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Femto-Raumschiff könnte nach Alpha Centauri reisen
Letztes Jahr gab ein kleines Team von Astronomen die Entdeckung eines erdähnlichen Planeten bekannt, der den roten Zwergstern Proxima Centauri umkreist, einen unserer nächsten Nachbarn im Alpha-Centauri-System. Dieser Exoplanet namens Proxima Centauri b sitzt in der bewohnbaren Zone um seinen Wirt. Jegliches Wasser dort sollte in flüssiger Form vorliegen, was diesen Planeten zu einem wichtigen Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben macht.
Dementsprechend hat Proxima Centauri b großes Interesse geweckt. Es ist etwa 40 Billionen Kilometer von der Erde entfernt, eine Entfernung, die das Licht in etwas mehr als vier Jahren zurücklegt. Ein Raumschiff, das mit etwa einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, könnte die Reise in etwa 50 Jahren zurücklegen.
Und das wirft eine interessante Frage auf. Ist es möglich, noch zu Lebzeiten der heute lebenden Menschen ein Raumschiff zu bauen, das wir nach Proxima Centauri schicken könnten?
Heute bekommen wir eine Art Antwort, dank der Arbeit von Andreas Hein und seinen Freunden am Institute for Interstellar Studies in London, UK. Diese Jungs haben Pläne für ein grammgroßes Raumschiff entworfen, das die Reise machen könnte, ausgestattet mit einer Suite Instrumente, die rudimentäre Beobachtungen des Sternensystems machen und die Ergebnisse zur Erde zurücksenden könnten. Sie nennen ihr Femto-Raumschiff Andromeda-Sonde und sagen, dass es in nur wenigen Jahren auf dem Weg zu Proxima Centauri und seinen Schwestersternen sein könnte.
Aber es gibt eine Einschränkung. Während einige der für diese Reise erforderlichen Technologien jetzt oder in naher Zukunft verfügbar sind, sind andere weitaus spekulativer.
Das grundlegende Design ist einfach. Die Andromeda-Sonde ist im Wesentlichen das aufgemotzte Innere einer Smartphone-Kamera. Es besteht aus einer 12-Megapixel-Schwarzweißkamera, einem Objektiv, einigen Trägheitssensoren und einem Magnetometer. Es hat auch eine Atombatterie, eine rudimentäre Steuerung und ein Kommunikationssystem. Die Gesamtmasse des vorgeschlagenen Raumfahrzeugs beträgt 23 Gramm, sagen Hein und Co.
Und es wird durch Laserlicht angetrieben. Die Idee, die bereits von mehreren anderen untersucht wurde, besteht darin, die Andromeda-Sonde mit einem Lichtsegel auszustatten und sie auf der Spitze eines enorm starken Laserstrahls auf Proxima Centauri zu beschleunigen. Dieser Laser wird mit einer Dauerleistung von 15 Gigawatt im Erdorbit sitzen.
Hein und Co geben einen ausführlichen Überblick über die technologischen Herausforderungen, die mit dem Bau eines solchen Raumfahrzeugs (wenn nicht des Lasersystems) verbunden sind.
Eine der kritischsten Herausforderungen ist die Weltraumnavigation. Ein Großteil der Navigationsgenauigkeit der Sonde hängt von der Zielgenauigkeit des Lasers ab. Das Team sagt, dass die Nanoradian-Genauigkeit ausreichen würde und dass mehrere aktuelle Raumfahrzeuge ähnliche Anforderungen haben. Das James-Webb-Teleskop zum Beispiel hat eine Zielgenauigkeit von 24 Nanoradian.
Trotzdem muss das Raumschiff von Zeit zu Zeit kleinere Anpassungen vornehmen. Und das wird nur möglich sein, wenn es mit hoher Genauigkeit weiß, wo es sich befindet. Dies könnte mit der Bordkamera und den Trägheitssensoren zur Sternverfolgung erfolgen, ist aber immer noch eine herausfordernde Aufgabe.
Das Raumschiff muss sich auch genau orientieren und Objekte verfolgen. Mit einer Lichtgeschwindigkeit von 0,1 wird die Raumsonde das Proxima-Centauri-System in etwa sechs Tagen passieren. In dieser Zeit muss es so viele Fotos und andere Beobachtungen wie möglich machen.
Das Raumschiff muss also seine Ziele verfolgen und sich mit hoher Genauigkeit auf sie richten, sonst sind die Bilder nutzlos. Und es muss dies autonom tun, da die achtjährige Kommunikationszeit für die Hilfe, die die Bodenkontrolle leisten kann, starke Einschränkungen mit sich bringt.
Hein und Co. identifizieren verschiedene Möglichkeiten, das Raumfahrzeug auszurichten und seine Ausrichtung zu ändern. Entscheidend ist, dass einige davon keine internen Stromquellen benötigen. Eine Idee ist, den Reflexionsgrad von Teilen des Lichtsegels so zu verändern, dass der Laser eine ungleichmäßige Kraft ausübt, die es zum Drehen bringt.
Eine andere, leistungshungrigere Idee besteht darin, eine Masse auf einem Balken zu bewegen, wodurch sich das Raumschiff dreht. Der Favorit des Teams ist es jedoch, das Segel mit beweglichen Klappen auszustatten, die ein Drehmoment erzeugen und so das Raumschiff drehen können.
Eines der Probleme bei interstellaren Reisen ist das Risiko, ein Staubpartikel zu treffen. Bei einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit könnte eine solche Kollision das Raumschiff verdampfen. Daher planen Hein und Co., die Sonde mit einem Whipple-Schild aus Graphen zu bedecken, das aus mehreren Schichten besteht, die darauf ausgelegt sind, alle Partikel beim Durchgang durch die Schichten auseinanderzubrechen und so ihre Energie zu verteilen.
Das Risiko der Zerstörung wirft eine weitere interessante Idee auf – das Senden eines Schwarms von Raumfahrzeugen. Das erhöht die Redundanz der Mission und die Datenerfassungsfähigkeit. Es nutzt auch den Laserstrahl besser aus, der sich ausbreitet, so dass viel Energie verloren geht. Aus diesen Gründen ist ein Schwarm von Femto-Raumfahrzeugen sinnvoll.
Dann gibt es das Kommunikationssystem mit der Erde, das in der Lage sein muss, alle Bilder, die das Raumschiff macht, nach Hause zu senden. Angesichts der hohen Leistung und Entfernungen von mehreren Lichtjahren wird dies wahrscheinlich viel Zeit in Anspruch nehmen.
Aber es könnte auf verschiedene Weise verbessert werden. Eine Idee ist es, ein Data-Relay-System einzurichten, indem Femto-Raumfahrzeuge zu unterschiedlichen Zeiten gesendet werden, um die Signale abzufangen und weiterzuleiten. Eine andere besteht darin, das Gravitationsfeld der Sonne als Linse zu nutzen, um Signale von Proxima Centauri zu fokussieren. Das würde bedeuten, ein Raumschiff hinter unserer Sonne in direkter Linie mit dem Ziel zu positionieren, eine weitere schwierige und kostspielige Aufgabe.
Die Stromversorgung an Bord ist etwas einfacher. Das müsste eine Art Atombatterie sein. Dies erzeugt Wärme, wenn sein radioaktiver Inhalt zerfällt, und ist eine der wenigen Komponenten, die innerhalb der modernen technischen Grenzen liegen.
Abschließend stellt sich die knifflige Frage, wie viel das alles kosten würde und wann eine solche Mission entsandt werden könnte. Hein und Co einigen sich auf die bemerkenswerte Zahl von 11 Millionen Dollar an Entwicklungskosten für das erste Raumschiff. Das erscheint ehrgeizig, selbst wenn es nur für das Raumfahrzeug gilt.
Es berücksichtigt auch nicht die viel bedeutenderen Kosten, die mit der Entwicklung und Einführung eines Laserantriebssystems von gigantischen Ausmaßen verbunden sind. Ein 15-GW-Laser ist eine bedeutende Bestie. Das ist etwa eine Größenordnung mehr Leistung als der Drei-Schluchten-Staudamm in China, das derzeit leistungsstärkste Kraftwerk der Welt.
Während einige der Technologien hinter dieser Idee kurz- bis mittelfristig machbar erscheinen, gibt es einige, die es nicht sind, insbesondere das Laserantriebssystem. Auch die Kosten oder der Zeitplan scheinen nicht vollständig in der realen Welt verankert zu sein.
Dennoch sagen Hein und Co., dass ihr Bericht von einem Starttermin irgendwo zwischen 2025 und 2035 ausgeht.
Der vielleicht bedeutendste Mangel dieser Mission ist der wissenschaftliche Nutzen. Das Versprechen hier sind ein paar Smartphone-Bilder von Proxima Centauri oder seinen Schwestersternen im Alpha-Centauri-System.
Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass diese Bilder keine hohe Qualität haben und überhaupt nichts zeigen, am allerwenigsten Proxima Centauri b. Aller Voraussicht nach werden wir mit Weltraumteleskopen in unserem eigenen Sonnensystem, wie dem James-Webb-Teleskop, wahrscheinlich schneller bessere Bilder von diesem Exoplaneten machen können.
Aber das soll den Abenteuergeist dieser Mission schmälern. Und deshalb wäre es unklug, es auszuschließen.
Ein neuer Wettlauf im Weltraum heizt sich auf, während private Raumfahrtunternehmen um den Zugang zum Orbit kämpfen. Die Ziele, die sie am deutlichsten im Visier haben, sind: Menschen in die Umlaufbahn zu schicken, sie um den Mond herum, in der Nähe von Asteroiden und vielleicht auf sie zu schicken. Darüber hinaus gibt es Mars.
Aber für ein aufstrebendes Weltraumunternehmen, das sich einen Namen machen möchte, könnten Proxima Centauri und seine Schwesterstars ein herausforderndes Angebot machen. Hein und Co drücken ganz sicher die Daumen.
Ref: arxiv.org/abs/1708.03556 : Die Andromeda-Studie: Eine Femto-Raumschiff-Mission nach Alpha Centauri