Der Traum, in ein anderes Sternensystem zu reisen und dort vielleicht sogar besiedelte Welten zu finden, beschäftigt die Menschheit seit vielen Generationen. Erst in der Ära der Weltraumforschung konnten Wissenschaftler verschiedene Methoden für eine interstellare Reise untersuchen. Während im Laufe der Jahre viele theoretische Entwürfe vorgeschlagen wurden, wurde in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf lasergetriebene interstellare Sonden gerichtet.
Die erste konzeptionelle Designstudie, bekannt als Project Dragonfly, wurde 2013 von der Initiative für interstellare Studien (i4iS) veranstaltet. Das Konzept sah den Einsatz von Lasern vor, um ein leichtes Segel und ein Raumschiff auf 5% der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und damit Alpha zu erreichen Centauri in etwa einem Jahrhundert. In einem kürzlich erschienenen Artikel bewertete eines der am Designwettbewerb teilnehmenden Teams die Machbarkeit ihres Vorschlags für ein Lichtsegel und ein Magnetsegel.
Das Papier mit dem Titel „Projekt Libelle: Segeln zu den Sternen“ wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Astra Astronautica. Die Studie wurde von Tobias Häfner, Absolvent der Université Paul Sabatier (UPS) Toulouse und aktueller Systemingenieur bei Open Cosmos Ltd., geleitet. Mitglieder von Oxford Space Systems, der Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), und AKKA Technologies.
Wenn es um interstellare Missionskonzepte geht, war die Reisezeit immer einer der größten Stolpersteine. Wie wir in einem früheren Artikel gezeigt haben, würde es mit der aktuellen Technologie zwischen 1.000 und 81.000 Jahre dauern, bis Alpha Centauri erreicht ist. Es gibt zwar mehrere theoretische Methoden, die kürzere Reisezeiten bieten könnten, sie beinhalten jedoch entweder Physik, die noch nicht bewiesen wurde, oder wären unerschwinglich teuer.
Daher der Reiz eines Lichtsegels, das die jüngsten Entwicklungen in der Miniaturisierung nutzt, um ein kleineres und kostengünstigeres Raumschiff zu schaffen. Ein weiterer theoretischer Vorteil besteht darin, dass ein solches Raumschiff auf einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden könnte und daher in wenigen Jahrzehnten oder einem einzigen Jahrhundert die große Entfernung zwischen unserem Sonnensystem und dem nächsten Stern zurücklegen könnte .
Wie bereits erwähnt, startete die i4iS - eine Freiwilligenorganisation, die sich der baldigen Verwirklichung der interstellaren Raumfahrt widmet - bereits 2013 die erste konzeptionelle Designstudie für Lichtsegel. 2014 folgte ein Wettbewerb zur Entwicklung eines Raumfahrzeugs, das dies tun würde in der Lage sein, Alpha Centauri innerhalb von 100 Jahren mit vorhandenen oder kurzfristigen Technologien zu erreichen.
Die vier Finalisten präsentierten ihre Entwürfe auf einem Workshop in der British Interplanetary Society im Juli 2015. Das vom Team der Technischen Universität München vorgelegte Konzept gewann, der dann eine Kickstarter-Kampagne startete, um Geld für ihr Design zu sammeln. Das vom Team der University of California in San Diego eingereichte Design hat sich später zum Design für Breakthrough Starshot von Breakthrough Initiatives entwickelt.
Der Hauptautor Hafner und seine Kollegen waren Teil des Teams CranSEDS, das sich aus Ingenieuren und Wissenschaftlern der Cranfield University in Großbritannien, des Skolkovo-Instituts für Wissenschaft und Technologie (Skoltech) in Russland und UPS in Frankreich zusammensetzte. In dieser neuesten Studie stellten er und einige seiner ehemaligen Teammitglieder ihr Missionskonzept im Rahmen einer Machbarkeitsstudie vor.
Für diese Studie berücksichtigten sie jeden Aspekt der Missionsarchitektur eines Lichtsegels. Dies reichte von der Größe des Segels, den für den Bau verwendeten Materialien, der Größe der Laseröffnung, der Positionierung des Lasers, dem Gewicht des Raumfahrzeugs und der Methode, mit der das Raumfahrzeug abbremst, sobald es sich seinem Ziel nähert.
Am Ende sah die von ihnen entwickelte Missionsarchitektur die Verwendung von 100 GW Laserleistung vor, um ein 2750 kg schweres Raumschiff auf 5% der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen - was zu einer Reisezeit von etwa einem Jahrhundert bis Alpha Centauri. Das Segel würde aus einer Graphen-Monoschicht mit einem Durchmesser von 29,4 km (18,26 mi) bestehen, was einen Laser mit einer Apertur von 29,4 km (18,26 mi) Durchmesser erfordert.
Dieser Laser würde in der Nähe der Sonne platziert (entweder am L-Lagrange-Punkt Erde-Sonne oder in der Cislunar-Umlaufbahn) und von massiven Sonnenkollektoren angetrieben. Um abzubremsen, würde das Raumschiff das leichte Segel abwerfen und ein aus Metalldrähten bestehendes Magnetsegel einsetzen. Dieses Segel würde eine geschlungene Struktur mit einem Durchmesser von ungefähr 35 km und einem Gewicht von 1000 kg bilden.
Einmal eingesetzt, würde das Magnetsegel Plasma aus dem interstellaren Medium und Sonnenwind aus Alpha Centauri abfangen, um abzubremsen und in das System einzutreten. Sie schließen daraus, dass diese Architektur ein Gleichgewicht zwischen Masse und Geschwindigkeit erreichen, es der Mission ermöglichen würde, Alpha Centauri in etwas mehr als 100 Jahren zu erreichen, und es ihr ermöglichen würde, bei ihrer Ankunft wissenschaftliche Operationen durchzuführen.
Wie sie in ihrer Studie zeigen, bietet diese Art von Missionsarchitektur viele Vorteile, nicht zuletzt die Tatsache, dass ein größeres Raumschiff mehr Instrumente transportieren und mehr wissenschaftliche Daten sammeln könnte als ein Raumschiff im Gramm-Maßstab (wie bei Breakthrough Starshot's StarChip). Wie sie schlussfolgerten:
„Sowohl [Laser- als auch Magnetsegel] haben den Vorteil, dass kein Treibmittel im Raumfahrzeug transportiert werden muss. Die Mission basiert auf Technologien, die derzeit verfügbar sind oder sich in der Entwicklung befinden, würde jedoch umfangreiche Verbesserungen erfordern, um die erforderliche Weltrauminfrastruktur tatsächlich aufzubauen Als Laserbasis für mehrere Raumfahrzeuge wird das Lasersystem über einen angemessenen Zeitraum verwendet. Die aus dem ersten Raumschiff gewonnenen Erkenntnisse und gesammelten Daten könnten verwendet werden, um die folgenden zu verbessern. “
Sie erkennen auch die Herausforderungen an, die eine solche Mission mit sich bringen würde, einschließlich der Notwendigkeit kilometergroßer Strukturen im Weltraum. Solche Strukturen müssten im Orbit gebaut werden, was zunächst die Entwicklung von Orbitalherstellungsanlagen erfordern würde. Und natürlich müssen der Laser und andere wichtige Systeme weiterentwickelt und weiterentwickelt werden. Trotzdem ist das Konzept ihrer Studie zufolge machbar und technisch fundiert.
Einige haben jedoch ihre Zweifel. Da ist zum Beispiel Dr. Claudius Gros, ein theoretischer Physiker vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt. Gros ist ein langjähriger Befürworter der Verwendung von Lasersegeltechnologie zum Bau eines interstellaren Raumfahrzeugs und hat theoretische Arbeiten zur Verwendung von Magnetsegeln durchgeführt, um ein solches Raumfahrzeug zu verlangsamen.
Er ist auch der Gründer von Project Genesis, einem Vorschlag, Raumfahrzeuge mit Lasersegelantrieb, die mit Genfabriken oder kryogenen Hülsen ausgestattet sind, an andere Sternensysteme zu senden, wo sie mikrobielles Leben auf „vorübergehend bewohnbare Exoplaneten - dh Planeten, die Leben unterstützen können, verteilen würden wahrscheinlich nicht allein dazu führen. Wie er dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:
“In Bezug auf die Verzögerung mit einem Magnetfeld ist dies innerhalb der angenommenen Parameter tatsächlich nicht möglich. Es würde ein mehrere hundert Tonnen schweres Magnetsegel erfordern, um die Arbeit zu erledigen, wenn das Fahrzeug mit 5% der Lichtgeschwindigkeit fährt und innerhalb von 20 Jahren zum Stillstand kommen muss, wie in der vorliegenden Veröffentlichung angenommen. Um ein so schweres Fahrzeug zu beschleunigen, wären viel stärkere Abschusssysteme erforderlich. “
Das Konzept der Verwendung von Lasern oder Sonnensegeln zur Durchführung interstellarer Missionen hat tiefe Wurzeln. Erst in den letzten Jahren sind die Bemühungen zur Schaffung eines solchen Raumfahrzeugs wirklich zusammengekommen. Gegenwärtig gibt es viele Konzepte, die unterschiedliche Missionsarchitekturen anbieten, die alle ihren Anteil an Herausforderungen und Vorteilen haben.
Mit mehreren Vorschlägen in der Entwicklung - einschließlich des Vorschlags von Haefner und seines Kollegen, dem Dragonfly-Konzept des ii4S und Durchbruch Starshot - es wird sehr interessant sein zu sehen, welches (wenn überhaupt) der aktuellen Lightsail-Konzepte in den kommenden Jahrzehnten versuchen wird, die Reise nach Alpha Centauri anzutreten.
Wird es eine sein, die in unserem Leben dort ankommt, oder eine, die in der Lage ist, mehr wissenschaftliche Daten zurückzusenden? Oder könnte es eine Kombination aus beidem sein, eine Art kurzfristiger / langfristiger Deal? Schwer zu sagen. Der Punkt ist, dass der Traum, eine interstellare Mission zu besteigen, möglicherweise nicht mehr lange ein Traum bleibt.
