Wenn Sie ein leistungsstarkes Raumschiff bauen möchten, ist nichts besser als Antimaterie. Es ist leicht, extrem leistungsstark und kann eine enorme Geschwindigkeit erzeugen. Die Herstellung ist jedoch enorm teuer, flüchtig und setzt Ströme zerstörerischer Gammastrahlen frei. Das Institute for Advanced Concepts der NASA finanziert ein Forscherteam, um zu versuchen, ein mit Antimaterie betriebenes Raumschiff zu entwickeln, das einige dieser Probleme vermeiden könnte.
Die meisten Raumschiffe mit Selbstachtung in Science-Fiction-Geschichten verwenden Anti-Materie aus gutem Grund als Kraftstoff – es ist der stärkste bekannte Kraftstoff. Während Tonnen von chemischem Treibstoff benötigt werden, um eine menschliche Mission zum Mars voranzutreiben, reichen nur zehn Milligramm Antimaterie aus (ein Milligramm entspricht etwa einem Tausendstel des Gewichts eines Stücks der ursprünglichen M&M-Süßigkeit).
In Wirklichkeit hat diese Macht jedoch ihren Preis. Einige Antimaterie-Reaktionen erzeugen Explosionen hochenergetischer Gammastrahlen. Gammastrahlen sind wie Röntgenstrahlen auf Steroiden. Sie dringen in Materie ein und brechen Moleküle in Zellen auf, sodass sie nicht gesund sind. Hochenergetische Gammastrahlen können die Triebwerke auch radioaktiv machen, indem sie Atome des Triebwerksmaterials fragmentieren.
Das NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finanziert ein Forscherteam, das an einem neuen Design für ein mit Antimaterie betriebenes Raumschiff arbeitet, das diesen unangenehmen Nebeneffekt vermeidet, indem es Gammastrahlen mit viel geringerer Energie erzeugt.
Antimaterie wird manchmal als Spiegelbild der normalen Materie bezeichnet, da sie zwar wie gewöhnliche Materie aussieht, aber einige Eigenschaften umgekehrt sind. Zum Beispiel haben normale Elektronen, die bekannten Teilchen, die elektrischen Strom in allem, vom Handy bis zum Plasma-Fernseher, transportieren, eine negative elektrische Ladung. Antielektronen haben eine positive Ladung, daher nannten Wissenschaftler sie „Positronen“.
Wenn Antimaterie auf Materie trifft, vernichten beide in einem Energieblitz. Diese vollständige Umwandlung in Energie macht die Antimaterie so mächtig. Sogar die nuklearen Reaktionen, die Atombomben antreiben, kommen an zweiter Stelle, wobei nur etwa drei Prozent ihrer Masse in Energie umgewandelt werden.
Frühere mit Antimaterie betriebene Raumschiffe verwendeten Antiprotonen, die bei ihrer Vernichtung hochenergetische Gammastrahlen erzeugen. Das neue Design wird Positronen verwenden, die Gammastrahlen mit etwa 400-mal weniger Energie erzeugen.
Die NIAC-Forschung ist eine Vorstudie, um zu sehen, ob die Idee umsetzbar ist. Wenn es vielversprechend aussieht und Mittel zur Verfügung stehen, um die Technologie erfolgreich zu entwickeln, hätte ein positronenbetriebenes Raumschiff einige Vorteile gegenüber den bestehenden Plänen für eine bemannte Mission zum Mars, die sogenannte Mars Reference Mission.
„Der größte Vorteil ist mehr Sicherheit“, sagte Dr. Gerald Smith von Positronics Research, LLC in Santa Fe, New Mexico. Die aktuelle Referenzmission fordert einen Kernreaktor, um das Raumschiff zum Mars zu befördern. Dies ist wünschenswert, da der nukleare Antrieb die Reisezeit zum Mars verkürzt und die Sicherheit für die Besatzung erhöht, indem sie ihre Exposition gegenüber kosmischer Strahlung verringert. Außerdem wiegt ein chemisch angetriebenes Raumschiff viel mehr und der Start kostet viel mehr. Der Reaktor liefert auch ausreichend Energie für die dreijährige Mission. Aber Kernreaktoren sind komplex, so dass während der Mission möglicherweise noch mehr Dinge schief gehen können. „Der Positronenreaktor bietet jedoch die gleichen Vorteile, ist aber relativ einfach“, sagte Smith, leitender Forscher der NIAC-Studie.
Auch Kernreaktoren sind radioaktiv, auch wenn ihr Brennstoff aufgebraucht ist. Nach der Ankunft des Schiffes auf dem Mars sieht die Referenzmission vor, den Reaktor in eine Umlaufbahn zu bringen, die mindestens eine Million Jahre lang nicht auf die Erde treffen wird, wenn die Reststrahlung auf ein sicheres Niveau reduziert wird. In einem Positronenreaktor bleibt jedoch keine Strahlung übrig, nachdem der Brennstoff aufgebraucht ist. Daher gibt es keine Sicherheitsbedenken, wenn der verbrauchte Positronenreaktor versehentlich wieder in die Erdatmosphäre eintritt, so das Team.
Es wird auch sicherer sein, zu starten. Wenn eine Rakete mit einem Kernreaktor explodiert, könnten radioaktive Partikel in die Atmosphäre freigesetzt werden. „Unsere Positronen-Raumsonde würde bei einer Explosion einen Gammastrahlenblitz auslösen, aber die Gammastrahlen wären augenblicklich verschwunden. Es würden keine radioaktiven Partikel im Wind treiben. Der Blitz wäre auch auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt. Die Gefahrenzone würde ungefähr einen Kilometer (etwa eine halbe Meile) um das Raumschiff herum liegen. Eine gewöhnliche große chemisch angetriebene Rakete hat aufgrund des großen Feuerballs, der aus ihrer Explosion resultieren würde, eine ungefähr gleich große Gefahrenzone“, sagte Smith.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Geschwindigkeit. Die Raumsonde Reference Mission würde Astronauten in etwa 180 Tagen zum Mars bringen. „Unsere fortschrittlichen Designs, wie der Gaskern und die ablativen Triebwerkskonzepte, könnten Astronauten in der Hälfte dieser Zeit und vielleicht sogar in nur 45 Tagen zum Mars bringen“, sagte Kirby Meyer, ein Ingenieur bei Positronics Research an der Studie.
Fortschrittliche Motoren tun dies, indem sie heiß laufen, was ihre Effizienz oder ihren „spezifischen Impuls“ (Isp) erhöht. Isp ist die „Meilen pro Gallone“ der Raketentechnik: Je höher der Isp, desto schneller können Sie fahren, bevor Sie Ihren Treibstoffvorrat aufbrauchen. Die besten chemischen Raketen, wie das Haupttriebwerk des Space Shuttle der NASA, erreichen ihre maximale Leistung bei etwa 450 Sekunden, was bedeutet, dass ein Pfund Treibstoff 450 Sekunden lang ein Pfund Schub erzeugt. Ein Kern- oder Positronenreaktor kann über 900 Sekunden machen. Das ablative Triebwerk, das sich langsam selbst verdampft, um Schub zu erzeugen, könnte bis zu 5.000 Sekunden dauern.
Eine technische Herausforderung bei der Realisierung eines Positronenraumfahrzeugs sind die Kosten für die Herstellung der Positronen. Aufgrund ihrer spektakulären Wirkung auf normale Materie sitzt nicht viel Antimaterie herum. Im Weltraum entsteht es bei Kollisionen von Hochgeschwindigkeitsteilchen, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden. Auf der Erde muss es in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, riesigen Maschinen, die Atome zusammenschlagen. Die Maschinen werden normalerweise verwendet, um herauszufinden, wie das Universum auf einer tiefen, fundamentalen Ebene funktioniert, aber sie können als Antimaterie-Fabriken genutzt werden.
„Eine grobe Schätzung, um die 10 Milligramm Positronen zu produzieren, die für eine menschliche Mars-Mission benötigt werden, beträgt etwa 250 Millionen Dollar mit einer Technologie, die sich derzeit in der Entwicklung befindet“, sagte Smith. Diese Kosten mögen hoch erscheinen, aber sie müssen gegen die zusätzlichen Kosten für den Start einer schwereren chemischen Rakete (derzeitige Startkosten betragen etwa 10.000 US-Dollar pro Pfund) oder die Kosten für den Treibstoff und die Sicherung eines Kernreaktors berücksichtigt werden. „Aufgrund der Erfahrungen mit der Nukleartechnologie ist es vernünftig zu erwarten, dass die Produktionskosten für Positronen mit mehr Forschung sinken“, fügte Smith hinzu.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, genügend Positronen auf kleinem Raum zu speichern. Da sie normale Materie vernichten, können Sie sie nicht einfach in eine Flasche stopfen. Stattdessen müssen sie mit elektrischen und magnetischen Feldern eingedämmt werden. „Wir sind zuversichtlich, dass diese Herausforderungen mit einem engagierten Forschungs- und Entwicklungsprogramm gemeistert werden können“, sagte Smith.
Wenn dem so ist, werden vielleicht die ersten Menschen, die den Mars erreichen, in Raumschiffen ankommen, die von derselben Quelle angetrieben werden, die Raumschiffe durch die Universen unserer Science-Fiction-Träume abgefeuert hat.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
