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Aufbruch zu den Sternen


Eine Fahrt zu den Sternen kehrt wie eine fixe Idee in unzähligen Kulturzeugnissen wieder – von der antiken Dichtkunst bis zur zeitgenössischen Popmusik. Wenn die Dichter vom Griff nach den Sternen schrieben, meinten sie damit das Streben nach dem Unerreichbaren.

Obgleich Reisen in die Tiefen des Alls noch lange ein futuristischer Traum bleiben werden, entwickelt eine kleine Gruppe von Ingenieuren und Wissenschaftlern bereits Konzepte und Experimente, aus denen vielleicht eines Tages Antriebstechniken für Flüge über unser Sonnensystem hinaus hervorgehen könnten. Ein Antrieb mittels Kernfusion könnte Menschen zu den äußeren Planeten befördern und Robotersonden Tausende von astronomischen Einheiten weit in den interstellaren Raum schießen; eine astronomische Einheit entspricht 150 Millionen Kilometern, der mittleren Entfernung zwischen Erde und Sonne. Ein Fusionsantrieb könnte innerhalb der kommenden Jahrzehnte gebaut werden. Noch leistungsstärkere Triebwerke könnten die gegenseitige Zerstrahlung von Materie und Antimaterie nutzen und Raumsonden gar zu nahegelegenen Sternen bringen; unser nächster Nachbar, Proxima Centauri, ist ungefähr 270000 astronomische Einheiten entfernt.

Den Reiz dieser exotischen Antriebsarten macht die unglaubliche Energie aus, die eine gegebene Brennstoffmenge freizusetzen vermag. Ein Fusionsantrieb könnte theoretisch rund 100 Billionen Joule pro Kilogramm Brennstoff erzeugen – eine Energiedichte, die mehr als 10 Millionen Mal größer ist als die heutiger chemischer Raketen. Die Materie-Antimaterie-Vernichtung wäre noch schwieriger zu nutzen, könnte dafür aber pro Kilogramm Brennstoff schwindelerregende 20 Billiarden Joule erzeugen – genug, um den gesamten Energiebedarf der Erde etwa 26 Minuten lang zu decken.

Bei einer Kernfusion werden sehr leichte Atome unter ausreichend hohen Druck- und Temperaturbedingungen genügend lange zusammengebracht, um zu größeren Atomen

zu verschmelzen. Die Massendifferenz zwischen Ausgangs- und Endprodukten der Reaktion wird gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc2 als Energie frei.

Die Hindernisse bei der Nutzung der Kernfusion – und erst recht bei der von Antimaterie – sind immens. Je nachdem, wie das Plasma – das extrem heiße, elektrisch geladene Gas, in dem die Fusion abläuft – zusammengehalten wird, lassen sich die Verfahren zur kontrollierten Kernfusion in zwei Gruppen einteilen. Beim magnetischen Einschluß wird das Plasma von starken elektromagnetischen Feldern zusammengeschnürt. Beim Trägheitseinschluß erhitzen und komprimieren Laser- oder Ionenstrahlen winzige Kügelchen aus Fusionsbrennstoff.

Im November 1997 erzeugten Wissenschaftler mittels Magneteinschluß eine Fusionsreaktion, bei der 65 Prozent der Energie freigesetzt wurden, die zur Auslösung benötigt worden war. Dieser Meilenstein wurde in England mit dem Joint European Torus (JET) erreicht, einem sogenannten Tokamak, der das Plasma in einem torusförmigen Ring einschließt. Ein wirtschaftlich arbeitender Fusionsreaktor müßte allerdings viel mehr Energie erzeugen, als das Auslösen und Aufrechterhalten der Reaktion erfordert.

Doch selbst wenn die kommerzielle Kernfusion auf der Erde Wirklichkeit wird, sind noch die speziellen Probleme einer Fusionsrakete zu lösen. Vor allem geht es darum, die bei der Reaktion entstehenden energiereichen Teilchen so zu führen, daß brauchbarer Schub erzeugt wird – aber auch darum, genügend Fusionsbrennstoff zu beschaffen und zu lagern sowie die relativ zur Masse des Raumflugkörpers erzeugte Leistung zu maximieren.

Seit Ende der fünfziger Jahre haben die

Wissenschaftler Dutzende von Fusionsraketen entworfen. Obwohl bei Kernfusionen enorme Mengen höchst energiereicher Teilchen entstehen, wird ein Raumschiff nur dann beschleunigt, wenn die Partikel so gelenkt werden können, daß sie Schub erzeugen. Beim Magneteinschluß müßte man kontinuierlich Brennstoff zuführen, um die Reaktion in Gang zu halten, und gleichzeitig einen Teil des Plasmas zur Schuberzeugung entweichen lassen. Doch da das Plasma jeden aus üblichen Werkstoffen bestehenden Behälter zerstört, muß es von starken, durch sogenannte magnetische Düsen erzeugten Feldern aus der Rakete herausgeführt werden.

Bei einem mit Trägheitseinschluß funktionierenden Triebwerk müßten starke Laser- oder Ionenstrahlen etwa 30 winzige Brennstoffkapseln pro Sekunde zünden. Eine magnetische Düse würde dann das Plasma aus der Rakete leiten.

Die Art der entstehenden Teilchen hängt vom Brennstoff ab. Am einfachsten läßt sich die Reaktion zwischen den schweren Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium auslösen, deren Kerne außer einem Proton noch ein beziehungsweise zwei Neutronen enthalten. Die Reaktionsprodukte sind Neutronen sowie Alphateilchen, das heißt Heliumkerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Die positiv geladenen Alphateilchen sind für die Schuberzeugung erwünscht, nicht jedoch die Neutronen: Sie lassen sich nicht lenken, weil sie keine elektrische Ladung tragen. Ihre kinetische Energie kann nur indirekt genutzt werden, indem eine Bremssubstanz sie in Wärme umwandelt. Außerdem ist Neutronenstrahlung eine Gefahr für die Besatzung und müßte darum bei bemannten Flügen aufwendig abgeschirmt werden.

Daraus ergibt sich ein Grundproblem bei der Auswahl geeigneter Fusionsbrennstoffe. Obwohl die Fusion von Deuterium mit Tritium am leichtesten einzuleiten ist, wären Deuterium und das Isotop Helium-3 (zwei Protonen, ein Neutron) für viele Antriebskonzepte vorteilhafter: Dabei entstehen ein Alphateilchen und ein Proton, die beide magnetisch geführt werden können.

Leider ist Helium-3 auf der Erde extrem selten. Außerdem kommt seine Reaktion mit Deuterium schwerer in Gang als die von Tritium und Deuterium. Doch unabhängig von der Wahl des Fusionsbrennstoffs würde ein bemanntes Raumschiff für eine Mission zum äußeren Sonnensystem oder in den interstellaren Raum viele tausend Tonnen wiegen – das meiste davon Brennstoff. Zum Vergleich: Die Masse der Internationalen Raumstation wird rund 500 Tonnen betragen.

Jedes der drei Haupthindernisse eines Fusionsantriebs – Steigerung der Leistung, Plasmaeinschluß und magnetische Düsen sowie Beschaffung ausreichender Brennstoffmengen – ist schon für sich genommen überwältigend. Dennoch gibt es für jedes zumindest einen Hoffnungsschimmer.

Erstens ist zu erwarten, daß Fusions-

reaktoren eines Tages den break-even-point, an dem ebensoviel Energie erzeugt wie zugeführt wird, bei weitem überschreiten werden. In den USA wird die Entwicklung des Trägheitseinschlusses im Rahmen des Stockpile Stewardship Program hoch subventioniert; dieses Programm sucht nach Methoden, die Sicherheit und Zuverlässigkeit thermonuklearer Waffen ohne Testexplosionen zu prüfen. Die einschlägige Forschung konzentriert sich auf die National Ignition Facility, die derzeit am Lawrence Livermore National Laboratory gebaut wird. Sie soll im Jahre 2001 in Betrieb gehen und ab 2003 die volle Laserenergie von 1,8 Millionen Joule liefern – wenn auch nur für vier Milliardstel Sekunden. Damit hoffen die Forscher zehnmal mehr Energie freizusetzen, als für das Auslösen der Reaktion erforderlich ist.

Der Tokamak könnte eines Tages seine dominierende Rolle beim Magneteinschluß verlieren und durch kompaktere, für Raketenantriebe besser geeignete Techniken abgelöst werden. Im Jahre 1996 ebnete das US-

Energieministerium den Weg zur Erforschung mehrerer neuartiger und vielversprechen-

der Magneteinschlußverfahren, unter anderem mittels kugelförmigen Tokamaks oder dem Pinch-Effekt (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1998, S. 28).

Inzwischen hat auch die Arbeit an magnetischen Düsen begonnen. Das größte Forschungsvorhaben ist ein gemeinsames Projekt der NASA, der Ohio State University in Columbus und des Los Alamos National Laboratory (Kalifornien): Die Forscher erzeugen mittels extrem starker elektrischer Ströme ein Plasma – das im Rahmen dieses Versuchs das Fusionsplasma vertritt – und untersuchen seine Wechselwirkung mit einem Magnetfeld.

Auch das Brennstoffproblem ist nicht unlösbar. Zwar gibt es auf der Erde kaum Helium-3, doch im Mondboden und in der Jupiteratmosphäre ist das Isotop in größeren Mengen vorhanden. Andere auf der Erde vorkommende Elemente, beispielsweise Bor, kommen für Fusionsreaktionen in Frage, die zwar schwer auszulösen sind, dafür aber Alphateilchen liefern.

Noch viel mehr Energie als bei einer Kernfusion wird bei der gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie frei. Ein darauf beruhender Raumantrieb würde die Paarvernichtung von Protonen und Antiprotonen nutzen. Dabei entstehen unter anderem Pionen, die fast Lichtgeschwindigkeit haben; einige dieser kurzlebigen und energiereichen Partikel lassen sich vielleicht durch magnetische Felder bündeln und zur Schuberzeugung verwenden.

Doch auch hier ist Knappheit ein Hauptproblem: Die Gesamtmasse aller weltweit in Teilchenbeschleunigern erzeugten Antiprotonen beträgt nur einige Dutzend Nanogramm (milliardstel Gramm) pro Jahr – aber für eine bemannte Mission zu Proxima Centauri, dem nächsten Stern, wären mehrere Tonnen erforderlich. Unklar ist außerdem, wie man Antiprotonen auffangen, lagern und manipulieren soll, da sie bei Kontakt mit gewöhnlichen Protonen augenblicklich vernichtet werden.

Dennoch läßt sich der enorme Energiegehalt von Antimaterie vielleicht wenigstens zu einem Bruchteil in Reaktionen nutzen, für die man mit kleinen – und wahrscheinlich schon

in zehn Jahren produzierbaren – Mengen von Antiprotonen auskommt. Dabei lösen die Antiprotonen eine Kernfusion mittels Trägheitseinschluß aus: Sie dringen in schwere Atomkerne ein, zerstrahlen dort paarweise mit normalen Protonen und verursachen Kernspaltungen. Die energiereichen Kernfragmente erhitzen dann den Fusionsbrennstoff und lösen Fusionsreaktionen aus.

Die NASA läßt prüfen, ob ein Antriebssystems nach diesem Prinzip überhaupt jemals funktionieren kann. Unter anderem wird an der Pennsylvania State University ein Apparat zum Einfangen und Transportieren von Antiprotonen entworfen.

In diesem sehr frühen Stadium türmen sich unüberwindliche Hindernisse vor dem Bau eines Antriebs mit Kernfusion – von Antimaterie-Raketen ganz zu schweigen. Doch die Menschheit hat in der Vergangenheit immer wieder scheinbar Unmögliches erreicht. Große Unternehmungen wie das Manhattan-Projekt und das Apollo-Mondprogramm haben gezeigt, was großzügig organisierter Einsatz von Forschungskapazität und Kapital zu erreichen vermag. Bei Fusions- und Antimaterieantrieben würde der Einsatz sich noch viel mehr lohnen, denn sie ermöglichen der Menschheit in der Tat den Griff nach den Sternen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1999, Seite 90
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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