In Starshot steckt der kühne Plan, winzige Schiffe nach Alpha Centauri zu schießen

Foto von Philip Lubin, der am Strand spaziert Michelle Großkopf

Raumschiffkonferenzen ziehen ein hoffnungsvolles Publikum an: Forscher, Erfinder und Bastler, die von der Idee begeistert sind, Raumfahrzeuge zu bauen, die zwischen Sternensystemen fliegen können. Die Aufregung bei diesen Zusammenkünften kann einem das Gefühl geben, dass alles möglich ist – aber auch, als wäre nichts möglich. Viele der vorgeschlagenen Schemata sind zu vage und weisen fast immer zu viele technologische Lücken auf, die es zu füllen gilt.

Im Jahr 2015 betrat Philip Lubin, ein Kosmologe von der University of California, Santa Barbara, die Bühne des 100-Year Starship Symposiums in Santa Clara. Er skizzierte seinen Plan, einen Laser zu bauen, der so stark ist, dass er winzige Raumschiffe auf 20 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und sie in nur 20 Jahren nach Alpha Centauri bringen könnte. Wir könnten innerhalb einer Generation zu interstellaren Entdeckern werden. Es war ein ziemlicher Haken.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2019

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Weil Lubin ein ausgezeichneter öffentlicher Redner ist und weil die zugrunde liegenden Technologien bereits existierten und weil die Wissenschaft solide war, wurde er nach dem Vortrag gemobbt. Er traf auch zum ersten Mal Pete Worden, einen ehemaligen Forschungsdirektor des Ames Research Center der NASA. Worden hatte kürzlich die Leitung der Breakthrough Initiatives übernommen, einem gemeinnützigen Programm, das vom russischen Technologie-Milliardär Yuri Milner finanziert wurde. Sechs Monate später wurde Lubins Projekt mit 100 Millionen Dollar von Breakthrough und der Unterstützung von Stephen Hawking finanziert, der es als den nächsten großen Sprung in den Kosmos bezeichnete.

Starshot ist zumindest theoretisch unkompliziert. Bauen Sie zunächst eine riesige Reihe von mäßig leistungsstarken Lasern. Verbinden Sie sie miteinander – was als Phase Lock bezeichnet wird – um einen einzelnen Strahl mit bis zu 100 Gigawatt Leistung zu erzeugen. Richten Sie den Strahl auf stark reflektierende Lichtsegel, die an Raumfahrzeugen befestigt sind, die weniger als ein Gramm wiegen und sich bereits im Orbit befinden. Schalten Sie den Strahl für ein paar Minuten ein, und der Photonendruck jagt das Raumschiff auf relativistische Geschwindigkeiten.

In Lubins Labor an der UC Santa Barbara untersucht die Gruppe für experimentelle Kosmologie das frühe Universum. Die Kombination von Lubins Forschung in gerichteter Energie mit anderen Leidenschaften wie Antrieb hat Starshot geholfen, sich zu entfalten. Frau Tech / Originalfotos: Michelle Groskopf

Eine solche Technologie könnte nicht nur verwendet werden, um Sensoren zu einem anderen Sternensystem zu senden; Es könnte größere Raumschiffe zu den Nachbarplaneten und Monden der Erde schicken. Stellen Sie sich ein Paket zum Mars in wenigen Tagen oder eine bemannte Mission zum Mars in einem Monat vor. Starshot verkleinert effektiv das Sonnensystem und letztendlich die Galaxie.

Es ist fantastisch. Und auch ein Traum. Oder ein Verkaufsgespräch. Oder ein langfristiges, weit entferntes Projekt, das nicht lange genug aufrechterhalten werden kann, um die nicht vorhandenen Technologien zu bauen, die es erfordert.

Lubin ist ein junger 66er. Er geht schnell, sein dichtes Haar und sein Vollbart sind dunkel. Als ich ihn diesen April in Santa Barbara besuchte, erzählte er mir, dass er ein ernsthafter Junge gewesen sei, der von den Realitäten der Welt gestört worden sei. Er suchte Trost in Mathematik und Naturwissenschaften, weil er sie schön fand. Ich habe die Schule geliebt, erklärt er. Ich habe die ganze Zeit gelernt. Es war wie ein Rückzug für mich: Mit dem Fahrrad in die Bibliothek fahren und Bücher verschlingen.

Trotzdem erwartete er nicht, dass er einen akademischen Weg einschlagen würde – es schien nicht möglich. Seine Familie legte Wert auf Bildung, aber sein litauischer Vater, der als Postbote arbeitete, machte nicht einmal das Abitur. Seine in Russland geborene Mutter war Sekretärin. Ich bin mit der Verinnerlichung aufgewachsen, dass das College für andere Leute ist, sagt er. Nach der Ermutigung durch einen Schulberater in Los Angeles besuchte er jedoch das Community College; die dortigen Lehrer drängten ihn, an die UC Berkeley zu wechseln. Und dort drängten ihn seine Professoren, sich an der Graduate School zu bewerben. Schließlich landete er in Harvard. Wenn ich darauf zurückblicke, sagt er, war ich ein totaler Schwachkopf.

Heute ist Lubin Kosmologe. Während eines Großteils seiner Karriere baute er Geräte zur Messung der Hintergrundstrahlung des Universums, aber seine wissenschaftlichen und technischen Interessen sind vielfältig. Auf einer Verteidigungstechnologie-Konferenz, bei der er über den Einsatz von Lasern zur Verteidigung der Erde gegen Asteroiden und Kometen sprach, kam ihm die Idee zu Starshot.

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Er erzählt mir auch von einer anderen Obsession: Vortrieb. Die meisten Raketen werden heute mit Flüssigtreibstoff betrieben, ähnlich wie damals, als Deutschland im Zweiten Weltkrieg die V2 erfand. Im Vergleich dazu haben die letzten 75 Jahre in der Computertechnik eine Billionenfache Geschwindigkeitssteigerung hervorgebracht. Wäre es nicht schön, wenn der Vortrieb so voranschreiten könnte? sagt Lubin. Die SLS – die superschwere Rakete der NASA, die bereits 12 Milliarden Dollar gekostet hat und immer noch nicht fertig ist – könnte weniger als einen Cent kosten.

Lubins Labore an der UC Santa Barbara verfügen über ein vollgestopftes Lagerhaus, das typisch für experimentelle Physikaufbauten ist: riesige Spulen mit Glasfasern, Gestelle mit Oszilloskopen, Werkzeugkästen, Leiterplatten. Ein Schrank für Lösungsmittel, ein anderer für Snacks.

Als wir durch die Labore gehen, erkennt er schnell an, dass Starshot noch immer vor vielen Herausforderungen steht. Es gibt zum Beispiel keinen Laser, der noch leistungsfähig genug ist, um diese Art des Strahlens durchzuführen. Es gibt keine Lichtsegel, die einen solchen Strahl aufnehmen könnten, ohne ausgelöscht zu werden. Es gibt nicht weniger als ein Gramm große Raumschiffe, die die Reise antreten, und es bleiben Fragen zur Laserversorgung und Laserposition. Und dann sind da noch die ethischen und geopolitischen Implikationen des Baus einer so mächtigen gerichteten Energiequelle. Schließlich könnte es sich auch um eine Waffe handeln.

Am Whiteboard beginnt Postdoktorand Peter Krogan, mich durch die Lösungen für diese Probleme zu führen. Zuerst: Aufbau des Laserarrays.

Michelle Großkopf

Die Herausforderung besteht darin, herauszufinden, wie man die Frequenz von Milliarden von Lasern mit einem Durchmesser von jeweils 10 Zentimetern festlegt und stabilisiert, damit sie zu einem einzigen großen Strahl kombiniert werden können. Durch das Zusammenkoppeln mehrerer Strahlen kann die Stärke des Lasers auf die vorgeschlagenen Werte skaliert werden. Der aktuelle Arbeitsplan des Teams sieht ein am Boden befindliches Array vor, das die Kosten niedriger hält als bei einer Platzierung im Orbit, aber andere Komplikationen hinzufügt – beispielsweise die Überwindung atmosphärischer Störungen. Dazu ist ein am Raumschiff angebrachtes Leuchtfeuer erforderlich, das ein Signal durch die Atmosphäre zurücksendet und die bodengestützten Laser auf ihr Ziel fixieren lässt. Um das Array zu koppeln, arbeitet Krogan an einer verschachtelten Phasenverriegelung, bei der ein kleineres Array synchronisiert wird, bevor die nächste Schicht im Array gesät wird, und so weiter. Wenn dies für zwei Schichten von Lasern funktionieren kann – ihr unmittelbares Forschungsziel – dann könnte es vielleicht auch für die fünf Schichten möglich sein, von denen Simulationen sagen, dass sie für einen 100-Gigawatt-Strahl am besten geeignet sind.

Die zweite große Herausforderung ist das Sonnensegel. Obwohl es das Konzept schon seit Jahrzehnten gibt, wurde es erst 2010 erfolgreich eingesetzt, als das japanische Raumschiff Ikaros während seiner Mission um die Sonne ein 14 Meter (46 Fuß) großes Segel testete. Aber ein Segel, das dem sanften Druck von Sonnenphotonen standhalten kann, unterscheidet sich drastisch von einem, das dem stärksten Laser standhalten kann, der je gebaut wurde – der Unterschied zwischen einem Aprilnebel, der auf Ihr Gesicht trifft, und einem Schlag von einem Feuerwehrschlauch.

Dafür muss das Starshot-Segel extrem robust, aber auch extrem leicht sein. Der Schlüssel, erklärt Krogan, besteht darin, etwas von dieser Kraft durchzulassen: Das Material des Segels muss gleichzeitig transparent und reflektierend sein. Glas ist einer der vielversprechenderen Kandidaten, obwohl seine Eigenschaften angepasst werden müssten, um die perfekte Mischung aus Reflexionsvermögen und Transparenz zu erreichen. Das ideale Material muss noch erfunden werden, aber es gibt einige vielversprechende Fortschritte, sagt Krogan.

Prashant Srinivasan gehört zu denjenigen, die an lasergetriebenen Raumfahrzeugen im Wafermaßstab arbeiten, von denen die Gruppe hofft, dass sie Alpha Centauri in einer Generation erreichen könnten. Michelle Großkopf

Die dritte große Herausforderung ist der Bau des winzigen Raumfahrzeugs. Die kleinsten Objekte, die derzeit die Erde umkreisen, sind CubeSats mit einer Seitenlänge von 10 Zentimetern und einem Gewicht von etwa einem Kilogramm. Lubins Team möchte das gesamte Fahrzeug auf die Größe eines Mikrochips schrumpfen – was sie Wafer-Scale nennen. Sie haben Prototypen auf die Größe eines Streichholzbriefchens und sogar eines Viertels miniaturisiert. Aber ihre besten Arbeitsmodelle wiegen derzeit etwa 100 Gramm, immer noch 100-mal zu schwer für die Alpha Centauri-Mission. Zu den Hindernissen gehören die Integration von Elektronik und Photonik, die Fähigkeit, der Strahlung im Weltraum standzuhalten, die Verkleinerung der Stromversorgung, die Entwicklung eines ultrakleinen Bordtriebwerks … die Liste geht weiter.

Aber während die technischen Herausforderungen real sind, besteht der Hauptunterschied zwischen Starshot und vielen anderen interstellaren Projekten darin, dass es keine neue Physik oder sogar grundlegend neue Technologien erfordert. Als Lubin die Idee entwickelte, schickte er die Details zur Rückmeldung an Kollegen. Sie waren Leute, die es in Stücke reißen würden, sagt er. Die Leute, die keine Gefangenen machen und keine Gnade haben und sich völlig wohl dabei fühlen zu sagen: „Du Idiot!“ … Ich sagte: „Bitte zerstöre das, weil ich es leid bin, daran zu arbeiten.“ Am Ende sagten alle, mit denen ich sprach , 'Nun, es sollte funktionieren.'

Als die technischen Experten von Breakthrough das Konzept überprüften, war der Umriss solide. Worden war aufgeregt. Wir waren alle davon überzeugt, dass dies die erste wirklich plausible interstellare Technologie war, die wir in unserem Leben machen könnten und die erschwinglich wäre, sagt er.

Und auch wenn nicht alle Probleme gelöst werden, lohnt es sich, einige davon zu lösen, sagt er. Beispielsweise wäre die Entwicklung eines voll funktionsfähigen Raumfahrzeugs, das weniger als ein Gramm wiegt, eine große Revolution. Cubesats wurden bis vor wenigen Jahren von vielen abgelehnt; jetzt gibt es Konstellationen von ihnen. Chipsats, sagt er, werden bald ausgereift sein und Wissenschaft und Kommunikation revolutionieren. Kostengünstige, effiziente Laserarrays könnten nützlich sein, um beispielsweise Weltraumschrott aus dem Weg zu räumen. Und Fortschritte bei Lichtsegeln würden es Raumfahrzeugen im Mikromaßstab innerhalb unseres eigenen Sonnensystems ermöglichen, andere Planeten in Monaten statt in Jahren zu erreichen. Das wird unser Verständnis von Objekten in unserem Sonnensystem und der Suche nach Leben verändern, sagt Worden. Und kommerziell wird es bei der Suche nach Weltraumressourcen enorm wertvoll sein.

Es gibt jedoch ein Problem, das nicht durch Technologie gelöst werden kann: Geopolitik. Laser würden helfen, Sonnensegel anzutreiben, sagt Joan Johnson-Freese, Professorin für nationale Sicherheitsangelegenheiten am US Naval War College, die auch im Breakthrough Board sitzt. Aber wenn Sie anfangen, über das Abfeuern von Lasern zu sprechen, werden die Leute sehr nervös.

Sie schlägt vor, dass internationale Vereinbarungen wahrscheinlich die breiteste und vorteilhafteste Nutzung eines so leistungsstarken Lasers sicherstellen würden. Und das militärische Potenzial des Weltraums ist nicht neu: Heute gilt alles, was China im Weltraum tut, als Dual-Use. Dasselbe gelte für die USA, sagt sie. China könnte alles, was wir tun, als Bedrohung interpretieren.

Ein Weg nach vorne könnte darin bestehen, die Exploration zu demokratisieren. Historisch gesehen haben die USA und andere Supermächte den Weltraum dominiert, aber Starshot könnte ihn für Länder öffnen, die keinen Zugang haben. Eine Nation, die eine Chipsat-Flotte auf den Markt brachte, konnte auf Kommunikations-, Erkundungs- und kommerzielle Aufklärung zugreifen, die zuvor unerschwinglich waren. Es ist ein seltenes Projekt mit so großen technologischen, wissenschaftlichen, kommerziellen und geopolitischen Auswirkungen.

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Es erfordert sorgfältiges Nachdenken, aber auch Transparenz und auf lange Sicht möglicherweise internationale Zusammenarbeit und Gespräche, sagt Lubin. Glücklicherweise haben wir etwas Zeit, weil wir in absehbarer Zeit nicht bereitstellen.

Wann wird Starshot realisiert? Ein Ziel ist es, bis 2061, dem 100. Jahrestag von Yuri Gagarins bahnbrechendem Orbitalflug, Sonden nach Alpha Centauri zu bringen. Das ist noch ein langer Weg, mit ziemlicher Sicherheit jenseits von Lubins Lebzeiten. Er sagt, dass das Projekt nur dann eine Chance haben wird, wenn die Leute erkennen, dass es auf Meilensteinen basiert, ein Roadtrip mit vielen Punkten auf dem Weg.

Aber dieser lange Horizont bedeutet, dass es Geld brauchen wird. Die Beiträge der NASA liefen dieses Jahr aus. Anderes Geld stammt von einem anonymen Philanthropen. Und bisher muss die Finanzierung von Breakthrough noch eintreffen.

Wir sind eine neue Organisation und befinden uns noch in der Startphase, sagt Worden und verspricht, dass das Geld kommen wird, sobald die Verhandlungen zwischen Universitäten, Auftragnehmern und Aufsichtsbehörden abgeschlossen sind.

Es ist ein Rätsel, aber Lubin hat keine Angst vor ein wenig Komplexität. Genau darum geht es bei diesem ganzen Unterfangen. Dies ist nicht nur eine Einwegtechnologie, sagt er. Es sind nicht nur Waffeln zu den Sternen. Es sind CubeSats nach Europa oder Menschen schnell zum Mars oder die Fähigkeit, ein Raumschiff in geringer Höhe länger im Orbit zu halten oder den Planeten vor externen Bedrohungen wie Asteroiden zu schützen. Wenn Sie die ganze Breite dieser Technologie nicht verstehen, verpassen Sie die Schönheit der Transformation, die sie ermöglicht.

Kate Greene ist Essayistin, Dichterin und ehemalige Laserphysikerin.

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