Interstellare Raumfahrt ohne Warp & Co.: Bussard-Ramjet

In der ersten Folge der Artikelreihe über interstellare Antriebskonzepte sehen wir in die ferne Zukunft. Wenn bis dahin kein grundlegender Durchbruch der Antriebsphysik geschafft ist, könnte der Bussard-Ramjet den interstellaren Reiseverkehr revolutionieren.

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 den Wasserstoff des Weltraums als Treibstoff nutzt. Es sammelt ihn dazu mit einem riesigen Magnettrichter ein. Grafik: NASA

Abgesehen vom Lichtsegel und ähnlichen Konzepten müssten Raumfahrzeuge gigantische Mengen Treibstoff mitschleppen, um die nächsten Nachbarsterne erreichen zu können. Eine Lösungsmöglichkeit des Problems lieferte 1960 der US-amerikanische Physiker Robert W. Bussard. Nach seiner Idee sammelt der Bussard-Ramjet den Treibstoff im Weltraum ein.

Denn tatsächlich ist der Raum zwischen den Sternen nicht völlig leer. In einem Kubikzentimeter findet man vielleicht ein oder zwei Teilchen, je nach Region können es auch mehr sein. Das sind vorwiegend Wasserstoffatome oder deren Atomkerne. In einem Kubikzentimeter Erdatmosphäre schwirren zum Vergleich über 10.000.000.000.000.000.000 Luftmoleküe herum.

Der Ramjet wird durch einen Kernfusions-Reaktor angetrieben, in dem Wasserstoff zu Helium verschmilzt und dabei Energie freisetzt. Prinzipiell sind mit dem Bussard-Ramjet lange Beschleunigungsphasen möglich, die eine ordentliche interstellare Reisegeschwindigkeit ermöglichen: Wissenschaftliche Abschätzungen liegen oberhalb von 50% Lichtgeschwindigkeit! Unsere Nachbarsterne Proxima Centauri sowie Alpha Centauri A und B könnten damit in weniger als 10 Jahren erreicht werden.

Das Ramjet-Prinzip

Genau wie Ramjets der Luftfahrt, benötigt der Bussard-Ramjet eine genügend hohe Anfangsgeschwindigkeit, damit er ausreichend Brennstoff in Form des Wasserstoffs einsammeln kann. Typischerweise muss er wenige Prozent Lichtgeschwindigkeit erreichen, damit der Ramjet anläuft. Wie hoch seine Anfangsgeschwindigkeit tatsächlich sein muss, hängt von der Teilchendichte im Weltraum ab. Für die Anfangsbeschleunigung nutzt der Fusionsreaktor mitgeführten Wasserstoff.

Der Wasserstoff wird im Weltraum durch starke elektromagnetische Felder eingesammelt, die durch supraleitende Spulen erzeugt werden. Aufgeweitete Laserstrahlen ionisieren die Wasserstoffatome, damit sie die Magnetfelder in den Fusions-Reaktor leiten können. Der erhitzte Brennstoff wird schließlich nach hinten ausgestoßen und treibt das Raumschiff an.

Als Magnetbremse

Der Magnettrichter lässt sich durch entsprechende Umformung des Magnetfeldes auch zum Bremsen verwenden. Er schiebt dann den Wasserstoff vor sich her, wie ein Scheepflug den Schnee. Wenn der Bussard-Ramjet seine Geschwindigkeit schließlich so weit verringert hat, dass der Wasserstoffs kaum noch bremst, wird das Raumschiff mit der Antriebsdüse in Fahrtrichtung gedreht. Sie wird dann als Bremsdüse genutzt, und während des Flugs gesammelter Wasserstoff dient als Brennstoff.

Technologische Probleme

Selbst bei der angestrebten hohen Geschwindigkeit muss der Magnettrichter eine Ausdehnung von mehreren tausend Kilometern haben. Er ist viel komplexer als eine umgedrehte magnetische Düse, denn sie würde die geladenen Wasserstoffatomkerne nicht schlucken, sondern aufstauen.

Der Fusionsreaktor muss im wahrsten Sinne des Wortes möglichst reibungsfrei arbeiten. Er darf den eingefangenen Wasserstoff nicht wesentlich abbremsen, sonst wird das Raumschiff durch die Reibung abgebremst.

Eine weitere Herausforderung ist es, die Kernfusion überhaupt zu starten und am laufen zu halten. Wasserstoffkerne, also einzelne Protonen, verschmelzen wesentlich schlechter miteinander als beispielsweise die Kerne von schwerem Wasserstoff, die aus je einem Proton und Neutron bestehen.

Lösungsansätze

Weitere Artikel zur interstellaren Raumfahrt und die anderen Beiträge dieser Artikelreihe erscheinen nach und nach in der Blog-Rubrik Interstellare Raumfahrt. Sie werden auch Antriebskonzepte beleuchten, die in näherer Zukunft verwirklicht werden könnten.

Als Ausweg könnten katalytische Fusionsreaktionen genutzt werden. In ihnen würden Atomkerne anderer chemischer Elemente wie zum Beispiel Kohlenstoff die Fusion erleichtern, ohne selbst verbraucht zu werden. Bereits heute wird daran geforscht, Kernfusions-Reaktionen durch winzige Mengen Antimaterie zu zünden, als sogenannte antiproton-katalysierte Mikrofusion.

Eine weitere Möglichkeit könnte sein, den eingesammelten Wasserstoff nicht zu verschmelzen, sondern lediglich zu erhitzen und nach hinten auszustoßen. Die Heizenergie könnte ein Fusionsreaktor liefern, der mitgeführten Brennstoff fusioniert.

Die technologischen Probleme des Bussard-Ramjets sind gewaltig. Doch die Idee ist für die ferne Zukunft verlockend, wenn es bis dahin keine grundlegenden Durchbrüche in der Antriebsphysik gibt.

Links + Literaturhinweise

Robert H. Frisbee und Stephanie D. Leifer: Evaluation of Propulsion Options for Interstellar Missions; 34th AIAA Joint Propulsion Conference, Cleveland, OH, USA, July 13-15, 1998
http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/handle/2014/20238?mode=full
http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/20238/1/98-1132.pdf

R. L. Forward: Ad Astra!, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 49, pp 23-32 (1996)

R. J. Stalker: Trend Analysis for Interstellar Ramjet Technologies, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 38, pp 129-132, 1985

B. Cassenti: Comparison of Interstellar Propulsion Methods, AIAA Paper AIAA-80-1229, 16th Joint Propulsion Conference, Hartford CN, June 30 – July 2, 1980

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