Ist interstellares Reisen möglich? Welche Technologien können interstellares Reisen ermöglichen?

Interstellare Reisen waren schon immer der Traum der Menschheit, aber jeder weiß, dass die vorhandene Technologie und technologische Stärke nicht ausreichen, um interstellare Reisen zu realisieren. Schließlich ist die schnellste Geschwindigkeit der Menschheit nur die dritte kosmische Geschwindigkeit. Es dauert 4,2 Jahre, um Proxima Centauri, den der Menschheit am nächsten gelegenen Stern, mit Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Darüber hinaus würde ein menschliches Raumschiff mit chemischen Treibstoffen Zehntausende von Jahren brauchen, um zu fliegen. Hier werde ich Ihnen mitteilen, welche Technologien interstellare Reisen ermöglichen können.

Wenn wir etwas als extrem schnell beschreiben, verwenden wir oft eine Rakete als Metapher – XXX ist so schnell wie eine Rakete ...

Tatsächlich beträgt die allgemeine Umlaufgeschwindigkeit einer Trägerrakete 7,6 km/s und die Höchstgeschwindigkeit kann 10,8 km/s erreichen.

Diese Geschwindigkeit ist mindestens 126-mal schneller als die Geschwindigkeit eines Golfschlags.

Mindestens 7-mal so schnell wie eine Kugel.

Das ist mindestens 3,7-mal schneller als das schnellste Flugzeug aller Zeiten, das raketengetriebene Flugzeug North American X-15. Im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ist es allerdings so langsam wie eine Schildkröte. Der Unterschied zwischen beiden beträgt das 40.000-fache!

Schließlich sind die Menschen oft mit kosmischen Dimensionen konfrontiert, die sich über Lichtjahre erstrecken.

Man muss sich bewusst sein, wie klein der Raum für menschliche Aktivitäten im Weltall ist.

Voyager 1, die am weitesten fliegende bemannte Raumsonde, war am 26. August dieses Jahres 139 AE oder 2,08 × 10^10 Kilometer von der Erde entfernt. Verglichen mit einem Lichtjahr (946 × 10^10 Kilometer) ist das jedoch nur 1/473!

Wissen Sie, Voyager 1 ist seit 39 Jahren + 11 Monaten + 21 Tagen in der Luft!

Daher kann man sagen, dass das Durchbrechen der Geschwindigkeit bestehender künstlicher Flugzeuge ein Traum ist, den Generationen von Menschen verfolgen.

Experten für Luft- und Raumfahrtdynamik sind zu dem Schluss gekommen, dass die Leistungsfähigkeit der derzeit mit chemischen Antrieben betriebenen Raketen fast erschöpft ist und ihre Geschwindigkeit fast ihr Limit erreicht hat. Nur wenn wir über die bestehenden chemischen Antriebe hinausgehen, können wir Geschwindigkeiten erreichen, die in der Luft- und Raumfahrt Science-Fiction-Manier möglich wären.

Nachfolgend werden wir eine Bestandsaufnahme mehrerer zukünftiger interstellarer Raumfahrzeuge machen, die realistischer und zuverlässiger sind, und uns die Superantriebstechnologie ansehen, die ihnen zugrunde liegt.

THERMONUKLEARER ANTRIEB

Das Konzept eines Raumfahrzeugs mit thermonuklearem Antrieb wurde bereits 1973 offiziell als Forschungsprojekt von der British Interplanetary Society gestartet, der ältesten Forschungseinrichtung der Welt für die Weltraumforschung.

Das Antriebsprinzip ähnelt tatsächlich dem der Verbrennung unserer Sonne. Beide nutzen die thermonukleare Fusion, um enorme Energiemengen zu erzeugen.

Der Schlüssel zur thermonuklearen Energieerzeugung liegt in der Technologie der kontrollierten Kernfusion, von der es gegenwärtig drei Hauptarten gibt: die Ultraschall-Kernfusion, die Kernfusion mit Lasereinschluss (Trägheitseinschluss) und die Kernfusion mit magnetischem Einschluss (Tokamak).

Die Hauptrichtungen sind Lasereinschluss und magnetischer Einschluss, und das US-Energieministerium konzentriert sich bei der Entwicklung der Kernfusion auf den Lasereinschluss.

China, die Europäische Union, die Vereinigten Staaten, Japan, Russland und andere Länder haben zusammen 16 Milliarden Euro in den Bau von ITER investiert. Dabei handelt es sich um den weltweit größten experimentellen Kernfusionsreaktor mit magnetischem Einschluss, dessen Schwerpunkt auf dem magnetischen Einschluss liegt; die Fertigstellung ist für 2019 geplant.

Einem Forschungsbericht der British Interplanetary Society zufolge werden Raumfahrzeuge, sobald die Menschheit die thermonukleare Antriebstechnologie beherrscht, in der Lage sein, eine Weltraumgeschwindigkeit von mehr als 10.000 Kilometern pro Sekunde zu erreichen, was 1/30 der Lichtgeschwindigkeit entspricht und damit nahezu an die Lichtgeschwindigkeit heranreicht.

LASER-PLASMA-ANTRIEB

Laserraumfahrzeuge, auch als Raumfahrzeuge mit gepulstem Laserantrieb bekannt, verwenden schnell wiederholte gepulste Laserstrahlen mit hoher Energie, um den Treibstoff zu erhitzen. Das heißt, das Arbeitsmedium wird nicht stabil erhitzt, sondern erzeugt eine Reihe riesiger gepulster Explosionswellen.

Wenn der Treibstoff zum Fokussierungsbereich des Lasers fließt, erhitzt er sich schnell und wird ionisiert. Dadurch entsteht ein Hochtemperaturplasma, das sich schnell ausdehnt und eine laserunterstützte Explosionswelle bildet, die dann aus der Überschalldüse ausgestoßen wird, um Schub zu erzeugen.

Es wird berichtet, dass die theoretische Geschwindigkeit von Raumfahrzeugen, sobald die Laser-Raumfahrzeugtechnologie ausgereift ist, etwa 1 % der Lichtgeschwindigkeit oder 3.000 Kilometer pro Sekunde betragen wird.

Die USA und die Sowjetunion begannen bereits in den 1970er Jahren mit der Entwicklung dieser Technologie. Der jüngste Durchbruch erfolgte im Jahr 2000, als die amerikanische Lightcraft Technologies Corporation einen Prototyp eines Laser-Raumfahrzeugs mit einem Durchmesser von 12,2 Zentimetern und einem Gewicht von 50 Gramm auf eine Höhe von 71 Metern brachte und 12,7 Sekunden flog.

Dies ist der Rekord für das Laser-Raumschiff mit der längsten Flugzeit, der größten Flughöhe und dem höchsten Raumschiffgewicht bis heute, und seine Bedeutung ist vergleichbar mit dem ersten Mal, als die Gebrüder Wright ein Flugzeug in den blauen Himmel flogen.

LICHTSEGEL

Es wird auch Sonnensegel genannt, verfügt über eine riesige Dünnschichtlinse und nutzt den Strahlungsdruck des Sonnenlichts als Antriebskraft für das Raumfahrzeug.

Das Konzept des Lichtsegels wurde erstmals im 17. Jahrhundert vom deutschen Astronomen Kepler vorgeschlagen.

Im Jahr 2010 startete Japan eine Testversion der Raumsonde IKAROS. IKAROS, die Abkürzung für „Solar-Accelerated Interstellar Kite“ (auch eine Anspielung auf die tragische Figur Ikarus aus der griechischen Mythologie, die mit Wachsflügeln zur Sonne flog, dabei jedoch ins Wasser fiel und starb), wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA entwickelt und ist die weltweit erste Sonde, die von einem Sonnensegel angetrieben wird.

LightSail 2, entwickelt von der British Interplanetary Society, soll 2018 von SpaceX zu Testzwecken ins All geschickt werden.

Bussard-Staustrahltriebwerk

Das auch als Bussard-Staustrahl-Raumschiff bekannte Raumschiff ist eine Antriebstechnologie der Zukunft für die Luft- und Raumfahrt, die der amerikanische Physiker Bussard in den 1960er Jahren konzipierte. Bei diesem Triebwerk handelt es sich um ein Kernfusions-Staustrahltriebwerk, das ein riesiges elektromagnetisches Feld (Zehntausende Quadratkilometer) als Trichter nutzt, um Wasserstoff in der interstellaren Materie zu sammeln und zu komprimieren (da 75 % der gewöhnlichen Materie im Universum aus Wasserstoff besteht), bis die Menge ausreicht, um eine Kernfusion auszulösen und so das Raumfahrzeug durch die Reaktionskraft vorwärts zu treiben.

Nach Bussards Schlussfolgerung wird die maximale Antriebsgeschwindigkeit dieses interstellaren Raumfahrzeugs mit Gas-Staustrahlantrieb 100 Kilometer pro Sekunde nicht überschreiten. Obwohl die Fluggeschwindigkeit nicht hoch ist, verfügt es über eine extrem lange und ausgezeichnete Flugdauer, sodass es für interstellare Flüge geeignet ist.

Elektromagnetischer Antrieb für Raumfahrzeuge EmDrive

Das elektromagnetische Antriebsprinzip wurde erstmals 1999 vom britischen Ingenieur Roger Sawyer vorgeschlagen.

Das Prinzip des elektromagnetischen Antriebs funktioniert wie folgt: In einem konischen Hohlraum ohne spitze Spitze werden durch Sonnenenergie große Mengen elektromagnetischer Mikrowellen erzeugt, die in dem konischen Hohlraum hochdichte Hin- und Herreflexionen bilden und den Schubunterschied, der durch die unterschiedlichen Dicken an beiden Enden des konischen Hohlraums entsteht, ausnutzen, um einen enormen Schub zu erzeugen und so das Flugzeug in die Luft zu befördern. Dies entspricht der Antriebserzeugung in einem geschlossenen Behälter ohne die Notwendigkeit eines chemischen Treibstoffs und wird wissenschaftlich als flüssigkeitsfreier Antrieb bezeichnet.

Angeblich hat die China Academy of Space Technology am 10. Dezember 2016 ein spannendes wissenschaftliches Forschungsergebnis bekannt gegeben: Die elektromagnetische Antriebstechnologie wurde in Tiangong-2 erfolgreich getestet. Das bedeutet, dass die prinzipielle Überprüfung dieser magischen Antriebstechnologie nicht nur durchführbar und zuverlässig ist, sondern auch so schnell wie möglich weiterentwickelt und erstmals bei Satellitenantrieben eingesetzt werden kann.

Sie sollten wissen, dass die NASA diese Technologie seit 10 Jahren entwickelt. Cannae Drive, ein amerikanisches Unternehmen, das mit der NASA bei der elektromagnetischen Antriebstechnologie zusammengearbeitet hat, plant, 2018 einen 6U-Würfelsatelliten zu starten, bevor er eine Weltraumüberprüfung durchführt. China dürfte der amerikanischen Technologie in dieser Hinsicht voraus sein und als erstes Land einen Antrieb auf Götterniveau produzieren – den elektromagnetisch angetriebenen Weltraumantrieb.

ANTIMATERIE

Beim Zusammentreffen von Materie und Antimaterie kommt es zur Annihilation und Masse kann vollständig in Energie umgewandelt werden, wodurch eine maximale Energieeffizienz erreicht wird. Man schätzt, dass die Leistung von Antimaterieantrieben Billionen Mal höher ist als die von konventionellem Treibstoff und Tausende Mal höher als die von Kernenergie. Daher war der Antimaterieantrieb schon immer die Antriebstechnologie auf göttlicher Ebene, von der die Menschen schon lange geträumt haben.

Allerdings beschränkt sich die derzeitige Methode zur künstlichen Erzeugung von Antimaterie auf die Beschleunigung von Teilchen, die auf feste Ziele treffen, um Antiteilchen zu erzeugen, und deren anschließende Abbremsung für die Synthese.

Da dieser Vorgang viel mehr Energie benötigt als die bei einer Annihilation freigesetzte Energie, und da die Erzeugungsrate von Antimaterie äußerst niedrig ist, besteht für diesen Prozess bislang kein wirtschaftlicher Nutzen. Darüber hinaus vernichten sich Antimaterie und Materie bei ihrem Zusammentreffen, was ebenfalls ein großes Problem für die Konservierung darstellt.

Die Forschung und Entwicklung von Antimaterieantrieben wurde jedoch nie unterbrochen. Vor kurzem hat der amerikanische Physiker Laird Jackson, der am Fermilab arbeitete, einen Rückstoßstarter erfunden und testet Antimaterieantriebe.

Darüber hinaus untersuchen einige Forscher Antriebstechnologien für Raumfahrzeuge im Science-Fiction-Stil, wie zum Beispiel durch die Raumkrümmung angetriebene Raumfahrzeuge.

Genau wie der Warp-Antrieb in „Star Trek“ und der Krümmungsmotor in „Die drei Sonnen“ bewegt sich dieser Raumschifftyp mit hoher Geschwindigkeit, indem er den Raum vor sich zusammenzieht und den Raum dahinter ausdehnt. Es scheint zu mysteriös, ist aber theoretisch machbar, da es vollständig mit den Raum-Zeit-Metriken übereinstimmt, die durch Einsteins Feldgleichungen festgelegt wurden.

Was würde es bedeuten, wenn einer dieser Science-Fiction-Technologien ein bahnbrechender Erfolg gelingen würde?

Meiner Meinung nach wird dies eine zweite Renaissance der menschlichen Zivilisation und einen radikalen Sprung nach vorne für die menschliche Gesellschaft mit sich bringen.

Denn von der nahen Zukunft – der globalen Energiefrage – bis zur fernen Zukunft – der Weltraummigration und der interstellaren Kolonisierung – ist im Wesentlichen eine umfassende Energierevolution erforderlich, die nur durch eine grundlegende Modernisierung der bestehenden Energietechnologie und der Luft- und Raumfahrtantriebstechnologie erreicht werden kann. Und diese mit der Technologie der Zukunft ausgestatteten Raumschiffe sind die modernste Technologie, die die Menschheit am ehesten erreichen kann.

Welcher Raumschifftyp ist Ihrer Meinung nach für den Menschen am geeignetsten?