StarShot: Schäden durch interstellaren Staub und Schutzmaßnahmen auf dem Weg nach Alpha Centauri

Wenn ein Raumfahrzeug mit 20% Lichtgeschwindigkeit und mehr zu einem unserer Nachbarsterne rast, muss selbst im Fast-Vakuum des Alls mit Schäden gerechnet werden. Die zwischen den Sternen verteilten Atome und kleinste Staubkörnchen hinterlassen deutliche Spuren. Das gilt erst recht, wenn das Raumfahrzeug nur wenige Gramm wiegt und von einem Lasersegel angetrieben wird, wie es das StarShot-Projekt vorsieht. Wie schwer diese Schäden ausfallen und ob sie eine interstellare Mission gefährden, wurde kürzlich von Wissenschaftlern des Starshot-Projekts genauer untersucht.

Miniaturisierte Weltraumsonden, sogenannte StarChips oder Nanocrafts, sollen von Lasersegeln angetrieben werden. Unsere Nachbarsterne Proxima und Alpha Centauri sollen sie mit über 20% Lichtgeschwindigkeit erreichen können. So sieht es das Konzept des Projekts Breakthrough Starshot vor. Grafik: breakthroughinitiatives.org

Miniaturisierte Weltraumsonden, sogenannte StarChips oder Nanocrafts, sollen von Lasersegeln angetrieben werden. Unsere Nachbarsterne Proxima und Alpha Centauri sollen sie mit über 20% Lichtgeschwindigkeit erreichen können. So sieht es das Konzept des Projekts Breakthrough Starshot vor. Grafik: breakthroughinitiatives.org

Breakthrough Starshot [ 1 ] ist eine Forschungs- und Entwicklungs-Initiative, die die Machbarkeit interstellarer Missionen mit extrem leichten, unbemannten Raumsonden demonstrieren will. Im Wesentlichen sollen dies Computerchips sein, die extrem miniaturisiert alle nötigen Baugruppen einer Weltraumsonde enthalten: Navigationselektronik, Kamera, Sensoren, Manövriertriebwerke und so weiter. Als Hauptantrieb dieser StarChips oder Nanocrafts soll ein etwa ein Quadratmeter großes Lasersegel dienen, dass von einem auf der Erde stationierten 100-Gigawatt-Lasersystem beschleunigt wird.

Der russische Unternehmer, Milliardär und Physiker Juri Milner stellte erstmals im April 2016 das Starshot-Projekt öffentlich vor. Das Projekt wird unterstützt von einem Team wissenschaftlicher Berater. Sie identifizierten die etwa 20 Kernprobleme des Projekts, die für eine erfolgreiche Mission zu unseren Nachbarsternen gelöst werden müssen. Milner und das Wissenschaftlerteam halten keines der Probleme für unüberwindbar.

„Wir haben aktuell geforscht mit einigen der besten Köpfe auf verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten, und zu meiner Überraschung ziehe ich daraus den Schluss, dass es erreicht werden kann innerhalb einer Generation“. Juri Milner gegenüber der populärwissenschaftlichen Fachzeitschrift „New Scientist“.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die aktuellen Entwicklungen in der Lasertechnik und Nanotechnologie es ermöglichen, Tausende solcher StarChips nach Alpha Centauri oder Proxima Centauri zu senden. Von dort würden sie  Bilder und wissenschaftliche Daten der Exoplaneten zurück zur Erde senden. (Um Proxima Centauri wurde kürzlich ein Planet in der lebensfreundlichen Zone des Sterns nachgewiesen. Siehe Proxima b: erdgroßer Planet in lebensfreundlicher Zone um sonnennächsten Stern nachgewiesen) Als Startfinanzierung spendete Milner 100 Millionen US-Dollar. Damit soll die Machbarkeit der Mission nachgewiesen und ein Prototyp der StarChips entwickelt werden.

Ergebnisse der ersten Machbarkeitsstudie

Mit 20% Lichtgeschwindigkeit und mehr sollen die StarChips unsere Nachbarsterne erreichen, also innerhalb von kaum mehr als 20 Jahren. Kürzlich wurde die erste detaillierte Studie [ 2 ] zu möglichen Schäden der Raumsonden durch interstellare Gas- und Staubteilchen veröffentlicht; geeignete Schutzmaßnahmen wurden ebenfalls untersucht.

Die Starchips werden hauptsächlich aus Graphit und Quarz bestehen. Das Wissenschaftlerteam untersuchte die Beschädigung dieser Materialien durch die Kollisionen mit Atomen und Staubteilchen erstmals eingehender. Die Forscher nutzten hierzu experimentelle Daten und mathematische Modelle der physikalischen Vorgänge beim Einschlag.

Die Atome und Staubteilchen sind zwischen den Sternen zwar so fein verteilt, dass in einem Kubikzentimeter je nach Region nur wenige enthalten sind. Während seiner langen Reise von über vier Lichtjahren erleidet das StarChip dennoch so viel Stöße mit Atomen und Staubteilchen, dass seine gesamte Oberfläche abgetragen wird. Die Kollisionen heizen zudem das Oberflächenmaterial auf und zermürben dessen Struktur.

Staubteilchen können den StarChips wesentlich mehr schaden als Gasatome. Die Kollision mit einem Staubteilchen, dass wenige Hundertstel Millimeter groß ist, würde die Weltraumsonde völlig zerstören. Doch nach den astronomischen Beobachtungen sind die meisten Staubkörnchen wesentlich kleiner. Außerdem sollen die StarChips in großer Anzahl starten, sodass der Ausfall von ein paar dieser Raumsonden die Mission nicht gefährdet.

Mögliche Schutzmaßnahmen

Die Forscher empfehlen im Wesentlichen folgende Schutzmaßnahmen:

Die SpaceChips sollen vorne mit einer Schutzschicht versehen werden. Sie muss aus einem leichten sowie ausreichend stoß- und hitzebeständigen Material wie Graphit bestehen. Die Schicht sollte etwa 1–3 mm dick sein.

Naheliegenderweise soll die Querschnittsfläche der SpaceChips minimiert werden, um möglichst wenig Angriffsfläche zu bieten. Gleichzeitig wird dadurch die nötige Schutzschichtmasse möglichst gering gehalten.

Das hauchdünne Lasersegel muss besonders geschützt werden. Es wird zunächst nur während der etwa zehnminütigen Beschleunigung des StarChips benötigt, soll aber spätestens am Zielstern auch als Spiegelantenne zur Datenübertragung per Laser dienen. Um das Lasersegel zu schützen, soll es nach der Beschleunigungsphase hinter dem SpaceChip nadelartig zusammengefaltet werden. Das Lasersegel ließe sich allerdings auch hinter einem Schutzschild, aber vor dem SpaceChip zusammenfalten. Dadurch würde die empfindlichere Elektronik der Sonde zusätzlich geschützt.

„Wir haben eine eingehende Analyse gemacht und die gesamte relevante Physik einbezogen. Wir sehen keine unüberwindlichen Hindernisse (Showstoppers).“ Avi Loeb, Professor an der Harvard Universität und Leiter des Wissenschaftlerteams, gegenüber der populärwissenschaftlichen Fachzeitschrift „New Scientist“.

Links

[ 1 ] Breakthrough Initiatives
http://breakthroughinitiatives.org

[ 2 ] Thiem Hoang, A. Lazarian, Blakesley Burkhart, Abraham Loeb: The interaction of relativistic spacecrafts with the interstellar medium. Submitted on 18 Aug 2016
http://arxiv.org/abs/1608.05284

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