nicht beliebig steigern kann, da irgendwann Durchflussraten von Tonnen pro Sekunde an Treibstoff entstehen. Alle Warptriebwerke haben eine technisch bedingte maximale Durchflussrate, die bei Föderationsantrieben bei etwa 300 Kilogramm pro Sekunde liegt. 1 kg Materie/Antimaterie-Gemisch ergibt mittels E=mc²; [c=299.792.458 m/s] 9*10^16 Joule (90 Petajoule) an Nettoenergie, bei einem maximalen Wirkungsgrad von 100%. Damit steht fest dass die allermeisten neuen Föderationsraumschiffe eine Maximalgeschwindigkeit von Warpfaktoren zwischen 9,9 und 9,99 haben, die man ohne technische Umbauten am Antrieb nicht überschreiten kann. Die einzige Möglichkeit diese Grenze zu überwinden, besteht darin neue Antriebsmethoden zu finden, mit Hilfe derer man höhere Geschwindigkeiten bei gleichem Energieaufwand erreichen kann. Diese neuen Antriebsmethoden werden als Transwarp bezeichnet. Die Transwarpschwelle befindet sich nach der Föderationsdefinition bei Warpfaktor 9,99, dem größtmöglichen mit konventionellem Warpantrieb erreichbaren Wert.

Warpfaktor Subraumverzerrung Warpenergie
(Energieverbrauch * Cochranen)
Treibstoffbedarf
(Antimaterie-Materie-Gemisch)
Warp 1 1 Cochranen 3*10^10 Joule 0,33 Milligramm pro Sekunde
Warp 2 10 Cochranen 5*10^12 Joule 55,56 Milligramm pro Sekunde
Warp 3 39 Cochranen 1*10^14 Joule 1,11 Gramm pro Sekunde
Warp 4 102 Cochranen 1*10^15 Joule 11,11 Gramm pro Sekunde
Warp 5 214 Cochranen 9*10^15 Joule 100 Gramm pro Sekunde
Warp 6 392 Cochranen 4*10^16 Joule 444 Gramm pro Sekunde
Warp 7 656 Cochranen 2*10^17 Joule 2,22 Kilogramm pro Sekunde
Warp 8 1024 Cochranen 7*10^17 Joule 7,78 Kilogramm pro Sekunde
Warp 9 1516 Cochranen 3*10^18 Joule 33,33 Kilogramm pro Sekunde
Warp 9,9 3053 Cochranen 3*10^19 Joule 333,33 Kilogramm pro Sekunde
Warp 9,99 7912 Cochranen 8*10^20 Joule 8,89 Tonnen pro Sekunde
Warp 9,999 34709 Cochranen 1*10^23 Joule 1111 Tonnen pro Sekunde

Warpgeschwindigkeit, Warpskala und Warpfaktoren

Detaillierte Informationen sind unter Warpgeschwindigkeit zu finden.

Externe Links

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