Interstellare Raumfahrt ohne Warp & Co.: Lichtsegel (Teil 2/2, Szenarien)

Lichtsegel oder auch Photonensegel transportieren Nutzlasten ohne Treibstoff. So wie Segelboote vom Wind werden Lichtsegel vom Strahlungsdruck einer Lichtquelle angetrieben. Für Segeltörns innerhalb des Sonnensystems ist das die Sonne (Sonnensegel, Solarsegel), für interstellare Reisen ein gewaltiges Lasersystem. Wesentlicher Vorteil des Lichtsegels ist, dass keine Treibstoffmasse mitbeschleunigt werden muss. Und es kann prinzipiell einen zweistelligen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Doch diesen Vorteil gibt es nicht umsonst.

Im ersten Teil dieses Blog-Beitrags haben wir uns die Prinzipien des Lichtsegels angesehen, im Sonnensystem und im interstellaren Raum.

Weitere Artikel zur interstellaren Raumfahrt erscheinen nach und nach in der gleichnamigen Blog-Rubrik.

Dieser zweite Teil des Blog-Beitrags verdeutlicht die Herausforderungen der interstellaren Lichtsegelei in drei konkreten Szenarien.

Lichtsegel auf dem Weg zu einem Nachbarstern. Die Nutzlast im Zentrum des Lichtsegels ist wegen dessen Durchmesser von 1000 km nicht erkennbar. Oben rechts strahlen die Sonne und das Lasersystem mit der lichtbündelnden Zonenplatte. Grafik: Michael Müller

Lichtsegel auf dem Weg zu einem Nachbarstern. Die Nutzlast im Zentrum des Lichtsegels ist wegen dessen Durchmesser von 1000 km nicht erkennbar. Oben rechts strahlen die Sonne und das Lasersystem mit der lichtbündelnden Zonenplatte. Grafik: Michael Müller

Drei Missionstypen für interstellare Lichtsegel

Der Physiker Robert Forward dachte 1984 über die folgenden drei Missionstypen für Lichtsegel nach und berechnete ihre grundlegenden Daten [ 1 ]; ich stelle sie hier etwas verkürzt dar. Das Hochleistungs-Lasersystem bleibt im Sonnensystem und beschleunigt von dort aus das Lichtsegel. Er ging dabei von einem Linsendurchmesser (Zonenplatte) von 1000 km aus. Ziele: Alpha Centauri in etwa 4,3 Lichtjahren Entfernung und Epsilon Eridani in 10,5 Lichtjahren Entfernung.

Die Anforderungen steigen von Missionstyp zu Missionstyp dramatisch. Ob diese Konzepte jemals von der Menschheit oder einer außerirdischen Zivilisation praktisch umgesetzt werden, kann niemand sagen. Doch sie verdeutlichen einige der Herausforderungen, denen sich Ingenieure, Wissenschaftler und interstellare Lichtsegler stellen müssten.

Missionstyp 1: Hin und weg

Für eine unbemannte Kundschafter-Mission kann es genügen, wenn das Lichtsegel mit seinen wissenschaftlichen Instrumenten nur am Zielstern vorbeifliegt. Dann genügt der Schub im ersten Teil der Reisestrecke, etwa bis zum Außenbereich des Sonnensystems.

Als Gesamtmasse des Lichtsegels pro Quadratmeter Segelfläche werden 0,1 Gramm angenommen. Als Segelmaterial wird Aluminium angenommen. Daraus ergibt sich:

Maximale Beschleunigung (begrenzt durch Aufheizung des Segels, vgl. Teil 1): 0,36 m/s2

Bei einer Gesamtmasse des Lichtsegels samt Struktur und Nutzlast von 1000 kg muss der Segeldurchmesser 3,6 km betragen.

Benötigte Laserleistung: 65 Gigawatt. Eine ganze Menge, aber in der Zukunft sicherlich machbar.

Beschleunigungszeit: 3 Jahre

Danach hat es die Distanz von 0,17 Lichtjahren erreicht und 11% der Lichtgeschwindigkeit. Damit reist die Raumsonde ohne Antrieb weiter.

Reisezeit bis Alpha Centauri (4,3 Lichtjahre): etwas mehr als 40 Jahre (Vorbeiflug).

Missionstyp 2: Rendezvous

Wenn der Vorbeiflug der Lichtsegel-Sonde interessante Daten erbracht hat, ist es Zeit für eine wesentlich größere Sonde, die den Zielstern oder Zielplaneten umkreist und detailliertere Daten liefert (Rendezvous).

Aber das Lasersystem kann das Lichtsegel nur schieben, und selbst das Licht eines hellen Zielsterns kann das schnelle Lichtsegel kaum bremsen. Wie sollte die Sonde also am Ziel stoppen können? Prinzipiell funktioniert das folgendermaßen.

Eine Idee für ein bremsbares Lichtsegel schlug ebenfalls Robert Forward vor [ 1 ]: Mit einem zweistufigen Lichtsegel kann am Zielstern gestoppt werden. Für solch eine Rendezvous-Mission muss das im Sonnensystem postierte Lasersystem zielgenau bis zum Zielstern auf das Segel ausgerichtet werden können.

Zweistufiges Lichtsegel für Rendezvous-Manöver am Zielstern. Grafik: Michael Müller

Zweistufiges Lichtsegel für Rendezvous-Manöver am Zielstern. Grafik: Michael Müller

Für einen Vorbeiflug am Zielsystem muss das Lichtsegel lediglich auf der Anfangsstrecke beschleunigt werden, etwa bis zum Außenbereich des Sonnensystems. Bei einer Rendezvous-Mission muss des Lasersystems dagegen auch im Bereich des Zielsterns noch schieben können.

Um das Lichtsegel bremsen zu können, wird es aus zwei Teilsegeln zusammengesetzt. Das Bremsmanöver beginnt etwa auf halbem Weg. Zunächst wird das größere, ringförmige Außensegel abgekoppelt und vom Laserlicht weiter beschleunigt. Es reflektiert das Laserlicht zurück auf das runde Innensegel des Raumfahrzeugs. Das Außensegel bremst dadurch allmählich das Innensegel samt seiner Nutzlast, während es selbst am Zielstern vorbeigetrieben wird.

Die Daten solch eines Lichtsegels könnten so aussehen:

Segeldurchmesser beim Start: 100 km
Flächendichte: 0,1 g/m2
Startmasse: 785 Tonnen (zumVergleich: 1 Tonne für Erkundungs-Phase 1)

Durchschnittsgeschwindigkeit soll sein: 10% Lichtgeschwindigkeit

Beschleunigung: 0,05 m/s2, 40 Jahre lang. Sie ist kleiner als bei Phase 1, um die Laserleistung für das deutlich schwerere Lichtsegel noch halbwegs zu begrenzen. In Phase 2 arbeitet der Laser dafür während des gesamten Flugs als Antrieb und Bremse.

Geschwindigkeit am Ende der Beschleunigung: 21% Lichtgeschwindigkeit

Laserleistung: 7,2 Terawatt (1 TW = 1.000.000.000.000 Watt) Die Laserleistung liegt damit in der Größenordnung des Weltenergiebedarfs. Dafür sind offensichtlich ein starker Wille und einige Entwicklungsarbeit erforderlich.

Abbremsen des Lichtsegels

Das innere 30km-Segel mit der Nutzlast wird vom äußeren ringförmigen Bremssegel abgekoppelt. Es wird so gedreht, dass seine reflektierende Seite dem Bremssegel zugewandt ist.

Masse des Nutzlastsegels: 71 Tonnen, davon 26 Tonnen wissenschaftliche Nutzlast
Masse des Bremssegels: 714 Tonnen

Im Sonnensystem wird das Lasersystem während des Fluges verstärkt. Beim Abbremsen des Lichtsegels steht mehr Laserleistung zur Verfügung.

Laserleistung beim Abbremsen: 26 Terawatt

Die erhöhte Laserleistung beschleunigt das Bremssegel mit 0,2 m/s2 weiter. Das vom Bremssegel reflektierte Laserlicht ist auf das zurückfallende Nutzlastsegel konzentriert. Das wesentlich leichtere Nutzlastsegel wird dadurch abgebremst. Seine Wärmebelastung ist jetzt deutlich gestiegen und beträgt 2/3 des maximal zulässigen Wertes.

Bremsrate: 2,0 m/s2
Bremszeit bis Alpha Centauri: 1 Jahr

Reisezeit bis Ankunft: 41 Jahre

Missionstyp 3: Rückfahrkarte

Möglicherweise sind die Forschungsergebnisse der Rendezvous-Mission so faszinierend, dass eine technologisch weit fortgeschrittene Menschheit nun einen Hin- und Rückflug ansetzt, diesmal mit einer Besatzung. Hin- und Rückflug müssen daher möglichst schnell sein.

Die Dimensionen und der Energiebedarf der Mission sind gewaltig. Aber die Menschheit kann möglicherweise die Energie der Sonne in der Zukunft weit besser anzapfen als heute. Robert Forward konzipiert für die dritte Erkundungsphase ein Lichtsegel mit größerer Reichweite, dass seine Besatzung beispielsweise zum 10,5 Lichtjahre entfernten Stern Epsilon Eridani und wieder zurückbringt. Prinzipell könnte das so aussehen:

Dreistufiges Lichtsegel für Hin- und Rückflug. Grafik: Michael Müller

Dreistufiges Lichtsegel für Hin- und Rückflug. Grafik: Michael Müller

Das Lichtsegel besteht aus drei Teilsegeln. Das äußere ringförmige Lichtsegel arbeitet als Bremssegel wie bei der Rendezvous-Mission. Es stoppt die beiden anderen Teilsegel am Zielstern. Das innere ringförmige Lichtsegel wird am Zielstern abgekoppelt. Es dient als Reflektor für das Lasersystem, dass im Sonnensystem positioniert ist. Dieser Reflektor schiebt das innerste Teilsegel samt Mannschaftskabine und Nutzlast zum Sonnensystem zurück. Bei der Annäherung ans Sonnensystem wird das Rückkehrsegel vom Lasersystem abgebremst und stoppt schließlich im Sonnensystem.

Lichtsegel-Durchmesser beim Start: 1000 km
Gesamtmasse: 78.500 Tonnen
Laserleistung: 43.000 Terawatt in der Startphase, wird allmählich erhöht auf 75.000 Terawatt, um die Beschleunigung konstant zu halten.
Beschleunigung: 3,0 m/s2
Reisegeschwindigkeit nach 1,6 Jahren: 50% Lichtgeschwindigkeit

Das Lichtsegel könnte prinzipiell eine noch höhere Geschwindigkeit erreichen. Doch schon die halbe Lichtgeschwindigkeit des Lichtsegels erschert die Mission erheblich, insbesondere im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie.

Probleme: Hochenergetische Staubteilchen im interstellaren Raum schädigen das Raumfahrzeug.
Die nun stark erhöhte Energie der dort vorhandenen Strahlung belastet das Raumfahrzeug.
Der Doppler-Effekt verringert die Frequenz und Energie der Laserstrahlung wesentlich.
Die Masse des Raumfahrzeugs nimmt zu.

Wegen der letzen beiden Punkte muss die Laserleistung während der Beschleunigungsphase allmählich erhöht werden.

In der Beschleunigungsphase legt das Lichtsegel 0,4 Lichtjahre zurück. Mit seinen 50% Lichtgeschwindigkeit benötigt es danach noch 20 Jahre bis in die Nähe von Epsilon Eridani. Im Rahmen der Relativitätstheorie sind für die Besatzung nur 17,3 Jahre vergangen.

In 0,4 Lichtjahren Entfernung beginnt das Bremsmanöver.

Bremsmanöver

Das innere Lichtsegel mit der Nutzlast wird vom äußeren, ringförmigen Bremssegel abgekoppelt. Es wird gebremst, wie in der Erkundungsphase 2 beschrieben. Später dient es als Rückkehrsegel.

Das Bremssegel  stoppt das Rendezvous-Segel aus Beschleunigungs- und Rückkehrsegel am Zielstern. Grafik: Michael Müller

Das Bremssegel stoppt das Rendezvous-Segel aus Beschleunigungs- und Rückkehrsegel am Zielstern. Grafik: Michael Müller

Bremsdauer: 1,6 Jahre

Durchmesser des Nutzlastsegels: 320 km
Masse des Rückkehrsegels (Nutzlastsegels): 7850 Tonnen
Massenanteil für Besatzungskabine, Versorgungsgüter und Erkundungs-Fahrzeuge: 2900 Tonnen

Damit sollen die Astronauten die Exoplaneten und Exomonde des Eridanus-Systems erforschen und gegebenenfalls auf ihnen landen. Das Lichtsegel selbst dient innerhalb des Systems als Transportfahrzeug und wird vom Licht des Sterns angetrieben.

Reisedauer (Hinweg): 23,2 Jahre (20,5 Jahre für die Besatzung im Rahmen der Relativitätstheorie)

Rückkehr

Nach vielleicht fünf Jahren der Erkundung im Eridanus-System sollen die Astronauten zum Sonnensystem zurückkehren. Dazu wird vom 320km-Nutzlastsegel ein äußeres Beschleunigungssegel abgekoppelt. Das innere 100km-Nutzlastsegel wird samt Besatzungskabine zum Rückkehrsegel.

Das Nutzlast-Segel wird vom Beschleunigungs-Segel auf den Heimweg gebracht. Grafik: Michael Müller

Das Nutzlast-Segel wird vom Beschleunigungs-Segel auf den Heimweg gebracht. Grafik: Michael Müller

Nachdem beide Segel etwa auseinandergedriftet sind, wird das Rückkehrsegel gedreht, sodass es dem Beschleunigungssegel die hochreflektierende Seite zuwendet. Beide Lichtsegel beschleunigen mit diesem Licht nun in entgegengesetzte Richtungen. Das Rückkehrsegel beschleunigt wegen seiner geringeren Masse neunmal schneller als das Beschleunigungssegel. Hierfür wurde 10,5 Jahre vor der Rückkehr vom Sonnensystem aus 1,6 Jahre lang Laserlicht zum Eridanus-System gesendet.

Beschleunigung des Rückkehrsegels: 3,0 m/s2
Beschleunigungsdauer: 1,6 Jahre
Reisegeschwindigkeit nach 1,6 Jahren: 50% Lichtgeschwindigkeit
Reisezeit für die Rückkehr: etwa 20 Jahre

Sobald sich das Rückkehrsegel dem Sonnensystem nähert, wird das Lasersystem aktiviert und das Lichtsegel dadurch gebremst.

Missinsdauer (gesamt): Die Besatzungsmitglieder waren nun etwa 51 Jahre unterwegs, inklusive der 5 Jahre Erkundungszeit im Eridanus-System. Im Rahmen der Relativitätstheorie sind sie dabei etwa 46 Jahre gealtert.

Ausblick

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Es scheint so, als ob die interstellare Lichtsegelei prinzipiell machbar ist, allein mit weiterentwickelten heutigen Technologien. Wesentliche Voraussetzung ist die Entwicklung entsprechender Hochleistungslaser, leichter Lichtsegelstrukturen und Laseroptiken im SuperXXL-Format. Vor allem die Bahnverfolgung und Bahnkorrektur über Lichtjahre hinweg muss beherrscht werden. Um das Ganze im Sonnensystem aufbauen zu können, gibt es eine weitere Vorbedingung: eine leistungsfähige interplanetare Raumfahrt.

Links + Literaturhinweise

[ 1 ] R. L. Forward: Roundtrip Interstellar Travel Using Laser-Pushed Lightsails, J. Spacecraft, Vol. 21, No. 2, pp 187-195, 1984
http://www.lunarsail.com/LightSail/rit-1.pdf

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