Ein Antrieb für Fast-Lichtgeschwindigkeit

Für interstellare Reisen wären Raumschiffantriebe am effektivsten, die Energie aus schwarzen Löchern nutzen. Der New Yorker Astronom David Kipping hat berechnet, wie es funktionieren könnte.

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(Bild: X-ray: NASA/CXC/University of Amsterdam/N.Rea et al; Optical: DSS)

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2016 haben der Physiker Stephen Hawking und der Milliardär Yuri Milner einen Plan für eine Reise zu den Sternen enthüllt. Das so genannte „Breakthrough Starshot“-Projekt ist ein 100-Millionen-Dollar-Programm, indem für den Besuch eines nahegelegenen Sternensystems wie Proxima Centauri erforderliche Technologien entwickelt und demonstriert werden sollen. Tausende winzige Raumschiffe von der Größe von Mikrochips sollen mithilfe extrem starker Bodenlaser auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dabei wäre jedes „Sternenschiff“ an ein leichtes Segel von der Größe eines Badmintonfelds befestigt. Allerdings sind die extrem leistungsstarken Laser, die für eine solche Mission erforderlich wären, besonders schwer und teuer zu entwickeln. Was die Frage aufwirft, welche anderen Wege es gibt, um diese sogenannten relativistischen Geschwindigkeiten zu erreichen.

Der Astronom David Kipping von der Columbia University in New York arbeitet an einer Antwort. Sein Team hat eine neue Form der Schwerkraftschleuder entwickelt, also derselben Technik, mit der die NASA beispielsweise das Galileo-Raumschiff zum Jupiter geschickt hat. Die Idee ist, ein Raumfahrzeug zu beschleunigen, indem es an einem massiven Objekt wie einem Planeten vorbeifliegt.

Denn dabei klaut das Raumfahrzeug gewissermaßen etwas Geschwindigkeit von der Bewegung des Planeten. Gravitationsschleudern funktionieren um sehr massive Körper am besten. In den sechziger Jahren berechnete der Physiker Freeman Dyson, dass ein schwarzes Loch ein Raumfahrzeug auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen könnte. Allerdings würden die Kräfte, die bei der Annäherung auf das Raumfahrzeug einwirken, es wahrscheinlich zerstören.

Kipping hat nun eine clevere Alternative dazu gefunden. Seine Idee ist, Photonen um ein schwarzes Loch herum zu schicken und dann mit der gewonnenen Energie ein leichtes Segel zu beschleunigen. „Kinetische Energie aus dem Schwarzen Loch wird als Blauverschiebung auf den Lichtstrahl übertragen und bei ihrer Rückkehr beschleunigen die Photonen das Raumschiff nicht nur, sondern übertragen ihm auch zusätzliche Energie“, sagt Kipping. Der Prozess hängt von dem enorm starken Gravitationsfeld um ein schwarzes Loch ab. Da Photonen eine kleine, aber messbare Ruhemasse haben, könnte dieses Feld das Licht in eine kreisförmige Umlaufbahn zwingen.

Die Arbeit von Kipping basiert nun auf einem leicht anderen Orbit, der ein vom Raumfahrzeug emittiertes Photon um das Schwarze Loch herum und zurück zum Raumfahrzeug steuert – also eine Art Bumerang-Orbit. Während ihrer Reise gewinnen die Bumerang-Photonen kinetische Energie aus der Bewegung des Schwarzen Lochs.

Diese Energie kann dann ein mit einem geeigneten Lichtsegel versehenes Raumfahrzeug beschleunigen. Kipping nennt dies einen „Halo-Antrieb“, (auf Deutsch etwa Heiligenschein-Antrieb). „Der Halo-Antrieb überträgt per Gravitationsunterstützung kinetische Energie von dem sich bewegenden Schwarzen Loch auf das Raumfahrzeug“, sagt Kipping und weist darauf hin, dass das Raumfahrzeug dabei keinen eigenen Kraftstoff verbrauchen würde.

Da der Halo-Antrieb die Bewegung eines Schwarzen Lochs ausnutzt, würde er in sogenannten binären Systemen am besten funktionieren, in denen ein Schwarzes Loch ein anderes Objekt umkreist. Der Antrieb sollte zudem für jede Masse funktionieren, die deutlich kleiner als das Schwarze Loch ist. Kipping zufolge könnte dies theoretisch Raumfahrzeuge in Planetengröße ermöglichen.

Eine ausreichend fortgeschrittene Zivilisation könnte sich also mit relativistischen Geschwindigkeiten von einem Teil der Galaxie zu einer anderen bewegen, indem sie von einem schwarzen Loch-Binärsystem in ein anderes springt. „Eine fortgeschrittene Zivilisation könnte das Lichtsegelkonzept für einen äußerst effizienten Antrieb nutzen", sagt der Forscher.

Derselbe Mechanismus könnte das Raumfahrzeug auch verlangsamen. Eine entsprechend fortgeschrittene Zivilisation würde deshalb wahrscheinlich nach Paaren von binären Systemen mit schwarzen Löchern suchen, die als Beschleuniger und Verzögerer wirken. Die Milchstraße enthält rund zehn Milliarden solcher Systeme. Kipping weist jedoch darauf hin, dass es wahrscheinlich nur eine begrenzte Anzahl von Flugbahnen gibt, die sie miteinander verbinden, sodass diese interstellaren Autobahnen wahrscheinlich wertvolle Regionen sind.

Natürlich liegt jegliche Technologie zur Verwirklichung dieses Konzepts derzeit weit über den Möglichkeiten der Menschheit. Die Astronomen sollten jedoch herausfinden können, wo die besten interstellaren Autobahnen liegen, und dann nach den technischen Signaturen der Zivilisationen suchen, die sie möglicherweise bereits befliegen.

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