Raketenantriebe zur Raumfahrt auf den meisten Exoplaneten ungeeignet


Start einer SpaceX-Rakete vom Typ Falcon Heavy.

Copyright: SpaceX

Cambridge (USA) – Während in Ermangelung praktikabler Alternativen, der Start von Raketen von der Erde aus bislang nur mit Hilfe konventionell – also chemisch – befeuerter Raketenantriebe möglich ist, könnte diese Verbrennungstechnologie auf den meisten potentiell lebensfreundlichen Exoplaneten für eine Nutzung und Erforschung des Weltraums ungeeignet sein. Zu diesem Schluss kommen zwei Weltraumwissenschaftler und beschreiben die Gründe hierfür anschaulich in zwei vorab veröffentlichten Studien.

Während die von chemischen Treibstoffen angetriebene irdische Raumfahrt zwar ressourcen- und damit kostenaufwendig ist, ist sie hier auf der Erde dennoch effektiv und ermöglicht es uns, neben Satelliten auf Raumschiffe und Sonden zum Mond und zu anderen Planeten zu senden. Was für uns auf der Erde geradezu schon selbstverständlich erscheint, ist auf den meisten anderen potentiell lebensfreundlichen Exoplaneten tatsächlich aber sehr viel schwieriger.

Wie der Harvard-Professor Abraham Loeb in seinem vorab via ArXiv.org veröffentlichten Artikel beschreibt, hat er sich mit Proxima Centauri b auf jenen uns am nächsten gelegenen bekannten Exoplaneten konzentriert, der seinen Stern innerhalb der sog. habitablen Zone umkreist. Diese lebensfreundliche Zone beschreibt jene Abstandregion, innerhalb der ein Planet seinen Stern umkreisen muss, damit aufgrund gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser – und damit die Grundlage zumindest des irdischen Lebens – existieren kann.

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Schon der Titel „Interstellar Escape from Proxima b is Barely Possible with Chemical Rockets“ beschreibt dabei das Kernproblem: Wir Menschen haben das Glück, dass wir auf einem Planeten leben, der für Raketenstarts geradezu geeignet ist: Um mit einer Rakete der Erdoberfläche bis ins All zu entkommen, benötigen wir eine Fluchtgeschwindigkeit von 11.186 Kilometern pro Sekunde. Um von der Erde selbst eine Umlaufbahn um unseren Stern, die Sonne, zu erreichen, benötigen wir eine Fluchtgeschwindigkeit von 42 km/s. Zugleich nimmt die notwendige Masse an chemischem Treibstoff exponentiell mit der Endgeschwindigkeit zu.

„Durch einen glücklichen Zufall liegt die notwendige Fluchtgeschwindigkeit von der Erde um die Sonne innerhalb der Grenze der von chemischen Raketen erreichbaren Geschwindigkeit“, so Loeb gegenüber UniverseToday.com und führt dazu weiter aus: „Die habitable Zone um lichtschwächere Sterne (wie der untersuchte rote Zwergstern Proxima Centauri) liegt jedoch näher am Stern, was es mit chemisch angetriebenen Raketen erschwert, die Anziehungskraft zu überwinden.“

Da die notwendige Fluchtgeschwindigkeit um die Quadratwurzel der Sternenmasse mit zunehmender Distanz ansteigt, legt dies nahe, dass die für das Verlassen der habitablen Zone notwendige Fluchtgeschwindigkeit umgekehrt mit der Sternenmasse hoch vier ansteigt. Für Planeten wie unsere Erde, die mit der Sonne einen sog. „gelben Zwerg“ (einen Stern vom Typ G) umkreist, funktioniert das bekanntermaßen recht gut.

Anders sieht es jedoch auf erdartigen Planeten aus, die einen masseärmeren Stern vom Typ M, also einen roten Zwergstern, innerhalb dessen habitabler Zone umkreisen. Rote Zwerge sind der im Universum am häufigsten vorkommende Sternentypus: Alleine in unserer Milchstraße sind 75 Prozent aller Sterne „Rote Zwerge“. Hinzu haben jüngste Beobachtungskampagnen gezeigt, dass es gerade um rote Zwergsterne die meisten Felsplaneten innerhalb deren habitabler Zonen zu geben scheint.


Proxima Centauri und sein Planet verglichen mit unserem Sonnensystem (Illu.).

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Copyright: ESO/M. Kornmesser/G. Coleman

„Proxima Centauri besitzt nur 12 Prozent der Masse unserer Sonne. Der Planet ‚Proxima b‘ umkreist seinen Stern innerhalb dessen habitabler Zone aber 20 mal näher als die Erde die Sonne. Von diesem Ort aus, ist die Fluchtgeschwindigkeit 50 Prozent höher als von der Erde. Für eine Zivilisation auf Proxima b wäre es also sehr viel schwerer mit Hilfe chemischer Raketenantriebe den interstellaren Raum zu erreichen.“

In einer ähnlichen und ebenfalls via ArXiv.org vorab veröffentlichten Studie hat sich der von einer Institution unabhängige Wissenschaftler Michael Hippke des Planeten „Kepler-20 b“ als Beispiel für sogenannte Super-Erde angenommen. Bei Super-Erden handelt es sich um Felsplaneten von der 1,6- bis rund 10-fachen Erdmasse, also um Planeten, die größer sind als unsere Erde, aber noch kleiner als Uranus oder Neptun. Derart größere bzw. massereichere Planeten könnten, so argumentiert Hippke, deshalb sogar noch lebensfreundlicher als unsere Erde sein, weil sie aufgrund ihrer größeren Anziehungskraft auch dichtere Atmosphären an sich binden könnten, die die Planetenoberflächen noch besser vor schädlichen kosmischen und solaren Strahlen schützen könnten. Zudem hätte ein Planet mit stärkerer Gravitation auch eine flachere Topographie und deshalb mehr Inseln als Kontinente mit flacheren Ozeanen – ein Szenario also, das für eine hohe Artenvielfalt spräche.

Während Super-Erden für den Autor also Vorteile für potentielles Leben mit sich bränchten, verkehrt sich diese Situation für die Nutzung von chemisch betriebenen Raketenstarts auf Super-Erden ins Gegenteil. Der Grund geht schon aus Loebs zuvor beschriebenen Ausführungen hervor: Bei einer größeren Gravitation an der Planetenoberfläche bedürfte es auch einer höheren Fluchtgeschwindigkeit, um sich von dieser zu entfernen: „Herkömmliche Raketen leiden unter der sog. Raketengrund- bzw. Ziolkowsky-Gleichung, laut der bei einer Rakete, die ihren eigenen Treibstoff mit sich führt, das Verhältnis zwischen der gesamten Raketenmasse zur Endgeschwindigkeit eine exponentielle Funktion darstellt und hohe Geschwindigkeiten oder hohe Nutzlasten die Kosten zunehmend steigern.“

Der Radius der rund 950 Lichtjahren entfernten Super-Erde „Kepler-20 b“ beträgt das 1,6-fache unserer Erde und seine Masse ist 9,7 mal schwerer. Beträgt die Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde die bereits erwähnten rund 11 Kilometer pro Sekunde, so liegt sie auf „Kepler-20 b“ schon bei rund 27,1 km/s. Daraus ergibt sich, dass schon eine einstufige Rakete auf dieser Super-Erde 104 mal so viel Treibstoff benötigen würde, um eine Umlaufbahn um den eigenen Planeten zu erreichen. „Um also eine Nutzlast wie die des James-Webb-Weltraumteleskops ins All zu schießen, würde sich die benötigte Treibstoffmasse auf 55.000 Tonnen – in etwa dem Gewicht unserer größten Schlachtschiffe – erhöhen“, erläutert Hippke. „Für eine klassische Weltraum-Mission wie die irdischen Apollo-Mondflüge mit 45 Tonnen, müsste eine Rakete auf ‚Kepler-20 b‘ deutlich größer sein – ca. 400.000 Tonnen.“

Zwar schließen Hippkes Berechnungen eine mit konservativen chemischen Raketen betriebene Raumfahrt auf Super-Erde von der bis zu 10-fachen Erdenmasse nicht gänzlich aus, dennoch mache der hierfür notwendige Aufwand ein solches Unterfangen nahezu unpraktikabel.


Grafischer Vergleich des Kepler-20-Systems mit dem Sonnensystem (Illu.).

Copyright/Quelle: nature.com

Die Erkenntnisse und Konsequenzen der beiden Studien könnten also weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Zivilisationen auf den untersuchten Planetentypen haben: Nicht nur das interplanetare Raumfahrt und Forschung erschwert würden, schon das Verbringen von Satelliten zu Forschungs- und (Tele-)Kommunikationszwecken wäre vermutlich nicht so ohne Weiteres möglich – zumindest nicht mit Hilfe konventioneller Raketenantriebe.

Zugleich verweisen beide Autoren aber auch darauf, dass es sich bei chemischen befeuerten Raketen nicht um die einzige Methode handeln muss, mit der eine Zivilisation Raumfahrt betreibt: Schon heute denken schließlich auch irdische Wissenschaftler und Ingenieure über alternative Antriebe nach, wenn etwa im Rahmen von „Project Starshot“ Sonden mit gewaltigen Lichtsegeln und angetrieben von Hochleistungslasern von der Erde aus, das uns nächstgelegene Planetensystem im System Alpha Centauri schon innerhalb von 20 Jahren erreichen sollen (…GreWi berichtete). Eine andere Alternative wäre der Antrieb von Raketen und Raumschiffen mit Kernenergien.

Auch beschreiben beide Autoren Konsequenzen auch für unsere eigene Suche nach außerirdischen Intelligenzen (Search für ExtraTerrestrial Intelligence, SETI): So sei es angesichts von Zivilisationen auf einem Planeten, der einen Roten Zwerg umkreist weniger wahrscheinlich, dass sie aktive Raumfahrt betreiben, weswegen sie vielleicht auch schwieriger zu finden wären. Zugleich könnte dies aber auch bedeuten, dass gerade diese Zivilisationen umso mehr darum bemüht sind, die Erforschung des Weltalls – vielleicht inklusive eigener SETI-Bemühungen von der Oberfläche ihrer Heimatwelt aus zu betreiben und vielleicht gerade deshalb auch größere energetische Anstrengungen in Kauf nehmen. „Aus diesem Grund wäre es angesichts potentiell bewohnter Planeten um rote Zwergsterne vermutlich auch sinnvoller, hier nach Anzeichen  genutzte für Lichtsegeln (…oder Nuklearantrieben) zu suchen.“

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