Interstellare Raumfahrt

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Schematische Darstellung des Milchstraßensystems
Die interstellare Nachbarschaft

Interstellare Raumfahrtumfasst alleRaumfahrtenin deninterstellaren Raum,u. a. mit dem Ziel, ein anderesSternsystemzu erreichen. Die Herausforderungen liegen dabei in der Überwindung der großen Distanzen, der daraus folgenden langen Reisezeit sowie der Mitführung einer eigenen Energiequelle. Für eine bemannte interstellare Raumfahrt existieren bisher nur theoretische Konzepte.

Der Weg von der Sonne zuAlpha Centauri(Entfernungen in logarithmischer Skala)

Das Haupthindernis für interstellare Raumfahrt liegt in den immensen Entfernungen, die zu überwinden sind. Neptun umkreist als äußerster Planet die Sonne im Abstand von 30Astronomischen Einheiten(AE), bis zum Beginn des interstellaren Raums an derHeliopausesind es aber 120 AE und bis zumnächsten Stern4,2Lichtjahre(268.000 AE).

Die RaumsondenVoyager 1 und Voyager 2haben als bislang einzige irdische Raumfahrzeuge funktionstüchtig die Heliopause erreicht und brauchten dafür 35 bzw. 41 Jahre. Zu den nächstgelegenen Sternen würden sie mit dieser Geschwindigkeit hunderttausend Jahre brauchen.

Um innerhalb einer annehmbaren Zeit (d. h. innerhalb von Jahrzehnten oder Jahrhunderten) das Ziel erreichen zu können, müsste der Raumflugkörper mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fliegen. Zudem besteht das Problem, die Geschwindigkeit in relativ kurzer Zeit auch wieder abbremsen zu können, um ausreichend Zeit zur Beobachtung des Zielobjektes zu erhalten oder gar den Rückflug anzutreten.

Der Raum zwischen den Sternen ist erfüllt mit deminterstellaren Medium– Gas, Staub und Strahlung. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten können schon Kollisionen mit kleinsten Staubteilchen große Schäden verursachen, ebenso die Strahlung. Dies erfordert Schutzsysteme. Zudem kann das interstellare Gas einen bremsenden Einfluss haben.

Interstellare Raumflugkörper benötigen eigene Energiequellen. Schon ab ca. 10 AE ist das Sonnenlicht so schwach, dassSolarmodulefür die Energieerzeugung ungeeignet sind. Bisherige Sonden ins äußere Sonnensystem verwendetenRadionuklidbatterien.

Ein interstellarer Raumflugkörper müsste autonom funktionieren, um den Zielort ohne Hilfe von der Erde aus ansteuern und untersuchen zu können, da Signale von der Erde zum Raumschiff mehrere Jahre benötigen würden.

Ein weiteres Problem ist dieLebensdauer der Systeme.[1]Vor allem dieElektronikist hiervon betroffen. Aufgrund des noch jungen Technologiezweiges (Beginn etwa in den 1960er Jahren) existieren noch zahlreiche offene Fragen zur Lebensdauer von elektronischen Komponenten/Systemen.

Mögliche Antriebe

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Soll das Objekt den nächstgelegenen Stern innerhalb eines überschaubaren Zeitraums (~ ein halbes Jahrhundert) erreichen, muss das Objekt innerhalb eines kurzen Zeitraums auf eine annähernd relativistische Geschwindigkeit (z. B. ~ 0,1 c) beschleunigen und davon sinnvollerweise auch wieder abbremsen. Die Herausforderung hierbei kann mit derZiolkowski-Gleichungverdeutlicht werden:

mit Startmasseund Nutzlast.

Um eine hoheGeschwindigkeitsänderungzu erhalten, wird also eine hohe effektive Ausströmgeschwindigkeit des Reaktionsgases(die gleich der Triebwerkskennzahlspezifischer Impulsist) benötigt. Weiters muss viel Treibstoff umgewandelt werden (), um die benötigte Energie zu erzeugen. Deshalb ist eine hoheSchubkraftnotwendig, die die notwendige Beschleunigungsenergie innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums erzeugt.

Aus dieser Überlegung heraus können deshalb zwei Triebwerkskategorien ausgeschlossen werden:[2]

  • Chemische Triebwerke besitzen zwar eine hohe Schubkraft, aber aufgrund der Verwendung vonchemischer Energieist die Effizienz () dieser Triebwerke sehr gering.
  • Elektrische Antriebe weisen eine hohe Effizienz auf, jedoch ist der Treibstoffausstoß aufgrund der Verwendungelektrischer Ladungenund deren Abstoßung untereinander eher gering.

In einigen Konzepten wird deshalb hauptsächlich dernukleare Pulsantriebfavorisiert, der aus heutiger Sicht realisierbar wäre. Auch der Antimaterie-Antrieb könnte in ferner Zukunft vielversprechend sein. Wegen des Energieaufwands zur Beschleunigung der Treibstoffmassen bevorzugen einige Wissenschaftler den treibstofflosen Antrieb, der mittels Krafteinwirkung durch äußere Felder das Objekt beschleunigt[1](siehe u. a.Breakthrough Propulsion Physics Project). Eine mögliche Fragestellung hierbei ist auch, ob die Gravitationsfelder der benachbarten Sternsysteme einen Einfluss auf den Flugweg eines Objektes haben könnten. In einer ESA-Studie[3]konnte gezeigt werden, dass einMehrkörperproblemim interstellaren Raum vernachlässigbar ist, was bedeutet, dass nur dieEinfluss-Sphäreeines Sternsystems von Bedeutung ist. D. h. ein Objekt kann im interstellaren Raum, außerhalb der Einfluss-Sphären, eine Position einnehmen, ohne durch die Gravitationskräfte der Sternsysteme wesentlich von der Position abgebracht zu werden.

Konzepte für eine unbemannte interstellare Raumfahrt

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Das Wissen bezüglich desinterstellaren Raumsund derHeliosphäreist derzeit noch gering, sodass erste interstellare Missionen zuerst der Erforschung dieser Bereiche dienen. Einige Missionen, wie die derIBEX-Sonde, können von der Erde aus erste Erkenntnisse liefern, jedoch könnte nur eine Sonde vor Ort die Beschaffenheit des Raumes (Materieverteilung, magnetische Felder etc.) analysieren und die derzeitigen Modelle bestätigen oder widerlegen.

Stufe I: Erforschung des interstellaren Raumes

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Einer der ersten Entwürfe, neben dem einer ersten interstellaren Erkundungsmission(precursor mission)(1977),[4][5]die nur das Vordringen in den interstellaren Raum vorsah, um Experimente durchführen zu können, war die TAU-Mission(Thousand Astronomical Units).Dieser Entwurf derNASA/JPL(1980er Jahre) sollte mit bereits getesteter Technologie bis zu 1000AEzurücklegen. Als Antriebssystem wurde einIonenantriebvorgesehen mit Xenon als Treibstoff und einer Radionuklidbatterie als Energiequelle. Die Missionsdauer sollte 50 Jahre betragen.[6][7]Ein ähnliches Konzept, jedoch fürinterplanetareForschungsmissionen, führte die NASA 2003 mit demProjekt Prometheusund dem mittlerweile gestrichenenJIMOweiter. Die EnergiequelleRTGin Kombination mit einem Ionenantrieb ist ein gängiges Konzept,[8][9]jedoch existieren auch andere Vorschläge.

Diese beruhen auf der fortschreitenden Entwicklung im Bereich des Satelliten-Leichtbaus und derSonnensegel-Technologie.Einer dieser Vorschläge beinhaltet eine 250 kg leichte Sonde, die mittels eines Sonnensegels mit einem Radius von ungefähr 200 m und einigenGravity-Assist-Manövern eine Entfernung von 200 AE innerhalb von 15 Jahren erreichen soll. Das Sonnensegel soll nach der Beschleunigungsphase von ca. 5 AE abgestoßen werden.[10][11]

Die Ziele einer solchen Mission liegen in der[12]

  1. Erforschung des interstellaren Mediums, dessen Ursprung und der Materieentstehung in der Galaxie,
  2. Erforschung der Heliosphäre und deren Interaktion mit dem interstellaren Medium,
  3. Erforschung fundamentaler astronomischer Prozesse in der Heliosphäre und dem interstellaren Medium,
  4. Bestimmung fundamentaler Eigenschaften des Universums.

Ein weiterer Nutzen in der Beantwortung dieser Fragestellungen kann dem Auffinden einer Lösung zur Nutzung des interstellaren Mediums für das Antriebssystem oder der Energieversorgung dienen. Sollte so eine Möglichkeit existieren, könnten die Kosten eines interstellaren Raumschiffs zum nächsten Sternsystem erheblich reduziert werden.

Missionen zum äußeren Sonnensystem:Pioneer 10,Pioneer 11,Voyager 1undVoyager 2

Realisierte Missionen

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Als einzige Sonden habenVoyager 1(August 2012) undVoyager 2(November 2018) den interstellaren Raum erreicht.Pioneer 10und11sind ähnlich weit entfernt, aber der Kontakt zu ihnen ging lange zuvor verloren. BeiNew Horizonsist nicht gewiss, ob die Energieversorgung bis zum Erreichen der Heliopause ausreicht. Bei keiner der genannten Sonden handelt es sich um interstellare Sonden im eigentlichen Sinne, da sie ursprünglich nicht für eine interstellare Reise gebaut wurden. Ihr Hauptziel war, Teile des Sonnensystems zu untersuchen. Dementsprechend wurden ihre Geräte nicht für längere Reisen ausgelegt.

Stufe II: Erforschung anderer Sternsysteme

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Künstlerische Darstellung eines Orion-Raumschiffs aus derNASA-Entwurfsphase

Während für eine Reise in den interstellaren Raum nur einige 100 AE zurückgelegt werden müssen, beinhaltet eine Reise zu anderen Sternsystemen das Zurücklegen einer Entfernung von einigen 100.000 AE (1ly≈ 63.000 AE). Diese Änderung der Größenordnung wird vor allem an der Auswahl des Antriebssystems erkenntlich.[13]Hauptantriebssystem in den ProjektenOrion,Daedalus,LongshotundIcarusist dernukleare Pulsantrieb.Dieser gilt von all den vorgeschlagenen Systemen als am ehesten technisch realisierbar. Weitere Thematiken, die in den Projekten behandelt wurden und werden, sind Schutzmechanismen vor Strahlung und Mikropartikeln, künstlich intelligente Systeme und Missionsabläufe. Neben diesen Studien existieren noch weitere Vorschläge bzgl. Missionen zu anderen Sternsystemen.

Eine weitere Idee ist der Versand von kleinen Sonden (~ 50 kg) zu benachbarten Sternsystemen, die sich am Zielort selbst reproduzieren, Kommunikationsempfänger und Transmitter aufbauen und eine eventuelle Kolonisation durch Menschen vorbereiten sollen. Die Rohstoffe erhalten dieNanorobotermittelsIn-situ-Technologie vor Ort. Der Vorteil dieser Mission ist der geringere Energieaufwand, um so eine Sonde, im Gegensatz zu einer voll funktionsfähigen Sonde (z. B.Cassini-Huygensmit 5.364 kg), zu einem anderen Sternsystem zu schießen.

Am 12. April 2016 wurde vonYuri MilnerundStephen Hawkingdas von Milner mit 100 Millionen Dollar finanzierte ProjektBreakthrough Starshotvorgestellt, das ein Konzept ausarbeiten soll, Nanosatelliten mittels Laserstrahlen zu beschleunigen und sie bis nach Alpha Centauri zu senden, von wo sie Bilder zurückschicken sollen.

Konzepte für eine bemannte interstellare Raumfahrt

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NASA-Illustration zweierO’Neill-Zylinder

Das Ziel einer bemannten interstellaren Raumfahrt wird die Erforschung undKolonisierungfremder Sonnensysteme sein. Während es zu unbemannten Missionen schon einige Veröffentlichungen gibt, existieren für bemannte Missionen nur wenige. Eine dieser Veröffentlichungen ist der Wayland Report,[14]der in Anlehnung an dieIcarus-Studie(unbemannt) verfasst wurde. Der Wayland-Report befasst sich mit einem Generationenschiff.

Für die bemannte interstellare Raumfahrt gelten die gleichen Rahmenbedingungen wie für die unbemannte interstellare Raumfahrt. Zusätzlich kommen weitere Herausforderungen aufgrund der Nutzlast „Mensch “hinzu: Menschen haben eine begrenzte Lebensspanne, und sie brauchen eine Umgebung, die das Leben ermöglicht.

Reise im Wachzustand

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Wenn eine interstellare Reise innerhalb einer menschlichen Lebensspanne erfolgen soll, muss eine relativistische Geschwindigkeit erreicht werden. Der Energieaufwand wäre aber immens. Um ein bemanntes Raumschiff „nur “auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wären Energiemengen notwendig, die in der Größenordnung des jährlichen Weltenergiebedarfs liegen.

Die Besatzung dieses Raumschiffkonzeptes wird nach Abflug von der Erde in einen sogenanntenKryoschlaf,eine Art „künstlichenWinterschlaf“,versetzt und bei der Ankunft am Ziel wieder aufgeweckt. Der Vorteil dieses Konzeptes ist, dass auf groß angelegte Nahrungsproduktion und Unterhaltungseinrichtungen verzichtet werden kann. Allerdings sind die Auswirkungen eines solchen Kryoschlafs, so er technisch möglich wäre, beim Menschen noch unbekannt. In der Science Fiction ist dieses Konzept recht häufig anzutreffen, u. a. in den Filmen/SerienAlien,Avatar,Demolition Man,Futurama,Pandorum,Passengers,Prometheus – Dunkle Zeichen,Star TrekundInterstellar.

Generationenschiffe

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Der Name dieses Raumschiffkonzepts entstammt dem Sachverhalt, dass während der Reise zu einem anderen Sternsystem neue Generationen auf dem Raumschiff geboren werden und heranwachsen. Die Generationenschiffe sind dabei autarke Habitate, d. h., an Bord des Schiffes müssten beispielsweise Nahrungsanbau, Trinkwasser- und Sauerstoff-Recycling ermöglicht werden. Denkmodelle zu solchen Habitaten im erdnahen Raum bzw. in unserem Sonnensystem sind dieO’Neill-Kolonienoder dieBernal-Sphäre.Ein Pilotprojekt hierfür war das (weitgehend erfolglose) ExperimentBiosphäre 2,bei dem versucht wurde, ein abgeschlossenes System im ökologischen Gleichgewicht zu halten. Eine wesentliche Fragestellung bei diesem Konzept, die bisher kaum beantwortet ist, ist die zur Crewgröße und -zusammensetzung. Die Crewgröße ist dabei ausschlaggebend für die Gesamtmasse des Raumschiffes, da einer Person ein bestimmter Ressourcenbedarf zugeschrieben werden muss (Raum, Nahrung etc.).

Am 23. Mai 2007 wurde eine wissenschaftliche Arbeit[15]unter der Leitung von Arturo Casadevall veröffentlicht, die vonPilzenhandelt, die (wahrscheinlich mittelsMelanin) Radioaktivität in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln. Es ist denkbar, dass mit Hilfe von solchen Pilzen während Raumflügen Nahrung für Astronauten produziert werden kann. Im Weltall ist überall mehrHintergrundstrahlungals von Pflanzen nutzbares Licht vorhanden.

Embryonentransport

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Bei dieser Art von Raumschiff würden tiefgefrorene menschlicheEmbryosauf die Reise geschickt. Ein paar Jahre vor, zur oder nach Ankunft am Ziel würden diese aufgetaut, gezüchtet und von Robotern großgezogen werden. Diese Form des Transportes wäre, wenn möglich, die effektivste Form, da keine aufwendigen Habitatstrukturen für eine Reise von mehreren Jahrzehnten mitgeführt werden müssten. Vor Ort könnten dann die lokalen Ressourcen genutzt werden, sodass Roboter die benötigten Habitate errichten könnten. Abgesehen von technischen Herausforderungen ist diese Methode unter ethischen Gesichtspunkten umstritten. Zum heutigen Zeitpunkt ist unklar, ob und wenn ja wie ein Aufwachsen ohne erwachsene menschliche Vorbilder die Psyche von Kindern verändert. Es müssten Roboter konstruiert werden, die eine menschliche Erziehung nachbilden können. Nicht zuletzt müsste ein künstlicher Uterus entwickelt werden, in dem der Embryo heranwachsen könnte. Das AutorenpaarAngela SteinmüllerundKarlheinz Steinmüllergreift dieses Konzept in ihrem Science-Fiction-RomanAndymonaus dem Jahr 1982 auf.

Unserestellare Nachbarschaftweist einige interessante Zielorte auf. In der folgenden Tabelle sind die Sternsysteme aus derListe der nächsten Sterneaufgelistet, die uns nahe und somit leichter erreichbar sind und bei denen es Hinweise auf Planeten gibt. Zusätzlich sind noch die jeweils nächsten Einzel- und Doppelsysteme der jeweiligenSpektralklassenaufgeführt.

Stern­system Entfer­nung (inLj) dec Anmerkung
Alpha Centauri 4,3 −61° Dreifachsystem aus je einem Stern derKlasseG, K und M, bei dem Modelle das Vorhandenseinterrestrischer Planetenerlauben. DerRote ZwergProxima Centauribesitzt nach aktuellem Erkenntnis­stand einen erdähnlichen Exoplaneten:Proxima Centauri b.Ob Alpha Centauri B Planeten hat, ist unklar. Das System nähert sich derzeit dem Sonnensystem und wird in 28.400 Jahren mit 2,97 Lj seine größte Annäherung erreicht haben.
Barnards Pfeilstern 6,0 +5° Roter Zwergund Zielort desProjektes Daedalus.Das Vorhandensein einesExoplanetenwurde lange Zeit diskutiert, ein Nachweis wurde bisher noch nicht geliefert. Günstiges Ziel, da er sich nur 5° oberhalb derEkliptikbefindet und sich derzeit dem Sonnensystem nähert (größte Annäherung mit 3,74 Lj in 9800 Jahren).
Luhman 16 6,6 −53° Doppelsystemaus zweiBraunen Zwergen
WISE 0855−​0714 7,5 −7° Brauner Zwerg
Sirius 8,6 −17° Relativ junges Doppelsternsystem, bei dem die Masse von Sirius A doppelt so groß ist wie die der Sonne und bei dem der Begleiter Sirius B einWeißer Zwergist. Vergleichs­weise günstiges Ziel, da es sich nur 17° unterhalb der Ekliptik befindet und sich derzeit dem Sonnen­system nähert (größte Annäherung in 64000 Jahren mit 7,86 Lj).
Luyten 726-8 8,7 +18° Doppelsystemaus zweiRoten Zwergen.Entfernt sich derzeit von der Sonne (größte Annäherung 7,2 Lj vor 28.700 Jahren).
Ross 154 9,7 +24° Roter Zwerg,nähert sich derzeit dem Sonnensystem und ist mit seiner größten Annäherung auf 6,39 Lj in 157.000 Jahren ein günstiges Ziel, da er sich mit einer Geschwindig­keit von nur 12,2 km/s relativ zum Sonnen­system erreichen ließe (zum Vergleich:Voyager 1hat eine Geschwindigkeit von 17 km/s).
Epsilon Eridani 10,5 −9° Junges Sternsystem, bei dem eine Staubscheibe nachgewiesen wurde, mit einem Abstand analog demKuipergürtel.Gemäß der Theorie zur Planeten­entstehung könnte das Sternsystemterrestrische Planetenentwickelt haben. Jedoch konnte dies noch nicht nachgewiesen werden.
Tau Ceti 11,9 −16° NachAlpha Centauriderzeit zweitnächster sonnen­ähnlicher Stern. Nur 1,6 Lj von YZ Ceti entfernt. Da beide Sterne Planeten besitzen, wäre dies ein gutes Ziel für eine Doppel­mission. Nähert sich derzeit dem Sonnensystem und wird in 43.000 Jahren mit 10,6 Lj die größte Annäherung erreicht haben.
YZ Ceti 12,1 −17° Roter Zwerg,derzeit nur 1,6 Lj vonTau Cetientfernt und würde sich damit als Nachfolgeziel anbieten.
Wolf 1061 14,0 −13° Roter Zwerg,hat drei Planeten, darunter mitWolf 1061 ceinen potenziell bewohnbaren.
Gliese 445 17,6 +79° Roter Zwerg,nähert sich derzeit dem Sonnensystem und wird in etwa 40.000 Jahren im Abstand von 1,6 Lj von der RaumsondeVoyager 1passiert (größte Annäherung an die Sonne in 46.000 Jahren mit 3,45 Lj). Wird in knapp 45.000 Jahren für etwa 8000 Jahre sonnen­nächster Stern sein.

SETI-Forscher schlugen 1993 vor, nach Antriebs- und Energiesignaturen von Raumschiffen extraterrestrischer, technischer Zivilisationen zu suchen.[16][17]

Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau eines Kommunikationsnetzwerkes, um mit einer anderen eventuell existierenden Zivilisation in Kontakt treten oder ein außerirdisches Kommunikationsnetzwerk auffinden zu können (Theorie/Spekulation). Elektromagnetische Wellen eignen sich aufgrund ihrer Geschwindigkeit gut zur Kommunikation und können auch zu einer einseitigen Informationsübertragung verwendet werden.[18][19]

NASA-Marshall,JPLundAIAAführten 1999 theoretische Untersuchungen durch,AnnihilationvonAntimaterieundKernfusionfür Antriebe zukünftiger Raumfahrzeuge zu nutzen.[20][21]

Anfang 2011 startetenDARPAundNASA-Amesdas100 Year Starship-Projekt. In diesem Forschungs- und Evaluierungsprogramm werden die Möglichkeiten und Herausforderungen von bemannten, interstellaren Langzeitflügen erforscht und Strategien entworfen.[22][23][24]Im September 2011 fand inOrlando (Florida)das100-Year Starship Symposiumstatt, bei dem detaillierter über erforderliche Technologien, Realisierung, Organisation und Finanzierung eines solchen Projektes referiert und diskutiert wurde.[25][26][27][28]2012 übernahm die ehemalige AstronautinMae Carol Jemisondie Leitung des Projekts.[29][30]Die Finanzierung erfolgt durch die Defense Advanced Research Projects Agency und die NASA. Seit 2011 wird jedes Jahr ein öffentliches Symposium inHoustonabgehalten.[26][31][32]

Einige private, nicht gewinnorientierte Forschungsinitiativen, wie z. B. dieTau Zero Foundation,[33]Icarus Interstellar[34]und dasInstitute for Interstellar Studies[35][36],befassen sich ebenfalls mit der Erforschung neuer Technologien und mit Möglichkeiten für zukünftige interstellare Raumflüge. Im Mai 2013 fand in San Diego ein Symposium mitFreeman Dyson,Paul Davies,Gregoryund James Benford,Jill Tarter,Robert Zubrin,Neal StephensonundGeoffrey A. Landis,im August in Dallas ein Kongress, u. a. mitFriedwardt Winterberg,David Messerschmitt und Marc Millis, statt.[37][38]

2017 gab die NASA bekannt, im Rahmen des NIAC-Programms (NASA Innovative Advanced Concepts) weiterunkonventionelle Ansätzeerforschen zu wollen.[39][40][41][42]

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