Reiseziel Alpha Centauri: Realisierbare Antriebssysteme

16.11.2004

Raketentechnische Visionen im Zeitraffer - Teil 3

Zukünftig realisierbare Antriebsysteme könnten mit einer Geschwindigkeit von etwa 1/10 oder 3/10 der Lichtgeschwindigkeit unterwegs sein. Derartige Geschwindigkeiten liegen innerhalb der Grenzen der Fluggeschwindigkeiten für "treibstofflose" Staustrahltriebwerke, Lichtsegel, und Raumflugzeuge. Beim interstellaren Staustrahltriebwerk wird während des Fluges mit Hilfe eines starken Magnetfelds interstellarer Wasserstoff gesammelt. Je höher hierbei die Geschwindigkeit wird, desto mehr Wasserstoff kann bei dem von R.W. Bussard 1960 vorgestellten interstellaren Staustrahltriebwerk ("Interstellar Ramjet") gesammelt werden.

Bussards Ramjet-Triebwerk. Bild

Das Original-Fluggerät sammelt mit einem großen Magnettrichter geladene Teilchen aus dem interstellaren Medium und leitet sie zu einem H-He-Fusionsreaktor, in dem die Teilchen zu Treibstoff umgewandelt werden. Gemäss Bussards Berechnungen würde ein 1000 t-Raumschiff mit 100% Reaktorwirkungsgrad fast endlos bei 1 g beschleunigen und so innerhalb eines Jahres Lichtgeschwindigkeit erreichen. Der Nachteil von Bussards Staustrahltriebwerk ist, dass es nicht vom Stillstand aus funktioniert, sondern auf etwa 4-6% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden muss, um den richtigen Strom von geladenen Teilchen zu bekommen.

Zu den Möglichkeiten der Leistungssteigerung beim interstellaren Staustrahl-Triebwerkkonzept gehören die Beschleunigung auf die Staustrahlgeschwindigkeit mit einem Lichtsegel, das Aufladen der einströmenden neutralen Teilchen mit Hilfe eines Lasers, die Erhöhung des Schubs des Raumfluggerätes durch Antimaterie/Materie-Reaktionen oder der Einsatz eines Beschleunigers als Alternative zum Reaktionsmasseantrieb (z.B. durch Fusion oder Antimateriekatalyse). Das Problem bei interstellaren Staustrahltriebwerken wäre die Größe. So rechnet die NASA bei einer 45-jährigen Mission zu Alpha Centauri mit einem 3000 t-Raumschiff, das einen Einlass mit 650 km Durchmesser hätte.

Sonnen- oder Lichtsegel

Das sogenannte Sonnensegelkonzept ermöglicht auf mitgeführten Treibstoff für den Antrieb eines Raumschiffes zu verzichten. Das Lichtsegel beruht auf der 1873 von James C. Maxwell gemachten Entdeckung, dass von einem Spiegel reflektiertes Licht Druck auf diesen ausübt. Da Photonen laut Einstein Masse besitzen, kann demnach ein Raumfahrzeug unter Ausnutzung des ziemlich niedrigen Reibungskoeffizienten des Weltalls von A nach B fliegen, ohne umfangreiche Antriebsvorrichtungen und vor allem Treibstoff mitzuführen. Die unerschöpfliche Energie des Sonnen- oder Sternenlichts eröffnet somit die Möglichkeit einer deutlichen Verringerung der Masse von Raumschiffen.

Sonnensegelkonzept. Bild

Da Licht einen Druck auf Flächen ausübt, kann ein Photonenstrom für den Antrieb in einem nahezu reibungslosen Umfeld genutzt werden. Der Nachteil an dieser Lösung ist, dass man von einem starken Photonenstrom abhängig ist, um das Raumschiff auf die notwendige Geschwindigkeit zu beschleunigen. In der Science-Fiction-Literatur wird das Sonnensegel seit den 20er Jahren beschrieben. Russischen Raumfahrttechnikern ist es bereits Anfang der neunziger Jahre (Projekt "Znamya") gelungen, ein Sonnensegel in der Erdumlaufbahn zu entfalten. Es hatte allerdings bei weitem noch nicht die Größe von etwa 300 Kilometern, wie dies gemäss Gregory L. Matloff, einem Astronomieprofessor von der New York University, für eine interstellare Reise zum Alpha Centauri notwendig wäre.

Bei großen Entfernungen könnte hierbei eine Neubündelung des Laserstrahls durch sogenannte Fresnel-Zonen erfolgen. Probleme würden jedoch die lange Reisezeit von 1.200 Jahren bereiten, was es ein Kryogenisierung der Astronuten und ein erfolgreiches Wiederauftauen erforderlich machen würde. Alternativen zu Lichtsegeln sind z.B. Mikrowellenantriebe oder magnetische Segel. So beruht das elektromagnetische auf der Lenzschen Regel, d.h. dass die induzierte Spannung stets so gerichtet ist, dass das Magnetfeld des durch sie verursachten Stroms der Induktionsursache entgegenwirkt.

japanische Wissenschaftler konnten im Sommer erstmals ein Sonnensegel im Weltraum entfalten.

Mikrowellenantriebe

Vom Sciene-Fictor-Autor Robert Forward stammt der Vorschlag eines Mikrowellensegels, das keinen eigenen Antrieb besitzt. Sein Raumflugzeug, Starwisp ("Sternenflüstern") genannt, wird hierbei von Mikrowellen angetrieben, die von einem solarbetriebenen Satelliten in der Erdumlaufbahn oder von einer Mondbasis aus, gesendet werden.

Das Raumflugzeug würde hauptsächlich aus einem mit Mikroschaltkreisen belegten Netzsegel mit 1 km Durchmesser bestehen, welches lediglich 12 Gramm wiegen soll. Das Netz fungiert als ein Segel, welches die Radiowellen des Masers auffängt. Der Sender steht auf der Erde oder auf dem Mond, strahlt seine Radiowellen gebündelt in die Richtung aus, in der die Sonde fliegen soll. Die Strahlleistung müsste jedoch mindestens 10 GW betragen, damit das 4 g wiegende Raumfahrzeug bei einer Beschleunigung von 115 G etwa 20% der Lichtgeschwindigkeit erreichen könnte. Danach würde das Raumflugzeug über Jahrzehnte mit dieser Geschwindigkeit im Weltall unterwegs sein, bis es im Rahmen einer Flyby-Mission, ohne am Zielort abbremsen zu können, sein Ziel erreicht.

Zwar lässt sich dieser Antrieb theoretisch realisieren, jedoch stellt er neue Anforderungen an die Leichtigkeit und Festigkeit von Materialien. Des weiteren müsste der Radio-sender eine Strahlung aussenden, die stärker sein müsste, als alle Energie zusammengenommen, die heute von Kraftwerken auf der Erde produziert werden.

Fusionstriebwerke

Der Fusionsantrieb (bekannt auch als Impulsantrieb), basiert auf dem klassischen Newtonschen Reaktionsprinzip und wird für den subphotonischen Flug verwendet, d.h. für Geschwindigkeiten unter der Lichtgeschwindigkeit. Hier dienen als Antriebsmedium elektrisch geladenen Teilchen, die komprimiert und auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, bevor diese das Antriebssystem der Rakete verlassen.

Die beschleunigten Teilchen sind ein Nebenprodukt der Fusionsreaktoren, welche die Energie für die Versorgung des Raumschiffs erzeugen. Durch die Begrenzung der Treibstoff-Fördermenge des Fusionsreaktoren kann zusätzlicher "Treibstoff" (meist in Form von Wismut-Atomen) in das Antriebssystem injiziert werden, falls mehr Schub erforderlich ist. Man bezeichnet diesen dann häufig auch als den "Nachbrenner" des Raumschiffs.

Fusionsantrieb. Bild

Fusionsantriebe sind ein beliebter Antrieb in der Sciene-Fiction-Literatur und kamen unter anderem in den "Star Wars" Kinofilmen zum Einsatz. Zwar müsste ein Fusionstriebwerk mehrere Fusionsreaktionen aushalten, aber es bräuchte nicht so effizient wie ein Fusionsreaktor zu sein, da das Hauptziel der Fusionsreaktion in der Aufheizung der Plasmateilchen auf extrem hohe Temperaturen liegt. In dem Masse, wie die Temperatur der Plasmateilchen ansteigt, nimmt die Austrittsgeschwindigkeit aus einer magnetischen Düse zu, was das Fusionstriebwerk zu einem sehr schnellen Antriebssystem macht.

Nuklearer Detonationsantrieb

Der nukleare Detonationsantrieb, welcher sich aus der Kernwaffenforschung ableitet, könnte sich als überaus nützlich erweisen, um hohe Beschleunigungen von Raumschiffen für interstellare Reisen zu erzielen. Die Anwendung basiert darauf, dass alle paar Sekunden eine Kernspaltungsbombe vom Raumschiff abgesetzt und in kurzem Abstand dahinter gezündet wird.

Rakete mit nuklearem Detonationsantrieb. Bild

Das Raumschiff besitzt eine riesige Prall- und Schutzplatte, die die verdampften Explosionsrückstände auffängt. Ein derart "atomarer Antrieb" wurde bereits in der Science-Fiction-Literatur der 30er Jahre erwähnt, aber erst Stanislaw Lem war es in den 40er Jahren vorbehalten, ernsthaft darüber nachzudenken. Seine Überlegungen gipfelten im Projekt "Orion", bei dem ein Prototyp-Fluggerät bei einem 1959 in den USA durchgeführten Test am Boden mittels sechs Detonationen auf 100 m Höhe emporgeschossen wurde.

Zu einer Zeit, als die USA sich anschickten, einen Mensch auf den Mond zu befördern, war es vor allem SF-Autoren vorbehalten, sich Antriebstechnologien für interplanetare und sogar interstellare Flüge auszudenken. Zwar wurde das Projekt später aus politischen Gründen aufgegeben, jedoch könnte die Technologie weiter verbessert werden, indem man andere Treibsätze, wie z.B. durch Magnetfelder oder Masseantrieb beschleunigte nukleare Teilchen, verwendet. Des weiteren ließe sich durch die Bereitstellung von Treibsätzen entlang der Flugbahn des Raumschiffs eine deutliche Verringerung der Startmasse erzielen.

Antimaterie-Antriebe

"Antimaterie", der futuristische Antrieb aus der Star-Trek-Serie, könnte der Schlüssel für das Erreichen von Alpha Centauri sein. Trifft Antimaterie mit gewöhnlicher Materie zusammen, vernichten sich beide gegenseitig. Nach Albert Einstein's berühmter Formel E = mc2 würde dabei die Materie vollständig in Energie verwandelt.

Am Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik CERN in Genf ist es bereits gelungen, Antimaterie herzustellen. Für einen Antimaterie-Antrieb müssten zukünftig jedoch sehr große Mengen an Antimaterie produziert werden. Eine Hauptschwierigkeit besteht darin, dass die Produktion von Antiteilchen mit den gegenwärtigen Teilchenbeschleunigern mit einem sehr niedrigen Wirkungsgrad abläuft. Des weiteren ist es notwendig, die Antimaterie im Raumfahrzeug über einen genügend großen Zeitraum zu speichern und die Annihilationsenergie (Prozess, bei dem ein Elementarteilchen und sein Antiteilchen in zwei bis drei Photonen übergehen und dabei vernichtet werden) in einen Antriebsstrahl umzuwandeln.

An der Effizienz des Treibstoffes besteht jedoch kein Zweifel. Angenommen, es werden 50kg Materie auf 50 kg Antimaterie mit Lichtgeschwindigkeit geschossen, so würde die freigesetzte Energie, der von 100 Atombomben entsprechen.

Antimaterie-Rakete. Bild

StarTrek Warp-Antriebe

Warp-Antriebe würden auf zwei fundamentalen technologischen Durchbrüchen beruhen, die erst noch erzielt werden müssten: die Kontrolle über die Gravitation sowie das Erreichen von Geschwindigkeiten größer als die Lichtgeschwindigkeit.

In der Welt des "Star Trek" ist das Hauptantriebssystem der mit Überlichtgeschwindigkeit fliegenden interstellaren Raumfahrzeuge der Raum-Zeit-Krümmungsantrieb oder Warp-Antrieb. Das in den Raumschiffen der Föderation verwendete Antriebssystem nutzt die von Dilithiumkristallen gesteuerten Vernichtung von Materie und Antimaterie, um die ungeheure Energie zu erzeugen, die notwendig ist, um den Raum zu krümmen und schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Bei sehr schnellen Reisen gibt es jedoch ein gravierendes Problem: Man sieht nichts, denn alles sichtbare Licht wird in den Röntgenbereich verschoben. Als Folgeproblem sind die Reisenden dann noch einer lebensgefährlichen Röntgenstrahlung ausgesetzt.

Miguel Alcubierre hat 1994 eine Raum-Zeit-Geometrie ausgearbeitet, die einen solchen Raum-Zeit-Krümmungsantrieb möglich macht, ohne lokal die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Allerdings bräuchte man zur Herstellung einer solchen Metrik Materie mit negativer Energiedichte, so genannte exotische Materie. Für die Existenz solcher Materie gibt es jedoch bisher keinen Hinweis. Der StarTrek-Produzent Gene Rodenberry machte in seiner "Star Trek"-Odyssee vollen Gebrauch von diesem Antriebskonzept, um den Zuschauer an den Rand unseres Universums zu versetzen.

Eine andere Möglichkeit, lokal die Lichtgeschwindigkeit nicht zu überschreiten und sich trotzdem schneller als das Licht fortzubewegen, ist die Vorstellung von Hyperräumen. Stellt man sich vor, dass unsere Raumzeit in einen höherdimensionalen Hyperraum eingebettet ist (wie die Erdoberfläche in den Raum), so ließen sich die bisher unendlichen Weiten in kurzer Zeit überbrücken. Allerdings gibt es bisher keinerlei Hinweise auf eine Einbettung der Raumzeit in einen höherdimensionalen Raum.

Zeitreisen durch Wurmlöcher

H. G. Wells Roman "Die Zeitmaschine" beschreibt den menschlichen Traum Raum und Zeit vollständig zu überwinden und Zeitreisen durchzuführen. Im Jahr 1992 publizierte Harry Turtledove den Roman "The Guns of the South", bei dem die durch Zeitreisen mit modernsten Waffen ausgestatteten Südstaatler doch noch den amerikanischen Bürgerkrieg gegen die "Yankees" gewinnen.

H. G. Wells Time-Machine

Ein Theorie, die an diese Visionen anknüpft, beschäftigt sich mit der Reise durch sogenannte "Wurmlöcher". Ein hypothetisches Raumschiff könnte in die eine "Mündung" des Wurmlochs eintreten und durch die andere sehr weit entfernte "Mündung" wieder austreten. Obwohl das Reisen der interessanteste Aspekt hierbei sein dürfte, könnten sich "Wurmlöcher", sofern es sie gibt, als erstaunliche Instrumente erweisen, mit denen wir andere, ältere Teile eines fernen Universums sehen können.

Der russische Schriftsteller Iwan Jefremow hat in den fünfziger Jahren in einem Roman die Idee des "Großen Rings" miteinander kommunizierender, galaktischer Zivilisationen entwickelt. Um diesem Ziel näher zu kommen, müsste jedoch die Kommunikation in Echtzeit zwischen den entfernten Galaxien Wirklichkeit werden. Ob es darüber hinaus gelingt, auch noch Personen zu befördern, hängt davon ab, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Gravitation innerhalb des Universums vollständig zu entschlüsseln.

Nutzung von Schwerkraftmonstern

In seinem Roman "Path of the Fury" aus dem Jahr 1992 hat David Weber einen kraftvollen Antrieb beschrieben, bei dem ein Raumschiff vor sich ein kleines Schwarzes Loch erzeugen kann, dieses vor sich herschiebt und durch das Hineinfallen immer höhere Geschwindigkeiten erzeugen kann.

Schwarzes Loch. Bild Nasa

Allerdings stellt sich die Frage, wie die Energie für die Erzeugung eines schwarzen Loches erzeugt werden soll. Alleine um 10 Tonnen Nutzlast in 2-3 Jahren Raumschiffszeit auf 98% Lichtgeschwindigkeit zu bringen, wurde von Sebastian von Hoerner ein Energiebedarf errechnet, der der Leistung von 40 Millionen Atomkraftwerken entspricht. Relativistische Weltraumreisen dürften also nur dort möglich sein, wo immense Energie bereits im Überfluss vorhanden ist.

Das Interessante an Webers Vision ist jedoch, Schwarze Löcher für das Erreichen von Überlichtgeschwindigkeit zu nutzen, da ja Schwarze Löcher nichts anderes sind, als Schwerkraftmonster, d.h. gigantische Materieansammlungen auf extrem kleinsten Raum, die wegen ihrer ungeheuerlichen Masse nicht einmal Lichtstrahlen entweichen lassen. Diese Tatsache veranlasst mich hier zu einem anderen Gedankenexperiment: Welche Effekte sind bei der Überlagerung zweier Schwarzer Löcher im Universum zu erwarten?

Finales Szenario: Wo bin ich, wenn ich Endo bin?

Gibt es Stellen im Universum, an denen sich die Gravitation durch eine Überlagerung von schwarzen Löchern vollständig aufhebt, so wäre es durchaus denkbar, dass wegen der Energiedichte neben dem Superpositionsbereich völlig neuartige Effekte innerhalb des gravitationsfreien Raumes zu beobachten sind. Ist es an solchen Stellen möglich, Massen auf Überlichtgeschwindigkeit zu beschleunigen?

Es gilt die Gedankenexperimente aus spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie sowie der Quantenphysik in Richtung Superposition zu lenken, wenn man die Schwerkraft überwinden will. Nach der heute weit verbreiteten Einsteinschen Interpretation der speziellen Relativitätstheorie würde eine Überlichtgeschwindigkeit Zeitreisen oder zumindest das Versenden von Nachrichten in die Vergangenheit ermöglichen. Könnte es sein, dass die vom US-Physiker Gerald Feinberg 1967 aufgestellten Berechnungen über sogenannte "Tachyonen", d.h. hypothetische Teilchen, die sich schneller als c bewegen können, durch die Superposition zweier schwarzer Löcher Wirklichkeit werden können?

Vielleicht benötigen wir zur Überwindung der Zeit zukünftig intergalaktische Landkarten gravitationsfreier Überlagerungsräume von Schwarzen Löchern, d.h. eine sogenannte Hypergravitographie. An bestimmten imaginären Stellen könnte es dann permanent möglich sein, sämtliche Anziehungskräfte zu überwinden und aus dem Gefängnis von Raum und Zeit endgültig auszubrechen. Derartige Singularitäten, in denen die bisherigen physikalischen Gesetze außer Kraft gesetzt würden, werfen jedoch zwei entscheidende Fragen für künftige Weltraumfahrer auf: Wo bin ich, wenn ich bezogen auf die Gravitation Endo bin und in welcher Exo-Zeit komme ich wieder heraus, wenn ich den Hyper-Superpositionsraum verlasse? Innerhalb oder außerhalb des Ereignishorizontes? Oder gar in einem anderem Parallel-Universum wie es die Quantentheorie der Viele Welten von Everett nahelegt?

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