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Grundlagenforschung: Traktorstrahlen funktionieren (in der Simulation)

Traktorstrahl Physik tractor beam

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9 Antworten in diesem Thema

#1 Jannis

Jannis

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Geschrieben 12 November 2023 - 11:11

"Traktorstrahlen" (tractor beams) als Science Fiction-Technik gibt es schon seit 1931 (E.E. Smith: Spacehounds of IPC), haben aber eine große Bedeutung in der klassischen Space Opera mit viel Raumkämpfen (Star Wars, Star Trek, ...) aber tatsächlich nähern wir uns endlich ihrer realen Entwicklung (bis zur Anwendung dauert es aber noch lange), siehe aktueller Artikel bei ArXiv über die grundsätzliche Möglichkeit : 

 

Tractor beams with optimal pulling force using structured waves
 
Moving objects with optical or acoustical waves is a topic both of fundamental interest and of importance for a range of practical applications. One particularly intriguing example is the tractor beam, which pulls an object toward the wave's source, in opposition to the wave's momentum. In this study, we introduce a protocol that enables the identification of wave states that produce the optimal tractor force for arbitrary objects. Our method relies solely on the solution of a simple eigenvalue problem involving the system's measurable scattering matrix. Using numerical simulations, we demonstrate the efficacy of this wavefront shaping protocol for a representative set of different targets. Moreover, we show that the diffractive nature of waves enables the possibility of a tractor beam, that works even for targets where a geometric optics approach fails to explain the pulling forces.

 

M. Horodynski et al., Tractor beams with optimal pulling force using structured waves, Physical Review A(2023), https://doi.org/10.4...Xiv.2305.03316 


 

https://arxiv.org/abs/2305.03316

 

 

Ich bin kein Physiker, darum kann ich das gar nicht einschätzen. Aber was sagen denn die "Profis" zur aktuellen Forschung in diesem Bereich? 


Meistens gut gelaunt, offen für sehr viel und immer für eine angeregte Diskussion zu haben!

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#2 Christian Hornstein

Christian Hornstein

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Geschrieben 12 November 2023 - 17:05

Das ist ja cool. Aber wenn ich das richtig verstehe, geht es um Licht- und Schallwellen. Ob die genug Energie aufbringen, um so massereiche Objekte wie Raumschiffe es sind anzuziehen?



#3 George Nelson

George Nelson

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Geschrieben 12 November 2023 - 21:44

Na ja. In Fachzeitschriften wird so etwas als optische oder akustische Pinzette bezeichnet. Bei Raumschiffen oder Asteroiden wären Enterhaken sehr viel realistischer.

 

Ernsthaft: Mit der Akustik sieht es im Vakuum schlecht aus. Lichtstrahlen haben sehr viel mehr Energie als Impuls. Man wird im Sonnenlicht eher verbrannt als weg geschubst. Bevor da nennenswerte Kräfte auftreten, hat man das Objekt verdampft.

 

Es gibt Ideen, Asteroiden mit Schwerkraft aus der Bahn zu bewegen. Das sind aber Minikräfte. Man könnte auch viele, viele Drohnen mit starken Triebwerken nehmen. Da bietet sich wieder der Enterhaken an.

 

Es wurde mal die Idee diskutiert, ein Sonnensegel mit Lasern zu beschleunigen. Das Segel müsste allerdings gigantisch sein, mit einem Reflektionswert nahe 100% - und einer Masse im Gramm-Bereich.

 

Das, was dem SF-Fan vorschwebt, wären eher Kräfte im Warp-Bereich. Da muss man schon mit Schwarzen Löchern jonglieren, solange man keine Methode findet, Raumzeit-Verzerrungen ohne Massen hervorzurufen.


Bearbeitet von George Nelson, 12 November 2023 - 21:48.


#4 Jannis

Jannis

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Geschrieben 13 November 2023 - 13:38

Na ja. In Fachzeitschriften wird so etwas als optische oder akustische Pinzette bezeichnet. Bei Raumschiffen oder Asteroiden wären Enterhaken sehr viel realistischer.

 

Ernsthaft: [...]

 

Okay, danke Dir für die Erläuterungen :)

 

Also viel mehr Hype als Realität dahinter, d.h. Traktorstrahlen bleiben Science-Fiction :( 


Meistens gut gelaunt, offen für sehr viel und immer für eine angeregte Diskussion zu haben!

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#5 Christian Hornstein

Christian Hornstein

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Geschrieben 14 November 2023 - 11:48

Na ja. In Fachzeitschriften wird so etwas als optische oder akustische Pinzette bezeichnet. Bei Raumschiffen oder Asteroiden wären Enterhaken sehr viel realistischer.

 

Ernsthaft: [...]

 
Ah ja, habe ich mir fast gedacht.



#6 Naut

Naut

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Geschrieben 14 November 2023 - 12:10

Ich habe das Paper nun mal überflogen. Die Idee ist, vereinfacht, folgende: Überlagert man zwei Wellen, dann kann man durch die Veränderung der Frequenz der beiden Wellen steuern, in welchen Stellen Wellenberge und -Täler entstehen. Hat man beliebig viele Einzelwellen zur Verfügung, dann kann man die Wellenberge nahezu beliebig im Raum anordnen. Dies ist das Prinzip der Fouriertransformation, die letztlich die Grundlage z.B. für JPEG-Bilder oder auch für heutige Streaming-Codecs liefert. Außerdem kennt man das von Noise-Cancelling Kopfhörern. Für einen Traktorstrahl müsste man also mehrere Wellen (Licht oder besser Schall) so kombinieren, dass hinter dem anzuziehenden Objekt ein "Berg" entsteht, der das Objekt zu mir schiebt.

 

So weit, so gut. In Abb. 1 und 2 sieht man aber ganz gut, worin ein großes Problem besteht: Die Wellenemitter müssen in einem recht großen Winkel relativ zum Obejkt stehen, hier etwa 90°. Das ist anders als bei Star Trek. Wollte ich damit ein Raumschiff über eine größere Distanz ziehen, müsste meine Antenne für den Traktorstrahl gigantisch sein, eben etwa so groß wie die Distanz.

 

Es gibt noch weitere Probleme, u.A. der Energiegehalt der Wellen (irgendwo muss ja die Schubkraft herkommen), und, worum es ja im Paper eigentlich geht, dass ich die Modulation und Stärke der Wellen ziemlich exakt auf Material und Form des Zielobjekts abstimmen muss, wobei sich dies sogar noch ändern muss, wenn das Ding anfängt zu rotieren oder sich deformiert. Im Extremfall muss ich sogar die Form meiner Antenne ändern, während sich das Objekt auf mich zubewegt.

Aber ich denke, die geometrische Größenanforderung ist erstmal das Hauptproblem.


Liest gerade: Atwood - Die Zeuginnen

#7 Christian Hornstein

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Geschrieben 15 November 2023 - 13:56

Ich habe das Paper nun mal überflogen. Die Idee ist, vereinfacht, folgende: Überlagert man zwei Wellen, dann kann man durch die Veränderung der Frequenz der beiden Wellen steuern, in welchen Stellen Wellenberge und -Täler entstehen. Hat man beliebig viele Einzelwellen zur Verfügung, dann kann man die Wellenberge nahezu beliebig im Raum anordnen. Dies ist das Prinzip der Fouriertransformation, die letztlich die Grundlage z.B. für JPEG-Bilder oder auch für heutige Streaming-Codecs liefert. Außerdem kennt man das von Noise-Cancelling Kopfhörern. Für einen Traktorstrahl müsste man also mehrere Wellen (Licht oder besser Schall) so kombinieren, dass hinter dem anzuziehenden Objekt ein "Berg" entsteht, der das Objekt zu mir schiebt.

 

So weit, so gut. In Abb. 1 und 2 sieht man aber ganz gut, worin ein großes Problem besteht: Die Wellenemitter müssen in einem recht großen Winkel relativ zum Obejkt stehen, hier etwa 90°. Das ist anders als bei Star Trek. Wollte ich damit ein Raumschiff über eine größere Distanz ziehen, müsste meine Antenne für den Traktorstrahl gigantisch sein, eben etwa so groß wie die Distanz.

 

Es gibt noch weitere Probleme, u.A. der Energiegehalt der Wellen (irgendwo muss ja die Schubkraft herkommen), und, worum es ja im Paper eigentlich geht, dass ich die Modulation und Stärke der Wellen ziemlich exakt auf Material und Form des Zielobjekts abstimmen muss, wobei sich dies sogar noch ändern muss, wenn das Ding anfängt zu rotieren oder sich deformiert. Im Extremfall muss ich sogar die Form meiner Antenne ändern, während sich das Objekt auf mich zubewegt.

Aber ich denke, die geometrische Größenanforderung ist erstmal das Hauptproblem.

 
Ach Du Heiliger! Das ist ja noch abwegiger als ich dachte.



#8 Naut

Naut

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Geschrieben 15 November 2023 - 14:14

 
Ach Du Heiliger! Das ist ja noch abwegiger als ich dachte.

Finde ich jetzt gar nicht. Für Manipulation sehr kleiner Strukturen, z.B. im medizinischen Bereich oder für Nano-Engineering, ist das eine ziemlich coole Methode. Bloß auf Raumschiff-Skala ergibt das mal gar keinen Sinn - was im Paper ja auch nicht behauptet wird.


Liest gerade: Atwood - Die Zeuginnen

#9 Christian Hornstein

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Geschrieben 15 November 2023 - 15:46

Finde ich jetzt gar nicht. Für Manipulation sehr kleiner Strukturen, z.B. im medizinischen Bereich oder für Nano-Engineering, ist das eine ziemlich coole Methode. Bloß auf Raumschiff-Skala ergibt das mal gar keinen Sinn - was im Paper ja auch nicht behauptet wird.

 
Sorry. Das ist ein Missverständnis. Ich meinte natürlich, abwegig zu denken, nun könnten bald Raumschiffe per Traktorstrahl herumgeschleppt werden. Das war nämlich meine Assoziation bei diesem Thread. :P



#10 Naut

Naut

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Geschrieben 15 November 2023 - 16:10

 
Sorry. Das ist ein Missverständnis. Ich meinte natürlich, abwegig zu denken, nun könnten bald Raumschiffe per Traktorstrahl herumgeschleppt werden. Das war nämlich meine Assoziation bei diesem Thread. :P

Ja, da stimme ich Dir zu. Wäre das nicht so, hätte ich das Paper auch nicht mal angelesen. :) (Obwohl das Thema meiner eigenen Arbeit vor einigen Jahren ziemlich ähnlich ist.)


Liest gerade: Atwood - Die Zeuginnen



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