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13.06.2017

Per Laserantrieb in die Tiefen des Alls

Der russische Milliardär Yuri Milner und der britische Physiker Stephen Hawking präsentieren einen Prototyp des Satellitenchips. / Per Laser ausgelöste Plasmazündung i parabolspiegelartigem Brennraum.

Die Reise in ferne Galaxien ist ein Menschheitstraum. Um ihn zu realisieren, arbeiten Forscher an Miniatursatelliten mit Laserantrieb und winzigen Optiken.

Mit „nur“ 4,34 Lichtjahren Entfernung ist Alpha Centauri unser nächstgelegenes Sternsystem. Doch selbst diese - in der Größenordnung des Alls – winzige Distanz ist für Raketen mit heutiger Antriebstechnik unüberwindbar: Sie wären viele tausend Jahre unterwegs. Die Breakthrough Initiative des russische Milliardärs Yuri Milner und der britische Physiker Stephen Hawking läuten dennoch konkrete Reisevorbereitungen ein. Sie stiftet 100 Millionen US-Dollar, um technische Grundlagen für den Trip zu Alpha Centauri zu erarbeiten. Wenn überhaupt, wird es nur mithilfe photonischer Lösungen möglich sein, dorthin zu gelangen.

Die Initiative legt die Forschungen komplett offen. Lösungsvorschläge sind willkommen. Die bisherigen Ansätze laufen auf wenige Gramm leichte Mikrosatelliten hinaus, die Nahinfrarot-Laser mit kumulierter Leistung im dreistelligen Gigawattbereich von der Erde aus antreiben. Um die Erfolgschancen zu steigern, ist geplant, dass ein Mutterschiff im Orbit nach und nach tausende Hightech-Winzlinge in den hochenergetischen Lichtstrahl entlässt, in welchen sie auf ein Fünftel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Energieübertragung soll über hauchdünne, aus wenigen Atomschichten bestehende Energiesegel erfolgen. Einmal beschleunigt, sollen die Satellitenchips 20 Jahre bis zum fernen Sternsystem brauchen, dort mit Miniaturkameras Bilddaten sammeln und diese per Laser zur Erde übermitteln. Auch die Datenübermittlung mit Lichtgeschwindigkeit würde fast 4,5 Jahre dauern.

Viele technologische Herausforderungen
Damit die Vision wahr werden kann, sind zahlreiche technologische Durchbrüche nötig. In einer 73-seitigen „Roadmap to Interstellar Flight“ skizziert Philip Lubin von der University of California in Santa Barbara, die Herausforderungen. Dazu zählt die Aufgabe, die Laser trotz aller atmosphärischen Einflüsse exakt auszurichten. Adaptive Optiken sollen dies in Echtzeit erledigen. Auch ein Segelmaterial muss gefunden werden, das der Laserenergie standhält und diese dafür in höchstem Maße reflektiert. Zudem muss es gegen Erosionseffekte durch Staub und aggressive Gase im All immun sein. Hier hofft die Initiative auf Fortschritte der Nanotechnologie. Neben der Materialfrage ist die exakte Form der Segel zu klären. Weder darf die Bewegungsenergie sie zerfetzen, noch dürfen Turbulenzen den Kurs beeinflussen.

Weitere Fragen gibt es zu den Mikrokameras, -batterien, -steuerungssystemen und zu den Kommunikationslasern. Zwar treibt Moore‘s Gesetz die Miniaturisierung von Mikrosystemen voran. Doch wird die Technik auch robust genug sein, um den rasanten, 20-jährigen Flug zu überstehen? Und wird es möglich sein, die Fluggeschwindigkeit am Ziel so zu senken, dass Aufnahmen aussagekräftig sein werden. Wünschenswert aus wissenschaftlicher Sicht wäre zudem, die Vielzahl der Satelliten mit unterschiedlichen Imaging-Systeme für Aufnahmen in sicht- und unsichtbaren Wellenlängenbereichen auszurüsten.

Laserantriebe auch am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Es sind viele harte Nüsse zu knacken, bevor aus den Computeranimation von Breakthrough Realität wird. Eine andere Frage ist es, wie schnell Laserantriebe Einzug in die Raumfahrt halten werden. Die NASA erforscht die Technologie ebenso, wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Denn Raketenantriebe mit gebündeltem Licht gelten als eine effiziente Alternative zur heutigen Feststofftechnik. Weil kaum Treibstoff mitgeführt werden muss – in der Erdatmosphäre reicht es, per Laser Plasmazündungen der Luft auszulösen – ergibt sich ein interessantes Verhältnis zwischen Masse und Nutzlast. Gerade Kleinsatelliten könnten künftig von hochenergetischem Licht in den Orbit getragen werden. Oder genauer: Von Druckwellen der Plasmadetonation, die erdgebundene Laser in Parabolspiegel-artigen Brennkammern zünden. Zur Steigerung der Schubkraft könnten außerdem geringe Mengen Treibstoff in den Kammern mitgeführt werden.

Noch ist das Ganze im frühen Forschungsstadium. Neben gepulsten Laserquellen mit hoher Strahlqualität bei Leistungsanforderungen von circa 1 MW je Kilogramm Startmasse bräuchte es laut DLR aktive Optiken und Trackingsysteme, die den Laserstrahl trotz Turbulenzen und atmosphärischer Einflüsse zuverlässig in die Brennkammer lenken. Die Rede ist hier von bis zu 1.000 km Distanz – verglichen mit den Lichtjahren der Alpha Centauri Mission liegt das in geradezu greifbarer Nähe.


Bildquelle: © Getty Images / © DLR

 
 
 
 
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