Wie schnell ist der schnellste Satellit?

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Laserstrahl überträgt Impuls auf riesigen Reflektor

Eine Fernreise schlaucht. Das weiß jeder, der schon mal von Europa nach Amerika geflogen ist. Stundenlang sitzt man eingezwängt in einer kleinen Röhre und kämpft mit der Langeweile. Und gegen die Müdigkeit. Wie müssten sich da erst Astronauten fühlen, die allein für den Hinflug zum Mars ein halbes Jahr bräuchten?

Der Physiker Philip Lubin möchte sich damit nicht abfinden. Gemeinsam mit Kollegen der Experimental Cosmology Group an der University of California in Santa Barbara analysiert er neue Antriebstechnologien. Die Forscher glauben, dass Menschen eines Tages in nur einem Monat bis zum Roten Planeten fliegen könnten - dank leistungsstarker Laser, die das Raumschiff permanent anschieben.

Unbemannte, sehr leichte Sonden sollen so sogar auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen können, auf 75.000 Kilometer pro Sekunde. Zum Vergleich: Das schnellste je gestartete Raumschiff, die Nasa-Sonde "New Horizons", hat die Erde mit gerade mal 16 Kilometern pro Sekunde verlassen. Das ist rund ein Fünftausendstel der Geschwindigkeit, die Philip Lubin mit dem Photonenantrieb für erreichbar hält. Mit großen bemannten Raumschiffen sollten nach seinen Kalkulationen immerhin noch 1000 Kilometer pro Sekunde möglich sein - ein Dreihundertstel der Lichtgeschwindigkeit.

Impuls der Photonen nutzen

Falls es gelänge, solche Photonenantriebe zu bauen, wären Flüge zu anderen Sternen und Planeten außerhalb unseres Sonnensystems denkbar - zumindest mit unbemannten Sonden. Das nächstgelegene Sternensystem Alpha Centauri ist 4,3 Lichtjahre entfernt - eine Sonde bräuchte rund 20 Jahre bis dahin.

"Wir müssen unsere Strategie radikal überdenken oder unseren Traum aufgeben, jemals ferne Sterne erreichen zu können", schreibt Lubin in seinem Aufsatz "A Roadmap to Interstellar Flight". Der Antrieb per Laser sei zwar keinesfalls leicht umzusetzen, aber technologisch machbar.

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Voller Schub: Antriebstechniken für Raumschiffe

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Foto: AP

Gängige Antriebe für Raketen und Raumschiffe nutzen das Rückstoßprinzip. Sie verbrennen Treibstoff und das ausgestoßene Gas sorgt für den nötigen Schub. Auch Ionenantriebe, die bei diversen Sonden und Satelliten bereits eingesetzt werden, nutzen den Impuls ausgestoßenen Materials - nur dass es sich dabei nicht um Verbrennungsprodukte, sondern um Ionen handelt.

Der Laserantrieb funktioniert anders: Um die Erde würden in diesem Fall am besten mehrere leistungsstarke Laser kreisen. Die wären auf das zu beschleunigende Raumschiff ausgerichtet. Dieses müsste sich bereits im Weltall befinden und mit einem riesigen Segel bestückt sein. Das wäre ein Spiegel, der das Laserlicht nahezu vollständig reflektiert. Dabei übertragen die Photonen einen Impuls auf das Segel - und beschleunigen es.

"Ein interessantes Konzept"

Dieses Antriebsprinzip ist als Idee nicht neu. Bei einem Sonnensegel soll ein Raumschiff allein vom Rückstoß der von der Sonne ausgesandten Photonen beschleunigt werden. Allerdings ist der übertragene Impuls sehr klein. Ein wesentlich energiereicherer Laserstrahl, der auf das Segel zielt, kann deutlich mehr Schub erzeugen.

Ein Vorteil der Technologie ist, dass das Antriebssystem nahe der Erde bleibt und nicht im Raumschiff steckt. Das spart Energie, weil deutlich weniger Masse beschleunigt werden muss.

"Das ist ein interessantes Konzept", sagt Stefanos Fasoulas von der Universität Stuttgart. Es sei auch physikalisch möglich, so der Experte für Raumschiffantriebe. "Aber es ist utopisch." Eine der großen Herausforderungen sei die Ausrichtung der Laserstrahlen. "Man muss das Segel ja treffen. Also muss der Strahl ständig nachjustiert werden."

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Ziele außerhalb des Sonnensystems: 4,3 Lichtjahre bis Alpha Centauri

Foto: UCSB Experimental Cosmology Group

Laut Lubins Konzept umkreist die Laserkanone die Erde und müsste deshalb tatsächlich ständig neu ausgerichtet werden, damit der Strahl permanent das Segel trifft. Um einen Dauerbeschuss zu ermöglichen, bräuchte man mehrere solcher Laserkanonen, denn je nach Umlaufbahn und Flugrichtung der Sonde würde die Erde immer wieder eine freie Sicht blockieren. Weil ein einzelner Laserstrahl nicht intensiv genug wäre, müsste die Kanone zudem aus einer Vielzahl einzelner Laser aufgebaut sein.

Riesige Leistung nötig

Das wohl größte Problem bleibt aber der gigantische Energiebedarf der Laserkanonen. Der Stuttgarter Raumfahrtexperte Fasoulas sagt, dass Tausende Kraftwerke im All nötig wären.

Solange es nur um ultraleichte unbemannte Sonden geht, würden laut Lubins Kalkulationen etwa 50 bis 70 Gigawatt ausreichen. Das entspricht freilich immer noch der Leistung von 50 bis 70 Atomkraftwerken. Derart energieintensive Laserstrahlen könnten eine nur wenige Gramm schwere Minisonde dann aber binnen zehn Minuten auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Danach würde die Sonde ohne weiteren Antrieb ungebremst durchs All rasen. Sie wäre nach 30 Minuten am Mars und nach den bereits genannten 20 Jahren bei Alpha Centauri.

Dort angekommen, gäbe es allerdings ein weiteres Problem: Für eine genaue Untersuchung ferner Sterne oder von Exoplaneten, von denen es in einigen Lichtjahren Entfernungen eine ansehnliche Menge gibt, müsste die Sonde scharf bremsen. Denn nur dann könnte sie beispielsweise in eine Umlaufbahn einschwenken. Bremsen aber erfordert wie Beschleunigen auch Energie. Es liefe auf eine Fly-by-Mission hinaus - denn für dieses Problem hat Lubins Team bislang keine Lösung parat.

Zuallererst aber müssten die Physiker Geldgeber finden, um ihr futuristisches Antriebskonzept erst einmal praktisch untersuchen zu können. Letztlich geht es dabei um die Frage, wie viele Milliarden die Menschheit bereit ist zu investieren, um ein paar Gramm Nutzlast zu bislang unerreichbaren Sternen schicken zu können.

Zusammengefasst: Noch ist die Technik kaum mehr als ein Gedankenspiel - aber im Prinzip ließen sich Raumfahrzeuge mithilfe von Laserstrahlen deutlich stärker beschleunigen als das mit bisherigen Antriebstechniken klappt. Extrem leichte Forschungssonden würden den Weg zum Mars so in 30 Minuten hinter sich bringen - und den nächstgelegenen Stern Alpha Centauri in nur 20 Jahren erreichen. Das Problem ist der hohe Energieaufwand für die nötigen Laser, die in der Erdumlaufbahn platziert werden müssten.

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