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Interstellare Reisen: Leicht, leichter, Raumschiff

Eine hohle Kugel, fast leichter als Luft, tiefschwarz. So stellen sich Forscher eine neue Art von Raumschiff vor. Fliegen wir so zu einem anderen Stern?
Blick aus einem konventionellen RaumschiffLaden...

Nur um eines gleich klarzustellen: Einsteigen könnte niemand in dieses Raumschiff. Dafür ist die Hülle mit weniger als einem halben Millimeter viel zu dünn. Auch lebenserhaltende Systeme – oder Systeme jedweder Art – gibt es nicht, denn das Raumschiff ist innen hohl und leer. Dafür ist es außen kugelförmig, tiefschwarz und ziemlich rasant im All unterwegs.

So rasant, dass es sogar den uns nächstgelegenen Stern, Proxima Centauri, erreichen könnte. Ganz ohne eigenen Antrieb, sondern nur mit der Kraft der Sonne, deren Strahlungsdruck das kugelige Raumgefährt beschleunigt. Die Reise würde dadurch nur 200 Jahre dauern. Für die Raumfahrt wäre das eine Revolution: Bisher bräuchte die schnellste irdische Sonde zehntausende Jahre für die Strecke zu unserem Nachbarstern.

Das fluffige Kugelraumschiff existiert bisher nur auf dem Papier beziehungsweise in einem Fachartikel. Veröffentlicht haben ihn René Heller vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen und Kollegen im Fachmagazin »Astronomy & Astrophysics«. »Wir sind einer eigentlich alten Frage nachgegangen«, erzählt Heller. »Wie kann man mit einem Raumschiff unser Sonnensystem verlassen?«

Ansätze für interstellare Missionen

Für derart ambitionierte Reisepläne gibt es schon länger Ideen. Die einfachste: Man schickt eine konventionell angetriebene Sonde wie Voyager-1 auf den Weg. Sie ist 1977 gestartet und hat den Rand unseres Sonnensystems bereits 2012 erreicht. Zwar entfernt sie sich mit einer beachtlichen Geschwindigkeit von rund 61 000 Kilometern pro Stunde von der Sonne. Aber das ist immer noch nur ein winziger Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, 0,005 Prozent, um genau zu sein.

Die Menschheit braucht also sehr viel Geduld, um auf diesem Weg mehrere Lichtjahre bis zum nächsten Stern zu überbrücken. Daneben gibt es ein prinzipielles Problem: Man muss viel Treibstoff mitnehmen, was die Raumsonde schwerer macht. Damit aber benötigt sie einen stärkeren Antrieb, um zu beschleunigen – und damit noch mehr Treibstoff.

»Will man schneller unterwegs sein, muss das anders funktionieren«, sagt daher Martin Tajmar von der Technischen Universität Dresden, der nicht an der aktuellen Arbeit beteiligt war und schon lange zu Raumantrieben forscht. René Heller und seine Kollegen kennen den Einwand natürlich und haben sich einen anderen Ansatz überlegt. Das Problem der Masse lösten sie, indem sie sich auf die Suche nach einem Stoff machten, aus dem das Raumschiff gebaut werden könnte. »Tatsächlich haben wir zunächst in der Wikipedia nach ultraleichten Materialien gesucht«, sagt Heller.

Ein Raumschiff aus Aerographit

Fündig wurden die Astrophysiker bei Aerographit, einem Leichtmaterial, das deutsche Forscher im Jahr 2012 entdeckt haben. »Aerographit ist tiefschwarz und eigentlich nicht schwerer als Luft«, sagt Karl Schulte, emeritierter Professor der Technischen Universität Hamburg, der an der Entdeckung beteiligt war. »Tatsächlich besteht es zu 99 Prozent aus Luft. Es ist ähnlich wie Graphen und hat eine röhrenartige, 3-D-spinnwebenartige Struktur.«

Heller und seine Kollegen ließen sich also Proben schicken, die erste Tests überstanden. Anschließend machten sich die Astrophysiker Gedanken zur Geometrie: Wie soll eine Aerographit-Raumsonde aussehen? »Ein Segel lag nahe«, sagt Heller. Schließlich gibt es hier bereits Prototypen, wenn auch aus ganz anderen Materialien als Aerographit.

Mit Strahlungsdruck durchs All

Die japanische Raumsonde IKAROS erprobte das Konzept bereits 2010, ihr Segel war dabei aus einer Art Kunstharz. Der Verein Planetary Society schwört auch darauf und ließ 2019 ein LightSail2 genanntes Polyester-Sonnensegel im Erdorbit driften.

Dünn und flach. Ein interstellares Sonnensegel sieht in etwa so aus wie dieses Demonstrationsexperiment der NASA (Solar Sail Demonstrator). Die Seitenlänge beträgt 37 Meter.Laden...
Sonnensegel der NASA | Dünn und flach. Ein interstellares Sonnensegel sieht in etwa so aus wie dieses Demonstrationsexperiment der NASA (Solar Sail Demonstrator). Die Seitenlänge beträgt 37 Meter.

Die Privatinitiative Breakthrough Starshot setzt ebenfalls auf das Konzept. Sie würde am liebsten winzige Lichtsegel zu unserem Nachbarsystem Proxima Centauri schicken, mit einer Reisezeit von nur rund 20 Jahren. Heller und seine Kollegen wollen mit ihrem Vorschlag eine Schwäche dieser Idee beheben: Um die Minisegel zu beschleunigen, bräuchte Breakthrough Starshot eine extrem leistungsstarke Laser-Station, die vom Erdboden zielgenau auf die winzigen Flächen im Weltall feuert. Doch die Technologie dafür gibt es noch nicht.

Und selbst wenn sich das eines Tages ändert, bleibt ein großes Risiko: »Bei der kleinsten Unebenheit gibt es ein destabilisierendes Moment«, sagt Heller. Bernd Dachwald von der Fachhochschule Aachen, der sich in seiner Forschung mit Lichtsegeln beschäftigt, bestätigt das. »Wenn man ein Segel mit Laserlicht antreibt, kippt es um, wenn es nicht genau in der Mitte getroffen wird.«

Deshalb kamen Heller und seinen Kollegen die Idee, das Aerographit zu einer volumniösen Kugel zu formen, die dann auch deutlich größer sein darf als die Minisegel der Breakthrough-Initiative. »Eine Kugel hat eine perfekte Symmetrie«, sagt Heller. »Sie würde höchstens anfangen zu rotieren.«

»Die Festigkeit von Aerographit ist fast null, man kann es mit Watte vergleichen«
(Bernd Dachwald, FH Aachen)

Die Forscher berechneten, dass es die Kugel, in der Nähe der Erde gestartet, in rund 60 Tagen bis zum Mars und in knapp mehr als vier Jahren bis zum Pluto schaffen würde. Macht man die Kugelwände noch ein bisschen dünner und setzt sie näher der Sonne aus, könnte sie Proxima Centauri in unter 200 Jahren erreichen.

Interstellare Raumfahrt – ein Klacks?

Im Detail ergeben sich allerdings Probleme. »Die Festigkeit von Aerographit ist fast null, man kann es mit Watte vergleichen«, sagt der Aachener Forscher Dachwald. Setze man eine derartige Hohlkugel zu nahe an der Sonne aus, wäre der Strahlungsdruck auf der sonnenzugewandten Seite so groß, dass die Kugel zusammengedrückt würde. Eine interstellare Reise ließe sich so wohl kaum bestreiten.

Die Transportmöglichkeiten eines derartigen Raumschiffs wären außerdem sehr begrenzt. »Was wollen Sie mit einem Gramm Nutzlast bei einem anderen Stern?«, fragt Dachwald. Er schätzt, dass man mindestens 10 bis 100 Kilogramm mitnehmen müsste, um interstellare Forschung zu betreiben und die Daten zur Erde zu senden, sagt aber auch: »Da bin ich ein bisschen konservativ.«

Auch der Dresdner Raumantriebsexperte Martin Tajmar sieht in der Kugelform das größte Problem. Durch sie lasse sich das Raumschiff praktisch nicht lenken. René Heller räumt diese Schwäche freimütig ein: »Es würde nicht funktionieren, mit einer Kugel gezielt Pluto oder Mars anzusteuern«, sagt er. Eine Art Kegel, der möglichst viel Fläche der Sonne entgegenhält, würde sich wohl besser schlagen. Ausgearbeitet ist diese Abwandlung der Kugel-Idee aber noch nicht.

Martin Tajmar hält das vorgestellte Konzept trotz seiner Schwächen für interessant. Einerseits bereichere es die bereits vorhandenen Ideen zum Antrieb mit Strahlungsdruck um ein weiteres Konzept. Andererseits hätten sich die Forscher einige Dinge überlegt, die man im All austesten könnte – zum Beispiel, einen Schwarm an kugeligen Raumsonden auszusetzen und ihren Weg mit Infrarotteleskopen zu verfolgen. Man könnte ihnen sogar eine Art Uhr mitgeben und anhand der Zeitverzögerung Rückschlüsse auf vorhandene Gravitationsfelder ziehen. Dafür wäre eine aktive Steuerung gar nicht nötig.

Ein weiterer Vorteil des Vorschlags: Er wäre ziemlich preiswert. Die Forscher um Heller rechnen mit Entwicklungskosten von rund einer Million US-Dollar für einen Prototyp und unter zehn Millionen Dollar für einen ersten Flug im Sonnensystem – Transport ins All inklusive.

Heller arbeitet bereits an einem Antrag, um das Aerographit weiter zu erforschen. Zunächst will er herausfinden, ob die Idee überhaupt Aussicht auf eine praktische Umsetzung hat. Dazu will er die Aerographit-Proben in einer Vakuumröhre herunterfallen lassen und von unten mit Licht beschießen. »Bei einer sehr hellen Lichtquelle müsste die Probe schweben«, sagt er. Das ist zwar noch ein ganzes Stück entfernt von einer Reise zu einem anderen Stern – aber ein Anfang wäre damit gemacht.

42/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 42/2020

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