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Ein Halo-Antrieb könnte interstellare Raumfahrzeuge auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen
Röntgen: NASA/CXC/Universität Amsterdam/N.Rea et al; Optisch: DSS
Bereits 2016 enthüllten der Physiker Stephen Hawking und der Milliardär Yuri Milner einen Plan, zu den Sternen zu reisen. Das sogenannte Breakthrough Starshot-Projekt ist ein 100-Millionen-Dollar-Programm zur Entwicklung und Demonstration der Technologien, die für den Besuch eines nahe gelegenen Sternensystems erforderlich sind. Zu den potenziellen Zielen gehört Proxima Centauri, ein etwa vier Lichtjahre entferntes System mit mehreren Exoplaneten, darunter ein erdähnlicher Körper, der die bewohnbare Zone umkreist.
Hawking und Milners Plan war es, Tausende von winzigen Raumfahrzeugen in der Größe von Mikrochips zu bauen und sie mit Licht auf eine relativistische Geschwindigkeit zu beschleunigen – eine, die so nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Die große Zahl erhöht die Chancen, dass mindestens einer sicher ankommt. Jeder Starchip würde an einem Lichtsegel von der Größe eines Badmintonplatzes befestigt und dann mit enorm starken bodengestützten Lasern gezapft.
Der Laserantrieb hat verschiedene Vorteile. Das Wichtigste ist, dass das Raumfahrzeug keinen Treibstoff mitführen muss, wodurch seine Masse erheblich reduziert wird. Es soll auch in der Lage sein, die Lichtsegel auf eine Geschwindigkeit von bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Bei dieser Geschwindigkeit würde ein Starchip in weniger als 30 Jahren bei Proxima Centauri ankommen.
Die für eine solche Mission erforderlichen fantastisch leistungsstarken Laser werden besonders schwierig und teuer zu entwickeln sein. Und das wirft eine offensichtliche Frage auf: Gibt es einen anderen Weg, um relativistische Geschwindigkeiten zu erreichen?
Heute erhalten wir dank der Arbeit von David Kipping, einem Astronomen an der Columbia University in New York, eine Art Antwort. Kipping hat eine neuartige Form der Gravitationsschleuder entwickelt, dieselbe Technik, die die NASA zum Beispiel verwendet hat, um die Raumsonde Galileo zum Jupiter zu schicken. Die Idee ist, ein Raumschiff zu beschleunigen, indem es an einem massiven Objekt wie einem Planeten vorbeifliegt. Auf diese Weise stiehlt das Raumschiff der Bewegung des Planeten etwas Geschwindigkeit und treibt ihn auf seiner Reise an.
Gravitationsschleudern funktionieren am besten in der Nähe von enorm massiven Körpern. In den 1960er Jahren berechnete der Physiker Freeman Dyson, dass ein Schwarzes Loch ein Raumschiff auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen könnte. Aber die Kräfte, die auf das Raumschiff einwirken, wenn es sich einem solchen Objekt nähert, würden es wahrscheinlich zerstören.
Also hat sich Kipping eine clevere Alternative einfallen lassen. Seine Idee ist es, Photonen um ein Schwarzes Loch zu schicken und dann die gewonnene zusätzliche Energie zu nutzen, um ein Lichtsegel zu beschleunigen. Kinetische Energie vom Schwarzen Loch wird als Blauverschiebung auf den Lichtstrahl übertragen, und bei der Rückkehr beschleunigen die recycelten Photonen das Raumschiff nicht nur, sondern fügen ihm auch Energie hinzu, sagt Kipping.
Der Prozess hängt von dem enorm starken Gravitationsfeld um ein Schwarzes Loch ab. Da Photonen eine kleine, aber messbare Ruhemasse haben, kann dieses Feld Licht auf einer Kreisbahn einfangen.
Kippings Arbeit basiert auf einer etwas anderen Umlaufbahn, die ein von einem Raumschiff emittiertes Photon um das Schwarze Loch herum und zurück zum Raumschiff lenkt – eine Art Boomerang-Umlaufbahn. Während dieser Reise gewinnen die Bumerang-Photonen kinetische Energie aus der Bewegung des Schwarzen Lochs.
Diese Energie ist es, die ein mit einem entsprechenden Lichtsegel ausgestattetes Raumschiff beschleunigen kann. Kipping nennt dies einen Halo-Antrieb. Der Halo-Antrieb übertrage die kinetische Energie des sich bewegenden Schwarzen Lochs mithilfe der Gravitationsunterstützung auf das Raumschiff, sagt Kipping und weist darauf hin, dass das Raumschiff dabei keinen eigenen Treibstoff verbraucht.
Da der Halo-Antrieb die Bewegung eines Schwarzen Lochs ausnutzt, wird er am besten auf Binärsysteme angewendet, in denen ein Schwarzes Loch ein anderes Objekt umkreist. Die Photonen gewinnen dann Energie aus der Bewegung des Schwarzen Lochs an geeigneten Stellen seiner Umlaufbahn.
Und der Antrieb sollte für jede Masse funktionieren, die deutlich kleiner als das Schwarze Loch ist. Kipping sagt, dies könnte Fahrzeuge in Planetengröße ermöglichen. Eine ausreichend fortgeschrittene Zivilisation könnte also mit relativistischer Geschwindigkeit von einem Teil der Galaxie zum anderen reisen, indem sie von einem Schwarzloch-Binärsystem zum anderen springt. Eine fortgeschrittene Zivilisation könnte das Lichtsegelkonzept nutzen, um einen relativistischen und äußerst effizienten Antrieb durchzuführen, sagt er.
Derselbe Mechanismus kann auch Raumfahrzeuge abbremsen. Diese fortgeschrittene Zivilisation würde also wahrscheinlich nach Paaren von Schwarzlochsystemen suchen, die als Beschleuniger und Verzögerer wirken.
Die Milchstraße enthält etwa 10 Milliarden binäre Schwarze-Loch-Systeme. Kipping weist jedoch darauf hin, dass es wahrscheinlich nur eine begrenzte Anzahl von Trajektorien gibt, die sie miteinander verbinden, sodass diese interstellaren Autobahnen wahrscheinlich wertvolle Regionen sind.
Natürlich übersteigt die Technologie zur Nutzung dieses Konzepts derzeit die Möglichkeiten der Menschheit bei weitem. Aber Astronomen sollten in der Lage sein, herauszufinden, wo die besten interstellaren Autobahnen liegen, und dann nach den Techno-Signaturen von Zivilisationen suchen, die sie möglicherweise ausnutzen.
All das klingt nach viel Spaß, und Kritiker könnten argumentieren, dass es kaum mehr als Futter für Science-Fiction-Fans ist. Womöglich.
Doch das Starchip-Konzept wird seit Jahrzehnten diskutiert, meist am Rande der Wissenschaft. Nach der Ankündigung von Hawking und Milner hat das Projekt plötzlich Fahrt aufgenommen. Tatsächlich wurden die ersten Starchip-Technologien bereits im erdnahen Orbit getestet und die erste Mission für etwa 2036 mit einem Kostenaufwand von 5 bis 10 Milliarden US-Dollar geplant.
Das ist ein ehrgeiziges Ziel, aber selbst unter Berücksichtigung verschiedener Verzögerungen dürften interstellare Reisen innerhalb von hundert Jahren nach den ersten Vorstößen der Menschheit in den Weltraum möglich sein. Das ist ein rasanter Fortschritt. Und es deutet darauf hin, dass jede Zivilisation mit sogar einem kleinen Vorsprung vor uns deutlich größere Fortschritte hätte machen können.
Ref: arxiv.org/abs/1903.03423 : Der Halo-Antrieb: Kraftstofffreier relativistischer Antrieb großer Massen durch recycelte Boomerang-Photonen