Per Lichtsegel zu Alpha Centauri

Den bisher konkretesten Plan für einen ersten Flug zu den Sternen könnte die Initiative Breakthrough Starshot entwickelt haben. Sie will Mini-Raumsonden entwickeln, die unsere stellaren Nachbarn Alpha und Proxima Centauri innerhalb von rund 20 Jahren erreichen sollen. Das unter anderem vom britischen Astrophysiker Stephen Hawking unterstützte Projekt scheint zumindest physikalisch gesehen keine unüberwindbaren Hürden zu bieten.

Der Strahlungsdreuck des Lichts soll die Nanosonden von Breakthrough Starshot auf Tempo bringen. © Breakthrough Starshot

Strahlungsdruck als Antrieb

Als Antrieb für den interstellaren Flug setzt Breakthrough Starshot auf die Kraft des Lichtes. Der Strahlungsdruck auf riesige, ultraleichte Segel soll die nur wenige Gramm schweren Nanosonden vorantreiben. „Die Idee ist, dass die Raumsonde sozusagen auf dem Lichtstrahl reitet“, erklärt Hawking. Konkret ist geplant, die Sonden zunächst im Pulk mit einer normalen Rakete in den Erdorbit zu bringen. Erste Tests von Prototypen dieser Nanosonden in der Umlaufbahn sind bereits im Sommer 2017 erfolgt.

Im Orbit angekommen, sollen die Mini-Raumschiffe ihre Lichtsegel entfalten, die dann von der Erde aus mit starken Lasern angestrahlt werden. Der Strahlungsdruck dieses Laserlichts könnte die Nanoschiffe dann in kürzester Zeit bis auf 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen – so jedenfalls der Plan. Einmal auf Touren gebracht, fliegen die Nanosonden dann ungebremst weiter und könnten so theoretisch in nur rund 20 Jahren das System Alpha und Proxima Centauri erreichen.

Tatsächlich gelten Lichtsegel schon länger als vielversprechende Möglichkeit, um im Weltall große Strecken schnell zurückzulegen. Das funktioniert allerdings nur, wenn der Strahlungsdruck stark und das Segel groß genug ist. Für einen interstellaren Flug bedeutet dies: Weil zwischen den Sternen Dunkelheit herrscht, muss ein Raumschiff seine gesamte Beschleunigung beim Start bekommen. Und genau hier wird es schwierig.

Laser oder Sonnen-Passage?

Das erste Problem ist das Licht: Die Starshot-Sonden sollen ihren Anfangsschub durch eine kilometergroße Ansammlung von auf der Erde aufgestellten Lasern bekommen. Diese sollen auf die Sonden im Orbit zielen und sie innerhalb weniger Minuten mit mehreren Gigawatt an Energie antreiben. Ein solches Laser-Array würde jedoch die Energie von mehreren Kraftwerken auf einmal benötigen. Hinzu kommt, dass der gebündelte Laserstrahl durch die Atmosphäre ins All strahlen muss – welche Effekte dies auf die Atmosphäre hätte, muss noch geklärt werden.

Doch es gibt möglicherweise eine energiesparendere Alternative, wie René Heller und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung ermittelt haben. Demnach könnten die Sonden auch einen Vorbeiflug an der Sonne zum Lichttanken und damit Schwungholen nutzen. „Hierfür müsste sie sich bis auf etwa fünf Sonnenradien der Sonne nähern, damit sie von dort aus den nötigen Schub erhält“, sagt Heller.

Was nimmt man als Segelmaterial?

Das zweite Problem ist das Segel: Je schwächer das eintreffende Licht, desto größer muss das Segel solcher Sonden sein. Starshot geht für ihre Nanosonden von einem Segel mit nur einigen Metern Durchmesser aus und setzt ganz auf die extreme Intensität der Laserstrahlen. Würde man allerdings die Sonne als Triebkraft nutzen, dann bräuchte eine Sonde mit unter 100 Gramm Gewicht ein Lichtsegel von rund 100.000 Quadratmeter Größe, wie Heller und seine Kollegen ausgerechnet haben. Das entspricht der Fläche von 14 Fußballfeldern.

Woraus das Segel-Material bestehen könnte, ist bisher noch unklar. © Breakthrough Starshot

Doch mit den richtigen Material könnte das Lichtsegel trotzdem leicht und robust genug ein, um mitsamt Sonde heil in den Orbit gebracht zu werden. „Das Segel könnte aus Graphen bestehen, einer extrem dünnen und leichten, aber megareißfesten Kohlenstofffolie“, schlägt Heller vor. Das aus einer nur ein Atom dicken Kohlenstoffschicht bestehende Graphen gilt als extrem stabil und könnte daher trotz wenig Masse und Dicke den harschen Bedingungen des Weltraums standhalten.

Es müsste allerdings noch geklärt werden, wie man dem dunklen Graphen genügend Reflektivität verleiht, um den Lichtschub zu generieren. Denn idealerweise muss das Segel so gut wie alles eintreffende Licht wieder zurückwerfen. Das erzeugt den Schub und verhindert gleichzeitig, dass sich das Segelmaterial zu stark aufheizt. Um eine solche Reflektivität zu erreichen, schlägt Stephen Hawking als Segelrohstoff ein Metamaterial mit extremen Brechungseigenschaften vor. Welches das allerdings sein könnte, ist bisher unklar.

„Kühne Idee“

Noch ist Breakthrough Starshot nicht viel mehr als eine kühne Idee. Doch zumindest theoretisch lassen sich die Herausforderungen eines solchen Projekts nach Meinung der Astrophysiker durchaus bewältigen. Sie halten es daher für möglich, dass in nicht allzu ferner Zukunft erstmals Raumsonden eine solche interstellare Reise unternehmen.

„Viele großen Visionen in der Menschheitsgeschichte hatten mit schier unüberwindbaren Hürden zu kämpfen“, sagt Heller. „Und nun nähern wir uns einem Zeitalter, in dem die Menschen ihr eigenes Sternsystem verlassen und extrasolare Planeten aus der Nähe erforschen können.“

Nadja Podbregar
Stand: 23.02.2018