Die Herausforderungen eines außerirdischen Raumfahrtprogramms: Flucht vor Supererden und roten Zwergsternen

Seit Beginn des Weltraumzeitalters sind die Menschen auf chemische Raketen angewiesen, um ins All zu gelangen. Diese Methode ist sicherlich effektiv, aber auch sehr teuer und erfordert einen erheblichen Ressourcenaufwand. Wenn wir nach effizienteren Möglichkeiten suchen, in den Weltraum zu gelangen, muss man sich fragen, ob ähnlich fortschrittliche Arten auf anderen Planeten (wo die Bedingungen anders wären) auf ähnliche Methoden zurückgreifen würden.

Mit dieser Frage beschäftigten sich Harvard-Professor Abraham Loeb und Michael Hippke, ein unabhängiger Forscher der Sternwarte Sonneberg, in vor kurzem zwei - veröffentlichte Papiere . Während sich Prof. Loeb mit den Herausforderungen beschäftigt, mit denen Außerirdische beim Abschuss von Raketen von Proxima b konfrontiert sind, überlegt Hippke, ob Außerirdische, die auf einer Supererde leben, in den Weltraum gelangen könnten.

Die Papiere, gekachelt“ Interstellare Flucht aus Proxima b ist mit chemischen Raketen kaum möglich ' und ' Raumfahrt von Super-Erden ist schwierig “ ist kürzlich online erschienen und wurde von Prof. Loeb bzw. Hippke verfasst. Während Loeb die Herausforderungen von Chemieraketen anspricht, die aus Proxima b entkommen, überlegt Hippke, ob dieselben Raketen überhaupt eine Fluchtgeschwindigkeit erreichen könnten oder nicht.

Künstlerische Darstellung von Proxima b, die mit der Radial Velocity Methode entdeckt wurde. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Für seine Studie überlegte Loeb, wie wir Menschen das Glück haben, auf einem Planeten zu leben, der für Weltraumstarts gut geeignet ist. Wenn eine Rakete von der Erdoberfläche entkommen und den Weltraum erreichen soll, muss sie im Wesentlichen eine Fluchtgeschwindigkeit von 11,186 km/s (40.270 km/h; 25.020 mph) erreichen. In ähnlicher Weise beträgt die Fluchtgeschwindigkeit, die benötigt wird, um sich von der Position der Erde um die Sonne zu entfernen, etwa 42 km/s (151.200 km/h; 93.951 mph).

Wie Prof. Loeb Universe Today per E-Mail sagte:

„Chemischer Antrieb erfordert eine Treibstoffmasse, die mit der Endgeschwindigkeit exponentiell wächst. Durch einen glücklichen Zufall ist die Fluchtgeschwindigkeit aus der Erdumlaufbahn um die Sonne an der Grenze der erreichbaren Geschwindigkeit durch chemische Raketen. Aber die bewohnbare Zone um schwächere Sterne liegt näher, was es für chemische Raketen viel schwieriger macht, aus der tieferen Gravitationsgrube dort zu entkommen.“

Wie Loeb in seinem Aufsatz andeutet, skaliert die Fluchtgeschwindigkeit als Quadratwurzel der Sternmasse über die Entfernung vom Stern, was bedeutet, dass die Fluchtgeschwindigkeit aus der bewohnbaren Zone umgekehrt mit der Sternmasse in der Potenz eines Viertels skaliert. Für Planeten wie die Erde, die innerhalb der bewohnbaren Zone eines Sterns vom Typ G (gelber Zwerg) wie unserer Sonne kreisen, funktioniert dies ziemlich lange.

Diese Infografik vergleicht die Umlaufbahn des Planeten um Proxima Centauri (Proxima b) mit derselben Region des Sonnensystems. Bildnachweis: Pale Red Dot

Leider funktioniert dies nicht gut für terrestrische Planeten, die Sterne vom Typ M (Roter Zwerg) mit geringerer Masse umkreisen. Diese Sterne sind der häufigste Typ im Universum und machen allein 75% der Sterne in der Milchstraße aus. Darüber hinaus haben kürzlich durchgeführte Exoplaneten-Durchmusterungen eine Vielzahl von Gesteinsplaneten entdeckt, die Systeme der Roten Zwerge umkreisen, wobei einige Wissenschaftler wagen, dass sie die wahrscheinlichster Ort, um potenziell bewohnbare Gesteinsplaneten zu finden .

Am Beispiel des nächstgelegenen Sterns zu unserem eigenen (Proxima Centauri) erklärt Loeb, wie es für eine Rakete mit chemischem Treibmittel viel schwieriger wäre, die Fluchtgeschwindigkeit von einem Planeten innerhalb seiner bewohnbaren Zone zu erreichen.

„Der sonnennächste Stern, Proxima Centauri, ist ein Beispiel für einen schwachen Stern mit nur 12% der Sonnenmasse“, sagte er. „Vor ein paar Jahren wurde entdeckt, dass dieser Stern einen erdgroßen Planeten, Proxima b, in seiner bewohnbaren Zone hat, der 20-mal näher ist als die Trennung der Erde von der Sonne. An diesem Ort ist die Fluchtgeschwindigkeit 50 % größer als aus der Erdumlaufbahn um die Sonne. Eine Zivilisation auf Proxima b wird es schwer haben, mit chemischen Raketen von ihrem Standort in den interstellaren Raum zu entkommen.“

Hippkes Aufsatz hingegen beginnt mit der Erwägung, dass die Erde möglicherweise nicht der bewohnbarste Planetentyp in unserem Universum ist. Planeten, die massereicher als die Erde sind, hätten beispielsweise eine höhere Oberflächengravitation, was bedeutet, dass sie eine dickere Atmosphäre halten könnten, die eine größere Abschirmung gegen schädliche kosmische Strahlung und Sonnenstrahlung bieten würde.

Künstlerische Darstellung einer Supererde, einer Planetenklasse, die ein Vielfaches der Masse der Erde hat, aber weniger als ein Planet in der Größe von Uranus oder Neptun. Bildnachweis: NASA/Ames/JPL-Caltech

Außerdem hätte ein Planet mit höherer Gravitation eine flachere Topographie, was zu Inselgruppen statt Kontinenten und flacheren Ozeanen führen würde – eine ideale Situation, wenn es um die Artenvielfalt geht. Bei Raketenstarts würde eine erhöhte Bodengravitation jedoch auch eine höhere Fluchtgeschwindigkeit bedeuten. Wie Hippke in seiner Studie angab:

„Raketen leiden unter der Tsiolkovsky-Gleichung (1903): Wenn eine Rakete ihren eigenen Treibstoff trägt, ist das Verhältnis der Gesamtraketenmasse zur Endgeschwindigkeit eine exponentielle Funktion, wodurch hohe Geschwindigkeiten (oder schwere Nutzlasten) immer teurer werden.“

Zum Vergleich verwendet Hippke Kepler-20 b, eine 950 Lichtjahre entfernte Supererde mit dem 1,6-fachen Erdradius und der 9,7-fachen Masse. Während die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde etwa 11 km/s beträgt, müsste eine Rakete, die versucht, eine Supererde ähnlich wie Kepler-20 b zu verlassen, eine Fluchtgeschwindigkeit von ~27,1 km/s erreichen. Demzufolge müsste eine einstufige Rakete auf Kepler-20 b 104-mal so viel Treibstoff verbrennen wie eine Rakete auf der Erde, um in die Umlaufbahn zu gelangen.

Zum Vergleich: Hippke erwägt, bestimmte Nutzlasten von der Erde aus zu starten. „Um eine nützlichere Nutzlast von 6,2 t zu heben, wie sie für das James-Webb-Weltraumteleskop auf Kepler-20 b erforderlich ist, würde die Treibstoffmasse auf 55.000 t ansteigen, etwa die Masse der größten Ozean-Schlachtschiffe“, schreibt er. „Für eine klassische Apollo-Mondmission (45 t) müsste die Rakete erheblich größer sein, ~400.000 t.“

Project Starshot, eine von der Breakthrough Foundation geförderte Initiative, soll die erste interstellare Reise der Menschheit sein. Bildnachweis: Durchbruchinitiatives.org

Während Hippkes Analyse zu dem Schluss kommt, dass chemische Raketen immer noch Fluchtgeschwindigkeiten auf Supererden bis zu 10 Erdmassen ermöglichen würden, macht die benötigte Treibstoffmenge diese Methode unpraktisch. Wie Hippke betonte, könnte dies schwerwiegende Auswirkungen auf die Entwicklung einer fremden Zivilisation haben.

„Ich bin überrascht zu sehen, wie nah wir als Menschen daran sind, auf einem Planeten zu landen, der noch relativ leicht ist, um Weltraumflüge durchzuführen“, sagte er. „Andere Zivilisationen, falls sie existieren, haben möglicherweise nicht so viel Glück. Auf massereicheren Planeten wäre die Raumfahrt exponentiell teurer. Solche Zivilisationen hätten kein Satellitenfernsehen, keine Mondmission oder ein Hubble-Weltraumteleskop. Dies sollte ihre Entwicklung in gewisser Weise verändern, die wir jetzt genauer analysieren können.“

Beide Papiere weisen einige klare Implikationen auf, wenn es um die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) geht. Für den Anfang bedeutet dies, dass Zivilisationen auf Planeten, die rote Zwerge oder Supererden umkreisen, weniger wahrscheinlich im Weltraum unterwegs sind, was ihre Entdeckung erschweren würde. Es weist auch darauf hin, dass wir in Bezug auf die Antriebsarten, mit denen die Menschheit vertraut ist, möglicherweise in der Minderheit sind.

„Die obigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass chemischer Antrieb nur einen begrenzten Nutzen hat, daher wäre es sinnvoll, nach Signalen zu suchen, die mit Lichtsegeln oder Atommotoren in Verbindung stehen, insbesondere in der Nähe von Zwergsternen“, sagte Loeb. „Aber es gibt auch interessante Implikationen für die Zukunft unserer eigenen Zivilisation.“

Künstlerisches Konzept einer bimodalen Atomrakete, die die Reise zum Mond, Mars und anderen Zielen im Sonnensystem macht. Bildnachweis: NASA

„Eine Konsequenz des Papiers betrifft die Weltraumkolonisierung und SETI“, fügte Hippke hinzu. „Zivile von Super-Earths erkunden die Sterne viel seltener. Stattdessen würden sie (teilweise) auf ihrem Heimatplaneten „festgenommen“ und z.B. mehr Laser oder Radioteleskope für die interstellare Kommunikation nutzen, anstatt Sonden oder Raumschiffe zu schicken.“

Sowohl Loeb als auch Hippke weisen jedoch auch darauf hin, dass außerirdische Zivilisationen diese Herausforderungen durch andere Antriebsmethoden angehen könnten. Am Ende könnte chemischer Antrieb etwas sein, das nur wenige technologisch fortgeschrittene Spezies annehmen würden, weil es für sie einfach nicht praktikabel ist. Wie Loeb erklärte:

„Eine fortgeschrittene außerirdische Zivilisation könnte andere Antriebsmethoden verwenden, wie beispielsweise Nuklearmotoren oder Lichtsegel, die nicht denselben Beschränkungen unterliegen wie der chemische Antrieb und Geschwindigkeiten von bis zu einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Unsere Zivilisation entwickelt derzeit diese alternativen Antriebstechnologien, aber diese Bemühungen stehen noch am Anfang.“

Ein solches Beispiel ist Durchbruch Starshot , das derzeit von der Breakthrough Prize Foundation (deren Vorsitzender des Beirats Loeb ist) entwickelt wird. Diese Initiative zielt darauf ab, ein lasergetriebenes Lichtsegel zu verwenden, um ein Nanofahrzeug auf Geschwindigkeiten von 20 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wodurch es in nur 20 Jahren nach Proxima Centauri reisen kann.

Künstlerische Darstellung von felsigen Exoplaneten, die Gliese 832 umkreisen, einen Roten Zwergstern, der nur 16 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org).

Hippke hält auch Nuklearraketen für eine gangbare Möglichkeit, da eine erhöhte Erdanziehungskraft auch dazu führen würde, dass Weltraumaufzüge unpraktisch wären. Loeb wies auch darauf hin, dass die von Planeten um Sterne mit geringer Masse auferlegten Einschränkungen Auswirkungen darauf haben könnten, wenn Menschen versuchen, das bekannte Universum zu kolonisieren:

„Wenn sich die Sonne genug aufheizt, um alles Wasser von der Erdoberfläche zu kochen, könnten wir bis dahin in ein neues Zuhause umziehen. Einige der begehrtesten Ziele wären Systeme mit mehreren Planeten um Sterne mit geringer Masse, wie zum Beispiel den nahen Zwergstern TRAPPIST-1 die 9% einer Sonnenmasse wiegt und sieben erdgroße Planeten beherbergt. Sobald wir jedoch die bewohnbare Zone von TRAPPIST-1 erreicht haben, würde es keine Eile geben, zu entkommen. Solche Sterne verbrennen Wasserstoff so langsam, dass sie uns zehn Billionen Jahre lang warm halten könnten, etwa tausendmal länger als die Lebensdauer der Sonne.“

Aber in der Zwischenzeit können wir uns beruhigt darauf verlassen, dass wir auf einem bewohnbaren Planeten um einen gelben Zwergstern herum leben, der uns nicht nur Leben bietet, sondern auch die Möglichkeit, in den Weltraum zu gehen und zu erforschen. Wie immer, wenn es darum geht, in unserem Universum nach Anzeichen für außerirdisches Leben zu suchen, sind wir Menschen gezwungen, den „Low Hanging Fruit Approach“ zu wählen.

Im Grunde ist der einzige Planet, von dem wir wissen, dass er Leben unterstützt, die Erde, und die einzigen Mittel zur Erforschung des Weltraums, nach denen wir suchen müssen, sind die, die wir selbst ausprobiert und getestet haben. Dadurch sind wir bei der Suche nach Biosignaturen (also Planeten mit flüssigem Wasser, Sauerstoff- und Stickstoffatmosphäre etc.) oder Technosignaturen (also Funkübertragungen, Chemieraketen etc.) etwas eingeschränkt.

Da unser Verständnis der Bedingungen, unter denen Leben entstehen kann, zunimmt und unsere eigene Technologie voranschreitet, müssen wir immer mehr Ausschau halten. Und hoffentlich wird das außerirdische Leben trotz der zusätzlichen Herausforderungen, denen es gegenübersteht, nach uns suchen!

Der Aufsatz von Professor Loeb wurde kürzlich auch in veröffentlicht Wissenschaftlicher Amerikaner .

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