Interstellare Raumfahrt

Schematische Darstellung des Milchstraßensystems.

Die interstellare Nachbarschaft.

Interstellare Raumfahrt beinhaltet alle Raumfahrtaktivitäten die in den interstellaren Raum vordringen, u.a. mit dem Ziel ein anderes Sternensystem zu erreichen. Die Herausforderungen liegen dabei in der Überwindung der großen Distanzen, die in Lichtjahre angegeben werden und der daraus folgenden Reisezeit sowie der Mitführung einer eigenen Energiequelle. Bisher existieren nur theoretische Konzepte.

Hintergrund

Missionen zum äußeren Sonnensystem: Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 und Voyager 2.

Voyager 1 und 2: das Sonnensystem, die Heliopause und der interstellare Raum.

Aktuelle Sonden

Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 und die 2006 gestartete Sonde New Horizons könnten als interstellare Raumfahrzeuge angesehen werden, da sie das Sonnensystem dauerhaft verlassen werden. Wegen ihrer sehr niedrigen Geschwindigkeit (in der Größenordnung von weniger als einem Dreißigtausendstel der Lichtgeschwindigkeit) werden mehrere hunderttausend Jahre vergehen, bis sie die Nähe eines anderen Sterns erreichen. Bei ihnen handelt es sich also nicht um interstellare Sonden im eigentlichen Sinne, da sie ursprünglich nicht für eine interstellare Reise gebaut worden sind. Ihr Hauptziel war Teile des Sonnensystems zu untersuchen. Dementsprechend sind ihre Geräte nicht für längere Reisen ausgelegt und verfallen allmählich.

Ein Ziel der NASA in diesem Bereich war und ist den Rand des Sonnensystems bestimmen zu können. Nach Angaben der NASA soll die Raumsonde Voyager 1 den Rand des Sonnensystems erreicht haben und befindet sich damit in der Heliopause auf dem Weg zum interstellaren Raum.

Rahmenbedingungen

Die Entfernung zu Alpha Centauri.

Verlässt ein Raumschiff (bemannt oder unbemannt) das innere Sonnensystem, so kann dieses die benötigte Energie nicht mehr mittels Solarpanels aus der Sonnenstrahlung generieren, es benötigt eine eigene Energiequelle. Bisherige Sonden verwendeten die Radionuklidbatterie. Weiterhin müsste das Raumschiff mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fliegen, um innerhalb einer angemessenen Zeit (d.h. innerhalb von Jahrzehnten oder Jahrhunderten) das Ziel erreichen zu können. Ein solches Raumschiff müsste autonom funktionieren, um den Zielort ohne Hilfe von der Erde aus, ansteuern und untersuchen zu können, da Signale von der Erde zum Raumschiff mehrere Jahre benötigen würden. Die Datensignale würden fortlaufend zur Erde oder zum Raumschiff gesandt werden. Ein weiteres Problem, dass sich aus den Entfernungen ergibt, ist die Missionsdauer und der Bezug zur Lebensdauer der Systeme. Vor allem die Elektronik ist hiervon betroffen. Aufgrund des noch jungen Technologiezweiges (Beginn etwa in den 1960er Jahren) existieren noch zahlreiche Fragen und Arbeiten (z.B.) die eine Aussage zur Lebensdauer von elektronischen Komponenten/Systemen treffen. Die Lebensdauer von elektronischen Komponenten / Satelliten ist auf einer solchen Mission zwar ein kritischer aber kein unmöglicher Aspekt, da z.B. der ATS-3 Satellit 2008 sein 41jähriges Jubiläum hatte und dabei immer noch aktiv war.

Zusammengefasst sind folgende Parameter bedeutend:

• Eine Geschwindigkeit von ungefähr 0,1*c sollte erreicht werden, um das Ziel innerhalb eines angemessenen Zeitraums erreichen zu können.
• Die hohe Geschwindigkeit erfordert Schutzsysteme aufgrund der Bremsstrahlung und vor Objekten entlang des Flugweges.
• Eine eigene Energiequelle wird benötigt.
• Die Funkübertragungsdauer zur Erde erfordert autonome / künstlich intelligente Systeme.
• Die Missionsdauer ist eine Herausforderung für die Betriebsdauern der Systeme.

Zielorte

Die stellare Nachbarschaft weist einige interessante Zielorte auf. Aus der Liste der nächsten Sterne werden nachfolgend ein paar Nachbarsysteme aufgezeigt. Aus der Tabelle ist erkennbar, dass in einer Entfernung von wenigen Lichtjahren einige Systeme vorhanden sind, sich die Zielorte aber drastisch reduzieren, unter Berücksichtigung von Parametern wie sonnenähnlicher Stern (u.a. auch für Energiegewinnung von Interesse) und dem Vorhandensein von erdähnlichen Planeten.

Sternensysteme	Entfernung (ly)	Anmerkung
Proxima Centauri	4,2	Sonnennächster Stern und roter Zwerg, bei dem die Zugehörigkeit zum Sternensystem Alpha Centauri noch nicht eindeutig geklärt.
Alpha Centauri	4,3	Sonnenähnliches Doppelsternsystem, bei denen Modelle das Vorhandensein von terrestrischen Planeten erlauben. Ein Nachweis fehlt bisher.
Barnards Pfeilstern	6,0	Roter Zwerg und Zielort des Projektes Daedalus. Das Vorhandensein eines Exoplaneten wurde lange Zeit diskutiert, ein Nachweis wurde bisher noch nicht geliefert.
Wolf 359	7,8	Roter Zwerg
Lalande 21185	8,3	Roter Zwerg
Sirius	8,6	Relativ junges Doppelsternsystem, bei der die Masse von Sirius A doppelt so groß ist wie die der Sonne und bei dem der Begleiter Sirius B ein weißer Zwerg ist.
...	...	...
Epsilon Eridani	10,5	Junges Sternsystem, bei dem eine Staubscheibe nachgewiesen wurde, mit einem Abstand analog dem Kuipergürtel. Gemäß der Theorie zur Planetenentstehung könnte das Sternsystem terrestrische Planeten entwickelt haben. Jedoch konnte dies noch nicht nachgewiesen werden.

Raumfahrtantriebe

→ Hauptartikel: Raumfahrtantriebe

Die Probleme der interstellaren Raumfahrt können vor allem in der benötigten Energiekonvertierung, d.h. der Verwendung eines passenden Raumschiffantriebs, gesehen werden. Soll das Objekt den nächstgelegenen Stern innerhalb eines überschaubaren Zeitraums (~ ein halbes Jahrhundert) erreichen, muss das Objekt innerhalb eines kurzen Zeitraums auf eine annähernd relativistische Geschwindigkeit (z.B. ~ 0,1c) beschleunigen. Die Herausforderung hierbei kann mit der Ziolkowski-Gleichung verdeutlicht werden:

$\Delta v\ =v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}$

mit

$v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}$

Um eine hohe Geschwindigkeitsänderung ($\Delta v$) zu erhalten, wird eine hohe effektive Ausströmgeschwindigkeit ($v_{\text{e}}$) des Reaktionsgases bzw. ein hoher spezifischer Impuls ($I_{sp}$) (Triebwerkskennzahl) benötigt. Weiterhin muss viel Treibstoff umgewandelt werden ($m_{0}/m_{1}$), um die benötigte Energie zu erzeugen. Deshalb ist eine hohe Schubkraft notwendig, die die notwendige Beschleunigungsenergie innerhalb eines „kurzen“ Zeitraums erzeugt.

Aus dieser Überlegung heraus, können deshalb zwei Triebwerkskategorien ausgeschlossen werden:

1. Chemische Triebwerke (siehe auch ):
   • Diese Triebwerke besitzen zwar eine hohe Schubkraft, aber aufgrund der Verwendung von chemischer Energie ist die Effizienz ($I_{sp}$) dieser Triebwerke sehr gering.
2. Elektrische Antriebe:
   • Die Effizienz dieser Triebwerke ist hoch, jedoch ist der Treibstoffausstoß, aufgrund der Verwendung von elektrischen Ladungen und deren Abstoßung untereinander, eher gering.

In einigen Konzepten wird deshalb Hauptsächlich der nukleare Pulsantrieb favorisiert, der aus heutiger Sicht realisierbar wäre. Auch der Antimaterie-Antrieb könnte in ferner Zukunft viel versprechend sein. Aufgrund des Energieaufwands zur Beschleunigung der Treibstoffmassen, bevorzugen einige Wissenschaftler den treibstofflosen Antrieb, der mittels Krafteinwirkung durch äußere Felder das Objekt beschleunigt (siehe u.a. Breakthrough Propulsion Physics Project). Eine mögliche Fragestellung hierbei ist auch, ob die Gravitationsfelder der benachbarten Sternensysteme einen Einfluss auf den Flugweg eines Objektes haben könnten. In einer ESA-Studie konnte gezeigt werden, dass ein Mehrkörperproblem im interstellaren Raum vernachlässigbar ist, was bedeutet, dass nur die Einfluss-Sphäre eines Sternensystems von Bedeutung ist. D.h. ein Objekt kann im interstellaren Raum, außerhalb der Einfluss-Sphären, eine Position einnehmen, ohne durch die Gravitationskräfte der Sternensysteme wesentlich von der Position abgebracht zu werden.

Konzepte für eine unbemannte interstellare Raumfahrt

Das Wissen bezüglich des interstellaren Raums und der Heliosphäre ist derzeitig noch gering, so dass erste interstellare Missionen zuerst der Erforschung dieser Bereiche dienen. Einige Missionen, wie die der IBX-Sonde, können von der Erde erste Erkenntnisse liefern, jedoch kann nur eine Sonde vor Ort die Beschaffenheit des Raumes (Materieverteilung, magnetische Felder, …) analysieren und die derzeitigen Modelle bestätigen oder widerlegen. Ist der interstellare Raum erst einmal grundlegend bekannt, so könnte das nächste Ziel, in einigen Jahrzehnten bis Jahrhunderten, ein anderes Sternensystem sein.

Stufe I: Erforschung des interstellaren Raumes

Eine der ersten Entwürfe, neben dem einer Interstellaren Precursor Mission (1977), die nur das Vordringen in den interstellaren Raum vorsah, um Experimente durchführen zu können, war die TAU Mission. Dieser Entwurf der NASA/JPL (1980er Jahre) sollte mit bereits getesteter Technologie bis zu 1000 AU (Thousand Astronomical Units) zurücklegen. Als Antriebssystem wurde ein Ionenantrieb vorgesehen mit Xenon als Treibstoff und einer Radionuklidbatterie als Energiequelle. Die Missionsdauer sollte 50 Jahre betragen. Ein ähnliches Konzept, jedoch für interplanetare Forschungsmissionen, führte die NASA 2003 mit dem Projekt Prometheus und dem mittlerweile gestrichenen JIMO weiter. Die Energiequelle RTG in Kombination mit einem Ionenantrieb ist ein gängiges Konzept (siehe u.a. ), jedoch existieren auch andere Vorschläge.

Diese beruhen auf der fortschreitenden Entwicklung im Bereich des Satelliten-Leichtbaus und der Sonnensegel-Technologie. Eines dieser Vorschläge beinhaltet eine 250 kg leichte Sonde, die mittels eines Sonnensegels mit einem Radius von ungefähr 200 m und einigen Gravity-Assist-Manövern eine Entfernung von 200 AU innerhalb von 15 Jahren erreichen soll. Das Sonnensegel soll nach der Beschleunigungsphase von ca. 5 AU abgestoßen werden (weiteres Konzept siehe auch).

Häufig vorgeschlagene Antriebssysteme

• Sonnensegel
• Ionenantrieb - Solar Electric Propulsion (SEP) / Nuclear Electric Propulsion (NEP)
• zusätzlich Gravity-Assist-Manöver bei der Sonne und beim Jupiter

Nutzen einer Interstellaren Precursor Mission

Die Ziele einer solchen Mission liegen in der (Kap. 1.0.2 ):

1. Erforschung des interstellaren Mediums, dessen Ursprung und die Materieentstehung in der Galaxie.
2. Erforschung der Heliosphäre und deren Interaktion mit dem interstellaren Medium.
3. Erforschung fundamentaler astronomischer Prozesse in der Heliosphäre und dem interstellaren Medium.
4. Bestimmung fundamentaler Eigenschaften des Universums.

Ein weiterer Nutzen in der Beantwortung dieser Fragestellungen kann dem Auffinden einer Lösung zur Nutzung des interstellaren Mediums für das Antriebssystem oder der Energieversorgung dienen. Sollte solch eine Möglichkeit existieren, könnten die Kosten eines interstellaren Raumschiffs zum nächsten Sternensystem erheblich reduziert werden.

Stufe II: Erforschung anderer Sternensysteme

Künstlerische Darstellung eines Orion-Raumschiffs aus der NASA-Entwurfsphase

Während für eine Reise in den interstellaren Raum nur einige 100 AU zurückgelegt werden müssen, beinhaltet eine Reise zu anderen Sternensystemen das Zurücklegen einer Entfernung von einigen 100.000 AU (1 ly ~ 63 kAU). Diese Änderung der Größenordnung wird vor allem an der Auswahl des Antriebssystems erkenntlich. Hauptantriebssystem in den Projekten Orion, Daedalus, Longshot und Icarus ist der nukleare Pulsantrieb. Dieser gilt, von all den vorgeschlagenen Systemen, als am ehesten technisch realisierbar. Weitere Thematiken die in den Projekten behandelt wurden und werden, sind Schutzmechanismen vor Strahlung und Mikropartikeln, künstlich intelligente Systeme und Missionsabläufe. Neben diesen Studien existieren noch weitere Vorschläge bzgl. Missionen zu anderen Sternensystemen.

Eine weitere Idee ist der Versand von kleinen Sonden (~ 50kg) zu benachbarten Sternensystemen, die sich am Zielort selbst reproduzieren, Kommunikationsempfänger und Transmitter aufbauen und eine eventuelle Kolonisation durch Menschen vorbereiten sollen. Die Rohstoffe erhalten die Nanoroboter mittels In-situ-Technologie vor Ort. Der Vorteil dieser Mission ist der geringere Energieaufwand, um solch eine Probe, im Gegensatz zu einer voll funktionsfähigen Sonde (z.B. Cassini-Huygens mit 5.364 kg), zu einem anderen Sternensystem zu schießen. Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau eines Kommunikationsnetzwerkes, um mit einer anderen eventuell existierenden Zivilisationen in Kontakt treten oder ein außerirdisches Kommunikationsnetzwerk auffinden zu können (Theorie/Spekulation). Elektromagnetische Wellen eignen sich aufgrund ihrer Geschwindigkeit gut zur Kommunikation und können auch zu einer einseitigen Informationsübertragung verwendet werden.

Häufig vorgeschlagenes Antriebssystem

• Nuklearer Pulsantrieb

Konzepte für eine bemannte interstellare Raumfahrt

Für die bemannte interstellare Raumfahrt gelten die gleichen Rahmenbedingungen wie für die unbemannte interstellare Raumfahrt. Zusätzlich kommen weitere Herausforderungen hinzu, aufgrund der Nutzlast „Mensch“. Das Ziel einer bemannten interstellaren Raumfahrt wird die Erforschung und Kolonisierung fremder Sonnensysteme sein. Während es zu unbemannten Missionen schon einige Veröffentlichungen gibt, existieren für bemannte Missionen nur wenige. Eine dieser Veröffentlichung ist der Wayland Report, welcher in Anlehnung an die Icarus-Studie (unbemannt) verfasst wurde. Der Wayland-Report befasst sich mit einem Generationenschiff.

Bemannte Raumschiffkonzepte

Die bisher existierenden Ideen entsprechen eher Theorien oder stammen zum Teil aus der Science Fiction Literatur, was jedoch nicht bedeutet, dass diese eines Tages nicht möglich sein werden. Ein Beispiel hierfür war das Experiment Biosphäre 2, bei dem versucht wurde, ein ökologisches Gleichgewicht bei einem abgeschlossenen System herzustellen. Das Projekt gilt als gescheitert, da nicht alle Bedingungen berücksichtigt wurden, bzw. vorher bekannt waren. Solch eine Biosphäre könnte jedoch für den Transport von Menschen notwendig sein, wenn diese über mehrere Jahrzehnte im Wach-Zustand am Leben gehalten werden sollen. Jedoch setzen nicht alle Konzepte solch ein Habitat voraus.

Generationenschiffe

→ Hauptartikel: Generationenraumschiff

Der Name des Raumschiffskonzeptes entstammt dem Sachverhalt, dass während der Reise zu einem anderen Sternensystem, neue Generationen auf dem Raumschiff geboren werden und heranwachsen. Die Generationenschiffe sind dabei autarke Habitate, d.h. an Bord des Schiffes müssten beispielsweise Nahrungsanbau, Trinkwasser-, Sauerstoff-Recycling, ... ermöglicht werden (Kreislauf). Ideen zu solchen Habitaten im erdnahen Raum bzw. im unseren Sonnensystem wären: die O’Neill-Kolonien, die Bernal-Sphäre, … . Eine wesentliche Fragestellung bei diesem Konzept, die bisher kaum beantwortet ist, ist die zur Crewgröße und –Zusammensetzung. Die Crewgröße ist dabei ausschlaggebend für die Gesamtmasse des Raumschiffes, da einer Person ein bestimmter Ressourcenbedarf zugeschrieben werden kann (Platz, Ressourcenverbrauch, ...).

Schläferschiffe

Die Besatzung dieses Raumschiffkonzeptes wird nach Abflug von der Erde in einen so genannten Kryoschlaf, eine Art „künstlichen Winterschlaf“ versetzt und bei der Ankunft am Ziel wieder aufgeweckt. Der Vorteil dieses Konzeptes ist, dass auf groß angelegte Nahrungsproduktion und Unterhaltungseinrichtungen verzichtet werden kann. Allerdings sind die Auswirkungen eines solchen Kryoschlafs, so er technisch möglich wäre, beim Menschen noch unbekannt. In der Science Fiction wird diese Form recht häufig verwendet, u.a. in folgenden Filme und Serien: Alien, Avatar, Demolition Man, Star Trek …

Embryonentransport

Bei dieser Art von Raumschiff würden tiefgefrorene menschliche Embryos auf die Reise geschickt. Ein paar Jahre vor, zur oder nach Ankunft am Ziel würden diese aufgetaut, gezüchtet und von Robotern großgezogen werden. Diese Form des Transportes wäre, wenn möglich, die effektivste Form, da keine aufwendigen Habitatstrukturen für eine Reise von mehreren Jahrzehnten mitgeführt werden müssten. Vor Ort könnten dann die Ressourcen genützt werden, so dass Roboter doe benötigten Habitate errichten könnten. Abgesehen von technischen Herausforderungen ist diese Methode unter ethischen Gesichtspunkten umstritten.

Anmerkungen

Die hier erwähnten Konzepte sind noch sehr spekulativ und werden aus diesem Grund nur kurz angerissen. Nähere Details sind den Hauptartikeln, wenn vorhanden, zu entnehmen.

Am 23. Mai 2007 wurde eine wissenschaftliche Arbeit unter der Leitung von Arturo Casadevall veröffentlicht, die von Pilzen handelt, die (wahrscheinlich mittels Melanin) radioaktive Strahlung in für ihren Organismus nutzbare Energie umwandeln. Es ist denkbar, dass mit Hilfe von solchen Pilzen während Raumflügen Nahrung für Astronauten produziert werden kann. Im Weltall ist überall mehr Hintergrundstrahlung als von Pflanzen nutzbares Licht vorhanden.

Sonstiges

Anfang 2011 starteten DARPA und NASA-Ames das 100-Year Starship project. In diesem Forschungs- und Evaluierungsprogramm werden die Möglichkeiten und Herausforderung von bemannten interstellaren Langzeitflügen erforscht und Strategien entworfen.

Siehe auch

• Breakthrough Propulsion Physics Project
• Liste der nächsten Sterne

Literatur

• Paul Gilster: Centauri dreams - imagining and planning interstellar exploration. Springer, New York 2004, ISBN 0-387-00436-X
• Gregory L. Matloff: Deep-space probes - to the outer solar system and beyond. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-24772-6
• Grigor A. Gurzadyan: Space dynamics. Taylor & Francis, London 2002, ISBN 0-415-28202-0
• Eugene F.Mallove, Gregory L. Matloff: The starflight handbook - a pioneer's guide to interstellar travel. Wiley, New York 1989, ISBN 0-471-61912-4
• Claudio Maccone: SETI, extrasolar planets search and interstellar flight - When are they going to merge? Acta Astronautica 64, S.724–734, 2009, Abstract
• Robert H. Frisbee: Limits of Interstellar Fligh Technology. in Marc G. Millis (et al.): Frontiers of Propulsion Science. American Inst. of Aeronautics & Astronautics, Reston 2009, ISBN 1-56347-956-7, S 31 - 126
• Pharis E. Williams: Superluminal Space Craft. American Institute of Physics, Volume 1103, Melville 2009, S.352-358, Abstract
• William B. Scott: To the Stars. Aviation Week & Space Technology, 1.März 2004, S.50 - 52

Weblinks

• American Institute of Aeronautics and Astronautics Presentation on Advanced Propulsion Concepts for Interstellar Travel , Mai 2008, [1]
• Radiosendung The Space Show vom 24 Juni 2008 über advanced space propulsion concepts for interstellar travel
• Interstellar Probe Mission/System Concept Jet Propulsion Laboratory 2000 (pdf, abgerufen 24.Dezember 2009)
• Mission Design for the Innovative Interstellar Explorer Vision Mission NASA 2005, Glenn Technical Reports Server
• Interstellar Propulsion Research: Realistic Possibilities and Idealistic Dreams Marshall Space Flight Center 2009 (pdf, abgerufen am 5. Juli 2010)
• Arkady Kheyfets, Warner A. Miller: Hyper-fast interstellar travel via a modification of spacetime geometry. 1997 Energy Citations Database, US Department of Energy
• Project Icarus
• Robert L. Forward: A Program for Interstellar Exploration. (PDF) British Interplanetary Society, , abgerufen am 5. Juni 2011 (englisch). 
• NASA Institute for Advanced Concepts: A Realistic Interstellar Explorer - Phase I Final Report (Phase I: 01.11.1998 bis 30.04.1999). (PDF) NASA, 21. Mai 1999, abgerufen am 30. Juni 2011 (englisch). 
• NASA Institute for Advanced Concepts: A Realistic Interstellar Explorer - Phase II Final Report (Phase II: 01.04.2000 bis 30.06.2002). (PDF) NASA, 14. Oktober 2003, abgerufen am 30. Juni 2011 (englisch).