Jenseits der Raketengleichung
Jedes Raumschiff, das jemals die Erde verlassen hat, war an die Tyrannei der Raketengleichung gebunden. Um schneller zu gehen, braucht man mehr Treibstoff. Aber mehr Treibstoff bedeutet mehr Gewicht, was wiederum noch mehr Treibstoff erfordert, um diese zusätzliche Masse zu beschleunigen. Dieser Teufelskreis setzt fundamentale Grenzen dafür, wie schnell chemische Raketen reisen können, was interstellare Reisen mit der derzeitigen Antriebstechnologie praktisch unmöglich macht.
Solar sails bieten eine elegante Flucht aus dieser Zwangslage. Durch die Nutzung des Drucks von Photonen – sei es von Sonnenlicht oder einem leistungsstarken Laser vom Boden – kann ein großes reflektierendes Flächenelement ein Raumschiff kontinuierlich beschleunigen, ohne dass dieses überhaupt Treibstoff mitführen muss. Im Prinzip könnte eine light sail, die von einem ausreichend leistungsstarken Laser angetrieben wird, einen beträchtlichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit erreichen und würde interstellare Reisen innerhalb einer menschlichen Lebenszeit möglich machen.
Es gibt jedoch ein kritisches Problem: das Segel schmilzt. Die intensiven Laser-Strahlen, die erforderlich sind, um ein Segel zu Geschwindigkeiten für interstellare Reisen zu beschleunigen, würden das reflektierende Material auf Tausende von Grad erhitzen und es zerstören, lange bevor es seine Zielgeschwindigkeit erreicht. Nun haben Forscher der Tuskegee University ein Papier im Journal of Nanophotonics veröffentlicht, das eine nanoengineered light sail beschreibt, welche diese thermische Herausforderung löst.
Die thermische Barriere
Die Breakthrough Starshot Initiative, die 2016 mit Unterstützung des verstorbenen Stephen Hawking und des Investors Yuri Milner angekündigt wurde, schlug vor, grammgenaue Raumschiffe mit 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu Alpha Centauri zu schicken, angetrieben durch ein bodengestütztes Laser-Array. Das Konzept erfordert es, etwa 100 Gigawatt Laser-Leistung über mehrere Minuten auf ein Segel von nur wenigen Metern Breite zu fokussieren – genug Energie, um die meisten Materialien weit über ihren Schmelzpunkt zu heizen.
Frühere Segelausführungen verwendeten dünne Filme aus Aluminium oder anderen reflektierenden Metallen, aber selbst die reflektivsten Metalle absorbieren einen kleinen Anteil des auftreffenden Lichts und wandeln ihn in Wärme um. Bei den für interstellare Beschleunigung erforderlichen Leistungsdichten ist selbst eine Prozentabsorption katastrophal. Das Segel würde in Sekunden verdampfen.
Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, darunter die Herstellung des Segels aus exotischen Materialien wie Diamant oder silicon nitride oder die Verwendung von multi-layer dielectric mirrors, die eine höhere Reflexivität als Metalle erreichen. Aber alle bisherigen Ausführungen hatten Schwierigkeiten, gleichzeitig die hohe Reflexivität, niedrige Masse und strukturelle Integrität zu erreichen, die für ein praktisches interstellares Segel erforderlich sind.
Die nanophotonische Lösung
Dimitar Dimitrov und Elijah Taylor Harris von der Tuskegee University gingen das Problem mit nanophotonischer Engineering an – indem sie Materialien auf der Nanometer-Skala so gestalteten, dass sie kontrollieren, wie sie mit Licht wechselwirken. Ihr Segeldesign verwendet einen dünnen Film aus silicon nitride, der mit einem periodischen Array von Nanometer-großen Strukturen gemustert ist, die eine photonic crystal Struktur erzeugen.
Dieser photonic crystal wurde entwickelt, um die spezifische Wellenlänge des antreibenden Lasers mit außergewöhnlicher Effizienz – größer als 99,9 Prozent – zu reflektieren, während er gleichzeitig die absorbierte Wärme durch sorgfältig gestaltete thermische Emissionskanäle vom Segel weg abstrahlt. Die Nanostruktur fungiert sowohl als quasi-perfekter Spiegel als auch als effizienter Strahler und löst damit beide Hälften des thermischen Problems.
Die Forscher nutzten electromagnetic Computersimulationen, um die Geometrie der Nanostruktur zu optimieren, und fanden eine Konfiguration, die ihre optischen Eigenschaften auch bei Erwärmung des Segels beibehält. Diese thermische Stabilität ist kritisch, weil die optischen Eigenschaften der meisten Materialien sich mit der Temperatur ändern, was möglicherweise einen Runaway-Heizeffekt erzeugt, bei dem die Absorption mit der Erwärmung des Segels zunimmt und es dadurch noch schneller aufheizt.
Masse und strukturelle Überlegungen
Eine light sail für interstellare Reisen muss außerordentlich leicht sein. Das Breakthrough Starshot Konzept verlangt nach einem Segel mit einer areal density von weniger als ein Gramm pro Quadratmeter – vergleichbar mit einigen wenigen Atomlagen. Das Tuskegee Design erreicht dies, indem es einen einzelnen Film aus strukturiertem silicon nitride verwendet, der nur wenige hundert Nanometer dick ist, wobei die photonic crystal Strukturen direkt in den Film eingraviert sind.
Die strukturelle Integrität stellt eine separate Herausforderung dar. Während der Beschleunigungsphase erfährt das Segel erhebliche radiation pressure – das ist schließlich der ganze Zweck – aber dieser Druck ist nicht gleichmäßig über die gesamte Segeloberfläche verteilt. Kleine Variationen in der Laser-Intensität oder der Segel-Reflexivität erzeugen differentielle Kräfte, die dazu führen können, dass sich das Segel verbeult, reißt oder außer Kontrolle gerät. Die Forscher integrierten strukturelle Versteifungsstrukturen in ihr Nanostruktur-Design, die mechanische Starrheit ohne signifikante Massenzunahme bieten.
Von der Theorie zu den Sternen
Das Design des Tuskegee Teams ist derzeit noch theoretisch, aber es behandelt das, was weit herum als einer der kritischsten Engineering-Engpässe für Laser-getriebene interstellare Reisen anerkannt wurde. Ein Segel mit der erforderlichen Nanoskala-Präzision über Flächen von mehreren Quadratmetern zu fertigen, ist jenseits der derzeitigen Produktionsfähigkeiten, aber Fortschritte in nanolithography und roll-to-roll nanopatterning schließen diese Lücke allmählich.
Japans IKAROS Mission demonstrierte solar sail Antrieb im All 2010, und NASAs Advanced Composite Solar Sail System startete 2024, um neue Segelmaterialien in der Erdumlaufbahn zu testen. Diese Missionen verwendeten Sonnenlicht anstelle von Lasern und reisten mit bescheidenen Geschwindigkeiten, aber sie bewies, dass das Grundkonzept funktioniert. Das nanoengineered Design von Tuskegee könnte die Lücke zwischen diesen frühen Demonstrationen und dem viel ehrgeizigeren Ziel von interstellarem Flug überbrücken.
Für eine Technologie, die verspricht, die ersten Sonden der Menschheit zu anderen Sternsystemen zu bringen, ist das Lösen des Schmelzproblems keine kleine Leistung.
Dieser Artikel basiert auf Berichterstattung von Universe Today. Lesen Sie den Originalartikel.
