(Bildnachweis: Yuichiro Chino/Getty Images)
Forscher haben eine neue Antriebsmethode vorgeschlagen, die es möglich machen könnte, die für interstellare Missionen erforderlichen großen Entfernungen innerhalb eines Menschenlebens zu überwinden.
Die grundlegende Herausforderung bei der Erreichung eines anderen Sternensystems besteht darin, herauszufinden, wie man effizient und kostengünstig genügend Energie für ein Raumschiff erzeugen und übertragen kann. Die physikalischen Grenzen moderner Raumfahrzeuge stellen eine große Herausforderung dar, um den interstellaren Raum innerhalb eines Menschenlebens zu erreichen, vor allem, weil an Bord nur wenig Platz für den Transport von Treibstoff oder Batterien ist. Wenn wir jemals die enormen Geschwindigkeiten erreichen wollen, die notwendig sind, um interstellare Entfernungen innerhalb eines Menschenlebens zu überwinden, müssen wir Lösungen finden, die über den Tellerrand hinausgehen.
Enter relativistische Elektronenstrahlen, die aus Elektronen bestehen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. „Das Beamen von Energie auf das Schiff ist seit langem als eine Möglichkeit anerkannt, mehr Energie zu erhalten […] als wir mit uns führen können“, sagte Jeff Greason, Cheftechnologe von Electric Sky, Inc. und Vorsitzender der Tau Zero Foundation, gegenüber kosmischeweiten.de. „Energie ist Leistung [multipliziert mit] Zeit – um eine bestimmte Menge an Energie aus einem Strahl zu erhalten, braucht man also entweder eine sehr hohe Leistung oder man muss lange im Strahl bleiben.“
Eine solche Lösung, die kürzlich vorgeschlagen wurde, verwendet Elektronenstrahlen, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, um Raumfahrzeuge anzutreiben, was die riesigen Entfernungen zwischen der Erde und dem nächstgelegenen Stern überwinden könnte. „Bei interstellaren Flügen besteht die größte Herausforderung darin, dass die Entfernungen so groß sind“, erklärt Greason. „Alpha Centauri ist 4,3 Lichtjahre entfernt; das ist etwa 2.000 Mal weiter von der Sonne entfernt als die Raumsonde Voyager 1 – die am weitesten entfernte Raumsonde, die wir bisher ins Weltall geschickt haben. Es ist unwahrscheinlich, dass jemand eine wissenschaftliche Mission finanziert, die viel länger als 30 Jahre braucht, um die Daten zu liefern – das bedeutet, dass wir schnell fliegen müssen.
Eine Studie von Greason und Gerrit Bruhaug, einem Physiker am Los Alamos National Laboratory, die in der Zeitschrift Acta Astronautica veröffentlicht wurde, unterstreicht, dass das Erreichen praktischer interstellarer Geschwindigkeiten von der Fähigkeit abhängt, dem Raumschiff ausreichende Mengen an kinetischer Energie auf wirtschaftliche Weise zuzuführen.
„Interstellarer Flug erfordert, dass wir riesige Mengen an Energie sammeln und kontrollieren, um Geschwindigkeiten zu erreichen, die schnell genug sind, um nützlich zu sein“, so Greason. „Chemische Raketen, die wir heute verwenden, sind trotz des zusätzlichen Geschwindigkeitsschubs, der durch den Vorbeiflug an Planeten oder durch […] den Vorbeiflug an der Sonne entsteht, einfach nicht in der Lage, nützliche interstellare Geschwindigkeiten zu erreichen.“
Die meisten theoretischen Studien über „Beam Rider“ für interstellare Reisen haben sich auf Laserstrahlen konzentriert, die aus Lichtteilchen, den Photonen, bestehen. Zu den bemerkenswerten Beispielen gehören lasergetriebene interstellare Staustrahltriebwerke und Lasersegel. Staustrahltriebwerke treiben Raumfahrzeuge an, indem sie Wasserstoffgas aus dem interstellaren Medium komprimieren, wobei die Energie von einem Laserstrahl geliefert wird, der von einer weit entfernten Quelle gesendet wird. Im Gegensatz dazu nutzen Lasersegel den Impuls der Photonen des Laserstrahls, um das Raumfahrzeug voranzutreiben.
Artist’s illustration of a laser-powered Breakthrough Starshot probe flying by the potentially habitable exoplanet Proxima b. (Image credit: Planetary Habitability Laboratory, University of Puerto Rico at Arecibo)
Obwohl beide Konzepte als ideale Lösungen erscheinen, gibt es mehrere Einschränkungen, die ihre Anwendung behindern. Interstellare Staustrahltriebwerke stehen vor Herausforderungen wie der geringen Dichte des interstellaren Mediums und dem immensen Energie- und Fusionsbedarf. Lasersegel sind zwar einfacher konstruiert, haben aber Schwierigkeiten, die Ausrichtung und Intensität des Strahls über große Entfernungen aufrechtzuerhalten, um eine angemessene Energieabgabe zu gewährleisten.
Elektronen hingegen lassen sich viel leichter auf annähernde Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und bieten einzigartige Vorteile, obwohl sie aufgrund ihrer eigenen Einschränkungen noch weniger erforscht sind. „Da die Elektronen alle negativ geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab, was den Strahl auseinander treibt“, erklärt Greason.
Aber Greason und Bruhaug sind der Meinung, dass es Möglichkeiten gibt, dem entgegenzuwirken.
Bei relativistischen Geschwindigkeiten – also nahe der Lichtgeschwindigkeit – bewegt sich die Zeit langsamer, was bedeutet, dass der Elektronenstrahl nicht genug Zeit hat, sich auszubreiten, so dass der Strahl fokussiert bleibt.
Der andere Vorteil besteht darin, dass der Raum nicht leer ist. „Es gibt eine sehr dünne Schicht ionisierter Gase, Plasma genannt, die den Raum ausfüllt und in der eigene Elektronen und Ionen herumschwirren“, erklärt Greason. „Wenn der Elektronenstrahl [dieses Plasma] durchquert, stößt er die leichteren Elektronen aus diesem Hintergrundgas ab, aber die Ionen, die schwerer sind, bewegen sich langsamer und bleiben zurück.
Diese Weitwinkelansicht des Himmels um das helle Sternensystem Alpha Centauri wurde aus fotografischen Bildern erstellt, die Teil des Digitized Sky Survey 2 sind (Bildnachweis: ESO/Digitized Sky Survey 2 Danksagung: Davide De Martin)
Wenn der Elektronenstrahl das Plasma durchquert, wird er von einem Magnetfeld erfasst, das durch die vom Weltraumplasma zurückgelassenen Ionen verursacht wird; dieses Magnetfeld erzeugt eine Kraft, die den Elektronenstrahl zusammenzieht, so dass er zusammengedrückt wird und sich nicht ausbreiten kann. „Das nennt man ‚relativistische Quetschung’“, sagt Greason. „Wenn das alles richtig funktioniert, können wir den Strahl im Weltraum über eine sehr lange Strecke zusammenhalten – das Tausendfache der Entfernung von der Erde zur Sonne – und das würde die Energie liefern, um ein Raumschiff zu beschleunigen.“
In ihrer Arbeit berechnete das Duo, dass ein Elektronenstrahl, der sich mit diesen Geschwindigkeiten bewegt, genug Energie erzeugen könnte, um eine 1.000 kg schwere Sonde – etwa so groß wie Voyager 1 – auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Damit könnte sie Alpha Centauri in nur 40 Jahren erreichen – eine erhebliche Verbesserung gegenüber den 70.000 Jahren, die sie derzeit benötigen würde.
Greason argumentiert, dass es bereits Beispiele für diese gequetschten relativistischen Strahlen im tiefen Weltraum gibt, wie z. B. Jets geladener Teilchen, die von Schwarzen Löchern freigesetzt werden, was darauf hindeutet, dass dies hypothetisch möglich ist. „Aber können wir solche Bedingungen künstlich erzeugen?“, fragt er. „Wird das Magnetfeld der Sonne den Strahl unterbrechen? Wie würden wir den Elektronenstrahl in Gang bringen? Das sind alles Fragen, die noch offen sind.“
In dem Papier schlägt das Team vor, ein „strahlenerzeugendes Raumschiff“ in der Nähe der Sonne zu platzieren, wo das intensive Sonnenlicht die für den Strahl benötigte Energie liefern könnte. „Die Herstellung eines solchen Hochleistungsstrahls ist zwar mit technischer Arbeit verbunden, aber im Vergleich zu den anderen Herausforderungen ist das nicht besonders schwierig“, so Greason.
Die Projektion eines Elektronenstrahls auf ein Raumfahrzeug ist nur die halbe Herausforderung – die erzeugte Energie muss auch in der Lage sein, ein Raumfahrzeug anzutreiben. „Das bedeutet, dass die Energie des Strahls umgewandelt werden muss, um eine Art von Treibstoff oder ‚Reaktionsmasse‘ auszustoßen“, so Greason. „Dieser Strahl würde eine Menge Energie übertragen, und bei dieser Umwandlung darf nur sehr wenig Abwärme an das Raumfahrzeug abgegeben werden, damit es nicht schmilzt!“
Er sagt, dass sie einige Ideen haben, wie dies erreicht werden könnte, aber sie sind derzeit alle hypothetisch und erfordern mehr Arbeit, um herauszufinden. Außerdem müssen sie weitere Computermodellstudien durchführen, um das Verhalten des Strahls und seine Initiierung besser zu verstehen, und dann würden weltraumgestützte Experimente konkrete Daten liefern, mit denen man arbeiten könnte. „Ein Satellit, der weit von der Erde entfernt ist, könnte zum Beispiel einen Strahl zum Mond senden, um experimentell zu bestätigen, dass die Ergebnisse mit denen übereinstimmen, die in der Modellierung vorhergesagt wurden“, so Greason.
Auch wenn die Beschaffung von Finanzmitteln eine Herausforderung sein könnte, argumentieren die Wissenschaftler, dass Elektronenstrahlen im Vergleich zu Alternativen wie lasergestützten Segeln die 10.000-fache Reichweite erzielen könnten, wodurch weniger Energie benötigt wird, und dass sie in der Lage wären, schwerere Raumfahrzeuge anzutreiben. „Die Kosten für die Herstellung eines großen Strahls skalieren mit der Leistung, so dass der relativistische Elektronenstrahl-Ansatz wesentlich erschwinglicher sein könnte“, so Greason. „Bei den Arbeiten an lasergetriebenen Raumfahrzeugen für den interstellaren Flug geht es um Raumschiffe von nur wenigen Gramm Gewicht, und das ist eine große Herausforderung, um wissenschaftliche Daten zu erhalten. Wenn wir größere Raumfahrzeuge mit einem Gewicht von einigen zehn Kilogramm vorantreiben können, können wir mehr Energieversorgung, Instrumente und Kommunikationseinrichtungen einbauen, um die Daten zurück zur Erde zu senden.“
Die Fähigkeit, Energie über große Entfernungen zu übertragen, hat weitreichende Auswirkungen, von der Ermöglichung schnellerer Reisen innerhalb des Sonnensystems bis zur Übertragung von Energie von der Sonne zu anderen Orten wie dem Mond.
Auch wenn es noch ein fernes Ziel ist, könnte die Senkung der Kosten für interstellare Transporte es den Menschen eines Tages ermöglichen, zu anderen Sternen zu reisen und damit die Grenzen dessen zu verschieben, was in der Weltraumforschung jemals für möglich gehalten wurde.
