Interstellare Reisen: Mit dem richtigen Segel zu den Sternen

Das von dem russischen Milliardär ins Leben gerufene StarShot-Projekt will winzige, nur wenige Gramm schwere Raumschiffe mit Hilfe von Lasern auf eine solche Geschwindigkeit bringen, dass sie die sonnennächsten Sterne in einer Generation statt in einigen zehntausend Jahren erreichen – so lange bräuchten Raumschiffe nach dem Stand aktueller oder nah-zukünftiger Technik. Das Konzept kennen meine Leser aus der Proxima-Trilogie. Dazu besitzen diese Mini-Schiffe ein Segel, auf das der Laser feuern kann. Dieses etwa drei Meter durchmessende Segel muss unvorstellbar leicht sein, dabei aber trotzdem stabil genug, dass es dem Laserbeschuss standhält.

Viele frühere Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet gingen davon aus, dass die Sonne passiv die gesamte Energie liefert, die Lichtsegel benötigen, um sich in Bewegung zu setzen. Der Plan von Starshot, seine Schiffe auf relativistische Geschwindigkeiten von einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit zu bringen, erfordert jedoch eine viel gezieltere Energiequelle. Sobald sich das Segel in der Umlaufbahn befindet, würde eine massive Anordnung bodengestützter Laser ihre Strahlen auf das Segel richten und eine Lichtintensität liefern, die Millionen Mal größer ist als die der Sonne. Und das bei einem Stück Stoff (genau genommen sind es ultradünne Schichten aus Aluminiumoxid und Molybdändisulfid), das tausendmal dünner ist als ein Blatt Papier. Wie baut man ein derart strapazierfähiges Segel, damit es dem Tausendfachen der Erdbeschleunigung standhält? Ideen dazu haben Forscher jetzt im Magazin Nano Letters veröffentlicht.

Eine dieser Arbeiten, eingereicht von dem Physiker Igor Bargatin, zeigt, dass die leichten Segel von Starshot sich wie ein Fallschirm aufblähen müssen und nicht flach bleiben dürfen, wie in der bisherigen Forschung angenommen. “Die Intuition hier ist, dass ein sehr straff gespanntes Segel, sei es auf einem Segelboot oder im Weltraum, viel anfälliger für Risse ist”, sagt Bargatin. Anstelle einer flachen Platte schlagen Bargatin und seine Kollegen vor, dass eine gekrümmte Struktur, die ungefähr so tief wie breit ist, der Belastung durch die Hyperbeschleunigung des Segels am besten standhalten würde. “Die Laserphotonen blähen das Segel auf, ähnlich wie Luft einen Strandball aufbläst”, sagt Matthew Campbell, Postdoktorand in Bargatins Gruppe und Hauptautor der ersten Arbeit. “Und wir wissen, dass leichte, unter Druck stehende Behälter kugelförmig oder zylindrisch sein sollten, um Risse zu vermeiden. Man denke nur an Propantanks oder sogar Treibstofftanks in Raketen”.

Eine andere Arbeit unter der Leitung des Materialforschers Aaswath Raman gibt Aufschluss darüber, wie die nanoskalige Strukturierung des Segels die Wärme am effizientesten ableiten könnte, die von einem Laserstrahl ausgeht, der eine Million Mal stärker ist als die Sonne. “Wenn die Segel auch nur einen winzigen Teil des einfallenden Laserlichts absorbieren, erhitzen sie sich auf sehr hohe Temperaturen”, erklärt Raman. “Um sicherzustellen, dass sie nicht einfach zerfallen, müssen wir ihre Fähigkeit maximieren, Wärme abzustrahlen.” Frühere Forschungen zu Lichtsegeln haben gezeigt, dass die Verwendung eines photonischen Kristalldesigns, bei dem das Gewebe des Segels mit regelmäßig angeordneten Löchern versehen wird, die Wärmestrahlung der Struktur maximieren würde. Die neue Arbeit der Forscher fügt eine weitere Ebene der Periodizität hinzu: Die Forscher wollen die einzelnen Bahnen des Segelgewebes in einem Gitter zusammenbinden. Wenn die Abstände der Löcher der Wellenlänge des Lichts und die Abstände der Stoffbahnen der Wellenlänge der Wärmeabstrahlung entsprechen, könnte das Segel einem noch stärkeren Anfangsstoß standhalten und damit die Zeit verringern, die die Laser auf ihrem Ziel bleiben müssen.

“Vor ein paar Jahren galt es noch als weit hergeholt, über ein solches Konzept nachzudenken oder theoretische Arbeiten durchzuführen”, sagt Deep Jariwala, einer der Forscher. “Jetzt haben wir nicht nur einen Entwurf, sondern der Entwurf basiert auf realen Materialien, die in unseren Labors zur Verfügung stehen. Wir planen nun, solche Strukturen in kleinem Maßstab herzustellen und sie mit Hochleistungslasern zu testen.”

Eine künstlerische Darstellung des Starshot-Lightsail-Raumschiffs während der Beschleunigung durch ein bodengestütztes Laserarray (Grafik: Masumi Shibata, mit freundlicher Genehmigung von Breakthrough Initiatives)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.