Interstellare Raumfahrt: Mit kleinen Schritten zu den Sternen

Kann die Menschheit die Sterne erreichen, und warum sollte sie das überhaupt wollen? Warum interstellare Raumfahrt unmöglich ist und trotzdem errungen werden kann, sehen wir uns in diesem und weiteren Blog-Beiträgen an. Wir verzichten dabei auf mathematische Spekulationen ohne experimentelle Grundlage wie Warp-Blasen oder Wurmlöcher.

In diesem Blog-Beitrag verschaffen wir uns zunächst einen Überblick. In späteren Beiträgen werden wir einzelne Antriebskonzepte genauer betrachten.

Weiter als weit: Entfernungen und Reisezeiten zu den Sternen

Nachbarsterne bis 14 Lichtjahre Distanz. Grafik: Inductiveload (Wikimedia Commons), gemeinfrei

Nachbarsterne bis 14 Lichtjahre Distanz. Grafik: Inductiveload (Wikimedia Commons), gemeinfrei

Lichtjahre. Das wesentliche Problem der interstellaren Raumfahrt sind die unvorstellbaren Entfernungen zwischen den Sternen. Wegen dieser gigantischen Abstände wird gern das Lichtjahr als Maßeinheit für solche Entfernungen verwendet. 1 Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, das sind etwa: 9.500.000.000.000 Kilometer. Obwohl das Licht pro Sekunde fast 300.000 km zurücklegt, benötigt es zu den nächsten Nachbarsternen der Sonne über vier Jahre.

Entfernungsmodell. Um die Distanzen zu den nächsten Nachbarsternen unserer Sonne zu veranschaulichen, konstruieren wir in Gedanken ein maßstabsgerechtes Modell. In München bauen wir das Sonnensystem auf und setzen den Radius der Plutobahn mit 100 m an. Die Sonne hat in diesem Modell den Durchmesser 2,3 cm, die Erde 0,2 mm und ein Raumschiff die Länge von vielleicht einem Dutzend Atomen. Selbst das Licht würde in diesem Maßstab mit etwa 5 Millimetern pro Sekunde dahinkriechen. In diesem Modell müssen wir den Doppelstern Alpha Centauri 700 km entfernt positionieren, zum Beispiel in Kiel.

Voyager-Raumsonde der NASA, künstlerische Darstellung. Grafik: NASA

Voyager-Raumsonde der NASA, künstlerische Darstellung. Grafik: NASA

Voyager-Sonden. Sie ließen die Planeten unseres Sonnensystems 1989 hinter sich. Für diese Strecke von etwa 6 Milliarden km benötigten die Sonden 13 Jahre. Mit Geschwindigkeiten von etwa 17 km/s könnten sie die sonnennächsten Sterne in etwa 76.000 Jahren erreichen, wenn sie auf dem Kurs der Sonden lägen. Diese Sterne sind Proxima Centauri, 4,2 Lichtjahre entfernt, sowie der Doppelstern Alpha Centauri, 4,3 Lichtjahre entfernt.

Faktor Mensch

Reisezeit. Selbst mit fast Lichtgeschwindigkeit würde eine Reise zu unseren Nachbarsternen über vier Jahre dauern. Doch mit den heute realitätsnah denkbaren Antrieben liegt dies noch weit jenseits des Machbaren. Es erfordert bereits genug Forschung und Entwicklung, ein Raumschiff auf 5 bis 10% Lichtgeschwindigkeit beschleunigen zu können. Damit könnten die nächsten Sterne in wenig mehr als 40 bis 80 Jahren Reisezeit erreichbar sein.

Zukünftige Roboter sollten selbst 80 Jahre und mehr überstehen können. Für Menschen sind 80 Jahre dagegen indiskutabel. Selbst für eine Reise ohne Wiederkehr, etwa für Auswanderer oder ehrgeizige Wissenschaftler, sind 40 meist eintönige Jahre in einer engen Behausung ohne Sonnenschein und Wälder, ohne Eisdielen und Dönerbuden, ohne Familien und Freunde eine lange Zeit.

Der europäische Igel senkt im Winterschlaf seinen Stoffwechsel stark ab. Foto: Gibe at the German language Wikipedia, Creative Commons BY-SA

Der europäische Igel senkt im Winterschlaf seinen Stoffwechsel stark ab. Foto: Gibe (Wikipedia), Creative Commons BY-SA

Hibernation. Zu diesem Thema siehe den Blog-Beitrag Astronauten und Patienten im Kälteschlaf (Hibernation) – Wie weit ist die Forschung?

Kälteschlaf/Hibernation. Eine Lösung dieses Problems könnte eine Art Winterschlaf oder Kälteschlaf sein, die sogenannte Hibernation. Dadurch soll die psychische Belastung der langen Reise verringert werden. Gleichzeitig würden sie während dieser Zeit langsamer altern. Zusätzlich werden Lebensmittel und andere Versorgungsgüter eingespart. Mit diesem Trick lassen viele Buch und Drehbuchautoren ihre Helden lange Reisezeiten im Weltraum überstehen. Bis dies in der Realität funktioniert wird noch einige Zeit vergehen.

Klasse statt Masse: energiereiche Treibstoffe und effektive Antriebe

Bussard-Ramjet, künstlerische Darstellung. Konzept eines Raumschiffs nach Robert W. Bussard (1960), das  Wasserstoff als Treibstoff elektromagnetisch einsammelt. Grafik: NASA

Bussard-Ramjet, künstlerische Darstellung. Konzept eines Raumschiffs nach Robert W. Bussard (1960), das Wasserstoff als Treibstoff elektromagnetisch einsammelt. Grafik: NASA

Treibstoffmenge. Für die heute absehbaren Antriebstechnologien der interstellaren Raumfahrt ist der Treibstoff ein massiges Problem, genauer gesagt sind es die benötigten Treibstoffmengen. Vielleicht wird auch irgendwann einmal der Bussard Ramjet seinen Treibstoff in Form von Wasserstoff während der Reise im interstellaren Raum einsammeln. Oder Raumschiffe mit riesigen Lichtsegeln werden vom Erdorbit aus von gigantischen Laser-Systemen angeschoben.

Ansonsten muss ein Raumschiff den gesamten Treibstoff mitsichführen. Die Treibstoffmenge vervielfacht sich mit der Masse des Raumschiffs und der Masse des Treibstoffs selbst. Die Menge des nötigen Treibstoffs wächst erheblich, wenn statt eines Vorbeiflugs der Zielplanet umkreist werden soll. Dann muss auch der Treibstoff zum Abbremsen transportiert werden. Die Treibstoffmenge zum Abbremsen kann durch alternative Bremsverfahren reduziert werden, beispielsweise durch ein sogenanntes Magsail oder Magnetsegel. Das ist eine riesige Magnetspule, die vom Magnetfeld des Zielsterns abgestoßen wird.

Wenn das Raumschiff zur Erde zurückkehren soll, muss es zusätzlich den Treibstoff für die Rückreise transportieren, jedenfalls solange es am Zielplantensystem keine Auftankmöglichkeit gibt. Die Treibstoffmasse muss vom Antrieb mitbeschleunigt werden, wodurch sich der Treibstoffbedarf entsprechend erhöht.

Lichtsegel der Planetary Society in einer künstlerischen Darstellung. Illustration: Planetary Society

Lichtsegel der Planetary Society in einer künstlerischen Darstellung. Illustration: Planetary Society

Effizienter Antrieb. Für den Treibstoffbedarf ist wesentlich, wie gut der Antrieb den Treibstoff in Schub umsetzt. Die chemischen Antriebe der Trägerraketen, die von der Erde aus starten, liefern zwar einen hohen Schub. Der chemische Antrieb ist dennoch nicht wirklich effektiv, denn er stößt den Treibstoff pro Sekunde tonnenweise aus. Könnte er den Treibstoff schneller ausstoßen, würde er den gleichen Schub mit geringerem Treibstoffverbrauch erzielen.

Der chemische Antrieb ist für die interstellare Raumfahrt in diesem Sinne völlig wirkungslos. Die gesamte Masse des beobachtbaren Universums würde als Treibstoff nicht ausreichen, um damit die nächsten Sterne zu erreichen.

Es werden daher Treibstoffe mit möglichst hohem Energieinhalt benötigt und Antriebe, die diese Energie möglichst gut in Schub umsetzen. Kandidaten sind hierfür bestimmte nukleare Antriebe sowie Materie-Antimaterie-Antriebe.

Weltenergiebedarf mal x

Missionstypen

Vorläufermission. Außenbereich des Sonnensystem, Technologie-Erprobung (Antrieb, Laser-Kommunikation, Robotik/KI usw.), Erkundung des interstellaren Raums
Vorbeiflug am Zielstern. Geringerer Aufwand, spart Treibstoffmasse / geringerer wissenschaftlicher Nutzen
Umlaufbahn um Zielstern oder Zielplanet. Höherer Aufwand, Treibstoff zum Abbremsen oder anderes Bremssystem nötig / hoher wissenschaftlicher Nutzen
Hin- + Rückflug. Sehr Aufwändig, riesige Raumschiffmasse, Treibstoff zum Abbremsen oder anderes Bremssystem und Treibstoff für Rückflug muss mitgeführt werden, sofern nicht am Ziel herstellbar
Roboter-Mission. Benötigt kein Lebenserhaltungssystem usw.
Astronauten-Mission. Lebenserhaltungssysteme, Lebensmittel usw. nötig, psychologischer Faktor, eventuell Hibernation, sehr aufwändig, sehr flexibel / höchster wissenschaftlicher Nutzen, Beginn der interstellaren Besiedelung

Wie hoch der Aufwand für interstellare Reisen ist, lässt sich auch an den dafür erforderliche Energiemengen erahnen. Auch ein Antrieb, der ohne mitzuführenden Treibstoff auskommt, etwa ein Laser-Lichtsegel, muss mindestens diese Antriebsenergie liefern, um das Raumschiff auf etwa 10% Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Für ein Raumschiff vom Format des Spaceshuttles wäre eine Energiemenge in der Größenordnung des Jahresenergiebedarfs der Menscheit nötig (Primärenergie). Im Jahr 2013 entsprachen diesem Energiebedarf fast 13 Milliarden Tonnen Erdöl. Dem entsprechen etwa 150.000.000.000.000 Kilowattstunden oder 500.000.000.000.000.000.000 Joule.

Durch Energieverluste, größere Raumschiffmasse, Abbremsmanöver und den eventuellen Rückflug erhöht sich der Energiebedarf noch einmal drastisch.

Interstellare Materie

Der Raum zwischen den Sternen ist nicht leer, sondern er enthält Gas und Staub. Mit Radioteleskopen kann man diese interstellare Materie aufspüren. Demnach hat sie in unserer Galaxie, der Milchstraße, etwa die Masse von 10 Milliarden Sternen. Zum Vergleich wird die Masse sichtbarer Materie der Milchstraße auf etwa 400 Milliarden Sonnenmassen geschätzt.

Die interstellare Materie ist ungleichmäßig und äußerst fein in den Weiten des Weltalls verteilt, im freien Weltraum noch viel feiner als in Molekülwolken und im Bereich der Sterne. Das können ein paar Tausend Atome oder Moleküle pro Kubikzentimeter sein oder nicht mal ein einziges Atom.

Wucht eines Staubkorns bei 10% Lichtgeschwindigkeit
Wenn ein winziges Staubkorn der Masse von 0,000.000.01 Gramm gegen das Raumschiff prallt, entspricht das bei 10% Lichtgeschwindigkeit einem 1000 kg schweren Auto, das das Raumschiff mit 108 km/h rammt.

Das durchschnittliche Staubteilchen ist mikroskopisch klein. Doch wo die Staubteilchen welche Durchmesser tatsächlich erreichen können, ist größtenteils noch unbekannt und dürfte stark variieren. Wegen der extremen Geschwindigkeit eines interstellaren Raumschiffs, können zusammenstöße selbst mit nur winzigen Materieteilchen ohne Schutzmaßnahmen katastrophal wirken.

Mögliche Schutzsysteme sind Prallplatten sowie Gas- und Staubwolken, die vor dem Raumschiff ausgestoßen werden. Mit diesen Stoßfängern soll die interstellare Materie zusammenstoßen, ihre Energie an sie abgeben und so für das Raumschiff unschädlich werden.

Erste Schritte zu den Sternen

Zahlreiche Wissenschaftler, Ingenieure, kleine Stiftungen und vereinsartige Organisationen lassen sich von den gigantischen Problemen der interstellaren Raumfahrt nicht vom Weg zu den Sterne abbringen. Hier folgt eine unvollständige Liste entsprechender Konzeptstudien.

1950er Jahre. Erste wissenschaftliche Veröffentlichungen zur Möglichkeit der interstellaren Raumfahrt, insbesondere von Les Shepherd und Eugen Sänger.

Projekt-Orion (USA, 1957 - 1965). Ziel: Antrieb eines Raumschiffs, durch hinter dem Heck gezündete Atombomben (nuklearer Pulsantrieb). Grafik: NASA

Projekt Orion (USA, 1957 – 1965). Ziel: Antrieb eines Raumschiffs, durch hinter dem Heck gezündete Atombomben (nuklearer Pulsantrieb). Grafik: NASA

1965. Freeman Dyson konzipiert ein interstellares Raumschiff, das durch die stetige Folge von Wasserstoffbomben-Detonationen angetrieben wird (nukleares Pulstriebwerk). (Basierte auf Projekt Orion der 1950/60er Jahre: Antrieb innerhalb Sonnensystems durch Atombomben-Detonationen. Vor praktischer Erprobung eingestellt aus politischen Gründen.)

1970er Jahre. British Interplanetary Society verfasst erste umfassende Machbarkeitsstudie im Projekt Daedalus. Zweistufiges unbemanntes Raumschiff, ausgestattet mit künstlicher Intelligenz, zahlreichen Sonden und Wartungsrobotern. Antrieb durch mehrjährige Folge kleiner Detonationen von winzigen „Wasserstoffbomben“ (Kügelchen aus Deuterium und Helium-3, deren Kernfusion durch Beschuss mit Elektronenstrahlen gezündet werden sollte). Endgeschwindigkeit: 12 oder 16% der Lichtgeschwindigkeit. Untersuchung des interstellaren Raums und Vorbeiflug am Zielsystem, dem 5,9 Lichtjahre entfernten Barnards Stern.

1987/88. Projekt Longshot der NASA und US Naval Academy. Konzeptueller Entwurf eines interstellaren, unbemannten Raumschiffs, dass Forschungssonden in eine Umlaufbahn um Alpha Centauri B bringt. Antrieb durch nuklearen Pulsantrieb ähnlich wie Daedalus. Reisegeschwindigkeit etwa 4,5% der Lichtgeschwindigkeit.

1996-2002. Breakthrough Propulsion Physics Project der NASA, geleitet vom Physiker Marc Millis. Forschungs- und Abschätzungsprogramm der US-Raumfahrtbehörde NASA für neue und unkonventionelle Antriebsmethoden. Projekt-Ziel: grundsätzlich neue Möglichkeiten für Raumfahrzeugantriebe auf ihre Realisierbarkeit zu überprüfen. Dazu gehörten Nullpunktsenergie, Casimir-Effekt, Warp-Antrieb, Antigravitation und Überlichtgeschwindigkeit.

Warum interstellare Raumfahrt?

Die Tau Zero Foundation fasst es sinngemäß so zusammen:

Interstellare Raumfahrt ist die Reise der Menschheit, selbst wenn wir niemals diesen Planeten verlassen. Während ihr ultimativer Nutzen das fortdauernde Überleben der Menschheit ist, ergibt sich ihr unmittelbarer Nutzen allein schon durch den Versuch.

Interstellare Raumfahrt anzustreben…

– Entzündet erneut die Hoffnung auf eine bessere Zukunft, in der die Menschheit aufblüht und vielfältige Möglichkeiten vorhanden sind.
– Zwingt die Menschen, Grenzen zu bezwingen statt sich gegenseitig.
– Treibt die Entwicklung zum umwälzenden Fortschritt, nicht nur zur nächsten Neuerung.
– Bietet eine objektive Anlaufstelle zur Lösung umstrittener sozialer Fragen (etwa im Kontext eines ‘Weltschiffs’ der fernen Zukunft), z.B. der Bevölkerungszahl, Nachhaltigkeit, politischer Führung, dem Sinn des Lebens usw.
– Bietet eine Anlaufstelle für langfristiges Denken über grundlegende Probleme der Menschheit, noch bevor deren Lösung gefährlich drängt.
– Gibt Studentinnen und Studenten berufliche Ziele, die der gesamten Menschheit dienen.

2006. Gründung der Tau Zero Foundation durch den Physiker Marc Millis nach dessen Leitung des Breakthrough Propulsion Physics Project der NASA. Die Stiftung bildet ein internationales Netzwerk von Wissenschaftlern, Ingenieuren, Journalisten, Künstlern und Sciencefiction-Autoren. Vorgehensweise: visionäre Raumfahrt-Pioniere finden, ihren Fortschritt beschleunigen, die aussichtsreichsten Entwicklungen herausfiltern und zur Entfaltung verhelfen.

2011. Gründung der Icarus Interstellar durch Zusammenschluss der British Interplanetary Society und der Tau Zero Foundation. Entwickelt Projekte im Zusammenhang mit interstellarer Raumfahrt, insbesondere das Nachfolgeprojekt des Daedalus-Projekts: Icarus. Verbesserte und flexiblere Version des Daedalus-Raumschiffs.

2011. Erster Tennessee Valley Interstellar Workshop. Internationaler Austausch von Ideen, mit denen die interstellare Erkundung angeregt und ermutigt werden soll. Zu den diskutierten Themen gehören Antriebe, Kommunikationstechnik, Exoplaneten.

2012. Gründung des 100 Year Starship, eines gemeinsamen Förderprojekts der U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und der NASA. Mit dem 100YSS soll nicht die Entwicklung eines interstellaren Raumschiffs an sich staatlich gefördert werden. Stattdessen wird die Schaffung einer leitenden Organisation sowie eines Geschäftsplans finanziell unterstützt. Sie sollen 100 Jahre bestehen und die nötige Forschung mithilfe privater Organisationen und Unternehmen vorantreiben. Die Dorothy Jemison Foundation for Excellence der ehemaligen NASA-Astronautin Mae Jemison erhielt hierfür die Startfinanzierung. Zu den Hauptteammitgliedern des 100 Year Starship gehören außerdem Icarus Interstellar, die Foundation for Enterprise Development und das SETI Institute.

2012. Gründung der Initiative for interstellar Studies. Die Initiative baut eine Organisation auf, die als Katalysator geeignete Rahmenbedingungen für eine interstellare Menschheit schaffen soll. Das beinhaltet unter anderem den Aufbau entsprechender Lehr- und Forschungsmöglichkeiten an Universitäten, die Organisation theoretischer und experimenteller Studien, etwa zum Laser-Segel-Antrieb oder dem interstellarem Ramjet, die Ermutigung von Wirtschaftsunternehmen zu geeigneten Investitionen, die Suche nach weltraumgestützten Technolgien zur Lösung irdischer Probleme, die Verbesserung der menschlichen Lebensbedingungen und der kulturellen Beziehungen auf diesem Planeten.

Und so geht’s weiter…

In unregelmäßiger Folge werden wir uns in diesem Blog verschiedene Konzepte und Antriebsmöglichkeiten für die interstellare Raumfahrt ansehen, soweit sie mit heutigem Wissen und überschaubarem Entwicklungsaufwand realisierbar wären.

Links

British Interplanetary Society
http://www.bis-space.com

NASA: Breakthrough Propulsion Physics Project
http://www.grc.nasa.gov/WWW/bpp/

Tau Zero Foundation – Pioneering Interstellar Travel
http://www.tauzero.aero

Tau Zero Foundation – Centauri Dreams
http://www.centauri-dreams.org

Icarus Interstellar
http://www.icarusinterstellar.org

100-year Starship
http://100yss.org

Tennessee Valley Interstellar Workshop
http://www.tviw.us

Initiative For Interstellar Studies
http://www.i4is.org

Planetary Society
http://planetary.org

Voyager
http://voyager.jpl.nasa.gov/mission/interstellar.html

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