Im vergangenen Jahr kündigten der berühmte theoretische Physiker Stephen Hawking und der russische Milliardär Yuri Milner einen ehrgeizigen Plan an, ein winziges Raumschiff in das Alpha Centauri-System zu bringen. Natürlich erfordert ein solch ehrgeiziger Plan die Suche nach nicht weniger ehrgeizigen Lösungen. Zum Beispiel betrifft eines der ungelösten Probleme, wie ein Raumschiff, das sich mit einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit bewegt, anhalten kann, nachdem es sein Ziel erreicht hat. Wird er überhaupt zu einem solchen Manöver fähig sein?
Einige europäische Wissenschaftler scheinen die richtige Antwort auf diese Frage gefunden zu haben. In einem in The Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Artikel diskutieren der Physiker Rene Heller vom Max-Planck-Institut und der Informatiker Michael Hippke, wie die Strahlung und die Schwerkraft von Alpha-Centauri-Sternen zur Verlangsamung eines Raumfahrzeugs verwendet werden können. Laut Wissenschaftlern kann ein winziges Raumschiff, das mit einem leichten Segel ausgestattet ist, nicht nur vorbeiziehen, sondern auch langsamer genug werden, um das Dreifachsternsystem und möglicherweise sogar den erdähnlichen Planeten Proxima b in der Nähe eines der Sterne dieses Systems im Detail zu untersuchen.
Wir erinnern daran, dass Milner im Rahmen der Breakthrough Starshot-Initiative plant, 100 Millionen US-Dollar in die Entwicklung eines ultraleichten autonomen Raumfahrzeugs mit einem leichten Segel zu investieren, das auf 1/5 der Lichtgeschwindigkeit (ca. 60.000 km / s) beschleunigen kann. Dank dessen kann die Robotersonde in nur 20 Jahren Alpha Centauri - das der Erde am nächsten gelegene Sternensystem - erreichen und nicht in 100.000 Jahren, wie dies bei herkömmlichen chemischen Beschleunigern der Fall ist.
Nach dem ursprünglichen Plan von Milner und Hawking wird an der winzigen Sonde ein kompaktes, mehrere Meter großes, leichtes Segel angebracht, das von einer phasengesteuerten Anordnung von Lasern gesteuert wird. Die von diesen Lasern erzeugte Energie würde theoretisch ausreichen, um die winzige Sonde auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die viel höher sind, als es das schnellste Raumschiff heute zeigen kann.
Darstellung der vorgeschlagenen Lichtsegeltechnologie
Dies ist jedoch nicht das einzige vorgeschlagene Schema zur Umsetzung dieses Projekts. Laut der Version von Heller und Hippke würde die Verwendung eines größeren "Photonensegels" die Verwendung eines Laserarrays überflüssig machen. In diesem Fall ist die Sonde selbst nur wenige Zentimeter groß und wiegt nur wenige Gramm. Um den interstellaren Raum zu beschleunigen und zu betreten, wird das Fahrzeug mit mehreren großen, aber gleichzeitig sehr leichten, dünnen und starken Segeln ausgestattet. Gemäß dem von europäischen Wissenschaftlern vorgeschlagenen Szenario wird die Sonde die Strahlung unserer Sonne in Richtung Alpha Centauri lenken. Bei Erreichen des erforderlichen Trägheitsgrades klappt der Apparat seine Segel herunter und setzt seine Reise in Richtung des benachbarten Sternensystems fort.
Wissenschaftler glauben, dass die Sonde in diesem Fall 4,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entwickeln kann und in etwa 95 Jahren Alpha Centauri erreichen wird. Ja, dies ist fast fünfmal länger als im ursprünglichen Plan von Milner und Hawking, aber theoretisch wird dies die Aufgabe, die Sonde an der richtigen Stelle anzuhalten, erheblich vereinfachen.
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„Die interstellare Reise zum Alpha Centauri-System wird voraussichtlich mit Geschwindigkeiten stattfinden, die die Reisezeit auf weniger als tausend und im Idealfall weniger als einhundert Jahre reduzieren. Bei dieser Geschwindigkeit benötigt das Raumschiff unglaublich viel Energie, um langsamer zu werden und die gewünschten Umlaufbahnen zu erreichen “, sagt Heller.
„Die Verwendung von Kraftstoff jeglicher Art wird das Projekt insgesamt nur komplizieren. Wenn das Schiff Treibstoff an Bord benötigt, ist es in diesem Fall selbst zu schwer, was wiederum den Bedarf an einer noch größeren Treibstoffversorgung erhöht."
Angesichts dieser Einschränkungen sowie des Fehlens einer geeigneten Lösung im Moment schlagen Wissenschaftler vor, dass die Sonde in diesem Fall einfach an Alpha Centauri vorbeifegt, wie dies bei dem Raumschiff New Horizons der Fall war, das an Pluto vorbeiflog. Wenn wir jedoch den Geschwindigkeitsunterschied berücksichtigen, wird die Sonde im Gegensatz zu den "New Horizons" nicht in der Lage sein, zumindest einige mehr oder weniger genaue Messungen dieses Sternensystems zu liefern. Glücklicherweise gibt es nach Ansicht der beiden Wissenschaftler eine Option, die es dem Raumschiff theoretisch nicht nur ermöglicht, am gewünschten Punkt auf akzeptable Geschwindigkeiten zu verlangsamen, sondern auch eine detaillierte Untersuchung des Alpha-Centauri-Systems durchführt.
„Wir haben eine Methode gefunden, um das Raumschiff mit der Energie des Sterns selbst zu verlangsamen. Lichtpartikel können verwendet werden, um das Lichtsegel zu verlangsamen. In diesem Fall wird an Bord kein zusätzlicher Kraftstoff benötigt. Und der Plan selbst passt insgesamt in das allgemeine Konzept der Breakthrough Starshot Initiative."
Animation der "Fotogravitationsaufnahme" des Sterns Alpha Centauri A.
Für den Erfolg der Implementierung ist es notwendig, eine Möglichkeit zu finden, wie das Gerät seine Segel bei Ankunft im System wieder entfalten kann. In diesem Fall erzeugt die vom System ausgehende Strahlung den erforderlichen Druck, der die Sonde verlangsamt. Dank Computersimulationen errechneten Heller und Hippke, dass mit einer Sonde mit einem Gewicht von 100 Gramm die Segelfläche etwa 100.000 Quadratmeter (etwa 14 Fußballfelder) betragen würde. Bei Ankunft im System erhöht sich die Bremskraft der Strahlung von Alpha Centauri auf das Segel. Computersimulationen zeigen an, dass genügend Kraft vorhanden ist, um das Fahrzeug effektiv zu verlangsamen. Mit anderen Worten, dieselbe Physik, die für das Schieben der Sonde in Richtung des benachbarten Systems verantwortlich ist, verlangsamt das Fahrzeug auch bei seiner Ankunft am gewünschten Ort.
Während des Verzögerungsmanövers müsste sich die Sonde Alpha Centauri A um eine Entfernung von fünf Sternradien (dh eine Entfernung, die fünf Radien dieses Sterns entspricht) oder etwa 4 Millionen Kilometer nähern, um in ihrer Umlaufbahn eingeschlossen zu sein. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das Raumschiff auf etwa 2,5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit abzubremsen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Sonde zurück in den interstellaren Raum geworfen wird, wenn die Verzögerung bei maximaler Geschwindigkeit (4,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit) fehlschlägt.
Jede erfolgreiche Reise beginnt mit der Erstellung einer Karte. In diesem Fall werden alle Manöver eines autonomen Weltraum-Nano-Apparats auf seiner Reise nach Alpha Centauri A gezeigt, von wo aus der Weg nach Alpha Centauri B nur vier Tage dauern wird. Die ultimative Mission der Sonde könnte eine 46-jährige Reise zum Stern Proxima Centauri sein, der Heimatadresse des erdähnlichen Planeten Proxima b
Bei Erreichen von Alpha Centauri A wird die Raumsonde von ihrer Schwerkraft erfasst, deren Kraft für weitere Manöver verwendet werden kann. Ähnliche Manöver wurden beispielsweise verwendet, um die Sonden Voyager 1 und Voyager 2 zu beschleunigen, während sie sich noch im Sonnensystem befanden. Theoretisch könnte die autonome Sonde in die Umlaufbahn von Alpha Centauri A eintreten und nach möglichen Exoplaneten suchen. Heller und Hippke entwarfen auch einen Plan, um eine Sonde für Systeme anderer Sterne zu starten - Alpha Centauri B (der Begleitstern von Alpha Centauri A) und Proxima Centauri (der entfernte dritte Stern des Systems, 0,22 Lichtjahre oder 1,2 Billionen Kilometer entfernt). Von den allgemein anerkannten Massenschwerpunkten der Sterne A und B. Nach diesem Plan wird der Flug nach Alpha Centauri A etwa ein Jahrhundert dauern, dann dauert es weitere 4 Tage, um nach Alpha Centauri B zu fliegen.und dann 46 Jahre auf der Reise nach Proxima Centauri.
Und doch kann sich die zusätzliche Zeit, so die Wissenschaftler, vollständig auszahlen. Eine der denkwürdigsten Entdeckungen des Jahres 2016 war die Entdeckung eines erdähnlichen Planeten in der Nähe des Sterns Proxima Centauri durch Astronomen. Letztendlich könnte sich die Gelegenheit, diesen Planeten zu "schließen", als eines der bedeutendsten (wenn nicht sogar bedeutendsten) Ereignisse in der modernen Astronomie herausstellen. Das Senden der gesammelten Daten über den Planeten wird angesichts der Entfernung zur Erde etwas mehr als 4 Jahre dauern. Bisher sind dies jedoch nur Träume, da wir derzeit keine Systeme haben, die sowohl kompakt genug sind, um auf eine Nanosonde zu passen, als auch gleichzeitig genug Leistung haben, um Signale über solche Entfernungen zu übertragen.
Das Fehlen eines geeigneten Senders ist bei weitem nicht das einzige Problem, das unbedingt gelöst werden muss, bevor eine Sonde in Richtung eines benachbarten Sternensystems gesendet wird. Ebenso wichtig ist es, eine Lösung zu finden und ein geeignetes Stromversorgungssystem für die Sonde zu entwerfen. Trotzdem werden die Forscher den Optimismus nicht verlieren, da die Wissenschaft nicht stillsteht. Zum Beispiel ist es eine gute Nachricht, dass die Labors bereits einige der ultraleichten Materialien entwickelt haben, die für die Umsetzung dieses Projekts erforderlich sind.
„Der Bau eines solchen interstellaren Sonnensegels könnte ein bis zwei Jahrzehnte dauern“, kommentiert Heller.
Der Wissenschaftler fügt hinzu, dass die Oberfläche des Segels so gestaltet sein sollte, dass die Wellen der blauen und roten Bereiche des sichtbaren Spektrums und möglicherweise weiter darüber hinaus reflektiert werden.
"Wir haben die Technologie noch nicht, aber in den letzten Jahren haben die Wissenschaftslabors große Fortschritte gemacht, und Forscher haben Materialien entdeckt, die bis zu 99,9% des Lichtvolumens reflektieren können."
Heller und Hippke werden ihr detailliertes Konzept dem Führungsteam der Breakthrough Starshot Initiative bei der bevorstehenden Breakthrough Discuss vorstellen, die im April in Palo Alto, Amerika, stattfinden wird.
„Wir möchten wirklich von ihnen hören und ihr Feedback zu unserem Vorschlag hören, da zu dieser Gruppe unter anderem Weltexperten auf dem aufstrebenden Gebiet des interstellaren Reisens mit leichten Segelsystemen gehören“, sagt Heller.
NIKOLAY KHIZHNYAK