Wir alle haben diese Frage irgendwann in unserem Leben gestellt: Wie lange würde es dauern, bis wir zu den Sternen reisen? Könnte es innerhalb des eigenen Lebens eines Menschen sein und könnte diese Art des Reisens eines Tages zur Norm werden? Es gibt viele mögliche Antworten auf diese Frage - einige sehr einfach, andere im Bereich der Science-Fiction. Eine umfassende Antwort zu finden bedeutet jedoch, viele Dinge zu berücksichtigen.
Leider wird jede realistische Einschätzung wahrscheinlich zu Antworten führen, die Futuristen und Enthusiasten interstellarer Reisen völlig entmutigen würden. Ob es Ihnen gefällt oder nicht, der Platz ist sehr groß und unsere Technologie ist immer noch sehr begrenzt. Sollten wir jedoch jemals darüber nachdenken, das Nest zu verlassen, haben wir eine Reihe von Möglichkeiten, um zu den nächsten Sonnensystemen in unserer Galaxie zu gelangen.
Der der Erde am nächsten gelegene Stern ist unsere Sonne, ein ziemlich „durchschnittlicher“ Stern in der „Hauptsequenz“ von Hertzsprung - Russell Diagram. Dies bedeutet, dass es sehr stabil ist und der Erde genau die richtige Art von Sonnenlicht bietet, damit sich das Leben auf unserem Planeten entwickeln kann. Wir wissen, dass es Planeten gibt, die andere Sterne in der Nähe unseres Sonnensystems umkreisen, und viele dieser Sterne ähneln unseren eigenen.
Sollte die Menschheit in Zukunft das Sonnensystem verlassen wollen, werden wir eine große Auswahl an Sternen haben, zu denen wir reisen könnten, und viele könnten die richtigen Bedingungen haben, damit das Leben gedeihen kann. Aber wohin würden wir gehen und wie lange würden wir brauchen, um dorthin zu gelangen? Denken Sie daran, dies ist alles spekulativ und es gibt derzeit keinen Benchmark für interstellare Reisen. Davon abgesehen, los geht's!
Nächster Stern:
Wie bereits erwähnt, ist Proxima Centauri der Stern, der unserem Sonnensystem am nächsten kommt. Deshalb ist es am sinnvollsten, zuerst eine interstellare Mission für dieses System zu planen. Als Teil eines Dreifachsternsystems namens Alpha Centauri ist Proxima etwa 4,24 Lichtjahre (oder 1,3 Parsec) von der Erde entfernt. Alpha Centauri ist tatsächlich der hellste der drei Sterne im System - Teil einer eng umlaufenden Binärzahl von 4,37 Lichtjahren von der Erde entfernt -, während Proxima Centauri (die dunkelste der drei) ein isolierter roter Zwerg ist, der etwa 0,13 Lichtjahre von der Binärzahl entfernt ist .
Und während interstellares Reisen alle Arten von Visionen von Faster-Than-Light (FTL) -Reisen hervorruft, von Warp-Geschwindigkeit und Wurmlöchern bis hin zu Sprungantrieben, sind solche Theorien entweder hochspekulativ (wie der Alcubierre Drive) oder ausschließlich die Provinz der Wissenschaft Fiktion. Höchstwahrscheinlich wird jede Weltraummission Generationen brauchen, um dorthin zu gelangen, anstatt einige Tage oder blitzschnell.
Wie lange dauert es also, bis Proxima Centauri erreicht ist, beginnend mit einer der langsamsten Formen der Raumfahrt?
Aktuelle Methoden:
Die Frage, wie lange es dauern würde, um irgendwo im Weltraum anzukommen, ist etwas einfacher, wenn es um vorhandene Technologien und Körper in unserem Sonnensystem geht. Zum Beispiel würde es nur 8 Stunden und 35 Minuten dauern, die Technologie zu nutzen, die die Mission New Horizons antreibt, die aus 16 mit Hydrazin-Monotreibstoff betriebenen Triebwerken bestand.
Auf der anderen Seite gibt es die SMART-1-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die sich die Zeit genommen hat, mit der Methode des Ionenantriebs zum Mond zu reisen. Mit dieser revolutionären Technologie, deren Variation seitdem vom Raumschiff Dawn verwendet wurde, um Vesta zu erreichen, dauerte es ein Jahr, einen Monat und zwei Wochen, bis die SMART-1-Mission den Mond erreichte.
Vom schnellen Raumschiff mit Raketenantrieb bis zum wirtschaftlichen Ionenantrieb haben wir also einige Möglichkeiten, uns im lokalen Raum fortzubewegen - und wir könnten Jupiter oder Saturn für eine heftige Gravitationsschleuder verwenden. Wenn wir jedoch über Missionen nachdenken würden, die etwas weiter entfernt liegen, müssten wir unsere Technologie erweitern und prüfen, was wirklich möglich ist.
Wenn wir mögliche Methoden nennen, sprechen wir von solchen, die vorhandene Technologie beinhalten, oder von solchen, die noch nicht existieren, aber technisch machbar sind. Einige werden, wie Sie sehen werden, altehrwürdig und bewährt sein, während andere auftauchen oder noch im Vorstand sind. In fast allen Fällen stellen sie jedoch ein mögliches (aber äußerst zeitaufwändiges oder teures) Szenario dar, um selbst die nächsten Sterne zu erreichen…
Ionenantrieb:
Derzeit ist der Ionenmotor die langsamste und sparsamste Form des Antriebs. Vor einigen Jahrzehnten galt der Ionenantrieb als Gegenstand der Science-Fiction. In den letzten Jahren hat sich die Technologie zur Unterstützung von Ionenmotoren jedoch stark von der Theorie in die Praxis verlagert. Die SMART-1-Mission der ESA hat beispielsweise ihre Mission zum Mond erfolgreich abgeschlossen, nachdem sie einen 13-monatigen Spiralpfad von der Erde genommen hatte.
SMART-1 verwendete solarbetriebene Ionentriebwerke, bei denen elektrische Energie aus seinen Solarmodulen gewonnen und zur Stromversorgung seiner Hall-Effekt-Triebwerke verwendet wurde. Nur 82 kg Xenon-Treibmittel wurden verwendet, um SMART-1 zum Mond zu treiben. 1 kg Xenon-Treibmittel ergab ein Delta-v von 45 m / s. Dies ist eine hocheffiziente Form des Antriebs, aber keineswegs schnell.
Eine der ersten Missionen, bei denen Ionenantriebstechnologie zum Einsatz kam, war die Deep Space 1 Mission zum Kometen Borrelly, die 1998 stattfand. DS1 verwendete auch einen Xenon-Ionenantrieb, der 81,5 kg Treibmittel verbrauchte. Über 20 Monate Schub gelang es DS1, während des Vorbeiflugs des Kometen eine Geschwindigkeit von 56.000 km / h (35.000 Meilen / h) zu erreichen.
Ionentriebwerke sind daher wirtschaftlicher als Raketentechnologie, da der Schub pro Masseneinheit Treibmittel (a.k.a. spezifischer Impuls) weitaus höher ist. Es dauert jedoch lange, bis Ionentriebwerke Raumfahrzeuge auf große Geschwindigkeiten beschleunigen, und die maximale Geschwindigkeit, die sie erreichen können, hängt von ihrer Kraftstoffversorgung und der Menge an elektrischer Energie ab, die sie erzeugen können.
Wenn also ein Ionenantrieb für eine Mission nach Proxima Centauri verwendet würde, würden die Triebwerke eine riesige Energieerzeugungsquelle (d. H. Atomkraft) und eine große Menge Treibmittel (obwohl immer noch weniger als herkömmliche Raketen) benötigen. Ausgehend von der Annahme, dass eine Zufuhr von 81,5 kg Xenon-Treibmittel eine maximale Geschwindigkeit von 56.000 km / h ergibt (und dass keine anderen Antriebsformen verfügbar sind, wie z. B. eine Gravitationsschleuder, um diese weiter zu beschleunigen), können einige Berechnungen dies gemacht sein.
Kurz gesagt, bei einer Höchstgeschwindigkeit von 56.000 km / h Deep Space 1 würde übernehmen 81.000 Jahre die 4,24 Lichtjahre zwischen der Erde und Proxima Centauri zu durchqueren. Um diese Zeitskala ins rechte Licht zu rücken, wären das über 2.700 menschliche Generationen. Man kann also mit Sicherheit sagen, dass eine interplanetare Ionenmotor-Mission viel zu langsam wäre, um für eine bemannte interstellare Mission in Betracht gezogen zu werden.
Sollten Ionenstrahlruder jedoch größer und leistungsfähiger gemacht werden (dh die Ionenabgasgeschwindigkeit müsste deutlich höher sein) und genügend Treibmittel transportiert werden, um das Raumschiff für die gesamte 4,243-Lichtjahr-Reise am Laufen zu halten, könnte diese Reisezeit erheblich sein reduziert. Immer noch nicht genug, um jemandem zu Lebzeiten zu passieren.
Schwerkraftunterstützungsmethode:
Das schnellste existierende Mittel der Raumfahrt ist als Gravity Assist-Methode bekannt, bei der ein Raumfahrzeug die Relativbewegung (d. H. Die Umlaufbahn) und die Schwerkraft eines Planeten verwendet, um Weg und Geschwindigkeit zu ändern. Gravitationshilfen sind eine sehr nützliche Raumfahrttechnik, insbesondere wenn die Erde oder ein anderer massereicher Planet (wie ein Gasriese) für eine Geschwindigkeitssteigerung verwendet wird.
Das Mariner 10 Das Raumschiff war das erste, das diese Methode einsetzte und im Februar 1974 die Anziehungskraft der Venus nutzte, um sie in Richtung Merkur zu schleudern Voyager 1 Die Sonde verwendete Saturn und Jupiter für Gravitationsschleudern, um ihre aktuelle Geschwindigkeit von 60.000 km / h (38.000 Meilen / h) zu erreichen und in den interstellaren Raum zu gelangen.
Es war jedoch das Helios 2 Mission - die 1976 gestartet wurde, um das interplanetare Medium von 0,3 AU bis 1 AU zur Sonne zu untersuchen -, die den Rekord für die höchste Geschwindigkeit hält, die mit einem Schwerkraftassistenten erreicht wird. Damals, Helios 1 (die 1974 ins Leben gerufen wurde) und Helios 2 hielt den Rekord für die nächste Annäherung an die Sonne. Helios 2 wurde von einem konventionellen NASA Titan / Centaur-Trägerraketen gestartet und in eine hochelliptische Umlaufbahn gebracht.
Aufgrund der großen Exzentrizität (0,54) der Sonden-Sonnenbahn (190 Tage) am Perihel Helios 2 konnte eine Höchstgeschwindigkeit von über 240.000 km / h (150.000 Meilen / h) erreichen. Diese Umlaufgeschwindigkeit wurde allein durch die Anziehungskraft der Sonne erreicht. Technisch gesehen ist die Helios 2 Die Perihelgeschwindigkeit war keine Gravitationsschleuder, sondern eine maximale Umlaufgeschwindigkeit, aber sie hält immer noch den Rekord, das schnellste künstliche Objekt zu sein, unabhängig davon.
Also, wenn Voyager 1 Wenn ich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60.000 km / h in Richtung des Roten Zwergs Proxima Centauri unterwegs war, würde es 76.000 Jahre (oder mehr als 2.500 Generationen) dauern, um diese Strecke zurückzulegen. Aber wenn es die Rekordgeschwindigkeit von erreichen könnte Helios 2Die Annäherung der Sonne an die Sonne - eine konstante Geschwindigkeit von 240.000 km / h - würde es dauern 19.000 Jahre (oder über 600 Generationen), um 4.243 Lichtjahre zu reisen. Deutlich besser, aber immer noch nicht im Bereich der Praktikabilität.
Elektromagnetischer (EM) Antrieb:
Ein weiteres vorgeschlagenes Verfahren für die interstellare Bewegung ist das Hochfrequenz-Resonanzstrahlruder (RF), das auch als EM-Antrieb bezeichnet wird. Ursprünglich im Jahr 2001 von Roger K. Shawyer vorgeschlagen, einem britischen Wissenschaftler, der Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) gegründet hat, um dies zu verwirklichen, basiert dieser Antrieb auf der Idee, dass elektromagnetische Mikrowellenhohlräume die direkte Umwandlung elektrischer Energie in Schub ermöglichen können .
Während herkömmliche elektromagnetische Triebwerke so ausgelegt sind, dass sie eine bestimmte Art von Masse (wie ionisierte Partikel) antreiben, beruht dieses spezielle Antriebssystem auf keiner Reaktionsmasse und sendet keine gerichtete Strahlung aus. Ein solcher Vorschlag stieß auf große Skepsis, vor allem, weil er gegen das Gesetz der Impulserhaltung verstößt - das besagt, dass innerhalb eines Systems die Impulsmenge konstant bleibt und weder erzeugt noch zerstört wird, sondern sich nur durch die Wirkung von ändert Kräfte.
Jüngste Experimente mit dem Design haben jedoch offensichtlich positive Ergebnisse erbracht. Im Juli 2014 gaben Forscher aus der fortgeschrittenen Antriebsforschung der NASA auf der 50. gemeinsamen AIAA / ASME / SAE / ASEE-Antriebskonferenz in Cleveland, Ohio, an, ein neues Design für einen elektromagnetischen Antrieb erfolgreich getestet zu haben.
Dies wurde im April 2015 weiterverfolgt, als Forscher von NASA Eagleworks (Teil des Johnson Space Center) behaupteten, sie hätten das Laufwerk erfolgreich im Vakuum getestet, ein Hinweis darauf, dass es tatsächlich im Weltraum funktionieren könnte. Im Juli desselben Jahres baute ein Forschungsteam der Abteilung Raumfahrtsystem der Technischen Universität Dresden eine eigene Version des Motors und beobachtete einen nachweisbaren Schub.
Im Jahr 2010 veröffentlichte Prof. Juan Yang von der Northwestern Polytechnical University in Xi'an, China, eine Reihe von Artikeln über ihre Forschungen zur EM Drive-Technologie. Dies gipfelte in ihrer Arbeit von 2012, in der sie über eine höhere Eingangsleistung (2,5 kW) und getestete Schubwerte (720 mN) berichtete. 2014 berichtete sie weiter über umfangreiche Tests mit internen Temperaturmessungen mit eingebetteten Thermoelementen, die zu bestätigen schienen, dass das System funktionierte.
Nach Berechnungen basierend auf dem NASA-Prototyp (der eine Leistungsschätzung von 0,4 N / Kilowatt ergab) könnte ein mit dem EM-Antrieb ausgestattetes Raumschiff die Reise nach Pluto in weniger als 18 Monaten antreten. Dies ist ein Sechstel der Zeit, die die New Horizons-Sonde brauchte, um dorthin zu gelangen, die mit einer Geschwindigkeit von fast 58.000 km / h unterwegs war.
Klingt beeindruckend. Aber selbst bei dieser Geschwindigkeit würde ein mit EM-Motoren ausgestattetes Schiff übernommen werden 13.000 Jahre damit das Schiff es nach Proxima Centauri schafft. Näher kommen, aber nicht schnell genug! und bis sich herausstellt, dass Technologie definitiv funktioniert, macht es wenig Sinn, unsere Eier in diesen Korb zu legen.
Nuklearer thermischer / nuklearer elektrischer Antrieb (NTP / NEP):
Eine andere Möglichkeit für den interstellaren Raumflug ist die Verwendung von Raumfahrzeugen mit Atomtriebwerken, ein Konzept, das die NASA seit Jahrzehnten erforscht. In einer NTP-Rakete (Nuclear Thermal Propulsion) werden Uran- oder Deuteriumreaktionen verwendet, um flüssigen Wasserstoff in einem Reaktor zu erhitzen und ihn in ionisiertes Wasserstoffgas (Plasma) umzuwandeln, das dann durch eine Raketendüse geleitet wird, um Schub zu erzeugen.
Bei einer NEP-Rakete (Nuclear Electric Propulsion) wandelt derselbe Basisreaktor seine Wärme und Energie in elektrische Energie um, die dann einen Elektromotor antreiben würde. In beiden Fällen würde die Rakete eher auf Kernspaltung oder -fusion als auf chemische Treibmittel angewiesen sein, was bisher die Hauptstütze der NASA und aller anderen Weltraumagenturen war.
Im Vergleich zum chemischen Antrieb bieten sowohl NTP als auch NEC eine Reihe von Vorteilen. Das erste und offensichtlichste ist die praktisch unbegrenzte Energiedichte, die es im Vergleich zu Raketentreibstoff bietet. Darüber hinaus könnte ein kerngetriebener Motor auch einen überlegenen Schub in Bezug auf die Menge des verwendeten Treibmittels liefern. Dies würde die Gesamtmenge des benötigten Treibmittels reduzieren und somit das Startgewicht und die Kosten für einzelne Missionen senken.
Obwohl noch nie kernthermische Motoren geflogen sind, wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere Konstruktionskonzepte gebaut und getestet, und es wurden zahlreiche Konzepte vorgeschlagen. Diese reichten vom traditionellen Festkörperdesign - wie dem Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - bis zu fortschrittlicheren und effizienteren Konzepten, die entweder auf einem Flüssigkeits- oder einem Gaskern beruhen.
Trotz dieser Vorteile in Bezug auf Kraftstoffeffizienz und spezifischen Impuls hat das ausgefeilteste NTP-Konzept einen maximalen spezifischen Impuls von 5000 Sekunden (50 kN · s / kg). Nach Schätzungen von NASA-Wissenschaftlern würde ein Raumschiff, das durch Spaltung oder Fusion angetrieben wird, nur 90 Tage brauchen, um zum Mars zu gelangen, wenn sich der Planet in „Opposition“ befindet - d. H. Bis zu 55.000.000 km von der Erde entfernt.
Bereinigt um eine einfache Fahrt nach Proxima Centauri würde eine Atomrakete jedoch noch Jahrhunderte brauchen, um bis zu dem Punkt zu beschleunigen, an dem sie einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit flog. Es würde dann mehrere Jahrzehnte Reisezeit erfordern, gefolgt von vielen weiteren Jahrhunderten der Verzögerung, bevor es sein Ziel erreicht. Alles in allem reden wir immer noch darüber 1000 Jahre bevor es sein Ziel erreicht. Gut für interplanetare Missionen, nicht so gut für interstellare.
Theoretische Methoden:
Unter Verwendung der vorhandenen Technologie wäre die Zeit, die erforderlich wäre, um Wissenschaftler und Astronauten auf eine interstellare Mission zu schicken, unerschwinglich langsam. Wenn wir diese Reise innerhalb eines einzigen Lebens oder sogar einer Generation machen wollen, wird etwas Radikaleres (auch bekannt als hoch theoretisch) benötigt. Und während Wurmlöcher und Sprungmotoren zu diesem Zeitpunkt noch reine Fiktion sind, gibt es einige ziemlich fortgeschrittene Ideen, die im Laufe der Jahre in Betracht gezogen wurden.
Kernimpulsantrieb:
Der Kernimpulsantrieb ist eine theoretisch mögliche Form der schnellen Raumfahrt. Das Konzept wurde ursprünglich 1946 von Stanislaw Ulam, einem polnisch-amerikanischen Mathematiker, der am Manhattan-Projekt teilnahm, vorgeschlagen. Die vorläufigen Berechnungen wurden dann 1947 von F. Reines und Ulam durchgeführt. Das eigentliche Projekt - bekannt als Project Orion - wurde in initiiert 1958 und dauerte bis 1963.
Unter der Leitung von Ted Taylor von General Atomics und dem Physiker Freeman Dyson vom Institute for Advanced Study in Princeton hoffte Orion, die Kraft gepulster nuklearer Explosionen nutzen zu können, um einen enormen Schub mit sehr hohem spezifischen Impuls (dh die Schubmenge im Vergleich zum Gewicht oder) zu erzielen die Anzahl der Sekunden, die die Rakete kontinuierlich abfeuern kann).
Kurz gesagt, das Orion-Design beinhaltet ein großes Raumschiff mit einem hohen Vorrat an thermonuklearen Sprengköpfen, die einen Antrieb erzielen, indem sie eine Bombe dahinter loslassen und dann die Detonationswelle mit Hilfe eines hinten montierten Pads, eines sogenannten „Drückers“, reiten. Nach jeder Explosion wird die Sprengkraft von diesem Drücker aufgenommen, der den Schub dann in Impuls umwandelt.
Obwohl das Design für moderne Verhältnisse kaum elegant ist, besteht der Vorteil darin, dass es einen hohen spezifischen Impuls erzielt - was bedeutet, dass es die maximale Energiemenge aus seiner Brennstoffquelle (in diesem Fall Atombomben) zu minimalen Kosten extrahiert. Darüber hinaus könnte das Konzept theoretisch sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen, wobei einige Schätzungen eine Ballpark-Zahl von bis zu 5% der Lichtgeschwindigkeit (oder 5,4 × 10) nahe legen7 km / h).
Aber natürlich gibt es die unvermeidlichen Nachteile des Designs. Zum einen wäre der Bau eines Schiffes dieser Größe unglaublich teuer. Nach Schätzungen von Dyson aus dem Jahr 1968 würde ein Orion-Raumschiff, das Wasserstoffbomben zur Erzeugung von Antrieben verwendete, 400.000 bis 4.000.000 Tonnen wiegen. Und mindestens drei Viertel dieses Gewichts bestehen aus Atombomben, bei denen jeder Sprengkopf ungefähr 1 Tonne wiegt.
Insgesamt schätzten Dysons konservativste Schätzungen die Gesamtkosten für den Bau eines Orion-Fahrzeugs auf 367 Milliarden Dollar. Inflationsbereinigt ergibt sich ein Wert von rund 2,5 Billionen US-Dollar, was mehr als zwei Dritteln des aktuellen Jahresumsatzes der US-Regierung entspricht. Daher wäre die Herstellung des Fahrzeugs selbst in seiner leichtesten Form extrem teuer.
Es gibt auch das leichte Problem der gesamten Strahlung, die es erzeugt, ganz zu schweigen von Atommüll. Aus diesem Grund wird angenommen, dass das Projekt aufgrund der Verabschiedung des Vertrags über das Verbot von Teilversuchen von 1963 eingestellt wurde, der darauf abzielte, die Atomtests zu begrenzen und die übermäßige Freisetzung von Atomausfällen in die Atmosphäre des Planeten zu stoppen.
Fusionsraketen:
Eine weitere Möglichkeit im Bereich der Nutzung der Kernenergie sind Raketen, die auf thermonuklearen Reaktionen beruhen, um Schub zu erzeugen. Für dieses Konzept wird Energie erzeugt, wenn Pellets eines Deuterium / Helium-3-Gemisches in einer Reaktionskammer durch Trägheitseinschluss unter Verwendung von Elektronenstrahlen entzündet werden (ähnlich wie in der National Ignition Facility in Kalifornien). Dieser Fusionsreaktor würde 250 Pellets pro Sekunde zur Detonation bringen, um hochenergetisches Plasma zu erzeugen, das dann von einer Magnetdüse geleitet würde, um Schub zu erzeugen.
Wie eine Rakete, die auf einem Kernreaktor basiert, bietet dieses Konzept Vorteile hinsichtlich Brennstoffeffizienz und spezifischem Impuls. Es werden Abgasgeschwindigkeiten von bis zu 10.600 km / s geschätzt, was weit über der Geschwindigkeit herkömmlicher Raketen liegt. Darüber hinaus wurde die Technologie in den letzten Jahrzehnten eingehend untersucht und es wurden viele Vorschläge gemacht.
Beispielsweise führte die British Interplanetary Society zwischen 1973 und 1978 eine Machbarkeitsstudie durch, die als Projekt Daedalus bekannt ist. Ausgehend von den aktuellen Kenntnissen der Fusionstechnologie und der vorhandenen Methoden forderte die Studie die Schaffung einer zweistufigen unbemannten wissenschaftlichen Sonde, die in einem einzigen Leben eine Reise zu Barnards Stern (5,9 Lichtjahre von der Erde entfernt) unternimmt.
Die erste Stufe, die größere der beiden, würde 2,05 Jahre lang betrieben und das Raumschiff auf 7,1% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen (o.071) c). Diese Stufe würde dann abgeworfen. Zu diesem Zeitpunkt würde die zweite Stufe ihren Motor zünden und das Raumschiff auf etwa 12% der Lichtgeschwindigkeit (0,12) beschleunigen c) im Laufe von 1,8 Jahren. Der Motor der zweiten Stufe würde dann abgestellt und das Schiff würde in eine 46-jährige Reiseperiode eintreten.
Nach Schätzungen des Projekts würde die Mission 50 Jahre dauern, um Barnards Stern zu erreichen. Bereinigt um Proxima Centauri könnte das gleiche Fahrzeug die Reise in machen 36 Jahre. Das Projekt identifizierte natürlich auch zahlreiche Stolpersteine, die es mit der damals aktuellen Technologie unmöglich machten - von denen die meisten noch ungelöst sind.
Zum Beispiel gibt es die Tatsache, dass Helium-3 auf der Erde knapp ist, was bedeutet, dass es anderswo abgebaut werden müsste (höchstwahrscheinlich auf dem Mond). Zweitens erfordert die Reaktion, die das Raumschiff antreibt, dass die freigesetzte Energie die zur Auslösung der Reaktion verwendete Energie bei weitem übersteigt. Und während Experimente hier auf der Erde das „Break-Even-Ziel“ übertroffen haben, sind wir noch weit von der Art von Energie entfernt, die für die Stromversorgung eines interstellaren Raumschiffs benötigt wird.
Drittens gibt es den Kostenfaktor für den Bau eines solchen Schiffes. Selbst nach dem bescheidenen Standard des unbemannten Fahrzeugs von Project Daedalus würde ein vollgetanktes Fahrzeug bis zu 60.000 Mt wiegen. Um das in die richtige Perspektive zu rücken: Das Bruttogewicht des SLS der NASA beträgt etwas mehr als 30 Mio. t, und eine einzelne Markteinführung kostet 5 Milliarden US-Dollar (basierend auf Schätzungen aus dem Jahr 2013).
Kurz gesagt, der Bau einer Fusionsrakete wäre nicht nur unerschwinglich teuer. Es würde auch ein Niveau an Fusionsreaktortechnologie erfordern, das derzeit außerhalb unserer Möglichkeiten liegt. Icarus Interstellar, eine internationale Organisation freiwilliger Bürgerwissenschaftler (von denen einige für die NASA oder die ESA arbeiteten), hat seitdem versucht, das Konzept mit Project Icarus wiederzubeleben. Die 2009 gegründete Gruppe hofft, den Fusionsantrieb (unter anderem) in naher Zukunft möglich zu machen.
Fusion Ramjet:
Diese theoretische Antriebsform, auch als Bussard Ramjet bekannt, wurde erstmals 1960 vom Physiker Robert W. Bussard vorgeschlagen. Grundsätzlich handelt es sich um eine Verbesserung gegenüber der Standard-Kernfusionsrakete, bei der mithilfe von Magnetfeldern Wasserstoffbrennstoff bis zur Fusion komprimiert wird tritt ein. Im Fall des Ramjet „schöpft“ ein riesiger elektromagnetischer Trichter Wasserstoff aus dem interstellaren Medium und leitet ihn als Brennstoff in den Reaktor.
Wenn das Schiff an Geschwindigkeit gewinnt, wird die reaktive Masse in ein zunehmend verengtes Magnetfeld gezwungen und komprimiert, bis eine thermonukleare Fusion auftritt. Das Magnetfeld lenkt dann die Energie als Raketenabgas durch eine Motordüse und beschleunigt dadurch das Schiff. Ohne Kraftstofftanks könnte ein Fusions-Ramjet Geschwindigkeiten erreichen, die sich 4% der Lichtgeschwindigkeit nähern, und sich überall in der Galaxie fortbewegen.
Die möglichen Nachteile dieses Entwurfs sind jedoch zahlreich. Zum Beispiel gibt es das Problem des Ziehens. Das Schiff ist auf eine höhere Geschwindigkeit angewiesen, um Treibstoff anzusammeln. Da es jedoch mit immer mehr interstellarem Wasserstoff kollidiert, kann es auch an Geschwindigkeit verlieren - insbesondere in dichteren Regionen der Galaxie. Zweitens sind Deuterium und Tritium (die hier auf der Erde in Fusionsreaktoren verwendet werden) im Weltraum selten, während die Fusion von regulärem Wasserstoff (der im Weltraum reichlich vorhanden ist) außerhalb unserer derzeitigen Methoden liegt.
Dieses Konzept wurde in der Science-Fiction umfassend populär gemacht. Das vielleicht bekannteste Beispiel dafür ist das Franchise von Star Trek, wo „Bussard-Sammler“ die leuchtenden Gondeln von Warp-Motoren sind. In der Realität muss unser Wissen über Fusionsreaktionen jedoch erheblich weiterentwickelt werden, bevor ein Ramjet möglich ist. Wir müssten auch dieses lästige Widerstandsproblem herausfinden, bevor wir über den Bau eines solchen Schiffes nachdenken könnten!
Lasersegel:
Sonnensegel gelten seit langem als kostengünstige Möglichkeit, das Sonnensystem zu erkunden. Sonnensegel sind nicht nur relativ einfach und kostengünstig herzustellen, sondern bieten auch den zusätzlichen Vorteil, dass sie keinen Kraftstoff benötigen. Anstatt Raketen zu verwenden, die Treibmittel benötigen, nutzt das Segel den Strahlungsdruck von Sternen, um große ultradünne Spiegel auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen.
Für den interstellaren Flug müsste ein solches Segel jedoch von fokussierten Energiestrahlen (d. H. Lasern oder Mikrowellen) angetrieben werden, um es auf eine Geschwindigkeit zu bringen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Das Konzept wurde ursprünglich 1984 von Robert Forward vorgeschlagen, der zu dieser Zeit Physiker in den Forschungslabors von Hughes Aircraft war.
Das Konzept behält die Vorteile eines Sonnensegels bei, da es keinen Kraftstoff an Bord benötigt, sondern auch, dass sich die Laserenergie mit der Entfernung nicht annähernd so stark auflöst wie die Sonnenstrahlung. Während ein lasergetriebenes Segel einige Zeit brauchen würde, um auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wäre es nur auf die Lichtgeschwindigkeit selbst beschränkt.
Laut einer 2000 von Robert Frisbee, einem Direktor für fortgeschrittene Antriebskonzeptstudien am Jet Propulsion Laboratory der NASA, erstellten Studie könnte ein Lasersegel in weniger als einem Jahrzehnt auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Er berechnete auch, dass ein Segel mit einem Durchmesser von etwa 320 km Proxima Centauri in etwas mehr erreichen könnte 12 Jahre. In der Zwischenzeit würde ein Segel mit einem Durchmesser von etwa 965 km knapp ankommen 9 Jahre.
Ein solches Segel müsste jedoch aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen hergestellt werden, um ein Schmelzen zu vermeiden. In Kombination mit seiner Größe würde dies einen hübschen Cent ergeben! Noch schlimmer sind die Kosten, die durch den Bau eines Lasers entstehen, der groß und leistungsstark genug ist, um ein Segel auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Laut Frisbees eigener Studie würden die Laser einen konstanten Strom von 17.000 Terawatt Leistung benötigen - nahe dem, was die ganze Welt an einem einzigen Tag verbraucht.
Antimaterie-Motor:
Fans von Science-Fiction haben sicherlich von Antimaterie gehört. Falls Sie dies nicht tun, ist Antimaterie im Wesentlichen ein Material, das aus Antiteilchen besteht, die die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte Ladung wie normale Teilchen haben. Ein Antimaterie-Motor ist eine Form des Antriebs, der Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie nutzt, um Energie zu erzeugen oder Schub zu erzeugen.
Kurz gesagt, bei einem Antimateriemotor werden Wasserstoff- und Antiwasserstoffpartikel zusammengeschlagen. Diese Reaktion setzt so viel Energie frei wie eine thermonukleare Bombe, zusammen mit einem Schauer subatomarer Teilchen, die Pionen und Myonen genannt werden. Diese Teilchen, die sich mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen würden, werden dann von einer Magnetdüse geleitet, um Schub zu erzeugen.
Der Vorteil dieser Raketenklasse besteht darin, dass ein großer Teil der Restmasse eines Materie / Antimaterie-Gemisches in Energie umgewandelt werden kann, wodurch Antimaterie-Raketen eine weitaus höhere Energiedichte und einen höheren spezifischen Impuls aufweisen als jede andere vorgeschlagene Raketenklasse. Darüber hinaus könnte die Steuerung dieser Art von Reaktion eine Rakete möglicherweise auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit bringen.
Pfund für Pfund wäre diese Schiffsklasse die schnellste und sparsamste, die jemals konzipiert wurde. Während herkömmliche Raketen Tonnen chemischen Treibstoff benötigen, um ein Raumschiff an seinen Bestimmungsort zu bringen, könnte ein Antimaterie-Motor mit nur wenigen Milligramm Treibstoff die gleiche Aufgabe erfüllen. Tatsächlich würde die gegenseitige Vernichtung eines halben Pfund Wasserstoff- und Antiwasserstoffpartikels mehr Energie freisetzen als eine 10-Megatonnen-Wasserstoffbombe.
Genau aus diesem Grund NASAs Das Institute for Advanced Concepts (NIAC) hat die Technologie als mögliches Mittel für zukünftige Mars-Missionen untersucht. Leider wird bei der Betrachtung von Missionen zu nahe gelegenen Sternensystemen die Menge an Treibstoff, die für die Reise benötigt wird, exponentiell vervielfacht, und die Kosten für deren Herstellung wären astronomisch (kein Wortspiel!).
Laut einem Bericht, der für die 39. gemeinsame AIAA / ASME / SAE / ASEE-Antriebskonferenz und Ausstellung (ebenfalls von Robert Frisbee) erstellt wurde, würde eine zweistufige Antimaterie-Rakete für die Fahrt über 815.000 Tonnen (900.000 US-Tonnen) Treibstoff benötigen zu Proxima Centauri in ungefähr 40 Jahren. Das ist nicht schlecht, was die Zeitpläne angeht. Aber auch hier sind die Kosten…
Während ein einziges Gramm Antimaterie eine unglaubliche Menge an Energie produzieren würde, würde die Produktion von nur einem Gramm schätzungsweise ungefähr 25 Millionen Milliarden Kilowattstunden Energie erfordern und über eine Billion Dollar kosten. Gegenwärtig beträgt die Gesamtmenge an Antimaterie, die vom Menschen erzeugt wurde, weniger als 20 Nanogramm.
Und selbst wenn wir Antimaterie billig produzieren könnten, bräuchten Sie ein riesiges Schiff, um die benötigte Treibstoffmenge aufzunehmen. Laut einem Bericht von Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby von der Embry-Riddle Aeronautical University in Arizona könnte ein mit einem Antimateriemotor ausgestattetes interstellares Fahrzeug 0,5 Lichtgeschwindigkeit erreichen und Proxima Centauri in etwas mehr erreichen 8 Jahre. Das Schiff selbst würde jedoch 400 Tonnen (441 US-Tonnen) wiegen und 170 Tonnen (187 US-Tonnen) Antimaterietreibstoff für die Reise benötigen.
Ein möglicher Weg, dies zu umgehen, besteht darin, ein Gefäß zu schaffen, das Antimaterie erzeugen kann, die es dann als Brennstoff speichern könnte. Dieses Konzept, bekannt als VARIES (Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System), wurde von Richard Obousy von Icarus Interstellar vorgeschlagen. Basierend auf der Idee des In-situ-Betankens würde ein VARIES-Schiff auf große Laser (angetrieben von riesigen Solaranlagen) angewiesen sein, die beim Abfeuern im leeren Raum Antimaterieteilchen erzeugen würden.
Ähnlich wie das Ramjet-Konzept löst dieser Vorschlag das Problem des Transports von Kraftstoff, indem er ihn aus dem Weltraum nutzt. Aber noch einmal, die bloßen Kosten eines solchen Schiffes wären mit der gegenwärtigen Technologie unerschwinglich teuer. Darüber hinaus sind wir derzeit nicht in der Lage, Antimaterie in großen Mengen zu erzeugen. Es gibt auch die Frage der Strahlung, da die Vernichtung von Materie und Antimaterie Explosionen von energiereichen Gammastrahlen erzeugen kann.
Dies stellt nicht nur eine Gefahr für die Besatzung dar und erfordert eine erhebliche Abschirmung der Strahlung, sondern erfordert auch eine Abschirmung der Motoren, um sicherzustellen, dass sie nicht durch die gesamte Strahlung, der sie ausgesetzt sind, atomar abgebaut werden. Unter dem Strich ist der Antimaterie-Motor mit unserer aktuellen Technologie und im aktuellen Budgetumfeld völlig unpraktisch.
Alcubierre Warp Drive:
Fans von Science-Fiction kennen zweifellos auch das Konzept eines Alcubierre-Laufwerks (oder „Warp“ -Antriebs). Diese 1994 vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre vorgeschlagene Methode war ein Versuch, FTL-Reisen zu ermöglichen, ohne Einsteins Relativitätstheorie zu verletzen. Kurz gesagt, das Konzept beinhaltet das Strecken des Gefüges der Raumzeit in einer Welle, was theoretisch dazu führen würde, dass sich der Raum vor einem Objekt zusammenzieht und der Raum dahinter sich ausdehnt.
Ein Objekt innerhalb dieser Welle (d. H. Ein Raumschiff) könnte dann diese Welle, die als "Warp-Blase" bekannt ist, über relativistische Geschwindigkeiten hinaus reiten. Da sich das Schiff nicht innerhalb dieser Blase bewegt, sondern während der Bewegung mitgeführt wird, gelten die Regeln für Raum-Zeit und Relativitätstheorie nicht mehr. Der Grund dafür ist, dass diese Methode nicht darauf beruht, sich im lokalen Sinne schneller als Licht zu bewegen.
Es ist nur in dem Sinne „schneller als Licht“, dass das Schiff sein Ziel schneller erreichen könnte als ein Lichtstrahl, der sich außerhalb der Warpblase bewegte. Unter der Annahme, dass ein Raumschiff mit einem Alcubierre Drive-System ausgestattet sein könnte, könnte es die Reise nach Proxima Centauri in unternehmen weniger als 4 Jahre. Wenn es also um theoretische interstellare Raumfahrt geht, ist dies zumindest in Bezug auf die Geschwindigkeit die mit Abstand vielversprechendste Technologie.
Natürlich hat das Konzept im Laufe der Jahre einige Gegenargumente erhalten. Das Wichtigste unter ihnen ist die Tatsache, dass die Quantenmechanik nicht berücksichtigt wird und durch eine Theorie von Allem (wie die Schleifenquantengravitation) ungültig gemacht werden könnte. Berechnungen der benötigten Energiemenge haben auch gezeigt, dass ein Warp-Antrieb eine unerschwingliche Energiemenge zum Arbeiten erfordern würde. Weitere Unsicherheiten sind die Sicherheit eines solchen Systems, die Auswirkungen auf die Raumzeit am Bestimmungsort und Verstöße gegen die Kausalität.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
