Der Halo-Drive: So könnten Außerirdische zur Erde gelangen – und wir zu ihnen
New York (USA) – Die Vorstellung von die Erde besuchenden Außerirdischen wird von den meisten Kritikern mit dem Verweis auf die vermeintlich unüberbrückbaren gewaltigen Distanzen belächelt. Doch schon heute beschäftigen sich auch irdische Wissenschaftler mit Konzepten, wie auch ganze Raumschiffe samt Besatzung von Planetensystem zu Planetensystem reisen könnten. Eines dieser Konzept wurde nun in einem Fachartikel beschrieben und zeigt, wie Schwarze Löcher sozusagen als Schwungmasse zur Beschleunigung eines Raumschiffs genutzt werden können.
Wie der Astronom Prof. David Kipping vom Cool Worlds Labor an der Columbia University vorab erläutert, könnten zukünftig Raumschiffe seinen sogenannten „Halo-Drive“ nutzen, um mittels der Schwerkraft eines Schwarzen Lochs bislang unvorstellbare Geschwindigkeiten zur interstellaren Raumfahrt zu erreichen.
Bislang scheitern Konzepte zur interstellaren Raumfahrt an zwei Faktoren: Zeit und Energie. Lediglich kleinste Miniatursonden könnten, angetrieben von erdgestützten Hochleistungslasern und hauchdünnen Lichtsegeln auf eine Reisegeschwindigkeit etwa 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden – bräuchten dann aber immer noch etwa 20 Jahre, um das mit 4,37 Lichtjahren Entfernung uns nächstgelegene Sternen- und Planetensystem Alpha Centauri zu erreichen und dieses – so die Sonden die riskante Reise überstehen – im Vorbeiflug zu erkunden (…GreWi berichtete).
Mit bisherigen Konzepten ist ein relativistischer Antrieb, also ein Antrieb für die Reise mit einem ausreichenden Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit nur unter Aufwendung hoher Ressourcen (Kosten, Treibstoff, Energie) und nicht nur massereiche Raumschiffe vorstellbar.
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Kippping selbst geht deshalb einen anderen Weg und schlägt eine modifizierte Version eines als „Dyson-Slingshot“ bekannten Manövers vor, das einem Raumschiff dadurch Schwung verschafft, in dem es mittels Schwerkraftumlenkung die Gravitation zweier sich eng umkreisender Neutronensterne ausnutzt.
Hierbei würde ein solches Raumschiff das Zweifache der Rotationsgeschwindigkeit des binären Sternenpaares aufnehmen, bevor es selbst mit enormer Geschwindigkeit aus dem System regelrecht herauskatapultiert wird.
Derartige Swing-by-Manöver nutzen irdische Raumsonden schon seit 1959 im kleineren Maßstab, in dem sie die Schwerkraft und Bewegung von Himmelskörpern unseres Sonnensystems zur Navigation aber auch zur Geschwindigkeitsaufnahme nutzen. Da sich Planeten selbst jedoch nur vergleichsweise langsam bewegen (um sich selbst und ihren Stern rotieren), kann ein Raumschiff auf diese Weise nur um das maximal Zweifache der Bewegungsgeschwindigkeit des so genutzten Planeten beschleunigt werden – nicht genug also, um eine relativistische Reisegeschwindigkeit zu erreichen und damit nutzlos für interstellare Reisen.
Hintergrund
Der Visionär Freeman Dyson (s. Abb. l.) selbst erklärte, warum die Erforschung eines solchen Antriebsprinzips nicht nur zum Nutzen eigener zukünftiger Antriebe sein könnte:
„Sollte sich unsere Spezies sowohl was die Bevölkerungsanzahl als auch die Technologie betrifft weiter derart schnell entwickeln, so könnte die Zeit kommen, in der wir uns in einer fernen Zukunft in astronomischen Maßstäben entwickeln können und auch müssen. Zudem sollten wir uns bei der Suche nach außerirdischem Leben und technologisch fortgeschrittener Intelligenz auch die Frage stellen, welche beobachtbaren Phänomene eine solche hochentwickelte Technologie möglicherweise erzeugen könnte.“
Kurz: Selbst wenn wir heute derartige Konzepte noch nicht nutzen können, könnten andere Zivilisationen dazu schon in der Lage sein und dabei entsprechende, von der Erde aus messbare Signaturen (sog. Techno-Signaturen) hinterlassen.
„Das Problem der Nutzung eines binären Neutronensternsystems zur Beschleunigung liegt jedoch darin, dass ein Raumschiff sich direkt auf dieses unvorstellbar schnell rotierende und aufgrund seiner extrem komprimierten Masse die Raum-Zeit krümmende System zubewegen müsste, ohne dabei von diesem angezogen und zerstört zu werden“, erläutert Kipping (s. Video). „Zudem würden hierbei gewaltige Schwerkräfte und Strahlung auf das Raumschiff und seine Besatzung einwirken. Binäre Neutronensterne wären also ein extrem riskanter Mechanismus zur Beschleunigung eines Raumschiffs auf die zur interstellare Reise notwendige relativistische Geschwindigkeiten.“
Basierend auf Dysons Idee eines Schwerkraftmanövers um zwei um umkreisende Neutronensterne, kombiniert Kipping das Konzept mit der Idee des Starshot-Laserantriebs und nimmt Schwarze Löcher – im speziellen auch hier binäre Systeme (also zwei sich mit relativistischer Geschwindigkeit umkreisende Schwarze Löcher) – ins Visier, da deren Beschleunigungswirkung umso stärker wäre.
„Diese Umgebung wäre perfekt für das Dyson-Slingshot-Manöver. Aber auch hier wäre es viel zu gefährlich, sich den beiden Schwarzen Löchern entsprechend dicht anzunähern. Man stelle stattdessen sich ein Raumschiff vor, das mit einem Laser ausgestattet ist. Nun studiert man die beiden Schwarzen Löcher und feuert im richtigen Moment diesen Laser direkt auf eines der Schwarzen Löcher ab.
Kipping stützt seine Ausführungen dabei auf die jüngsten Beobachtungen mehrerer Messungen von Gravitationswellen, die das Ergebnis des Zusammenstoßes zweier Schwarzer Löcher waren (…GreWi berichtete). Neuere Schätzungen auf der Grundlage dieser Beobachtungen gehen davon aus, dass es alleine in unserer Milchstraße rund 100 Millionen Schwarzer Löcher und rund 10 Millionen derartiger Binärsysteme gibt.
Umkreisen sich zwei Schwarze Löcher, so entsteht eine nahezu unvorstellbar hohe Rotationsenergie. Zudem können zwei derart sich umkreisende Schwarze Löcher laut Kipping als eine Art gegenseitige Gravitations-Spiegel wirken, wenn sich Photonen (Lichtteilchen) an der Grenze zum Ereignishorizont nicht in diesen hineinstürzen, sondern umkehren und direkt auf ihre Quelle zurückreisen: „Ein binäres Schwarzes Licht gleicht also einer Anordnung zweier gewaltiger Spiegel, die sich gegenseitig mit hoher Geschwindigkeit umkreisen.“
Kippings „Halo-Antrieb“ nutzt diesen Umstand, in dem er die von diesem „Spiegel“ zurückgelenkten Photonen (des Bordlasers) nutzt, wenn sich einer dieser „Spiegel“ direkt auf das angenommene Raumschiff ausrichtet bzw. auf das Raumschiff zubewegt. Auf diese Weise wird der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegende Laser derart um das Schwarze Loch gelenkt, sodass er wieder direkt zurück zu seiner Quelle – also dem Raumschiff – zurückgeführt wird und das Raumschiff so von den Photonen regelrecht weggeschoben wird. Hinzu stielt dieses Manöver dem binären System auch noch (Antriebs-)Energie, die das Raumschiff zusätzlich beschleunigen kann.
„Was hier also passiert, ist folgendes“, erläutert Kipping:
„Zunächst schießt das Raumschiff Photonen in Richtung des Schwarzen Lochs ab; schon dieser Vorgang gibt dem Raumschiff einen Schub in die Entgegengesetzte Richtung. Das lieg daran, dass Licht zwar keine Masse, dafür aber dennoch eine Impulskraft besitzt. Als nächstes rast dieses Licht um das Schwarze Loch herum, welches sich mit extremer Geschwindigkeit auf das Raumschiff zubewegt. Der Laser- also Lichtstrahl hat nun also ein Schwerkraftschubmänover durchgeführt und würde auf diese Weise normalerweise Geschwindigkeit aufnehmen. Doch das Licht kann nicht schneller reisen als die ihm bereits eigene Lichtgeschwindigkeit dies zuläßt. Statt also schneller zu werden und Energie also auf kinetische Weise aufzunehmen (wie ein Raumschiff das tun würde), nimmt unser Laserstrahl Energie in Form von Frequenz auf (Blauverschiebung). Unser Lichtstrahl kehrt also sehr viel energiereicher zum Raumschiff zurück, als er von diesem ursprünglich ausgesandt wurde, da das Schwarze Loch wie der besagte Spiegel wirkt. Das Raumschiff kann diese Energie nun wieder absorbieren und so zusätzlichen Schub aufnehmen. Man ‚licht-segelt‘ also geradezu auf dem selbst ausgesandten Laserstrahl und beschleunigt dabei natürlich zusätzlich. Doch nicht nur das: Auf diese Weise hat das Raumschiff nicht nur alle für den Laser aufgewandte Energie zurückgewonnen, sondern der zurückkommende Laserstrahl ist sogar noch energiereicher als zuvor. Somit könnte der Energievorrat des Raumschiffs kostenfrei aufgeladen werden. Durch den Lichthalo um das Schwarze Loch (daher die Bezeichnung dieses Antriebs als ‚Halo-Drive‘) könnte das Raumschiff zudem immer mehr und mehr beschleunigt werden, bis dessen Geschwindigkeit der des genutzten Schwarzen Lochs entspricht. Ab diesem Moment kommt der Laser dann zwar nicht mehr zum Raumschiff zurück. Am Ende kann die gewonnene Energie sowohl zum Aufladen der Energievorräte als auch zum Antrieb genutzt werden, wodurch man wieder genauso viel Energie zur Verfügung hat wie zuvor, während sich das Raumschiff um bis zu 33 Prozent schneller als das Schwarze Loch – also mit relativistischer Geschwindigkeit – bewegen würde. Und das alles kostenfrei und ohne Treibstoff aufzubrauchen. (…) Auf die gleiche Art und Weise – nur eben genau umgekehrt – ließe sich ein Raumschiff natürlich auch wieder verlangsamen und abbremsen – vorausgesetzt am anvisierten Ziel gibt es ein nutzbares Schwarzes Loch.“
Die gewaltige Anzahl Schwarzer Löcher in der Milchstraße könnte zudem als eine Art Netzwerk für relativistische Raumfahrt genutzt werden. Auch könne das Manöver aus vergleichsweise sicherer Entfernung zum Schwarzen Loch durchgeführt werden und ermögliche die Beschleunigung nahezu jeder Raumschiffmasse, die kleiner als das Schwarze Loch selbst ist.
Zudem basiert die Idee nicht nur auf bloßer Theorie, denn schon heute könne das Ergebnis dieser „Schwerkraftschleudern“ anhand von Sternen beobachtet werden, die in Folge der Verschmelzung Schwarzer Löcher aus ihren Galaxien mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Zehntel bis zu einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit herauskatapultiert wurden.
Zum Thema
Natürlich muss aber auch Kipping eingestehen, dass sein Konzept derzeit noch an einigen Faktoren scheitert – zumindest für die irdische Raumfahrt: Unabhängig von der gewaltigen Aufgabe der Konstruktion eines Raumschiffes, das einen solchen Effekt nutzen könnte, müssten die Manöver dieses Raumschiffes auch extrem präzise durch- und ausgeführt werden, damit das Raumschiff selbst nicht von den Kräften der Schwarzen Löcher auseinandergerissen wird. Schlussendlich stellt sich zudem die Frage, wie ein geeignetes Schwarzes Loch oder Binärsystem zunächst einmal erreicht werden könnte.
„Wie wir zunächst zu einem derart nutzbaren Schwarzen Loch gelangen, ist natürlich das Hauptproblem. Ich stelle mir das aber eher wir ein interstellares Autobahnsystem vor: Zunächst muss man zwar einmal für den Weg zur Autobahn bezahlen, kann dann aber die Galaxie durchreisen, so viel man will ohne nachtanken zu müssen.“ In einem nächsten Fachartikel will Kipping seine Vision darlegen, wie das nächste für diesen Zweck nutzbare Schwarze Loch bzw. Binärsystem erreicht werden kann.
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Bis zu dieser zukünftigen Umsetzung dürfte das Konzept zunächst hauptsächlich für die Diskussion um außerirdische Besuche im Sonnensystem – und auf der Erde – und zur Suche nach den Signalen und Beweisen für außerirdische Intelligenzen (SETI) und deren potentiellen Techno-Signaturen interessant sein: „Jedes der geschätzt 10 Millionen Binärsysteme zweier Schwarzer Löcher ist ein potentieller Raumschiff-Beschleuniger. Durchaus vorstellbar, dass eine ferne fortgeschrittene Zivilisation dieses Prinzip bereits als besagtes interstellares Autobahnnetzwerk nutzt“, so Kipping abschließend.
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