Interstellare Reise

Interstellare Raumfahrt bezeichnet die Raumfahrt zwischen Sternen. Das größte Problem der interstellaren Raumfahrt sind die riesigen Distanzen zwischen den Sternen. Es wurden schon zahlreiche Konzepte für interstellare Raumschiffe entwickelt. Aus technischen und finanziellen Gründen konnte bislang keines von ihnen realisiert werden. Die (kontrollierte) Raumfahrt ist bis heute auf den interplanetaren Bereich beschränkt.

Unbemannte interstellare Raumfahrt

Aktuelle Sonden

Raumsonde Voyager 1

Die Sonden Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 und New Horizons können als interstellare Raumfahrzeuge angesehen werden, da diese das Sonnensystem dauerhaft verlassen haben oder verlassen werden. Wegen ihrer sehr niedrigen Geschwindigkeit (in der Größenordnung von weniger als einem dreißigtausendstel der Lichtgeschwindigkeit) werden mehrere hunderttausend Jahre vergehen, bis sie die Nähe eines anderen Sterns erreichen.

Echte interstellare Sonden

Eine echte interstellare Sonde müsste einen nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fliegen, um ihr Ziel in einer vernünftigen Zeit zu erreichen (Jahrzehnte oder Jahrhunderte). Eine solche Sonde müsste komplett autonom sein und ohne Hilfe von der Erde ihre Ziele ansteuern und untersuchen, denn Signale von der Erde würden mehrere Jahre bis zur Sonde brauchen, so dass eine spontane Steuerung der Sonde nicht möglich ist. Die Datensignale würden fortlaufend zur Erde zurückgesandt werden.

Bisher gibt es keine Projekte solcher Sonden, da die dafür notwendigen Technologien noch nicht verfügbar sind und auch in absehbarer Zukunft nicht zur Verfügung stehen werden.

Bemannte interstellare Raumfahrt

Die bemannte interstellare Raumfahrt hat das Ziel, entfernte Sternensysteme zu erforschen oder Kolonien in entfernten Sternensystemen zu etablieren. Wegen der sehr langen Reisedauer würden solche Missionen als einfache Fahrt gestaltet werden. Die Raumfahrer würden nach Abschluss der Mission nicht zurück zur Erde fliegen.

Generationenschiffe

Das Prinzip des Generationenraumschiffs ist, dass die Raumfahrer, die die Erde verlassen, nicht diejenigen sind, die am Ziel ankommen. Es würden die Kinder oder Enkelkinder der Startmannschaft sein. Solche Generationenschiffe müssten komplett autark sein, d. h. an Bord des Schiffes müssten beispielsweise Nahrungsanbau, Trinkwasser- und Sauerstoff-Recycling möglich sein.

Der Vorteil des Generationenschiffs ist, dass nur eine geringe Geschwindigkeit erreicht zu werden braucht, Reisedauern von mehreren hundert Jahren wären kein Problem. Es könnten daher einfache Antriebskonzepte angewandt werden. Der Nachteil sind mögliche psychische Probleme der Mannschaft. Das größte Problem ist, dass die meisten Mitglieder die Ankunft am Ziel selbst nie erleben werden. Die meisten würden das Schiff als ihre Heimat betrachten.

Schläferschiffe

Die Besatzung des Schiffs wird nach Abflug von der Erde in eine Art „künstlichen Winterschlaf“ versetzt und bei der Ankunft am Ziel wieder aufgeweckt.

Der Vorteil dieses Konzeptes ist, dass auf groß angelegte Nahrungsproduktion und Unterhaltungseinrichtungen verzichtet werden kann. Auch würden die meisten Raumfahrer die Ankunft miterleben. Ein weiterer Vorteil wäre, dass man auch mit niedrigen Geschwindigkeiten fliegen könnte. Allerdings sind die Auswirkungen eines solchen Winterschlafs, so er technisch möglich wäre, beim Menschen noch unbekannt.

Embryonentransport

Bei dieser Art von Raumschiff würden tiefgefrorene menschliche Embryos auf die Reise geschickt. Ein paar Jahre vor Ankunft am Ziel würden diese aufgetaut und von Robotern großgezogen. Neben den technischen Herausforderungen ist diese Methode auch ethisch umstritten.

Relativistischer Flug

Wird ein Raumschiff auf einen großen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit (≫0,9 c) beschleunigt, sieht ein Beobachter außerhalb des Schiffes, dass die Zeit an Bord des Schiffes deutlich langsamer verstreicht. Es wäre so möglich, kosmische Distanzen innerhalb eines Menschenlebens zurückzulegen. Für Beobachter auf der Erde würde das Raumschiff allerdings weiterhin selbst bis zum nächsten Stern einige Jahre benötigen (siehe Zwillingsparadoxon).

Ein solcher Flug würde einen extrem leistungsstarken Antrieb erfordern, der mit den heutigen Technologien nicht baubar ist.

Weitere Probleme

Zu lösende Probleme

Unabhängig vom Antrieb müssen folgende Probleme für einen bemannten interstellaren Raumflug gelöst werden:

• Künstliche Schwerkraft
• Strahlenschutz
• Versorgung: Nahrung und Trinkwasser
• Zusammenhalt der Gruppe
• Kollision mit interstellarer Materie (z. B. Asteroiden, Planetoiden oder ausgeworfene Planeten)

Versorgungskonzepte

Am 23. Mai 2007 wurde eine wissenschaftliche Arbeit ^{[1] [2] [3]} unter der Leitung von Arturo Casadevall veröffentlicht, die von Pilzen handelt, die (wahrscheinlich mittels Melanin) radioaktive Strahlung in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln. Es ist denkbar, dass mit Hilfe von solchen Pilzen während Raumflügen Nahrung für Astronauten produziert werden kann. Im Weltall ist überall mehr Hintergrundstrahlung als von Pflanzen nutzbares Licht vorhanden.

Wissenschaftler der Russischen Akademie der Wissenschaften arbeiten derzeit an der Minimierung der Gefahr einer Krebserregung durch Weltraumstrahlung. Hierbei sehen diese als eine Option ein Lebenserhaltungssystem, das Trinkwasser für die Besatzung erzeugt, dass in seinem Deuterium-Gehalt reduziert ist. Erste Untersuchungen haben gezeigt, dass Deuterium-reduziertes Wasser gewisse Anti-Krebs-Eigenschaften besitzt.^[4][5]

Antriebskonzepte

Das Ziel eines Antriebes ist die Bereitstellung von delta v, das heißt Geschwindigkeitsänderung des Raumschiffes. Da in der interstellaren Raumfahrt sehr große Distanzen überbrückt werden müssen sollte auch die Geschwindigkeit des Raumschiffes sehr groß sein und somit auch der spezifische Impuls des Antriebssystems.

Siehe auch: Raketengrundgleichung

Chemische Raketen

Siehe auch: Raketentriebwerk

Wegen des extrem niedrigen spezifischen Impulses fällt diese Art von Antrieb für die interstellare Raumfahrt aus. Eine interstellare Rakete mit chemischem Antrieb würde hunderttausende von Tonnen wiegen aber nur wenige Kilogramm Nutzlast transportieren können.

Spezifischer Impuls: ~500s

Elektrische Antriebe

Ionenantrieb

Test eines Xenon-Ionentriebwerks

Die jetzigen Ionenantriebe sind noch völlig unzureichend für die interstellare Raumfahrt. Es werden neue und viel stärkere Antriebe sowie die entsprechenden Energiequellen benötigt, die in der Lage wären, ein Schiff, das mehrere tausend Tonnen wiegen würde, auf einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Spezifischer Impuls: ~5000s

Im Januar 2006 stellten die Australian National University und die European Space Agency ein neues Konzept eines Ionenantriebes vor. Dieser Antrieb verwendet 4 statt wie bisher 2 Gitter und ermöglicht es so die Ionen weiter zu beschleunigen. Mit einer Spannung von 30kV wurden Ausströmgeschwindigkeiten von 210km/s erzielt, vier Mal schneller als bei bisherigen Ionenantrieben.

Spezifischer Impuls: ~21000s

VASIMR

Relativ neu ist das Antriebskonzept des früheren Astronauten Franklin Ramon Chang-Diaz. Seine Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) verwendet elektrische Energie um Plasma zu erzeugen, zu erhitzen und zu beschleunigen. Damit ist eine Variation des Verhältnis zwischen spezifischem Impuls und Schub möglich, analog zu der Getriebeschaltung eines Radfahrzeugs. Ein Raumfahrzeug könnte damit etwa zum Verlassen des Schwerefeldes eines Planeten einen hohen Schub erzeugen, um dann eine längere Strecke mit hoher Geschwindigkeit zurück zu legen. Die maximale Ausströmgeschwindigkeit ist mit 300 km/s sehr hoch.

Spezifischer Impuls: ~30000s

Nukleare Antriebe

Nuklearer Pulsantrieb

Vorschlag der NASA für ein Raumschiff mit nuklearem Pulsantrieb

Das Konzept wurde in den 1950er und 1960er Jahren vorgeschlagen. So haben das Orion- und Daedalus-Projekt Raumschiffe vorgesehen, die alle paar Sekunden eine nukleare Explosionen am Heck auslösen; es wäre dann durch die Sprengwirkung nach vorne geschoben worden. Der Vorteil eines solchen Antriebs ist Einfachheit des Konzeptes, das sich schon mit heutigen Technologien realisieren ließe, wobei letzte Fragen bezüglich des Strahlenschutzes für die Crew und das Raumschiff selbst nicht abschliessend geklärt sind.

In den 1960er Jahren laufende Forschungen wurden aus politischen und rechtlichen Gründen (1963: Vertrages zum Verbot von Nuklearwaffentests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser) abgebrochen und könnten nur, wegen der notwendigen Vertragsänderungen, in der internationalen Gemeinschaft wieder aufgenommen werden.

Spezifischer Impuls: ~50000s

Kernspaltungsantrieb

NERVA Kernspaltungs-Raketentriebwerk (NASA)

Mittels Kernspaltung wird Wasserstoff extrem erhitzt und anschließend unter Druck ausgestoßen. Um effizienter arbeiten zu können, muss die Kernspaltung auf viel höhere Temperaturen gebracht werden.

Sowohl die USA (Projekt NERVA) als auch die Sowjetunion (Triebwerk RD-0410) arbeiteten in der Vergangenheit an Kernspaltungsantrieben mit festem Kern für die Raumfahrt, haben ihre Forschungen jedoch eingestellt, bevor eine flugtaugliche Hardware entwickelt werden konnte.

Spezifischer Impuls: ~1000s

A Ausstoß von Spaltprodukten
B Reaktor
C Spaltmaterial wird zur Stromerzeugung abgebremst
d Moderator(BeO oder LiH)
e Containment
f Induktionsspule

Wie oben bereits erwähnt muss die Temperatur im Reaktor erhöht werden um die Antriebsleistung zu steigern. Da das spaltbare Material durch seine Schmelztemperatur eine natürliche Temperaturgrenze für Festkernreaktoren festsetzt, gibt es Überlegungen Reaktoren mit gasförmigem Kern zu entwickeln, so genannte Gaskernreaktoren.

Spezifischer Impuls: ~5000s

Eine weitere theoretische Möglichkeit die Ausströmgeschwindigkeit des Antriebes weiter zu erhöhen besteht darin die Spaltprodukte selbst auszustoßen. Die radioaktiven Partikel werden dabei mit Hilfe von Magnetfeldern zur Reaktion gebracht und von den Wänden fern gehalten. Die Spaltprodukte werden anschließend ausgestoßen.

Spezifischer Impuls: ~100000s

Fusionsantrieb

Bussardkollektor

Dieser Antrieb ist ähnlich dem Kernspaltungsantrieb, außer dass die Energie aus Kernfusion gewonnen wird und somit wesentlich höher ist. Auch wird nicht ein zusätzlicher Stoff erhitzt, sondern gleich das Fusionsprodukt selbst.

Spezifischer Impuls: ~100000s

Der vom Physiker Robert W. Bussard vorgeschlagene Bussard-Ramjet funktioniert ähnlich wie ein Ramjet. Mittels eines magnetischen Kraftfeldes sammelt man interstellares Gas ein und leitet dies zu einem Kernfusionsreaktor (hauptsächlich interstellarer Wasserstoff). Die Fusionsprodukte werden anschließend ausgestoßen. Der große Vorteil dieses Konzepts ist, dass das Raumschiff nur eine geringe Treibstoffmenge mit sich führen muss, genug um die Mindesteinsammelgeschwindigkeit zu erreichen.

Spezifischer Impuls: beliebig hoch

Segel

Laser/Maser-Segeln

Sonnensegel

Da die Wirkung von Sonnensegeln jenseits des Jupiters zu gering für einen Antrieb ist, bestünde diese Antriebsart darin, dass man einen Laser- oder Maserstrahl auf das Fahrzeug richtet, das sich dann durch den Photonendruck vorwärts bewegt. Der Vorteil dieser Antriebsart ist, dass das Raumschiff keinen eigenen Treibstoff mitführen muss. Alle derzeit diskutierten Konzepte gehen von einer Laserstation auf der Mondrückseite oder im freien Raum aus. Zurzeit ist ein solcher Laser nicht realisierbar, da ein Vielfaches der auf der Welt verfügbaren Energie notwendig ist, um ein entsprechend massereiches Interstellarraumschiff zu beschleunigen. Ein weiteres Problem ist die Zielgenauigkeit und die Bündelung des Lasers bzw. Masers.

Spezifischer Impuls: unendlich

Materie-Segel

Der Materie-Segel-Antrieb ist ähnlich dem Antrieb durch ein Laser-Segel. Ein Materie-Strahler, z. B. ein Teilchen-Linearbeschleuniger, ruht auf einer großen Masse (Mond, Asteroid). Von hier aus zielt ein gut gebündelter Teilchen-Strahl auf das Raumschiff und beschleunigt dieses. Da die Geschwindigkeit des Teilchenstrahls an die Geschwindigkeit des Raumschiffs angepasst werden kann (maximale Impulsübertragung), ist die Energieeffizienz wesentlich höher als beim Laser-Segel. Zudem kann ein Teil des Materiestroms vom Raumschiff aufgefangen werden. Das Raumschiff kann mit leeren "Treibstofftanks" starten und füllt diese während der Beschleunigung.

Um das Raumschiff nach der Reise abzubremsen, trennt es sich in zwei Teile. Der wesentlich größere, schwerere Teil des Schiffes fliegt weiter und richtet nun seinerseits einen Materiestrahl auf den Rest des Schiffes. Nur dieser kleinere Teil wird abgebremst.

Spezifischer Impuls: je nach Antrieb

Antimaterieantrieb

Siehe auch:AIMStar(spacecraft)

Die Energie für diesen Antrieb würde durch eine Paarvernichtung von Materie und Antimaterie geliefert werden. Bei diesem Prozess wird die gesamte Ruheenergie der Teilchen vollständig freigesetzt. Dabei wird in eine Wolke aus Materie ein wenig Antimaterie geschossen. Die Materie erhitzt sich dadurch enorm, Kernfusionsprozesse setzen ein und erhitzen die Materie weiter. Diese wird anschließend durch eine magnetische Düse ausgestoßen.

Das größte Problem aus der heutigen Sicht stellt die Erzeugung und Lagerung von Antimaterie dar. Da die Produktion soviel Energie verbraucht, wie die Reaktion später liefert, scheidet eine Produktion an Bord des Raumschiffs aus. Die Antimaterie müsste mitgeführt werden. Die Lagerung dieser muss 100prozentig zuverlässig sein, da sonst das Raumschiff zerstört würde.

Mit dem jetzigen Stand der Technik ist ein Antimaterieantrieb nicht möglich, da man keine Möglichkeit kennt, größere Mengen an Antimaterie zu erzeugen. Mit dem Materie-Antimaterie-Triebwerk könnte man fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Für einen Flug zum Mars hin und zurück wären nur etwa 0,1 Gramm Antiprotonen nötig, doch selbst die Herstellung dieser geringen Menge Antiprotonen ist derzeit utopisch.

Spezifischer Impuls: ~400000s

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.plosone.org/article/fetchArticle.action?articleURI=info:doi/10.1371/journal.pone.0000457
2. ↑ http://www.plosone.org/static/license.action;jsessionid=20CA1AD861B408BCE91BB206E835B2F2
3. ↑ http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/
4. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?Db=pubmed&Cmd=ShowDetailView&TermToSearch=14959623
5. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12575722?dopt=Abstract

Literatur

• Paul Gilster: Centauri dreams - imagining and planning interstellar exploration. Springer, New York 2004, ISBN 0-387-00436-X
• Gregory L. Matloff: Deep-space probes - to the outer solar system and beyond. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-24772-6
• Grigor A. Gurzadyan: Space dynamics. Taylor & Francis, London 2002, ISBN 0-415-28202-0
• Eugene F.Mallove, Gregory L. Matloff: The starflight handbook - a pioneer's guide to interstellar travel. Wiley, New York 1989, ISBN 0-471-61912-4
• Claudio Maccone: SETI, extrasolar planets search and interstellar flight - When are they going to merge? Acta Astronautica 64, S.724–734, 2009
• Robert H. Frisbee: Limits of Interstellar Fligh Technology. in Marc G. Millis (et al.): Frontiers of Propulsion Science. American Inst. of Aeronautics & Astronautics, Reston 2009, ISBN 1-56347-956-7, S 31 - 126
• Pharis E. Williams: Superluminal Space Craft. American Institute of Physics, Volume 1103, Melville 2009, S.352-358, abstract

Weblinks

• American Institute of Aeronautics and Astronautics Presentation on Advanced Propulsion Concepts for Interstellar Travel , Mai 2008, [1]
• Radiosendung The Space Show vom 24 Juni 2008 über advanced space propulsion concepts for interstellar travel