Beam Rider: Neue Technologie hält Lichtsegel-Raumschiffe auf Kurs zu Exoplaneten

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Künstlerische Darstellung der Reise eines diffraktiven Lichtsegels zu einem Exoplaneten (Illu.). Copyright: MacKenzi Martin / Grover Swartzlander

Künstlerische Darstellung der Reise eines diffraktiven Lichtsegels zu einem Exoplaneten (Illu.).
Copyright: MacKenzi Martin / Grover Swartzlander

Rochester (USA) – Allein durch den Strahlendruck des Lichts angetrieben, könnten schon mittelfristig Miniatursonden nicht nur das äußere Sonnensystem erforschen, sondern auch Planeten um sonnennahe andere Sterne erreichen. Eine neue und sogar schon mit einem Prototyp getestete Technologie löst nun ein Hauptproblem und hält die von Lasern angetriebenen Segel auf Kurs.

Wie Forscher um Grover Swartzlander vom Rochester Institute of Technology (RIT) aktuell im Fachjournal „Physical Review Letters“ (DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.244302) berichtet, haben sie ein Prototypdesign eines leistungsstarken Lichtsegels getestet, das Laser und Beugungsgitter anstelle des zuvor verwendeten Sonnenlichts und Spiegeln verwendet.

Hintergrund
Bisherige vergleichsweise einfache Lichtsegelkonstruktionen der JAXA IKAROS-Mission oder das „LightSail 2“ (…GreWi berichtete) verwenden einen großen, dünnen einfachen Folien-Spiegel, um das Sonnenlicht zu reflektieren. Obwohl die Antriebskraft von Segeln dieses Typs im Vergleich zu klassischen chemischen Treibstoffen gering ist, müssen Raumfahrzeuge, die auf Segel angewiesen sind, keine eigene Treibstoffversorgung mit sich führen und können so enorm an Gewicht einsparen. Ein weiterer Vorteil der Sonnen- und Lichtsegel ist, dass der Treibstoff derart angetriebener Raumschiffe niemals ausgeht, solange das Segel beleuchtet ist. Dies macht sie zu idealen Kandidaten für zukünftige Langstrecken-Weltraummissionen, die mehr Energie erfordern, als chemische Treibstoffe liefern können.

 

Schon das unserer Sonne nächstgelegene Sternensystem mit Planeten, Alpha Centauri, ist rund 4,3 Lichtjahre von entfernt. Das entspricht in etwa 41,2 Billionen Kilometern. Die 1977 gestartete NASA-Sonde Voyager 1, die 2012 das Sonnensystem verlassen hatte, würde 75.000 Jahre brauchen, um Alpha Centauri zu erreichen. Die „Breakthrough Starshot“-Initiative verfolgt das Ziel, eine Flotte aus von Lichtsegeln angetriebenen Miniatursonden auf rund 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, um so die Reisezeit nach Alpha Centauri auf nur noch 20 Jahre zu verkürzen (…GreWi berichtete).

Als Teil des Alpha-Centauri-Dreifachsystems beherbergt der Zwergstern Proxima Centauri mindestens einen und zugleich den unserer Sonne am nächsten gelegenen Exoplaneten (Proxima b), der seinen Stern sogar innerhalb dessen habitalbler und damit potentiell lebensfreundlicher Zone umkreist und offenbar zahlreiche Eigenschaften besitzt, die ihn zu einem idealen Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben außerhalb unseres Sonnensystems macht (…GreWi berichtete 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Ein laserbasiertes Antriebssystem könnte also im Prinzip viele dieser Vorteile beibehalten und gleichzeitig eine viel größere Beschleunigung bereitstellen. Allerdings haben bisherige Modelle ein Problem: Wenn das Segel eines solchen Raumschiffs aus der Ausrichtung mit der Mittelachse des Laserstrahls herausdriftet, würde das Schiff deutlich an Leistung verlieren.

Das Team um Swartzlander hat nun einen Weg gefunden, um dieses Problem zu umgehen.
Wie die Forscher zeigen, strahlt in ihrem System ein Antriebslaserstrahl auf ein Paar benachbarter sogenannter Beugungs- bzw. Diffraktionsgitter. Diese gepaarten Gitter sind so angeordnet, dass das linke Gitter einfallendes Laserlicht leicht nach rechts, das rechte Gitter leicht nach links ablenkt. „Das Ergebnis ist eine Kraft, die das Fahrzeug nach vorne treibt, sowie ein Paar entgegengesetzter Seitenkräfte, deren Stärke zunimmt, je weiter der Strahl vom Zentrum abweicht. Wenn sich dieses sog. Bi-Gitter also von seiner Gleichgewichtsposition wegbewegt, drückt die Seitenkraft es zurück, und das Segel bleibt ausgerichtet.

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Die von den Wissenschaftlern und Ingenieuren als „Beam-Rider“ bezeichneten Technologie habe im Labor bereits einen ersten Test in Form eines zentimetergroßen Prototyps bestanden. „In der beschriebenen Vorrichtung werden die mikrometerdünnen Gitter aus Flüssigkristallen hergestellt, die zur strukturellen Unterstützung auf einem 100 Mikrometer dicken Polymerfilm fixiert sind. Die Anisotropieachse der Kristalle wird in der Gitterebene gedreht und in einem periodischen Muster angeordnet, um die erforderliche Ablenkung zu erzeugen.“

Allerdings stecke die Technologie derzeit noch in den Kinderschuhen und es gebe noch einige Herausforderungen zu bewältigen: „Eine entscheidende Frage ist, ob die Technologie sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung funktioniert und dabei sowohl die Neigung eines Raumfahrzeugs als auch das Gieren von Seite zu Seite steuert.“ Hierzu plant das RIT-Team, das Design in den kommenden Monaten anzupassen und zu testen, um Antworten auf diese und weitere Fragen zu finden.

Swartzlander und Kollegen hoffen, ihre diffraktiven Segel zunächst auf einem Raumschiff einsetzen zu können, das eine Kamera zum Nord- und Südpol der Sonne fliegen würde. “Die Segel sind transparent, sodass sie nicht viel Sonnenwärme absorbieren und wir haben nicht das Problem des Wärmemanagements wie bei einer (konventionellen, reflektierenden) Metalloberfläche“. Der Wissenschaftler schätzt, dass es fünf Jahre dauern würde, bis ein solches Raumschiff die Sonnenpole erreicht und die ersten direkten Bilder dieser bislang nicht gesehenen Regionen erstellen könnte.

Swartzlander ist der Ansicht, dass segelgetriebene Raumschiffe in der sich entwickelnden Weltraumwirtschaft in der Zukunft einen herausragenden Platz einnehmen könnten. “Konvois aus wiederverwendbaren Sonnensegeln könnten verwendet werden, um wertvolle Ressourcen durch das Sonnensystem zu transportieren, ohne dass Brennstoff, Wasser und Mineralien zu einer orbitalen Verarbeitungsanlage transportiert werden”, erklärt er gegenüber „Physics World“.

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Quelle: American Physical Society

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