Die Menschheit hat die Möglichkeit, Sonden in die Umlaufbahn um nahegelegene Sterne zu bringen. Aber haben wir die nötige Geduld?
Interstellares Reisen, das seit vielen Jahren ein fester Bestandteil der Science-Fiction ist, könnte heute Realität werden - wenn es nur Geld gäbe. Für nur etwa 100 Millionen US-Dollar kann ein Kunde die neueste kommerzielle Rakete kaufen und außerhalb des Sonnensystems reisen. Geduld ist hier der Schlüssel. Wenn eine solche Rakete morgen zum nächstgelegenen Bestimmungshafen abgefeuert wird - dem potenziell bewohnbaren Exoplaneten Proxima b, der kürzlich im Dreifachsternsystem Alpha Centauri in einer Entfernung von 4 Lichtjahren von der Erde entdeckt wurde -, dauert der Flug 80.000 Jahre.
Anstatt 100 Millionen Dollar für solch langsame Transporte auszugeben, sagte der Milliardärsunternehmer Yuri Milner im vergangenen April, er würde das gleiche Geld ausgeben, um einen anderen Weg zu finden, um innerhalb eines Zeitrahmens, der die Grenze des menschlichen Lebens nicht überschreitet, zum Alpha-Centauri-System zu gelangen. Das Projekt namens Breakthrough Starshot versucht, sich weltweit von Raketen zu entfernen, um ein leichtes Segel zu erhalten, die dünnste gespiegelte Oberfläche, die von Laserstrahlen angetrieben wird, um durch den Weltraum zu beschleunigen. Die vorläufigen Pläne für dieses Projekt sehen den Einsatz konventioneller Raketen vor, mit denen bereits Anfang der 2040er Jahre Tausende von vier Meter leichten Lichtsegeln mit einem Gewicht von jeweils nur einem Gramm in der Erdumlaufbahn installiert werden sollen. Die Segel werden Zentimeter-Chips mit eingebauten Kameras, Sensoren, Düsentriebwerken und Batterien enthalten. Jedes ultraleichte Raumschiff wird mit einem 100-Gigawatt-Bodenlaser bei 20 Prozent Lichtgeschwindigkeit von der Erdumlaufbahn auf das Alpha-Centauri-System gerichtet. In diesem Fall würde der interstellare Flug nur 20 Jahre dauern und die Sonden hätten in den 2060er Jahren Alpha Centauri erreicht.
Aber diese hohen Geschwindigkeiten kosten viel Geld. Selbst die bescheidensten Schätzungen des Starshot-Projekts übersteigen Milners anfängliche 100 Millionen US-Dollar bei weitem - das Projekt könnte über Jahrzehnte oder mehr 10 Milliarden US-Dollar erfordern, hauptsächlich aufgrund der enormen Kosten für den Bau einer bodengestützten Laseranlage. Ohne staatliche Unterstützung und internationale Zusammenarbeit wird es höchstwahrscheinlich nicht möglich sein. Darüber hinaus werden die Lichtsegel, die die 20-jährige Reise überleben werden, so blitzschnell durch das Centauri-System fegen, dass sie nur wenige Sekunden Zeit haben, um Makrofotografien und andere Daten zu Proxima b und anderen Planeten in der Nähe zu erhalten. Und während sich die Sonden in die interstellare Dunkelheit bewegen, werden die Lichtsegel versuchen, mithilfe von Laserstrahlen wertvolle Informationen zur Erde zu übertragen. Die Leistung überschreitet nicht die Signalstärke eines herkömmlichen Mobiltelefons.
Eine langsame Reise zu den Sternen
Einige Kritiker betrachten dieses pingelige Streben nach Alpha Centauri als eine schlechte Investition. „Als wir von dem Starshot-Projekt hörten, fanden wir es verschwenderisch, so viel Geld für eine Vorbeiflugmission auszugeben, die mehrere Jahrzehnte und einige Sekunden dauern würde, um Fotos zu machen“, sagt der unabhängige Forscher Michael Hippke aus Deutschland. In Zusammenarbeit mit Rene Heller, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, entwickelte Hippke ein alternatives Flugprogramm, das seiner Meinung nach mehr wissenschaftliche Vorteile bringen und weniger kosten würde. Anstatt ein milliardenschweres Lasersystem zu bauen, um winzige Lichtsegel auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und sie einmal zu fliegen, schlagen Heller und Hippke vor, nur Sternenlicht zu verwenden, um größere Segel mit einer niedrigeren Geschwindigkeit an alle drei Sterne im Alpha Centauri-System zu senden und in Umlaufbahnen zu "parken". Ihre Ergebnisse werden in der 1. Februar-Ausgabe der Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Das Wesentliche ihrer Vorschläge ist, nicht nur Sonnenlicht zu verwenden, um die aus unserem System austretenden Lichtsegel zu beschleunigen, sondern auch das Licht und die Schwerkraft der drei Sterne des Alpha Centauri-Systems am Ende des Fluges. Heller und Hippke errechneten, dass eine solche Reise mit einem umwerfend niedrigen Segel mit geringer Dichte, einem Gewicht von etwa 100 Gramm und einer Fläche von 100.000 Quadratmetern (das sind etwa 15 Fußballfelder!) Durchgeführt werden könnte. Dieses Segeldesign scheint angesichts der rasanten Entwicklung der Materialwissenschaften machbar. Durch allmähliches Anpassen des Winkels, wenn er sich den Sternen nähert, um mehr Druck von diesen aufzunehmen, kann ein solches Segel eine ausreichende Geschwindigkeit entwickeln, um in jeder Umlaufbahn innerhalb des Systems zu verankern.
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Um den potenziell bewohnbaren Planeten Proxima b zu erreichen, müssten solche "photogravitativen" Hilfssysteme seltsamerweise zuerst ein leichtes Segel zu den hellen sonnenähnlichen Sternen Alpha Centauri A und Alpha Centauri B senden, obwohl sie sich zwei Billionen Kilometer weiter befinden weg von uns als der kleinere und schwächere Elternstern des Planeten Proxima b - Proxima Centauri. Dies ist auf die Verzögerung zurückzuführen, die durch den hohen Strahlungsdruck der Alpha-Centauri-Sterne A und B verursacht wird, und daher auf eine schnellere Annäherung an ein leichtes Segelsystem jeder Größe. Aber die Strahlung von Zwillingssternen hat eine Grenze; Wenn das riesige Segel von Heller und Hippke eine Geschwindigkeit von mehr als 4,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht, springt es einfach am System vorbei. Sie schätzen, dass der Flug nach Alpha Centauri A und B fast ein Jahrhundert dauern wird.gefolgt von weiteren 50 Jahren Reise zu seinem endgültigen Ziel - einer stabilen Umlaufbahn um Proxima.
"Ihre Reise würde siebenmal länger dauern als eine 20-jährige Starshot-Mission, aber Sie könnten Jahre oder sogar Jahrzehnte für gründliche Forschung aufwenden, anstatt einige Sekunden", sagt Heller. Heller vergleicht das Verhältnis von Forschungszeit zu Reisezeit in beiden Fällen und fügt hinzu: "Starshot könnte nur ein Hundertmillionstel der gesamten Mission für die Forschung vor Ort verwenden, während wir etwa ein Hundertstel oder eine Million Mal mehr verwenden könnten." Durch die Verwendung von Sonnenlicht zum Starten des Segels entfällt bei dieser Option der Bau einer milliardenschweren Lasereinheit.
Und doch kann ihre geplante 150-jährige Reise nicht morgen beginnen. Der Vorschlag von Heller und Hippke sieht unter anderem eine seltene Konfiguration von Sternen im Alpha-Centauri-System vor, die nur einmal alle 80 Jahre auftritt, wenn sich alle Umlaufbahnen in derselben Ebene befinden und die Flugbahn einer Sonde aus unserem Sonnensystem kreuzen. Das nächste Mal wird es im Jahr 2035 passieren, aber in so kurzer Zeit kann kein Segel dem System überhaupt nahe kommen. Heller und Hippke schlagen vor, auf die nächste solche "Ausrichtung" im Jahr 2115 zu warten.
Das direkte Senden ihrer Segel an Proxima Centauri würde aufgrund des schwachen Strahlungsdrucks und der Bremskraft des kleineren der beiden Sterne viel niedrigere kosmische Geschwindigkeiten erfordern, sagte Heller und brachte die Gesamtflugzeit auf ein volles Jahrtausend.
Geduld bitte
Hippke sieht eine generationenübergreifende Mission mit einem Endpunkt im Orbit um Alpha Centauri, die das Warten wert ist, auch wenn er nie sieht, dass sie zurückkehrt. „Unsere Kinder und Enkelkinder werden von diesen Raumsonden erstaunliche Fotos erhalten. Stellen Sie sich fremde Flüsse, Vulkane und vielleicht sogar exotisches Leben vor! Die Wahl einer jahrhundertelangen Mission eröffnet die Möglichkeit, auch andere nahegelegene helle Sterne zu studieren, sagt Hippke. Der große Stern Sirius zum Beispiel ist nur zweimal weiter als Alpha Centauri - aber da er etwa 25 Mal heller als die Sonne scheint, ist seine hemmende Wirkung durch den Strahlungsdruck stärker und dies gewährleistet eine schnellere Annäherung der Lichtsegel an ihn. Wie auch immer,Die Fähigkeit, leichte Segel in die Umlaufbahn um viele nahegelegene Sterne zu schicken, legt nahe, dass die nächsten Generationen langfristig zu den unmittelbaren Zielen der Starshot-Mission gelangen.
Trotz all dieser Vorteile ist Avi Loeb, Astronom an der Harvard University und Vorsitzender des wissenschaftlichen Beirats für das Breakthrough Starshot-Projekt, nicht davon überzeugt, dass dieser alternative Vorschlag echte Vorteile gegenüber Starshots Plan bietet, mit einem Laser der Gigawatt-Klasse kleine Segel zu den Sternen zu schicken. … „Ein sehr dünnes Segel wird benötigt, um mit Sternenlicht nahezu Lichtgeschwindigkeit zu erreichen“, sagt Loeb. Je niedriger der Druck durch Sonnenlicht ist, desto geringer sollte die Dichte des Lichtsegels sein. Hippke und Heller sagen, dass ihre Segel theoretisch aus ultraleichten, hochfesten Materialien wie Graphen hergestellt werden könnten, aber Loeb bezweifelt, dass eine Graphenschicht für eine interstellare Sonde mit mehreren Atomen Dicke und 100 Atomen erzeugt wird000 Quadratmeter sind einfacher als der Bau einer riesigen Laseranlage. "Eine solche Oberfläche ist um eine Größenordnung dünner als die Wellenlänge des Lichts, das sie reflektieren sollte, und daher ist ihr Reflexionsvermögen gering", sagt Loeb. "Es ist nicht möglich, das Gewicht um mehrere Größenordnungen zu reduzieren, während die Steifigkeit und der Reflexionskoeffizient des Segelmaterials beibehalten werden." Mit anderen Worten, ein 100.000 Quadratmeter großes Graphen-Segel ist möglicherweise zu dünn für eine echte Raumfahrt. Darüber hinaus sehen die Pläne des Starshot-Projekts vor, nicht nur ein, sondern Tausende von Segeln zu starten. Selbst wenn jede Sonde, die den interstellaren Raum erfolgreich durchquert hat, nur wenige Sekunden für Panoramabilder erhält, übersteigt ihre Anzahl die Werte, die bei mehreren aufeinanderfolgenden Flügen erzielt werden konnten."Eine solche Oberfläche ist um eine Größenordnung dünner als die Wellenlänge des Lichts, das sie reflektieren sollte, und daher ist ihr Reflexionsvermögen gering", sagt Loeb. "Es ist nicht möglich, das Gewicht um mehrere Größenordnungen zu reduzieren, während die Steifigkeit und der Reflexionskoeffizient des Segelmaterials beibehalten werden." Mit anderen Worten, ein 100.000 Quadratmeter großes Graphen-Segel ist möglicherweise zu dünn für eine echte Raumfahrt. Darüber hinaus sehen die Pläne des Starshot-Projekts vor, nicht nur ein, sondern Tausende von Segeln zu starten. Selbst wenn jede Sonde, die den interstellaren Raum erfolgreich durchquert hat, nur wenige Sekunden für Panoramabilder erhält, übersteigt ihre Anzahl die Werte, die bei mehreren aufeinanderfolgenden Flügen erzielt werden konnten."Eine solche Oberfläche ist um eine Größenordnung dünner als die Wellenlänge des Lichts, das sie reflektieren sollte, und daher ist ihr Reflexionsvermögen gering", sagt Loeb. "Es ist nicht möglich, das Gewicht um mehrere Größenordnungen zu reduzieren, während die Steifigkeit und der Reflexionskoeffizient des Segelmaterials beibehalten werden." Mit anderen Worten, ein 100.000 Quadratmeter großes Graphen-Segel ist möglicherweise zu dünn für eine echte Raumfahrt. Darüber hinaus sehen die Pläne des Starshot-Projekts vor, nicht nur ein, sondern Tausende von Segeln zu starten. Selbst wenn jede Sonde, die den interstellaren Raum erfolgreich durchquert hat, nur wenige Sekunden für Panoramabilder erhält, übersteigt ihre Anzahl die Werte, die bei mehreren aufeinanderfolgenden Flügen erzielt werden konnten.und deshalb wird sein Reflexionsvermögen gering sein “, sagt Loeb. "Es ist nicht möglich, das Gewicht um mehrere Größenordnungen zu reduzieren, während die Steifigkeit und der Reflexionskoeffizient des Segelmaterials beibehalten werden." Mit anderen Worten, ein 100.000 Quadratmeter großes Graphen-Segel ist möglicherweise zu dünn für eine echte Raumfahrt. Darüber hinaus sehen die Pläne des Starshot-Projekts vor, nicht nur ein, sondern Tausende von Segeln zu starten. 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Darüber hinaus sehen die Pläne des Starshot-Projekts vor, nicht nur ein, sondern Tausende von Segeln zu starten. Selbst wenn jede Sonde, die den interstellaren Raum erfolgreich durchquert hat, nur wenige Sekunden für Panoramabilder erhält, übersteigt ihre Anzahl die Werte, die bei mehreren aufeinanderfolgenden Flügen erzielt werden konnten.000 Quadratmeter sind möglicherweise zu dünn für eine echte Raumfahrt. Darüber hinaus sehen die Pläne des Starshot-Projekts vor, nicht nur ein, sondern Tausende von Segeln zu starten. Selbst wenn jede Sonde, die den interstellaren Raum erfolgreich durchquert hat, nur wenige Sekunden für Panoramabilder erhält, übersteigt ihre Anzahl die Werte, die bei mehreren aufeinanderfolgenden Flügen erzielt werden konnten.
Laut Loeb besteht die größte Herausforderung darin, ob die ehrgeizigen Projektpläne für mehrere Generationen die unvermeidliche Begegnung mit der Schwäche des menschlichen Lebens überleben werden. „Wenn Sie die Länge der Reise ignorieren, können Sie immer konventionelle Raketen verwenden und mit geringen Verlusten in 80.000 Jahren zum Alpha Centauri-System gelangen“, sagt er. „Aber die Leute, die am Starshot-Projekt arbeiten, sind ehrgeiziger. Wir wollen in unserem Leben dorthin gelangen."
Lee Billings