Probleme der interstellaren Raumfahrt
Bereits vier von Menschen gebaute Maschinen fliegen den Sternen entgegen: Pioneer 10 und 11 sowie Voyager 1 und 2. Die Raumsonden starteten 1972, 1973 und 1977, um die äußeren Planeten zu untersuchen. Längst haben sie die Kreisbahn des äußersten bekannten Planeten, Pluto, hinter sich gelassen und durchqueren den Grenzbereich zum interstellaren Raum. In zehn bis zwanzig Jahren werden sie unser Sonnensystem entgültig verlassen haben.
Fluchtgeschwindigkeit. Um den Anziehungsbereich der Sonne verlassen zu können, muss ein Raumschiff eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen (Fluchtgeschwindigkeit). Je weiter das Raumschiff von der Sonne entfernt ist, desto kleiner ist die Fluchtgeschwindigkeit. In der Entfernung der Erde von der Sonne sind dies 42 km/s. Wenn ein Raumschiff zusammen mit der Erde um die Sonne kreist, hat es bereits die Geschwindigkeit 29,8 km/s. Seine Geschwindigkeit müsste daher, "nur" noch um 12,2 km/s erhöht werden. Die Pioneer- und Voyager Sonden können das Sonnensysten verlassen, da sie sich bei den großen Planeten Schwung geholt haben (Swing-by-Manöver).
Reisezeiten. Die Voyager-Sonden haben die Planeten unseres Sonnensystems gegen Ende der 1980er Jahre hinter sich gelassen. Für diese Strecke, etwa 6 Milliarden km, haben sie 13 Jahre benötigt. Mit ihrer Geschwindigkeit von etwa 17 km/s könnten sie die 4,4 Lichtjahre bis zum nächsten Stern, Alpha Centauri, in etwa 80.000 Jahren schaffen. Allerdings fliegen sie nicht in diese Richtung. 1 Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt: 9.500.000.000.000 Kilometer.
Maßstäblicher Vergleich. Wenn wir in München ein Modell unseres Sonnensystems bauen und den Radius der Plutobahn mit 100 m ansetzen, müssen wir Alpha Centauri 700 km entfernt positionieren, zum Beispiel in Kiel. Die Sonne hat in diesem Modell den Durchmesser 2,3 cm, die Erde 0,2 mm und ein Raumschiff die Länge von vielleicht einem Dutzend Atomen.
| Die nächsten Sterne | |||
| Name | Sternbild | Entfernung | Spektr. |
| Sonne | --- | 0,000016 Lj | G2 |
| Alpha Centauri | Kentaur | 4,4 Lj | G2 |
| Barnards Stern | Schlangen- träger | 6,0 Lj | M5 |
| Wolf 359 | Löwe | 7,6 Lj | M6 |
| Luyten 726-8 | Wahlfisch | 7,9 Lj | M6 |
| Lalande 21185 | Großer Bär | 8,2 Lj | M2 |
| Sirius | Großer Hund | 8,7 Lj | A1 |
| Ross 154 | Schütze | 9,3 Lj | M4 |
| Ross 248 | Andromeda | 10,3 Lj | M6 |
| ε Eridani | Eridanus | 10,8 Lj | K2 |
| [ Lj = Lichtjahr, Spektr. = Spektralklasse ] | |||
Alpha Centauri (α Centauri, Toliman, Rigil Kent) ist ein heller Doppelstern des südlichen Himmels im Sternbild Centaurus (Kentaur), 4,4 Lj entfernt. Nach der Sonne ist dies der nächste Stern. Seine Komponenten A und B umkreisen einander alle 80 Jahre. A und B werden wiederum vom lichtschwachen Proxima Centauri begleitet, der aber gravitativ vermutlich nicht an A und B gebunden ist. α Centauri wird auch als Dreifachstern bezeichnet, und Proxima Centauri als α Centauri C. α Centauri A ist sonnenähnlich (G2), B ist etwas kleiner (K5), C ist ein sehr lichtschwacher Zwergstern (M5) und 4,2 Lj entfernt.
Interstellare Raumfahrt mit schnelleren Raketen?
Mit übliche Raketen können selbst die nächsten Sterne nicht erreicht werden. Die Geschwindigkeiten, die damit erzielt werden können, sind zu klein und die Reisezeiten zu groß wie das obige Beispiel der Voyager-Sonden zeigt. Selbst für Robotersonden wären die Reisezeiten nicht akzeptabel, da solch eine Mission wohl kaum über zehntausende Jahre von Menschen verfolgt würde.
Damit die Reisezeiten insbesondere für Menschen im Bereich von wenigen Jahrzehnten liegen, müssen Geschwindigkeiten von wenigstens 10% Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Alpha Centauri könnte dann in gut 44 Jahren erreicht werden - falls die Triebwerke leistungsstark genug sind, um das Raumschiff samt Treibstoff ausreichend schnell zu beschleunigen und wieder abzubremsen.
Als Antrieb könnte ein Fusionstriebwerk (zumindest prinzipiell) oder besser ein Antimaterie-Triebwerk in Frage kommen.
Materie/Antimaterie liefert etwa 100 Mal mehr Energie als die Kernfusion.
Antimaterie ist der beste Treibstoff, den wir uns heute vorstellen können. Bringt man Materie und Antimaterie zusammen, wandeln sie sich vollständig in Energie um entsprechend der Gleichung
E = mc².
E ist die Energie, m die Materie- + Antimaterie-Masse und c die Lichtgeschwindigkeit.
Wieviel Masse m der Materie/Antimaterie brauchen wir, um ein Raumschiff der Masse M auf 10% Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen? (Bei höheren Geschwindigkeiten nimmt die Masse des Raumschiffs deutlich zu und geht gegen unendlich, wenn man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Entsprechend riesig wäre der Energieaufwand für die Beschleunigung.) Wenn wir die Energie der Materie/Antimaterie mit der kinetischen Energie des Raumschfiffs gleichsetzen erhalten wir
mc² = ½Mv².
Da die Geschwindigkeit des Raumschiffs v = 0,1c sein soll, folgt
m/M = ½v²/c² = 0,005 = 0,5%.
Nach unserer Überschlagsrechnung brauchen wir also 0,5% der Raumschiffmasse als Treibstoff, um auf 0,1c zu beschleunigen. Zum Abbremsen brauchen wir noch einmal die gleiche Menge, also insgesamt 1%. In Wirklichkeit wird unser Antrieb den Treibstoff nicht 100% effektiv in Beschleunigung umsetzen können, Verluste gibt es immer. Daher brauchen wir vielleicht 10% oder 20% Treibstoffmasse. Trotzdem: Prinzipiell ist es demnach möglich, Alpha Centauri in etwa 44 Jahren zu erreichen. Falls außerdem Techniken des "künstlichen Winterschlafs" oder der Lebensverlängerung entwickelt werden könnten, umso besser. Aber bisher gibt es keine Möglichkeit, Antimaterie in nennenswerter Menge zu erzeugen. Und selbst wenn es möglich wäre, müsste die Antimaterie sicher gespeichert werden können. Ein Fehler oder terroristischer Anschlag könnten sonst Millionen Mal die Energie der Hiroshima-Bombe entfesseln. Außerdem: Jahrzehnte in einem kleinen Raumschiff zu leben ist nicht unbedingt erstrebenswert.
Alternativen?
Um die unvorstellbaren Distanzen zwischen den Sternen in akzeptablen Reisezeiten zu überbrücken, müssen völlig neue Lösungsansätze für die folgenden Hauptprobleme gefunden werden.
- Wie kann ein Raumschiff auf nennenswerte Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden oder sogar darüber hinaus?
- Wie kann dabei auf Treibstoff verzichtet werden?
- Wie kann die nötige Energie produziert werden?
