Seit Generationen träumen Menschen davon, zu anderen Sternensystemen zu reisen und fremde Welten zu betreten. Um es milde auszudrücken: Die interstellare Erforschung ist eine sehr gewaltige Aufgabe. Wie wir in einem früheren Beitrag untersucht haben, würde es zwischen 1.000 und 81.000 Jahre dauern, bis eine Raumsonde Alpha Centauri mit konventionellen Antrieben (oder solchen, die mit der aktuellen Technologie machbar sind) erreicht. Darüber hinaus gibt es bei Reisen durch das interstellare Medium (ISM) zahlreiche Risiken, von denen nicht alle gut verstanden sind.
Unter diesen Umständen scheinen Raumschiffe im Gramm-Maßstab, die auf gerichteten Energieantrieb (auch bekannt als Laser) basieren, in diesem Jahrhundert die einzig praktikable Option zu sein, um benachbarte Sterne zu erreichen. Zu den vorgeschlagenen Konzepten gehören die Schwärmende Proxima Centauri, eine Gemeinschaftsinitiative zwischen Space Initiatives Inc. und der Initiative for Interstellar Studies (i4is) unter der Leitung des Chefwissenschaftlers der Space Initiative, Marshall Eubanks. Das Konzept wurde kürzlich für die Phase I-Entwicklung im Rahmen des diesjährigen NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms ausgewählt.
Laut Eubanks ist die Reise durch den interstellaren Raum eine Frage von Entfernung, Energie und Geschwindigkeit. In einer Entfernung von 4,25 Lichtjahren (40 Billionen Kilometer) vom Sonnensystem ist sogar Proxima Centauri unfassbar weit entfernt. Um es ins rechte Licht zu rücken: Der Rekord für die weiteste Entfernung, die jemals ein Raumschiff zurückgelegt hat, geht an die Raumsonde Voyager 1, die sich derzeit mehr als 24 Milliarden Kilometer (15 Milliarden Meilen) von der Erde entfernt befindet. Mit herkömmlichen Methoden erreichte die Sonde eine Höchstgeschwindigkeit von 61.500 km/h (38.215 mph) und ist seit mehr als 46 Jahren ununterbrochen unterwegs.
Kurz gesagt: Reisen mit weniger als relativistischer Geschwindigkeit (einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit) werden interstellare Transite unglaublich lang und völlig unpraktisch machen. Angesichts des dafür erforderlichen Energiebedarfs ist alles andere als kleine Raumfahrzeuge mit einer maximalen Masse von wenigen Gramm denkbar. Wie Eubanks Universe Today per E-Mail mitteilte:
„Natürlich sind Raketen eine gängige Methode, um schnell voranzukommen. Raketen funktionieren, indem sie ‚Sachen‘ (normalerweise heißes Gas) nach hinten auswerfen, wobei der Impuls der nach hinten gerichteten Materie dem der Geschwindigkeitszunahme des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung entspricht.“ Der Kern der Raketentechnik besteht darin, dass sie nur dann wirklich effizient ist, wenn die Geschwindigkeit des rückwärts fliegenden Objekts mit der Geschwindigkeit vergleichbar ist, die man vorwärts erreichen möchte. Wenn dies nicht der Fall ist, wenn es sehr viel kleiner ist, kann man es einfach nicht tragen genug Zeug, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erreichen.
„Das Problem ist, dass wir keine Technologie – keine Energiequelle – haben, die es uns ermöglichen würde, eine Menge Zeug mit etwa 60.000 km/s abzuschleudern, und daher werden Raketen nicht funktionieren. Antimaterie könnte dies ermöglichen, aber wir haben es einfach getan.“ Ich verstehe die Antimaterie nicht gut genug – und kann nicht annähernd genug daraus machen –, um daraus eine Lösung zu finden, die wahrscheinlich noch viele Jahrzehnte lang anhalten wird.“
Im Gegensatz dazu bestehen Konzepte wie „Breakthrough Starshot“ und „Proxima Swarm“ darin, die Rakete „umzudrehen“ – das heißt, statt Dinge hinauszuwerfen, werden Dinge auf das Raumschiff geworfen. Anstelle des schweren Treibstoffs, der den Großteil herkömmlicher Raketen ausmacht, sind Fotos (die keine Masse haben und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen) die Energiequelle für ein Lichtsegel. Aber wie Eubanks angedeutet hat, löst dies das Energieproblem nicht, weshalb es umso wichtiger ist, dass das Raumschiff so klein wie möglich ist.
„Das Abprallen von Photonen von einem Lasersegel löst somit das Geschwindigkeitsproblem“, sagte er. „Aber das Problem ist, dass ein Photon nicht viel Impuls hat, also brauchen wir viele davon. Und angesichts der Energie, die uns wahrscheinlich zur Verfügung steht, wird der Schub auch in ein paar Jahrzehnten noch schwach sein, also.“ Die Masse der Sonden muss sehr klein sein – Gramm, nicht Tonnen.“
Ihr Vorschlag sieht einen 100-Gigawatt-Laserstrahler vor, der Tausende von Raumsonden im Gramm-Maßstab mit Lasersegeln auf relativistische Geschwindigkeit (~ 10–20 % des Lichts) bringen soll. Sie schlugen außerdem eine Reihe terrestrischer Lichteimer mit einem Durchmesser von einem Quadratkilometer vor, um die Lichtsignale einzufangen. Ihren Schätzungen zufolge könnte dieses Missionskonzept etwa Mitte des Jahrhunderts entwicklungsreif sein und im dritten Viertel dieses Jahrhunderts (2075 oder später) Proxima Centauri und seinen erdähnlichen Exoplaneten (Proxima b) erreichen.
In einem vorheriges PapierEubanks und seine Kollegen demonstrierten, wie eine Flotte von tausend Raumfahrzeugen die Schwierigkeiten überwinden könnte, die durch interstellare Reisen und die Aufrechterhaltung der Kommunikation mit der Erde entstehen. Allerdings macht die durch interstellare Entfernungen und die Allgemeine Relativitätstheorie bedingte achtjährige Hin- und Rückflugzeitverzögerung eine Kontrolle von der Erde aus unmöglich. Daher muss der Schwarm über eine außergewöhnliche Autonomie verfügen, wenn es um die Navigation (Koordinierung von tausend Sonden) und die Entscheidung geht, welche Daten an die Erde zurückgegeben werden.
Während sich diese Strategien (zumindest vorerst) auf Distanz, Energie und Geschwindigkeit konzentrieren, bleibt die Frage bestehen, wie viel es kosten wird, den Schwarm und die zugehörige Infrastruktur zu schaffen. Der größte Einzelkostenfaktor wird das Laser-Array selbst sein, wohingegen das Fluggerät im Gramm-Maßstab relativ günstig in der Herstellung sein wird. Wie Eubanks in a angegeben hat Vorheriger ArtikelIhr Vorschlag kann mit einem Budget von 100 Milliarden US-Dollar entwickelt werden. Aber wie Eubanks sagte, sind die Vorteile der Missionsarchitektur, die sie sich vorgestellt haben, zahlreich, und der Gewinn, einen Schwarm Sonden nach Proxima Centauri zu schicken, wäre astronomisch:
„Die einfache Tatsache ist, dass die Kosten einer lasergetriebenen interstellaren Mission mit leichten Sonden und einem riesigen Lasersystem, das sie zu den Sternen befördert, von den Kapitalkosten dominiert werden – den Kosten des Lasersystems. Die Sonden selbst.“ wird im Vergleich ziemlich günstig sein. Wenn Sie also eine schicken können, sollten Sie viele schicken. Das Senden vieler Sonden bringt natürlich den Vorteil der Redundanz mit sich. Raumfahrt ist riskant, und interstellare Reisen sind wahrscheinlich besonders riskant, also wenn „Wir schicken viele Sonden, wir können eine hohe Verlustrate tolerieren. Aber wir können noch viel mehr tun.“
„Wir wollen nach Anzeichen von Biologie und sogar Technologie suchen, und daher wäre es gut, Sonden sehr nahe an den Planeten heranzubringen, um gute Bilder und Spektren von der Oberfläche und der Atmosphäre zu erhalten. Das wird für eine Sonde, wie wir, schwierig sein.“ Wir wissen nicht genau, wo sich der Planet in mehr als 24 Jahren in der Zukunft befinden wird. Indem wir eine Reihe von Sonden auf einmal schicken, sollten zumindest einige in die Nähe des Planeten gelangen und uns die gewünschte Nahsicht ermöglichen. „
Darüber hinaus hoffen Eubanks und seine Kollegen, dass die Entwicklung eines kohärenten Schwarms von Robotersonden auch nähere Anwendungen ermöglichen wird. Schwarmrobotik ist heute ein heißes Forschungsgebiet und wird als mögliches Mittel zur Erkundung des inneren Ozeans Europas, zum Graben unterirdischer Städte auf dem Mars, zum Aufbau großer Strukturen im Weltraum und zur Verfolgung extremer Wetterbedingungen aus der Erdumlaufbahn untersucht. Über die Weltraumforschung und Erdbeobachtung hinaus findet die Schwarmrobotik auch Anwendung in der Medizin, der additiven Fertigung, Umweltstudien, der globalen Positionierung und Navigation, der Suche und Rettung und mehr.
Während es viele Jahrzehnte dauern könnte, bis eine interstellare Mission bereit ist, nach Alpha Centauri zu reisen, fühlen sich Eubanks und seine Kollegen geehrt und freuen sich, zu den Auserwählten der NASA für das NIAC-Programm 2024 zu gehören. Für sie hat die Forschung viele Jahre gedauert, ist aber näher an der Verwirklichung als je zuvor. „Es ist lange her – fast ein Jahrzehnt – und wir fühlen uns geehrt, ausgewählt zu werden“, sagte Eubanks. „Jetzt beginnt die eigentliche Arbeit.“