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Abbremsen im Alpha-Centauri-System
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
astronews.com
6. Februar 2017
Im Rahmen der Breakthrough-Starshot-Inititiative sollen
winzige Sonden entwickelt werden, die unseren Nachbarstern Alpha Centauri in nur
zwei Jahrzehnten erreichen können. Zwei deutsche Forscher haben sich nun
Gedanken darüber gemacht, wie man diese Sonden dort auch sinnvoll einsetzen
könnte. Ihr Lösung hat einen Nachteil: Die Reisezeit würde sich merklich
verlängern.
Im Rahmen des Starshot-Projekts soll ein
winziges Raumschiff, angetrieben von einem
riesigen quadratischen Photonensegel, in das
Sternsystem Alpha Centauri fliegen und dort auch
den erdähnlichen Planeten Proxima Centauri b
passieren.
Bild: Planetary Habitability Laboratory,
Univesity of Puerto Rico at Arecibo [Großansicht] |
Im April vergangenen Jahres verkündete der Milliardär Juri Milner die
Breakthrough-Starshot-Initiative. 100 Millionen US-Dollar will er in die
Entwicklung eines Nanoraumschiffs investieren, das bis auf 20 Prozent der
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, um innerhalb von 20 Jahren das
Sternsystem Alpha Centauri zu erreichen. Ungelöst blieb bisher die Frage, wie
das Geschoss am Ziel abbremsen soll.
René Heller vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen
und sein Kollege Michael Hippke haben sich genau darüber Gedanken gemacht, und
schlagen vor, Strahlung und Schwerkraft der Sterne zu nutzen. Dann ließe sich
das Vehikel sogar zum Begleitstern Proxima Centauri und dessen vielleicht
erdähnlichem Planeten Proxima b umlenken.
In dem aktuellen Science-Fiction-Film "Passengers" fliegt ein riesiges
Raumschiff mit halber Lichtgeschwindigkeit zum fernen Planeten Homestead II.
Nach 120 Jahren soll es sein Ziel erreichen, und die 5000 Passagiere sollen die
neue Heimat besiedeln. Ein Traum, der sich nach derzeitigem Kenntnisstand
technisch nicht realisieren lässt. "Mit heutiger Technik würden wir für einen
solchen Flug mit einer kleinen Sonde fast 100.000 Jahre benötigen", sagt Heller.
Auch Milners Starshot-Projekt mutet fantastisch an, basiert es doch auf einem
völlig neuen Konzept: Viele, nur wenige Gramm wiegende, mit einem leichten
Sonnensegel ausgestattete Sonden werden zunächst konventionell in eine große
Höhe gebracht und dann mit einem riesigen leistungsstarken Laserstrahl von der
Erde aus angestrahlt. Der Lichtdruck beschleunigt die Nanoschiffe in wenigen
Minuten bis auf 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und treibt sie in Richtung
des 4,2 Lichtjahre entfernten Sternsystems Alpha Centauri, wo sie 20 Jahre
später ankommen.
Ungeachtet der technischen Anforderungen stellten sich die beiden Forscher
die Frage, wie man bei einer solchen Mission die wissenschaftliche Ausbeute
optimieren könnte. Eine derart schnelle Sonde legt eine Strecke wie die zwischen
Erde und Mond in nur sechs Sekunden zurück. Sie wäre also in kurzer Zeit an den
Sternen und Planeten im Alpha-Centauri-System vorbeigerast. Die Lösung: Das
Segel der Sonde muss bei seiner Ankunft so ausgerichtet sein, dass die ihm
entgegenkommende Strahlung der Sterne im Alpha-Centauri-System das Gefährt
maximal abbremst.
In Hippke fand Heller, der als Astrophysiker an den Vorbereitungen der
Exoplanet-Mission PLATO beteiligt ist, einen fachkundigen Partner, der die
Computersimulationen für diese Fragestellung erstellte. Dabei gingen die beiden
Astrophysiker von einer Raumsonde aus, die insgesamt weniger als 100 Gramm wiegt
und mit einem 100.000 Quadratmeter großen Segel ausgestattet ist. Das entspricht
der Fläche von 14 Fußballfeldern.
Mit der Annäherung an Alpha Centauri wächst die Bremskraft. Je stärker die
Bremsung ist, desto mehr Geschwindigkeit kann bei der Ankunft abgebaut werden
und desto schneller darf die Sonde bei ihrem Start im Sonnensystem sein. Nähert
sich das winzige Raumschiff dem Stern bis auf etwa vier Millionen Kilometer
(entsprechend fünf Sternradien), so darf es mit einer maximalen Geschwindigkeit
von 13.800 Kilometern pro Sekunde (4,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit)
ankommen – mit höheren Geschwindigkeiten würde die Sonde am Stern vorbeirasen.
Gleichzeitig zieht der Stern die Sonde mit seiner Schwerkraft an. Dieser
Effekt ließe sich nutzen, um sie auf ihrer Bahn abzulenken; solche
Swing-by-Manöver haben Raumsonden in unserem Sonnensystem vielfach ausgeführt.
"Mit diesen Bahnparametern wäre die Sonde knapp 100 Jahre unterwegs", so Hippke,
"ungefähr doppelt so lange wie die Voyager-Sonden, die seit den
1970er-Jahren unterwegs sind und noch immer funktionieren."
Theoretisch könnte das Nanoschiff in eine Umlaufbahn um Alpha-Centauri
einschwenken und eventuell dessen Planeten erkunden. Heller und Hippke denken
aber noch weiter. Hierzu muss man wissen, dass Alpha Centauri ein
Dreifachsternsystem ist. Die beiden Partner A und B umrunden sich auf einer sehr
engen Bahn, während der dritte namens Proxima Centauri 0,22 Lichtjahre entfernt
ist. Nun könnte sich das Segel so ausrichten, dass der Strahlungsdruck von Stern
A die Sonde so stark abbremst und ablenkt, dass diese schon nach wenigen Tagen
Alpha Centauri B erreicht und dort nochmals abgebremst in Richtung von Proxima
Centauri geschleudert wird. Dort würde sie nach weiteren 46 Jahren ankommen –
also rund 140 Jahre nach dem Start von der Erde.
Proxima Centauri sorgte im August 2016 für Aufsehen, weil Astronomen
der Europäischen Südsternwarte (ESO) einen Exoplaneten entdeckt hatten, der in
etwa so massereich wie die Erde ist und den Stern in der bewohnbaren Zone
umkreist. Damit ist es theoretisch möglich, dass auf ihm flüssiges Wasser
existiert – eine wichtige Voraussetzung für Leben, zumindest auf der Erde.
"Dieser Fund hat uns zusätzlich animiert, über mögliche Flugbahnen zu diesem
Stern mit einer anschließenden Parkbahn um seinen Planeten nachzudenken", so
Heller.
Der Max-Planck-Forscher und sein Kollege schlagen für die Strategie des
Starshot-Projekts noch eine weitere Veränderung vor: Anstelle eines riesigen
energiefressenden Lasers ließe sich auch die Sonnenstrahlung nutzen, um eine
Nanosonde aus dem Planetensystem heraus zu beschleunigen. "Hierfür müsste sie
sich bis auf etwa fünf Sonnenradien der Sonne nähern, damit sie von dort aus den
nötigen Schub erhält", sagt Heller.
Die beiden Astronomen befinden sich bereits im Austausch mit den Teilnehmern
des Starshot-Projekts. "Zusammen mit den Wissenschaftlern und Strategen von
Breakthrough Starshot überlegen wir, ob unsere neue Idee Einfluss auf Starshot
oder eine Folgemission haben könnte", so Heller. Zwar fußt das beschriebene neue
Szenario auf einer mathematischen Studie und Computersimulationen, doch für die
benötigte Hardware gibt es bereits Ideen: "Das Segel könnte aus Graphen
bestehen, einer extrem dünnen und leichten, aber megareißfesten
Kohlenstofffolie", sagt Heller.
Die Folie müsste die harschen Bedingungen auf der Reise und die Hitze nahe am
Stern überstehen. Optik und Elektronik müssten winzig sein. Aber: Wenn man von
einem modernen Smartphone alle für die Funktion unwichtigen Teile entfernt,
"bleiben nur wenige Gramm an funktionsrelevanter Technik übrig." Darüber hinaus
müsste das leichtgewichtige Raumsegel eigenständig navigieren und seine
Messungen per Laser zur Erde übermitteln. Dafür benötigte es Energie, die es
eventuell von der Sterneneinstrahlung ernten könnte.
Breakthrough Starshot stellt die Forscher also vor extreme
Herausforderungen, die sich bisher ausschließlich theoretisch lösen lassen.
Dennoch: "Viele großen Visionen in der Menschheitsgeschichte hatten mit schier
unüberwindbaren Hürden zu kämpfen", sagt Heller. "Und nun nähern wir uns einem
Zeitalter, in dem die Menschen ihr eigenes Sternsystem verlassen und extrasolare
Planeten aus der Nähe erforschen können."
Über ihre Rechnungen berichten die Astrononen in einem Fachartikel, der in
der Zeitschrift The Astrophysical
Journal Letters erschienen ist.
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