Eine künstlerische Darstellung eines Lichtsegels im Weltraum über der Erde.(Bildnachweis: NASA)
Wissenschaftler am California Institute of Technology haben einen großen Schritt in Richtung der Entwicklung von Lichtsegeln gemacht, die eines Tages winzige Raumfahrzeuge zu fernen Sternensystemen tragen könnten.
Die neuen Erkenntnisse beschreiben eine Methode zur Messung der Kraft von Laserlicht auf so genannte „ultradünne Membranen“. Diese Forschung könnte dazu beitragen, die Vision der Breakthrough Starshot Initiative von der lasergesteuerten Raumfahrt voranzutreiben.
Die 2016 vom verstorbenen Stephen Hawking und dem Tech-Investor Yuri Milner ins Leben gerufene Breakthrough Starshot-Initiative zielt darauf ab, Miniatursonden zu Alpha Centauri zu schicken, dem der Erde am nächsten gelegenen Sternensystem. Der Plan beruht darauf, dass Hochleistungslaser auf der Erde zierliche, segelgetriebene Sonden im Kosmos anschieben, so wie der Wind Segelboote hier auf der Erde antreibt, so dass die Raumfahrzeuge ohne chemischen Treibstoff rekordverdächtige Geschwindigkeiten erreichen können.
Lichtsegel sind eine allgemeinere Form von Sonnensegeln, da sie den Strahlungsdruck einer Lichtquelle nutzen, um den Antrieb zu erzeugen. Strahlungsdruck ist die Impulsübertragung von Strahlung, die auf eine Oberfläche auftrifft, so wie der Wind hier auf der Erde auf Segel wirkt. Photonen haben keine Masse, aber sie übertragen dennoch einen Teil ihres Impulses, wenn sie auf ein Objekt treffen, und schieben es so leicht an. Ein einzelnes Photon macht keinen großen Unterschied, aber Billionen und Billionen von Photonen, die alle auf eine Oberfläche treffen, summieren sich, besonders im Vakuum des Weltraums.
Die Strahlung in Form von Sonnenlicht reicht also aus, um interplanetare Raumfahrzeuge Tausende von Kilometern vom Kurs abzubringen, so dass dieser Effekt bei der Entsendung von Sonden zum Mars oder anderen Planeten berücksichtigt werden muss.
Aber eine energiereichere Version dieses Phänomens könnte einen boden- oder weltraumgestützten Laserstrahl verwenden, um ein Lichtsegel auf einem Raumfahrzeug in eine gezieltere Richtung zu schieben. Da der Strahl eine Quelle konstanten Drucks auf das Segel darstellt, summiert sich der kumulative Effekt dieses Strahlungsdrucks zu Geschwindigkeiten, die deutlich schneller und zuverlässiger sind als bei komplizierten Raketen mit chemischem Antrieb.
„Das Lichtsegel wird sich schneller bewegen als alle bisherigen Raumfahrzeuge und hat das Potenzial, interstellare Entfernungen für die direkte Erkundung durch Raumfahrzeuge zu öffnen“, so Harry Atwater vom Caltech, Inhaber des Otis Booth Leadership Chair der Division of Engineering and Applied Science, in einer Erklärung des Caltech.
Messung der Kraft des Lichts auf ein Segel
Atwaters Team hat eine Testplattform entwickelt, um zu messen, wie Laser Kraft auf ein mikroskopisch kleines „Trampolin“ aus Siliziumnitrid ausüben, das nur 50 Nanometer dick ist. Das Miniatursegel, ein quadratisches Blatt mit einer Seitenlänge von 40 Mikrometern, ist an den Ecken mit Federn aus Siliziumnitrid verbunden und vibriert, wenn es von einem Laser getroffen wird. Durch die Erfassung dieser winzigen Bewegungen können die Forscher die Kraft des Laserstrahls und seine Leistung berechnen.
„Es gibt zahlreiche Herausforderungen bei der Entwicklung einer Membran, die letztendlich als Lichtsegel verwendet werden könnte. Sie muss hitzebeständig sein, unter Druck ihre Form behalten und sich stabil entlang der Achse eines Laserstrahls bewegen“, so Atwater. „Aber bevor wir mit dem Bau eines solchen Segels beginnen können, müssen wir verstehen, wie die Materialien auf den Strahlungsdruck von Lasern reagieren. Wir wollten wissen, ob wir die Kraft, die auf eine Membran ausgeübt wird, allein durch Messung ihrer Bewegungen bestimmen können. Es stellte sich heraus, dass wir das können.“
Die Hauptautoren der Studie, der Postdoktorand Lior Michaeli und der Doktorand Ramon Gao, bauten ein spezielles Gerät, ein sogenanntes Common-Path-Interferometer. Dieses ermöglicht eine präzise Messung der Membranbewegung, indem es Hintergrundgeräusche wie kleine Vibrationen im Labor, die von Geräten oder sogar Gesprächen herrühren, ausblendet.
„Wir haben nicht nur die unerwünschten Erwärmungseffekte vermieden, sondern auch das, was wir über das Verhalten des Geräts gelernt haben, genutzt, um eine neue Methode zur Messung der Lichtkraft zu entwickeln“, sagte Michaeli. Gao fügte hinzu, dass die Plattform seitliche Bewegungen und Drehungen messen kann, was den Weg für zukünftige Lichtsegelkonstruktionen ebnet, die sich selbst korrigieren können, wenn sie vom Laserstrahl abweichen.
Das Team hofft, fortschrittliche Nanomaterialien und Metamaterialien zu integrieren, um die Lichtsegel während ihrer Reise zu stabilisieren. „Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Beobachtung von optischen Kräften und Drehmomenten, die ein frei beschleunigtes Lichtsegel auf dem Laserstrahl fahren lassen“, so Gao.
Es gibt mehrere Projekte für Lichtsegel, und die NASA hat letztes Jahr ein Sonnensegel in Betrieb genommen, das allerdings auf einige mechanische Probleme gestoßen ist, was die Bedeutung der Forschung des Caltech-Teams für die weitere Verfeinerung des Designs dieser Segel unterstreicht.
Die Ergebnisse wurden am 30. Januar in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht,
