Künstlerische Illustration eines elektromagnetischen Schildes, der Astronauten schützen könnte. Bildnachweis: Hubble. Klicken um zu vergrößern.
Gegensätze ziehen sich an. Wie Ladungen abstoßen. Es ist die erste Lektion über Elektromagnetismus und könnte eines Tages das Leben von Astronauten retten.
Die Vision for Space Exploration der NASA fordert eine Rückkehr zum Mond als Vorbereitung für noch längere Reisen zum Mars und darüber hinaus. Aber es gibt einen potentiellen Showstopper: Strahlung.
Der Weltraum jenseits der erdnahen Umlaufbahn wird mit intensiver Strahlung von der Sonne und von tiefen galaktischen Quellen wie Supernovae überflutet. Astronauten auf dem Weg zum Mond und zum Mars werden dieser Strahlung ausgesetzt, was ihr Risiko erhöht, an Krebs und anderen Krankheiten zu erkranken. Es ist wichtig, einen guten Schild zu finden.
Der gängigste Weg, mit Strahlung umzugehen, besteht darin, sie einfach physisch zu blockieren, wie es der dicke Beton um einen Kernreaktor tut. Aber Raumschiffe aus Beton zu bauen ist keine Option. (Interessanterweise könnte es möglich sein, eine Mondbasis aus einer konkreten Mischung aus Mondstaub und Wasser zu bauen, wenn Wasser auf dem Mond zu finden ist, aber das ist eine andere Geschichte.) NASA-Wissenschaftler untersuchen viele strahlungsblockierende Materialien wie Aluminium und fortschrittliche Kunststoffe und flüssiger Wasserstoff. Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile.
Das sind alles physikalische Lösungen. Es gibt noch eine andere Möglichkeit, eine ohne physische Substanz, aber viel Abschirmungskraft: ein Kraftfeld.
Der größte Teil der gefährlichen Strahlung im Weltraum besteht aus elektrisch geladenen Teilchen: Hochgeschwindigkeitselektronen und -protonen von der Sonne und massiven, positiv geladenen Atomkernen von weit entfernten Supernovae.
Wie Ladungen abstoßen. Warum also nicht Astronauten schützen, indem man sie mit einem starken elektrischen Feld umgibt, das die gleiche Ladung wie die einfallende Strahlung hat und die Strahlung so ablenkt?
Viele Experten sind skeptisch, ob elektrische Felder zum Schutz von Astronauten angelegt werden können. Aber Charles Bühler und John Lane, beide Wissenschaftler der ASRC Aerospace Corporation am Kennedy Space Center der NASA, glauben, dass es machbar ist. Sie haben Unterstützung vom NASA Institute for Advanced Concepts erhalten, dessen Aufgabe es ist, Studien zu weit hergeholten Ideen zu finanzieren, um die Möglichkeit elektrischer Schilde für Mondbasen zu untersuchen.
„Die Verwendung elektrischer Felder zur Abwehr von Strahlung war eine der ersten Ideen in den 1950er Jahren, als Wissenschaftler begannen, sich mit dem Problem des Strahlenschutzes von Astronauten zu befassen“, sagt Bühler. „Sie ließen die Idee jedoch schnell fallen, weil es so aussah, als ob die erforderlichen hohen Spannungen und die umständlichen Designs, die sie für notwendig hielten (z. B. die Astronauten in zwei konzentrische Metallkugeln zu stecken), einen solchen elektrischen Schild unpraktisch machen würden.“
Der Ansatz von Bühler und Lane ist anders. In ihrem Konzept hätte eine Mondbasis etwa ein halbes Dutzend aufblasbarer, leitfähiger Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 5 Metern, die über der Basis angebracht sind. Die Kugeln würden dann auf ein sehr hohes statisch-elektrisches Potenzial aufgeladen: 100 Megavolt oder mehr. Diese Spannung ist sehr groß, aber da sehr wenig Strom fließen würde (die Ladung würde statisch auf den Kugeln sitzen), wäre nicht viel Leistung erforderlich, um die Ladung aufrechtzuerhalten.
Die Kugeln würden aus einem dünnen, starken Gewebe bestehen (wie Vectran, das für die Landeballons verwendet wurde, die den Aufprall der Mars Exploration Rovers abfederten) und mit einer sehr dünnen Schicht eines Leiters wie Gold überzogen. Für den Transport ließen sich die Stoffkugeln zusammenfalten und durch einfaches Laden mit einer elektrischen Ladung aufblasen; ähnliche Ladungen der Elektronen in der Goldschicht stoßen sich gegenseitig ab und zwingen die Kugel, sich nach außen auszudehnen.
Die Platzierung der Kugeln weit über dem Kopf würde die Gefahr verringern, dass Astronauten sie berühren. Durch die sorgfältige Auswahl der Anordnung der Kugeln können Wissenschaftler ihre Wirksamkeit bei der Abwehr von Strahlung maximieren und gleichzeitig ihre Auswirkungen auf Astronauten und Ausrüstung am Boden minimieren. Bei einigen Konstruktionen ist das elektrische Nettofeld in Bodennähe tatsächlich null, wodurch potenzielle Gesundheitsrisiken durch diese starken elektrischen Felder gemildert werden.
Bühler und Lane suchen noch nach der besten Anordnung: Ein Teil der Herausforderung besteht darin, dass Strahlung sowohl als positiv als auch als negativ geladene Teilchen vorliegt. Die Kugeln müssen so angeordnet sein, dass das elektrische Feld weit über der Basis negativ ist (um negative Teilchen abzustoßen) und näher am Boden positiv (um die positiven Teilchen abzustoßen). „Wir haben bereits drei mögliche Geometrien simuliert“, sagt Bühler.
Tragbare Konstruktionen könnten sogar auf Mondwagen montiert werden, um Astronauten bei ihrer Erkundung der Oberfläche zu schützen, stellt sich Bühler vor.
Es klingt wunderbar, aber es gibt noch viele wissenschaftliche und technische Probleme, die gelöst werden müssen. Skeptiker stellen beispielsweise fest, dass ein elektrostatischer Schild auf dem Mond durch schwebenden Mondstaub, der selbst durch ultraviolette Sonnenstrahlung aufgeladen wird, kurzgeschlossen werden kann. Auch Sonnenwind, der über den Schild bläst, kann Probleme verursachen. Elektronen und Protonen im Wind könnten im Labyrinth der Kräfte, aus denen der Schild besteht, gefangen werden, was zu starken und unbeabsichtigten elektrischen Strömen direkt über den Köpfen der Astronauten führt.
Die Forschung sei noch vorläufig, betont Bühler. Mondstaub, Sonnenwind und andere Probleme werden noch untersucht. Es kann sein, dass eine andere Art von Abschirmung besser funktioniert, zum Beispiel ein supraleitendes Magnetfeld. Diese wilden Ideen müssen sich noch von selbst lösen.
Aber wer weiß, vielleicht werden Astronauten auf dem Mond und dem Mars eines Tages sicher arbeiten, geschützt durch ein einfaches Prinzip des Elektromagnetismus, das selbst ein Kind verstehen kann.
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