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Raumfahrt: Segeltörn durchs Sonnensystem

Mit Sonnensegeln könnten Raumsonden Regionen erreichen, die mit herkömmlichen Antrieben unzugänglich sind. Nun hat die Technologie erneut einen Schritt voran gemacht - wenn auch nur einen kleinen.
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Eine Strecke von zwei Kilometern ist nicht viel, erst recht nicht im Weltall. Bruce Betts ist dennoch stolz, als er am 31. Juli in Aachen auf die Bühne tritt: »Wir haben gesehen, dass der sonnenfernste Punkt der elliptischen Bahn nur durch die Wirkung des Sonnensegels gehoben wurde, um zwei Kilometer«, sagte der US-Amerikaner.

Bretts ist Chefwissenschaftler der Planetary Society, eines Interessenverbands für Planetenforschung. Seit ihrer Gründung vor vier Jahrzehnten wirbt die Gemeinschaft für eine ambitionierte Idee, welche die Raumfahrt revolutionieren könnte: Raumsonden sollen riesige Segel aufspannen und vom Sonnenlicht durchs Sonnensystem getragen werden.

Um die dafür nötige Technologie ging es Ende Juli auf dem Internationalen Kongress für Sonnensegel in Aachen. Bretts berichtete von einem mit Spannung erwarteten Experiment, das nur acht Tage zuvor im Erdorbit stattgefunden hatte. Ein Satellit namens LightSail-2 hatte erfolgreich ein Sonnensegel entfaltet.

Der Minisatellit LightSail hat im Mai 2015 ein Foto seines aufgefalteten Sonnensegels zur Erde geschickt.Laden...
Sonnensegel von LightSail | Der Minisatellit LightSail der Planetary Society hat im Mai 2015 ein Foto seines aufgefalteten Sonnensegels zur Erde geschickt.

Für die Raumfahrtfans ist das Projekt ein voller Erfolg: Erstmals hat ein Satellit seine Bahnhöhe im Erdorbit verändert, ganz ohne chemischen Treibstoff, Schubdüsen oder einen chemisch-elektrischen Ionenantrieb, nur dank der Kraft der Sonne. Sieben Millionen US-Dollar kostet das LightSail-Programm; sie stammen überwiegend aus Spenden an die Planetary Society. Lässt sich so leicht die Raumfahrt revolutionieren?

Wer sich mit der Geschichte der Sonnensegel beschäftigt, stellt schnell fest: Der angehobene Orbit ist in der Tat ein Erfolg, aber auch kaum mehr als ein früher Etappensieg. Obwohl Experten seit Jahrzehnten intensiv über die Technik diskutieren, steckt sie nach wie vor in den Kinderschuhen. Ob sie die Raumfahrt wirklich im erhofften Maß verändern kann, ist offen.

Eine alte Idee

1492 überquerte Christopher Columbus mit drei hochseetauglichen Segelschiffen den Atlantik und läutete rückblickend ein neues Zeitalter ein. Ein Jahrhundert später schrieb Johannes Kepler seinem Kollegen Galileo Galilei: »Stellen Sie Schiffe oder Segel zur Verfügung, die der himmlischen Brise angepasst sind, und es wird einige geben, die selbst dieser Leere trotzen werden.« Kepler – und viele seiner Zeitgenossen – hatte Kometen gesehen, deren Schweif hoch am Himmel immer auf der sonnenabgewandten Seite erscheint. Der Astronom hatte dies als Zeichen dafür gedeutet, dass auch im All eine Art Wind weht.

Tatsächlich bestätigte die sowjetische Raumsonde Lunik 1 im Jahr 1959 die Existenz eines »Sonnenwinds« im All. Dieser Strom geladener Teilchen kann allerdings nicht genutzt werden, um zu Segeln aufgespannte Folienflächen anzutreiben. Dafür ist er zu schwach. Stattdessen ist es das Licht der Sonne selbst, das Satelliten oder ganze Raumsonden ganz ohne eigenen Treibstoff beschleunigen oder abbremsen kann.

Die Photonen, aus denen das Sonnenlicht besteht, besitzen zwar keine Masse, sie können jedoch auf eine reflektierende Oberfläche einen Impuls ausüben. Etliche Lichtteilchen, die abgelenkt werden, erzeugen auf diese Weise einen Druck. Er kann eine Raumsonde nicht nur beschleunigen. Eine geschickte Segelstellung vorausgesetzt, kann der Lichtdruck Objekte auch auf Umlaufbahnen bringen, die näher an der Sonne liegen.

Segeln entgegen Keplers Gesetzen

US-Astronomen um Carl Sagan setzten sich in den Gründungstagen der Planetary Society für die Idee ein, denn sie schien völlig neue Missionskonzepte möglich zu machen: Sonden könnten ohne viel Treibstoff Asteroiden und Kometen anfliegen und von dort Proben zur Erde bringen. Solche Missionen sind zwar ebenfalls mittels chemischer Triebwerke denkbar, allerdings nur durch hunderte Kilogramm mitgeführten Treibstoff.

Manche der Lagrange-Punkte sind nur mit immensem Aufwand erreichbar – oder mit einem Sonnensegel

Zudem gibt es eine ganze Reihe von Flugbahnen, die wegen des immensen Treibstoffbedarfs für aktuelle Raumsonden und Satelliten unmöglich sind. So genannte nichtkeplersche Orbits führen etwa an die Pole der Erde oder in die Region oberhalb der Bahnebene der Planeten im Sonnensystem. Von dort ließen sich beispielsweise die Pole der Sonne beobachten.

Mit einem Sonnensegel könnten Raumfahrzeuge dorthin vordringen – und sogar wie ein geostationärer Satellit über den Polen von Planeten und der Sonne schweben. Auch Missionen zu den beliebten Lagrange-Punkten ließen sich vereinfachen: An ihnen gleicht sich die Schwerkraft von Erde, Sonne und Mond aus.

Innerhalb der vergangenen Jahre hat die Zahl der Sonden zu diesen Punkten stark zugenommen; die Reise dorthin bringt jedoch ganz eigene Herausforderungen mit sich. Da die Lagrange-Punkte im All selbst keine Schwerkraftwirkung entfalten und außerdem wegen leicht schwankender Kräfte von Erde, Sonne und Mond auch nicht völlig stabil sind, sind beständig Korrekturmanöver nötig. Mit Sonnensegeln ließ sich das leichter und vor allem länger bewerkstelligen als mit teurem Treibstoff, sagen Befürworter des Konzepts.

Manche der Lagrange-Punkte sind zudem nur mit immensem Aufwand erreichbar. In einem Winkelabstand von 60 Grad auf der Erdbahn hinter unserem Planeten liegt der Lagrange-Punkt L5, der ein idealer Aussichtspunkt für Sonnenstürme ist. Hier kommen die spiralförmig herausgeschleuderten solaren Partikel zuerst an, die Satelliten oder sogar die Stromversorgung am Boden lahmlegen können. »Am L5 könnten wir diese Sonnenstürme viel früher erkennen, und zwar Tage vorher an Stelle von einer halben Stunde«, sagt die auf Sonnensegel spezialisierte Missionsanalytikerin Jeanette Heiligers von der TU Delft.

Zwar entsandte die NASA 2006 das Sonnenobservatorium Stereo-B mit einem chemischen Triebwerk zum L5, bremste es dort jedoch nicht ab. Mit einem Sonnensegel wäre solch eine Mission leichter zu bewerkstelligen, glaubt Heiligers: Eine ihrer Analysen zeigt, dass ein Segeltörn zu L5 lediglich 600 Tage dauern würde, eine für konventionelle Raumsonden übliche Flugzeit.

Auch sonst spornen Sonnensegel die Kreativität der Forscher an. Auf dem Sonnensegel-Kongress in Aachen kamen daher auch ausgefallene Ideen zur Sprache: segelnde Taxi-Raumschiffe etwa, die menschliche Außenposten auf dem Mars oder Asteroidenbergwerke vergleichsweise kostengünstig mit der Erde verbinden könnten.

Noch ambitionierter ist eine Idee, die im Jahr 2016 für Schlagzeilen sorgte. Das von dem Milliardär Juri Milner finanzierte Project »Breakthrough Starshot« sieht vor, wenige Gramm schwere Raumsonden mit Sonnensegeln zu versehen. Riesige Laser sollen die Mini-Raumgleiter dann auf 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und in Richtung des nächsten Sternensystems Alpha Centauri schießen. Dafür müssten die Sonnensegel allerdings sehr hitzebeständig sein, da sie sowohl die Laserenergie unbeschadet reflektieren müssen als auch das Bremsmanöver an Lichtteilchen im Zielsystem ohne Schaden überstehen sollten.

Erster Segeltörn im Orbit

Während viele der Ideen an Sciencefiction erinnern, zeigt der Erfolg von LightSail-2, dass die Technik prinzipiell funktioniert: Der Minisatellit, ein so genannter CubeSat, war am 25. Juni 2019 mit der Schwerlastrakete Falcon Heavy in einen Orbit gestartet. An Bord der noch immer neuen und risikoreichen Rakete befanden sich 24 experimentelle Satelliten, inklusive LightSail-2: das nun vierte erfolgreiche Sonnensegel der Raumfahrtgeschichte.

Am 23. Juli öffnete der CubeSat das 32 Quadratmeter große Segel. Fast baugleich zum 2015 gestarteten Vorgänger, verfügt LightSail-2 als wichtigste Neuerung über ein Reaktionsrad, mit dem sich die Orientierung der Sonde im Raum verändern lässt. Dank dieser Lageregelung kann das ganze Sonnensegel wie bei einem Segelboot gedreht werden, um die Richtung der wirkenden Kraft zu bestimmen. Ziel der Enthusiasten der Planetary Society war, das Segel zweimal pro Erdumkreisung zu drehen und damit den erdnächsten sowie den erdfernsten Punkt der elliptischen Bahn zu verändern.

Und siehe da: In nur acht Tagen vergrößerte das Segel den Orbit von LightSail-2 um insgesamt zwei Kilometer. Gemessen an der Kraft der Sonne, die tatsächlich auf das Segel wirkt, ist das beachtlich. Sie entspricht gerade einmal der Gewichtskraft einer Büroklammer auf der Erde. »Verglichen mit unserer Masse ist die Beschleunigung die höchste aller bis heute gestarteten Sonnensegel«, sagte Bill Nye, der Vorsitzende der Planetary Society, auf einer Pressekonferenz.

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.

Das Geheimnis des LightSail-Erfolgs ist seine geringe Masse: Gerade einmal fünf Kilogramm muss das Segel bewegen. Damit ist es jedoch weit entfernt von interplanetaren Raumsonden, die hunderte Kilogramm schwere Instrumente mit sich führen. Der Nutzen der bislang getesteten Sonnensegel ist also begrenzt.

Das war auch schon bei der IKAROS-Mission der japanischen Raumfahrtagentur JAXA so. Sie segelte 2010 erfolgreich auf einer Bahn um die Sonne. IKAROS nutzte dafür ein sechsmal größeres Segel als LightSail-2, aber mitsamt der Sonde hatte die Mission auch eine 60-fach größere Masse.

Die japanische Mission gilt bis heute als Hightech-Variante der kosmischen Segeltechnik. So trug IKAROS auf der Folienoberfläche Dünnschicht-Solarzellen zur Stromversorgung sowie an den Rändern einige LCD-Felder, deren Helligkeit steuerbar war. Damit wiederum ließ sich die Ausrichtung des gesamten Segels geringfügig ändern, indem das Sonnenlicht an ihnen stärker oder schwächer reflektiert wurde.

Projektmanager Osamu Mori gab in Aachen zu, dass die Mission in Wahrheit nicht ganz so glattlief, wie oft zu hören ist: »Die Kraft der Sonne hat die von uns gewollte Rotation der Sonde nicht nur verändert, sondern sie ungewollt auch in eine Spiralbewegung versetzt«, sagte Mori. »Das waren wichtige Lehren für die kommenden Missionen mit Sonnensegeln.«

Versuche im All gefragt

Der japanische Ingenieur verfolgt seit dem Ende von IKAROS eine noch ambitioniertere Mission, die bereits gut erprobte solarelektrische Antriebe mit der Sonnensegeltechnik kombiniert. Die Mission OKEANOS soll aus einer Dünnschichtfolie bestehen, die wie Vorgänger IKAROS mit Solarzellen besetzt ist, aber mit 40 mal 40 Metern eine achtmal so große Fläche aufspannt.

Während die Sonne dieses gewaltige Segel anschiebt, soll der elektrische Strom dabei helfen, ein gewöhnliches Ionentriebwerk zu betreiben, das schon bei den japanischen Hayabusa-Missionen zum Einsatz kam. OKEANOS soll mit dieser Technik Richtung Jupiter fliegen, einen Trojaner-Asteroiden auf dessen Bahn besuchen, dort mit einem Lander Proben nehmen und diese schließlich zur Erde bringen. Mit chemischen Triebwerken oder einem reinen solarelektrischen Antrieb wäre eine solche Mission unmöglich, weil immense Mengen Treibstoff mitgeführt werden müssten.

Doch OKEANOS birgt dafür andere Risiken – und wurde offenbar deshalb nun erst mal aufs Abstellgleis befördert: Im April 2019 entschied sich die JAXA, die umgerechnet rund 300 Millionen Euro teure Mission vorerst nicht zu fördern. Laut Osamu Mori war ein unzureichendes Finanzierungskonzept für das Zögern der Raumfahrtagentur verantwortlich. Nun muss er Geduld haben: Das nächste sinnvolle Startfenster zum Jupiter öffnet sich erst im Jahr 2030.

Während die nächste Generation größerer und damit leistungsfähigerer Sonnensegel auf sich warten lässt, mahnen manche Forscher zur Vorsicht, denn das Forschungsfeld hat auch schon Fehlschläge gesehen. Ein kleines Testsegel an Bord des CubeSats DeOrbitSail, an dem neben dem englischen Surrey Space Centre auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt war, war beispielsweise 2015 erfolgreich in eine Umlaufbahn gestartet, hatte sich dort jedoch nicht geöffnet.

Dennoch müssten die nächsten Schritte hin zu größeren Segeln wohl im All stattfinden, meinen Experten. Es ist kaum möglich, tausende Quadratmeter große Folien testweise am Boden zu entfalten. »Wenn es dann darum geht, später auch interplanetare Missionen zu fliegen, sollten wir vorher realitätsnahe Tests durchführen und Demonstrationen im Weltall durchführen«, sagt Tom Spröwitz, der beim DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen die Entwicklung verschiedener Technologien anführt.

Gerade die kleinen CubeSats könnten den Ingenieuren dabei helfen, in naher Zukunft mehr Erfahrung im All zu sammeln: Satellitenbetreiber könnten die Segel nutzen, um ausgediente Satelliten an der dünnen Restatmosphäre abzubremsen. So ließen sie sich binnen weniger Jahre auf tiefere Umlaufbahnen senken und zum Verglühen bringen, was das Risiko von Kollisionen mit anderen Satelliten und Weltraumschrott verringern würde.

Die NASA wiederum verwendet CubeSats zunehmend auch auf interplanetaren Missionen: Nach den kürzlich eingesetzten landeunterstützenden MarCO-Minisatelliten am Mars soll schon bald erstmals ein CubeSat mit einem Segel zu einem erdnahen Asteroiden geschickt werden. Tiffany Russel Lockett ist leitende Ingenieurin dieses nur 14 Kilogramm schweren Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout), der beim ersten Start der neuen NASA-Schwerlastrakete SLS im Jahr 2021 mitfliegen soll. Das 86 Quadratmeter große Segel muss dazu laut Russel Lockett »auf die Größe eines Schuhkartons« verkleinert werden.

Ob solche Missionen tatsächlich die unbemannte Raumfahrt umkrempeln werden, bezweifeln viele Forscher. Denn die Leichtgewichte müssten in jedem Fall Antennen tragen, die größere Datenmengen zur Erde übertragen können – eine technische Herausforderung. Vielleicht aber helfen solche Aufgaben den Ingenieuren dabei, die wichtigsten Techniken zu meistern. Vielleicht trauen sie sich anschließend – und mit ihnen die Geldgeber bei den Raumfahrtagenturen –, größere Segeltörns zu wagen.

33/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33/2019

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