Es ist schwer, in einem relativistischen Universum zu leben, in dem selbst die nächsten Sterne so weit entfernt sind und die Lichtgeschwindigkeit absolut ist. Es ist daher kein Wunder, warum Science-Fiction-Franchise-Unternehmen FTL (Faster-than-Light) routinemäßig als Plotgerät einsetzen. Drücken Sie einen Knopf, drücken Sie ein Pedal, und dieses ausgefallene Antriebssystem - dessen Funktionsweise niemand erklären kann - wird uns in der Raumzeit an einen anderen Ort schicken.
In den letzten Jahren ist die wissenschaftliche Gemeinschaft jedoch verständlicherweise aufgeregt und skeptisch gegenüber Behauptungen geworden, dass ein bestimmtes Konzept - der Alcubierre Warp Drive - tatsächlich machbar sein könnte. Dies war das Thema einer Präsentation auf dem diesjährigen American Institute of Aeronautics and Astronautics Propulsion and Energy Forum, das vom 19. bis 22. August in Indianapolis stattfand.
Diese Präsentation wurde von Joseph Agnew durchgeführt - einem Diplomingenieur und Forschungsassistenten der Universität von Alabama im Propulsion Research Center (PRC) von Huntsville. Im Rahmen einer Sitzung mit dem Titel „Die Zukunft des nuklearen und bahnbrechenden Antriebs“ teilte Agnew die Ergebnisse einer von ihm durchgeführten Studie mit dem Titel „Eine Untersuchung der Warp-Theorie und -Technologie zur Bestimmung des Standes der Technik und der Machbarkeit“ mit.
Wie Agnew einem überfüllten Haus erklärte, ist die Theorie hinter einem Kettantriebssystem relativ einfach. Ursprünglich vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre im Jahr 1994 vorgeschlagen, wird dieses Konzept für ein FTL-System vom Menschen als hoch theoretische (aber möglicherweise gültige) Lösung für die Einstein-Feldgleichungen angesehen, die beschreiben, wie Raum, Zeit und Energie in unserem Universum interagieren.
Für Laien bedeutet der Alcubierre Drive eine FTL-Fahrt, indem er das Raum-Zeit-Gefüge in einer Welle streckt, wodurch sich der Raum vor ihm zusammenzieht, während sich der Raum dahinter ausdehnt. Theoretisch könnte ein Raumschiff innerhalb dieser Welle diese „Warp-Blase“ reiten und Geschwindigkeiten erreichen, die über die Lichtgeschwindigkeit hinausgehen. Dies ist die sogenannte „Alcubierre-Metrik“.
Im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie interpretiert, würde das Innere dieser Warp-Blase den Trägheitsreferenzrahmen für alles in ihr bilden. Aus dem gleichen Grund können solche Blasen in einem zuvor flachen Bereich der Raumzeit auftreten und die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Da sich das Schiff nicht durch die Raumzeit bewegt (sondern durch die Raumzeit selbst), würden herkömmliche relativistische Effekte (wie die Zeitdilatation) nicht angewendet.
Kurz gesagt, die Alcubierre-Metrik ermöglicht FTL-Reisen, ohne die Relativitätsgesetze im herkömmlichen Sinne zu verletzen. Wie Agnew dem Space Magazine per E-Mail mitteilte, war er bereits in der High School von diesem Konzept inspiriert und verfolgt es seitdem:
„Ich beschäftigte mich mehr mit Mathematik und Naturwissenschaften und begann infolgedessen, mich für Science-Fiction und fortgeschrittene Theorien auf technischer Ebene zu interessieren. Ich fing an, Star Trek, die Originalserie und The Next Generation zu sehen, und bemerkte, wie sie die Erfindung von Handys, Tablets und anderen Annehmlichkeiten vorhergesagt oder inspiriert hatten. Ich dachte über einige der anderen Technologien nach, wie Photonentorpedos, Phaser und Warpantrieb, und versuchte zu untersuchen, was die "Star Trek Science" und das "Real World Science Equivalent" dazu zu sagen hatten. Ich bin dann auf das Originalpapier von Miguel Alcubierre gestoßen, und nachdem ich es eine Weile verdaut hatte, begann ich, andere Schlüsselwörter und Papiere zu verfolgen und tiefer in die Theorie einzusteigen. “
Während das Konzept allgemein als völlig theoretisch und hochspekulativ abgetan wurde, wurde ihm in den letzten Jahren neues Leben eingehaucht. Der Verdienst dafür geht größtenteils an Dr. Harold "Sonny" White, den Leiter des Advanced Propulsion Team im Advanced Propulsion Physics Laboratory des NASA Johnson Space Center (auch bekannt als "Eagleworks Laboratory").
Während des 100-jährigen Starship-Symposiums 2011 teilte Dr. White einige aktualisierte Berechnungen der Alcubierre-Metrik mit, die Gegenstand einer Präsentation mit dem Titel „Warp Field Mechanics 101“ (und einer gleichnamigen Studie) waren. Laut Dr. White war Alcubierres Theorie solide, musste jedoch ernsthaft getestet und weiterentwickelt werden. Seitdem machen er und seine Kollegen genau diese Dinge über das Eagleworks Lab.
In ähnlicher Weise hat Agnew einen Großteil seiner akademischen Karriere damit verbracht, die Theorie und Mechanik der Kettmechanik zu erforschen. Unter der Leitung von Dr. Jason Cassibry, einem außerordentlichen Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Fakultätsmitglied des Antriebsforschungszentrums der UAH, hat Agnews Arbeit in einer Studie gipfelt, die sich mit den großen Hürden und Chancen der Forschung in der Kettmechanik befasst.
Wie Agnew berichtete, ist eines der größten die Tatsache, dass das Konzept des „Warp-Antriebs“ in wissenschaftlichen Kreisen immer noch nicht sehr ernst genommen wird:
“Nach meiner Erfahrung führt die Erwähnung des Warp-Antriebs dazu, dass das Gespräch kichert, weil es so theoretisch und direkt aus der Science-Fiction stammt. Tatsächlich wird es oft mit abweisenden Bemerkungen beantwortet und als Beispiel für etwas völlig Außergewöhnliches verwendet, was verständlich ist. Ich weiß, dass ich es in meinem Fall zunächst mental in dieselbe Kategorie wie typische überleuchtende Konzepte eingeteilt hatte, da sie offensichtlich alle gegen die Annahme „Lichtgeschwindigkeit ist die ultimative Geschwindigkeit“ verstoßen. Erst als ich mich eingehender mit der Theorie befasste, wurde mir klar, dass sie diese Probleme nicht hatte. Ich denke, es würde / wird viel mehr Interesse geben, wenn sich Einzelpersonen mit den erzielten Fortschritten befassen. Die historisch theoretische Natur der Idee ist auch selbst eine wahrscheinliche Abschreckung, da es viel schwieriger ist, wesentliche Fortschritte zu sehen, wenn Sie Gleichungen anstelle quantitativer Ergebnisse betrachten.“
Während das Feld noch in den Kinderschuhen steckt, gab es in jüngster Zeit eine Reihe von Entwicklungen, die geholfen haben. Zum Beispiel die Entdeckung natürlich vorkommender Gravitationswellen (GWS) durch LIGO-Wissenschaftler im Jahr 2016, die sowohl eine Vorhersage von Einstein vor einem Jahrhundert bestätigten als auch beweisen, dass die Grundlage für den Warp-Antrieb in der Natur liegt. Wie Agnew angedeutet hat, ist dies vielleicht die bedeutendste Entwicklung, aber nicht die einzige:
“In den letzten fünf bis zehn Jahren wurden viele hervorragende Fortschritte erzielt, um die erwarteten Auswirkungen des Antriebs vorherzusagen, zu bestimmen, wie man ihn ins Leben rufen kann, grundlegende Annahmen und Konzepte zu stärken und meinen persönlichen Favoriten Möglichkeiten, die Theorie in einem Labor zu testen.
„Die LIGO-Entdeckung vor einigen Jahren war meiner Meinung nach ein großer Fortschritt in der Wissenschaft, da sie experimentell bewiesen hat, dass sich die Raumzeit in Gegenwart enormer Gravitationsfelder 'verziehen' und biegen kann, und dies breitet sich über die gesamte Welt aus Universum auf eine Weise, die wir messen können. Früher war man sich einig, dass dies dank Einstein wahrscheinlich der Fall war, aber wir wissen es jetzt mit Sicherheit. “
Da das System auf der Erweiterung und Komprimierung der Raumzeit beruht, sagte Agnew, zeigte diese Entdeckung, dass einige dieser Effekte auf natürliche Weise auftreten. "Jetzt, da wir wissen, dass der Effekt real ist, lautet die nächste Frage in meinem Kopf: Wie studieren wir ihn und können wir ihn selbst im Labor erzeugen?", Fügte er hinzu. "So etwas wäre natürlich eine enorme Investition von Zeit und Ressourcen, aber von großem Vorteil."
Natürlich erfordert das Warp Drive-Konzept zusätzliche Unterstützung und zahlreiche Fortschritte, bevor experimentelle Forschung möglich sein wird. Dazu gehören Fortschritte in Bezug auf den theoretischen Rahmen sowie technologische Fortschritte. Wenn diese Probleme als „mundgerechte“ Probleme behandelt werden, anstatt als eine große Herausforderung, so Agnew, dann werden mit Sicherheit Fortschritte erzielt:
„Für einen Warp-Antrieb ist im Wesentlichen eine Möglichkeit erforderlich, die Raumzeit nach Belieben und auf lokale Weise zu erweitern und zu verkleinern, z. B. um ein kleines Objekt oder ein Schiff herum. Wir wissen mit Sicherheit, dass sehr hohe Energiedichten, beispielsweise in Form von EM-Feldern oder Massen, eine Krümmung in der Raumzeit verursachen können. Bei unserer aktuellen Analyse des Problems sind jedoch enorme Mengen erforderlich. “
„Auf der anderen Seite sollten die technischen Bereiche versuchen, die Ausrüstung und den Prozess so weit wie möglich zu verfeinern, um diese hohen Energiedichten plausibler zu machen. Ich glaube, es besteht die Möglichkeit, dass der Effekt, sobald er im Labormaßstab dupliziert werden kann, zu einem viel tieferen Verständnis der Funktionsweise der Schwerkraft führt und die Tür zu einigen noch unentdeckten Theorien oder Lücken öffnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die größte Hürde die Energie ist, und damit verbunden sind technologische Hürden, die größere EM-Felder, empfindlichere Geräte usw. erfordern.“
Die schiere Menge an positiver und negativer Energie, die zur Erzeugung einer Warpblase benötigt wird, bleibt die größte Herausforderung, die mit dem Konzept von Alcubierre verbunden ist. Derzeit glauben Wissenschaftler, dass die einzige Möglichkeit, die zur Erzeugung der Blase erforderliche negative Energiedichte aufrechtzuerhalten, exotische Materie ist. Wissenschaftler schätzen auch, dass der Gesamtenergiebedarf der Masse des Jupiter entspricht.
Dies stellt jedoch einen signifikanten Rückgang gegenüber früheren Energieeinschätzungen dar, bei denen behauptet wurde, dass eine Energiemasse benötigt würde, die dem gesamten Universum entspricht. Trotzdem ist eine Jupiter-Massenmenge an exotischer Materie immer noch unerschwinglich groß. In dieser Hinsicht müssen noch erhebliche Fortschritte erzielt werden, um den Energiebedarf auf etwas Realistischeres zu reduzieren.
Der einzig absehbare Weg, dies zu tun, sind weitere Fortschritte in der Quantenphysik, der Quantenmechanik und den Metamaterialien, sagt Agnew. Was die technische Seite betrifft, müssen weitere Fortschritte bei der Herstellung von Supraleitern, Interferometern und Magnetgeneratoren erzielt werden. Und natürlich gibt es das Thema Finanzierung, das immer eine Herausforderung darstellt, wenn es um Konzepte geht, die als „da draußen“ gelten.
Aber wie Agnew feststellt, ist dies keine unüberwindliche Herausforderung. In Anbetracht der bisher erzielten Fortschritte gibt es
“Die Theorie hat bisher bestätigt, dass es sich lohnt, sie zu verfolgen, und es ist jetzt einfacher als zuvor, Beweise dafür zu liefern, dass sie legitim ist. In Bezug auf die Rechtfertigung der Zuteilung von Ressourcen ist es nicht schwer zu erkennen, dass die Fähigkeit, über unser Sonnensystem hinaus, sogar über unsere Galaxie hinaus, zu erforschen, ein enormer Sprung für die Menschheit wäre. Und das technologische Wachstum, das sich aus der Erweiterung der Forschungsgrenzen ergibt, wäre sicherlich von Vorteil. “
Wie Avionik, Nuklearforschung, Weltraumforschung, Elektroautos und wiederverwendbare Raketenverstärker scheint der Alcubierre Warp Drive eines dieser Konzepte zu sein, die sich bergauf kämpfen müssen. Aber wenn diese anderen historischen Fälle Anzeichen dafür sind, kann es irgendwann einen Punkt ohne Wiederkehr passieren und plötzlich völlig möglich erscheinen!
Und angesichts unserer wachsenden Beschäftigung mit Exoplaneten (einem weiteren explodierenden Gebiet der Astronomie) gibt es keinen Mangel an Menschen, die darauf hoffen, Missionen an nahegelegene Sterne zu senden, um nach potenziell bewohnbaren Planeten zu suchen. Und wie die oben genannten Beispiele sicherlich zeigen, ist manchmal alles, was benötigt wird, um den Ball ins Rollen zu bringen, ein guter Schub…
Oberes Bild - “IXS Raumschiff ”. Kredit und ©: Mark Rademaker (2016)
