Sind interstellare Reisen real?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Der Autor des Artikels erzählt ausführlich von vier vielversprechenden Technologien, die den Menschen die Möglichkeit geben, während eines Menschenlebens jeden Ort im Universum zu erreichen. Zum Vergleich: Mit moderner Technik wird der Weg zu einem anderen Sternensystem etwa 100.000 Jahre dauern.

Seit der Mensch zum ersten Mal in den Nachthimmel geschaut hat, träumen wir davon, andere Welten zu besuchen und das Universum zu sehen. Und obwohl unsere chemisch angetriebenen Raketen bereits viele Planeten, Monde und andere Körper im Sonnensystem erreicht haben, hat die am weitesten von der Erde entfernte Raumsonde Voyager 1 nur 22,3 Milliarden Kilometer zurückgelegt. Dies sind nur 0,056% der Entfernung zum nächsten bekannten Sternensystem. Mit moderner Technologie wird der Weg zu einem anderen Sternensystem etwa 100.000 Jahre dauern.

Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, so zu handeln, wie wir es immer getan haben. Die Effizienz, Fahrzeuge mit großer Nutzlastmasse auch mit Menschen an Bord über beispiellose Distanzen im Universum zu schicken, lässt sich mit der richtigen Technologie deutlich verbessern. Genauer gesagt gibt es vier vielversprechende Technologien, die uns in viel kürzerer Zeit zu den Sternen bringen können. Hier sind sie.

eins). Nukleartechnik. Bisher haben alle ins All gestarteten Raumfahrzeuge in der Geschichte der Menschheit eines gemeinsam: ein chemisch angetriebenes Triebwerk. Ja, Raketentreibstoff ist eine spezielle Mischung von Chemikalien, die entwickelt wurde, um maximalen Schub zu liefern. Der Begriff "Chemikalien" ist hier wichtig. Die Reaktionen, die dem Motor Energie geben, basieren auf der Umverteilung von Bindungen zwischen Atomen.

Dies schränkt unser Handeln grundsätzlich ein! Die überwiegende Mehrheit der Masse eines Atoms fällt auf seinen Kern - 99, 95%. Wenn eine chemische Reaktion beginnt, werden die um die Atome kreisenden Elektronen umverteilt und setzen gemäß Einsteins berühmter Gleichung E = mc2 normalerweise etwa 0, 0001% der Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Atome als Energie frei. Das bedeutet, dass Sie für jedes Kilogramm Treibstoff, das in die Rakete geladen wird, während der Reaktion Energie erhalten, die etwa 1 Milligramm entspricht.

Wenn jedoch nuklearbetriebene Raketen eingesetzt werden, sieht die Situation drastisch anders aus. Anstatt sich auf Veränderungen der Elektronenkonfiguration und der Bindung von Atomen zu verlassen, können Sie eine relativ große Energiemenge freisetzen, indem Sie beeinflussen, wie die Atomkerne miteinander verbunden sind. Wenn Sie ein Uranatom durch Beschuss mit Neutronen spalten, emittiert es viel mehr Energie als jede chemische Reaktion. 1 Kilogramm Uran-235 kann eine Energiemenge freisetzen, die 911 Milligramm Masse entspricht, was fast tausendmal effizienter ist als chemischer Treibstoff.

Wir könnten Motoren noch effizienter machen, wenn wir die Kernfusion beherrschen. Beispielsweise findet auf der Sonne ein System der trägheitskontrollierten thermonuklearen Fusion statt, mit dessen Hilfe Wasserstoff zu Helium synthetisiert werden könnte. Die Synthese von 1 Kilogramm Wasserstoffbrennstoff zu Helium wird 7,5 Kilogramm Masse in reine Energie umwandeln, was fast 10.000 Mal effizienter ist als chemischer Brennstoff.

Die Idee ist, für eine viel längere Zeit dieselbe Beschleunigung für eine Rakete zu erzielen: Hunderte oder sogar Tausende Mal länger als heute, wodurch sie sich Hunderte oder Tausende Mal schneller entwickeln könnten als heute konventionelle Raketen. Eine solche Methode würde die Zeit des interstellaren Fluges auf Hunderte oder sogar Dutzende von Jahren verkürzen. Dies ist eine vielversprechende Technologie, die wir bis 2100 je nach Tempo und Richtung der wissenschaftlichen Entwicklung nutzen können.

2). Ein Strahl kosmischer Laser. Diese Idee ist das Herzstück des Breakthrough Starshot-Projekts, das vor einigen Jahren an Bedeutung gewonnen hat. Das Konzept hat über die Jahre nicht an Attraktivität verloren. Während eine konventionelle Rakete Treibstoff mit sich führt und zum Beschleunigen ausgibt, ist die Kernidee dieser Technologie ein Strahl leistungsstarker Laser, der dem Raumschiff den nötigen Impuls geben soll. Mit anderen Worten, die Beschleunigungsquelle wird vom Schiff selbst entkoppelt.

Dieses Konzept ist in vielerlei Hinsicht aufregend und revolutionär. Lasertechnologien entwickeln sich erfolgreich und werden nicht nur leistungsfähiger, sondern auch hochkollimiert. Wenn wir also ein segelähnliches Material herstellen, das einen ausreichend hohen Prozentsatz an Laserlicht reflektiert, können wir einen Laserschuss verwenden, um das Raumschiff dazu zu bringen, kolossale Geschwindigkeiten zu entwickeln. Das "Raumschiff" mit einem Gewicht von ~ 1 Gramm wird voraussichtlich eine Geschwindigkeit von ~ 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, wodurch es in nur 22 Jahren zum nächsten Stern, Proxima Centauri, fliegen kann.

Dafür müssen wir natürlich einen riesigen Laserstrahl (ca. 100 km2) erzeugen, und zwar im Weltraum, obwohl dies eher ein Kostenproblem als Technik oder Wissenschaft ist. Um ein solches Projekt durchführen zu können, sind jedoch einige Herausforderungen zu meistern. Unter ihnen:

• ein nicht unterstütztes Segel dreht sich, eine Art (noch nicht entwickelter) Stabilisierungsmechanismus ist erforderlich;
• die Unfähigkeit, am Zielpunkt zu bremsen, da kein Kraftstoff an Bord ist;
• selbst wenn sich herausstellt, dass das Gerät zum Transport von Personen maßstabsgetreu ist, wird eine Person mit einer enormen Beschleunigung nicht überleben können - einem erheblichen Geschwindigkeitsunterschied in kurzer Zeit.

Vielleicht werden uns eines Tages Technologien zu den Sternen bringen, aber es gibt immer noch keine erfolgreiche Methode für eine Person, um eine Geschwindigkeit von ~ 20 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen.

3). Antimaterie-Brennstoff. Wenn wir noch Treibstoff mitnehmen wollen, können wir ihn so effizient wie möglich gestalten: Er wird auf der Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen basieren. Im Gegensatz zu chemischen oder nuklearen Brennstoffen, bei denen nur ein Bruchteil der Masse an Bord in Energie umgewandelt wird, verwendet die Partikel-Antipartikel-Vernichtung 100 % der Masse von Partikeln und Antipartikeln. Die Fähigkeit, den gesamten Kraftstoff in Impulsenergie umzuwandeln, ist die höchste Kraftstoffeffizienz.

Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung dieser Methode treten in drei Hauptrichtungen auf. Speziell:

• Erzeugung stabiler neutraler Antimaterie;
• die Fähigkeit, es von gewöhnlicher Materie zu isolieren und genau zu kontrollieren;
• Antimaterie in ausreichend großen Mengen für den interstellaren Flug produzieren.

Glücklicherweise werden die ersten beiden Themen bereits bearbeitet.

An der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), in der sich der Large Hadron Collider befindet, befindet sich ein riesiger Komplex, die sogenannte "Antimaterie-Fabrik". Dort untersuchen sechs unabhängige Wissenschaftlerteams die Eigenschaften von Antimaterie. Sie nehmen Antiprotonen und verlangsamen sie, wodurch das Positron gezwungen wird, sich an sie zu binden. So entstehen Antiatome oder neutrale Antimaterie.

Sie isolieren diese Antiatome in einem Behälter mit unterschiedlichen elektrischen und magnetischen Feldern, die sie an Ort und Stelle halten, weg von den Wänden eines Behälters aus Materie. Inzwischen, Mitte 2020, haben sie mehrere Antiatome erfolgreich isoliert und für jeweils eine Stunde stabil gehalten. In den nächsten Jahren werden Wissenschaftler in der Lage sein, die Bewegung der Antimaterie im Gravitationsfeld zu kontrollieren.

Diese Technologie wird uns in naher Zukunft nicht zur Verfügung stehen, aber es könnte sich herausstellen, dass unsere schnellste Art der interstellaren Reise eine Antimaterie-Rakete ist.

4). Raumschiff auf dunkler Materie. Diese Option beruht sicherlich auf der Annahme, dass sich jedes für Dunkle Materie verantwortliche Teilchen wie ein Boson verhält und sein eigenes Antiteilchen ist. Theoretisch hat dunkle Materie, die ihr eigenes Antiteilchen ist, eine kleine, aber nicht null Chance, mit jedem anderen Teilchen der dunklen Materie, das mit ihr kollidiert, zu vernichten. Die durch die Kollision freigesetzte Energie können wir potenziell nutzen.

Dafür gibt es mögliche Beweise. Als Ergebnis von Beobachtungen wurde festgestellt, dass die Milchstraße und andere Galaxien einen unerklärlichen Überschuss an Gammastrahlung aus ihren Zentren haben, wo die Konzentration der dunklen Energie am höchsten sein sollte. Es besteht immer die Möglichkeit, dass es dafür eine einfache astrophysikalische Erklärung gibt, zum Beispiel Pulsare. Es ist jedoch möglich, dass diese Dunkle Materie im Zentrum der Galaxie immer noch mit sich selbst vernichtet und uns so eine unglaubliche Idee gibt – ein Raumschiff auf Dunkler Materie.

Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass dunkle Materie buchstäblich überall in der Galaxie existiert. Das bedeutet, dass wir auf der Reise keinen Treibstoff mitnehmen müssen. Stattdessen kann der Dunkelenergiereaktor einfach Folgendes tun:

• nimm jede dunkle Materie, die sich in der Nähe befindet;
• seine Vernichtung beschleunigen oder auf natürliche Weise vernichten lassen;
• die empfangene Energie umleiten, um in jede gewünschte Richtung an Schwung zu gewinnen.

Ein Mensch könnte die Größe und Leistung des Reaktors kontrollieren, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Ohne die Notwendigkeit, Treibstoff an Bord mitzuführen, werden viele der Probleme der antriebsgetriebenen Raumfahrt verschwinden. Stattdessen werden wir den ersehnten Traum jeder Reise verwirklichen können – grenzenlose konstante Beschleunigung. Dies wird uns die unvorstellbarste Fähigkeit geben – die Fähigkeit, während eines menschlichen Lebens jeden Ort im Universum zu erreichen.

Wenn wir uns auf bestehende Raketentechnologien beschränken, werden wir mindestens Zehntausende von Jahren brauchen, um von der Erde zum nächsten Sternensystem zu reisen. Bedeutende Fortschritte in der Triebwerkstechnologie sind jedoch nahe und werden die Reisezeit auf ein Menschenleben reduzieren. Wenn wir den Einsatz von Kernbrennstoff, kosmischen Laserstrahlen, Antimaterie oder gar Dunkler Materie beherrschen, erfüllen wir unseren eigenen Traum und werden eine Weltraumzivilisation ohne den Einsatz disruptiver Technologien wie Warpantriebe.

Es gibt viele Möglichkeiten, wissenschaftsbasierte Ideen in machbare, reale Motorentechnologien der nächsten Generation zu verwandeln. Gut möglich, dass das noch nicht erfundene Raumschiff bis zum Ende des Jahrhunderts New Horizons, Pioneer und Voyager als die am weitesten von der Erde entfernten von Menschenhand geschaffenen Objekte ablösen wird. Die Wissenschaft ist bereits bereit. Es bleibt uns überlassen, über unsere aktuelle Technologie hinauszuschauen und diesen Traum wahr werden zu lassen.