Sonnensegel könnten den Mars in nur 26 Tagen erreichen

A Kürzlich durchgeführte Studie vorgelegt Acta Astronautica und derzeit verfügbar auf der arXiv Der Preprint-Server untersucht das Potenzial der Verwendung von Aerographit-Sonnensegeln für Reisen zum Mars und in den interstellaren Raum, wodurch sowohl die Zeit als auch der Treibstoffbedarf für solche Missionen drastisch reduziert werden könnten.

Diese Studie kommt zu einem Zeitpunkt, an dem eine Vielzahl von Organisationen neben der erfolgreichen LightSail2-Mission der Planetary Society laufende Forschungen zum Einsatz von Sonnensegeln durchführen, und birgt das Potenzial, schnellere und effizientere Antriebssysteme für langfristige Weltraummissionen zu entwickeln.

„Der Antrieb von Sonnensegeln hat das Potenzial, kleine Nutzlasten (im Sub-Kilogramm-Bereich) schnell durch das Sonnensystem zu transportieren“, sagt Dr. René Heller, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und Mitautor der Studie , erzählt Universe Today. „Im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Antrieben, die Hunderte Tonnen Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn befördern und einen großen Teil davon zum Mond, zum Mars und darüber hinaus transportieren können, klingt das lächerlich klein. Aber der entscheidende Wert der Sonnensegel-Technologie ist.“ Geschwindigkeit.“

Im Gegensatz zu herkömmlichen Raketen, die auf Treibstoff in Form der Verbrennung von Chemikalien angewiesen sind, um eine äußere Kraft auf die Rückseite des Raumfahrzeugs auszuüben, benötigen Sonnensegel keinen Treibstoff. Stattdessen nutzen sie Sonnenlicht für ihren Antriebsmechanismus, da die riesigen Segel Sonnenphotonen einfangen, ähnlich wie Windsegel den Wind einfangen, wenn sie über das Wasser fahren. Je länger die Sonnensegel ausgefahren sind, desto mehr Sonnenphotonen werden eingefangen, was die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs allmählich erhöht.

Für die Studie führten die Forscher Simulationen durch, wie schnell ein Sonnensegel aus Aerographit mit einer Masse von bis zu 1 Kilogramm (2,2 Pfund), darunter 720 Gramm Aerographit mit einer Querschnittsfläche von 104 Quadratmetern, den Mars und den Mars erreichen könnte interstellares Medium, auch Heliopause genannt, unter Verwendung zweier Flugbahnen von der Erde aus, die als direkte Auswärtstransfer- bzw. Einwärtstransfermethoden bekannt sind.

Die direkte Transfermethode nach außen sowohl für die Reise zum Mars als auch für die Heliopause beinhaltete, dass sich das Sonnensegel direkt in einer polaren Umlaufbahn um die Erde entfaltete und verließ. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sich der Mars zum Zeitpunkt der Entfaltung des Sonnensegels und seines Abflugs von der Erde in Opposition (direkt gegenüber der Erde von der Sonne) befindet, was zu den besten Ergebnissen sowohl hinsichtlich der Geschwindigkeit als auch der Reisezeit führt.

Derselbe Einsatz und Abflug aus der polaren Umlaufbahn wurde auch für die Flugbahn der Heliopause verwendet. Bei der Einwärtstransfermethode würde das Sonnensegel mit herkömmlichen chemischen Raketen etwa 0,6 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt transportiert, wo sich das Sonnensegel entfalten und seine Reise entweder zum Mars oder zur Heliopause beginnen würde. Aber wie macht ein Aerographite-Sonnensegel diese Reise machbarer?

„Mit seiner geringen Dichte von 0,18 Kilogramm pro Kubikmeter übertrifft Aerographit alle herkömmlichen Sonnensegelmaterialien“, sagt Julius Karlapp, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität Dresden und Hauptautor der Studie, gegenüber Universe Today. „Im Vergleich zu Mylar (einer metallisierten Polyesterfolie) ist die Dichte beispielsweise um vier Größenordnungen geringer. Geht man davon aus, dass der von einem Sonnensegel entwickelte Schub direkt von der Masse des Segels abhängt, ist die resultierende Schubkraft viel höher.“ Neben dem Beschleunigungsvorteil sind auch die mechanischen Eigenschaften von Aerographit erstaunlich.“

Durch diese Simulationen fanden die Forscher heraus, dass die Methode des direkten Auswärtstransfers und die Methode des Einwärtstransfers dazu führten, dass das Sonnensegel den Mars in 26 bzw. 126 Tagen erreichte, wobei die ersten 103 Tage der Reisezeit von der Erde zum Einsatzort bei 0,6 AE entsprachen .

Für die Reise zur Heliopause ergaben sich bei beiden Methoden 5,3 Jahre bzw. 4,2 Jahre, wobei die ersten 103 Tage der Einwärtstransfermethode ebenfalls der Reisezeit von der Erde zum Einsatzort mit 0,6 AE gewidmet waren. Der Grund dafür, dass die Heliopause mit der Einwärtstransfermethode schneller erreicht wird, liegt darin, dass das Sonnensegel die maximale Geschwindigkeit nach 300 Tagen erreicht, im Gegensatz dazu, dass die Maximalgeschwindigkeit mit der Auswärtstransfermethode nach etwa zwei Jahren erreicht wird.

Die aktuellen Reisezeiten zum Mars liegen zwischen 7 und 9 Monaten, was nur während bestimmter Startfenster alle zwei Jahre geschieht, wobei die Positionen beider Planeten beim Start und bei der Ankunft eines Raumfahrzeugs, das zum Mars fliegt oder von ihm kommt, übereinstimmen müssen. Die Schätzung der aktuellen Reisezeit zur Heliopause kann mithilfe der NASA-Sonden Voyager 1 und Voyager 2 erfolgen, die die Heliopause nach etwa 35 bzw. 41 Jahren erreichten.

Die Forscher weisen darauf hin, dass eine wichtige Frage beim Einsatz von Sonnensegeln die Abbremsung oder Verlangsamung bei der Ankunft am Ziel, insbesondere dem Mars, ist, und obwohl sie Aerocapture als eine Lösung erwähnen, geben sie zu, dass dies noch weiterer Forschung bedarf.

„Aerocapture-Manöver für hyperbolische Flugbahnen (wie der Flug von der Erde zum Mars) nutzen die Atmosphäre, um die Geschwindigkeit aufgrund des Luftwiderstands allmählich zu reduzieren“, sagt Dr. Martin Tajmar, Physiker und Professor für Raumfahrtsysteme an der Technischen Universität Dresden und Co-Mitarbeiter. Autor der Studie, erzählt Universe Today.

„Daher wird weniger Treibstoff benötigt, um in die Marsumlaufbahn zu gelangen. Wir nutzen dieses Bremsmanöver, um zusätzliche Bremstriebwerke überflüssig zu machen, was wiederum die Masse des Raumfahrzeugs reduziert. Wir untersuchen derzeit, welche alternativen Strategien für uns funktionieren könnten.“ Dabei ist die Bremsmethode nur eine von vielen verschiedenen Herausforderungen, vor denen wir derzeit stehen.“

Während die NASA die Solarsegel-Technologie bereits in den 1970er Jahren vorgeschlagen hat, ist der NASA Solar Cruiser, dessen Start derzeit für Februar 2025 geplant ist, ein aktuelles Beispiel für die Solarsegel-Technologie.