Es ist schwer, in einem relativistischen Universum zu leben, in dem selbst die nächsten Sterne so weit entfernt sind und die Lichtgeschwindigkeit absolut ist. Kein Wunder also, warum Science-Fiction-Franchises routinemäßig FTL (Faster-than-Light) als Handlungsinstrument verwenden. Drücken Sie einen Knopf, drücken Sie ein Pedal, und dieses schicke Antriebssystem – dessen Funktionsweise niemand erklären kann – wird uns an einen anderen Ort in der Raumzeit schicken.
In den letzten Jahren ist die wissenschaftliche Gemeinschaft jedoch verständlicherweise aufgeregt und skeptisch gegenüber der Behauptung geworden, dass ein bestimmtes Konzept – die Alcubierre Warp Drive – könnte tatsächlich machbar sein. Dies war das Thema von a Präsentation gemacht auf der diesjährigen American Institute of Aeronautics and Astronautics Forum für Antriebe und Energie , die vom 19. bis 22. August in Indianapolis stattfand.
Diese Präsentation wurde von Joseph Agnew geleitet – einem Bachelor-Ingenieur und wissenschaftlichen Mitarbeiter der University of Alabama im Propulsion Research Center in Huntsville (VR China). Als Teil einer Sitzung mit dem Titel „The Future of Nuclear and Breakthrough Propulsion“ teilte Agnew die Ergebnisse einer von ihm durchgeführten Studie mit dem Titel „ Eine Untersuchung von Warp-Theorie und -Technologie zur Ermittlung des Stands der Technik und der Machbarkeit '.
Künstlerisches Konzept einer Raumsonde mit einem Alcubierre Warp Drive. Bildnachweis: NASA
Wie Agnew einem vollbesetzten Haus erklärte, ist die Theorie hinter einem Warp-Antriebssystem relativ einfach. Ursprünglich vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre im Jahr 1994 vorgeschlagen, wird dieses Konzept für ein FTL-System von den Menschen als hochtheoretische (aber möglicherweise gültige) Lösung für die Einstein-Feldgleichungen , die beschreiben, wie Raum, Zeit und Energie in unserem Universum interagieren.
Für Laien ausgedrückt erreicht der Alcubierre Drive FTL-Reisen, indem er das Raum-Zeit-Gefüge in einer Welle streckt, wodurch sich der Raum vor ihm zusammenzieht, während sich der Raum dahinter ausdehnt. Theoretisch könnte ein Raumfahrzeug innerhalb dieser Welle auf dieser „Warpblase“ reiten und Geschwindigkeiten jenseits der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Dies ist die sogenannte „Alcubierre-Metrik“.
Interpretiert im Kontext von Generelle Relativität , würde das Innere dieser Warpblase den Trägheitsbezugssystem für alles darin bilden. Ebenso können solche Blasen in einem vormals flachen Bereich der Raumzeit erscheinen und die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Da sich das Schiff nicht durch die Raumzeit bewegt (sondern die Raumzeit selbst bewegt), würden konventionelle relativistische Effekte (wie die Zeitdilatation) nicht gelten.
Kurz gesagt, die Alcubierre-Metrik ermöglicht FTL-Reisen, ohne die Relativitätsgesetze im herkömmlichen Sinne zu verletzen. Wie Agnew Universe Today per E-Mail mitteilte, wurde er bereits in der High School von diesem Konzept inspiriert und verfolgt es seitdem:
„Ich vertiefte mich mehr in Mathematik und Naturwissenschaften und begann, mich für Science-Fiction und fortgeschrittene Theorien in einem eher technischen Maßstab zu interessieren. Ich fing an, Star Trek, die Original-Serie und The Next Generation zu sehen und bemerkte, wie sie die Erfindung von Mobiltelefonen, Tablets und anderen Annehmlichkeiten vorhergesagt oder inspiriert hatten. Ich dachte über einige der anderen Technologien nach, wie Photonentorpedos, Phaser und Warpantrieb, und versuchte zu erforschen, was die „Star Trek-Wissenschaft“ und das „Real-World-Science-Äquivalent“ dazu zu sagen hatten. Dann stolperte ich über das Originalpapier von Miguel Alcubierre, und nachdem ich es eine Weile verdaut hatte, begann ich, anderen Schlüsselwörtern und Papieren nachzugehen und tiefer in die Theorie einzusteigen.“
Während das Konzept allgemein als rein theoretisch und hochspekulativ abgetan wurde, wurde ihm in den letzten Jahren neues Leben eingehaucht. Das verdanken wir zu einem großen Teil Dr. Harold „Sonny“ White, dem Advanced Propulsion Team Lead für das A . des NASA Johnson Space Center Erweitertes Labor für Antriebsphysik (auch bekannt als 'Eagleworks Laboratory').
Während der 100 Jahre Raumschiff-Symposium 2011 teilte Dr. White einige aktualisierte Berechnungen der Alcubierre-Metrik mit, die Gegenstand einer Präsentation mit dem Titel „ Warpfeldmechanik 101 “ (und eine gleichnamige Studie). Laut Dr. White war die Theorie von Alcubierre solide, bedurfte jedoch einiger ernsthafter Tests und Entwicklung. Seitdem machen er und seine Kollegen genau diese Dinge über das Eagleworks Lab.
In ähnlicher Weise hat Agnew einen Großteil seiner akademischen Laufbahn damit verbracht, die Theorie und Mechanik der Warp-Mechanik zu erforschen. Unter der Leitung von Dr. Jason Cassibry – einem außerordentlichen Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Fakultätsmitglied des Propulsion Research Center der UAH – gipfelte Agnews Arbeit in einer Studie, die sich mit den größten Hürden und Möglichkeiten der Kettmechanikforschung beschäftigt.
Einer der größten sei, so Agnew, dass das Konzept des „Warp-Antriebs“ in wissenschaftlichen Kreisen noch immer nicht sehr ernst genommen wird:
'Meiner Erfahrung nach führt die Erwähnung des Warp-Antriebs dazu, das Gespräch zum Lachen zu bringen, weil es so theoretisch und direkt aus der Science-Fiction stammt. Tatsächlich wird es oft mit abwertenden Bemerkungen aufgenommen und als Beispiel für etwas völlig Außergewöhnliches verwendet, was verständlich ist. Ich weiß, dass ich es in meinem eigenen Fall zunächst gedanklich in die gleiche Kategorie wie typische Superluminalkonzepte eingeordnet hatte, da sie offensichtlich alle gegen die Annahme „Lichtgeschwindigkeit ist die ultimative Geschwindigkeit“ verstoßen. Erst als ich mich eingehender mit der Theorie beschäftigte, wurde mir klar, dass diese Probleme nicht auftraten. Ich denke, es würde/wird viel mehr Interesse geben, wenn sich Einzelpersonen mit den erzielten Fortschritten befassen. Auch der historisch-theoretische Charakter der Idee ist wahrscheinlich abschreckend, da es viel schwieriger ist, wesentliche Fortschritte zu sehen, wenn man sich Gleichungen statt quantitativer Ergebnisse ansieht.'
Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von binären Schwarzen Löchern, einer der Hauptursachen für Gravitationswellenereignisse. Bildnachweis: LIGO/A. Simonnet.
Obwohl das Feld noch in den Kinderschuhen steckt, gab es eine Reihe neuer Entwicklungen, die dazu beigetragen haben. Zum Beispiel die Entdeckung natürlich vorkommender Gravitationswellen (GWSs) durch LIGO-Wissenschaftler im Jahr 2016 , die sowohl eine Vorhersage von Einstein vor einem Jahrhundert bestätigte als auch beweist, dass die Grundlage für den Warp-Antrieb in der Natur existiert. Wie Agnew andeutete, ist dies vielleicht die bedeutendste Entwicklung, aber nicht die einzige:
'In den letzten 5-10 Jahren oder so gab es viele hervorragende Fortschritte in Bezug auf die Vorhersage der erwarteten Auswirkungen des Antriebs, die Bestimmung, wie man ihn verwirklichen könnte, die Stärkung grundlegender Annahmen und Konzepte und mein persönlicher Favorit , Möglichkeiten, die Theorie in einem Labor zu testen.
„Die Entdeckung von LIGO vor einigen Jahren war meiner Meinung nach ein riesiger Fortschritt in der Wissenschaft, da sie experimentell bewies, dass sich die Raumzeit in Gegenwart enormer Gravitationsfelder ‚verformen‘ und verbiegen kann, und dies breitet sich über die ganze Welt aus Universum in einer Weise, die wir messen können. Früher war man sich dank Einstein einig, dass dies wahrscheinlich der Fall war, aber jetzt wissen wir es mit Sicherheit.“
Da das System auf der Expansion und Kompression der Raumzeit beruht, so Agnew, habe diese Entdeckung gezeigt, dass einige dieser Effekte natürlich auftreten. „Jetzt, da wir wissen, dass der Effekt real ist, lautet die nächste Frage für mich: ‚Wie untersuchen wir ihn und können wir ihn selbst im Labor erzeugen?‘“, fügte er hinzu. „Natürlich wäre so etwas ein enormer Zeit- und Ressourcenaufwand, aber enorm von Vorteil.“
Natürlich erfordert das Warp-Drive-Konzept zusätzliche Unterstützung und zahlreiche Fortschritte, bevor experimentelle Forschung möglich ist. Dazu gehören sowohl Fortschritte im theoretischen Rahmen als auch technologische Fortschritte. Wenn diese als „mundgerechte“ Probleme behandelt würden und nicht als eine massive Herausforderung, sagte Agnew, dann seien sicherlich Fortschritte erzielt:
„Im Wesentlichen ist für einen Warpantrieb eine Möglichkeit erforderlich, die Raumzeit nach Belieben und lokal auszudehnen und zusammenzuziehen, beispielsweise um ein kleines Objekt oder ein Schiff herum. Wir wissen mit Sicherheit, dass sehr hohe Energiedichten, beispielsweise in Form von EM-Feldern oder Masse, eine Krümmung der Raumzeit verursachen können. Dafür braucht es aber bei unserer aktuellen Analyse des Problems enorme Summen.“
„Auf der anderen Seite sollten die technischen Bereiche versuchen, die Ausrüstung und den Prozess so weit wie möglich zu verfeinern, um diese hohen Energiedichten plausibler zu machen. Ich glaube, es besteht die Möglichkeit, dass, sobald der Effekt im Labormaßstab dupliziert werden kann, dies zu einem viel tieferen Verständnis der Funktionsweise der Schwerkraft führt und die Tür zu einigen noch unentdeckten Theorien oder Schlupflöchern öffnen kann. Zusammenfassend nehme ich an, dass die größte Hürde die Energie ist, und damit kommen technologische Hürden, die größere EM-Felder, empfindlichere Geräte usw.'
Die schiere Menge an positiver und negativer Energie, die benötigt wird, um eine Warpblase zu erzeugen, bleibt die größte Herausforderung im Zusammenhang mit dem Konzept von Alcubierre. Derzeit glauben Wissenschaftler, dass die einzige Möglichkeit, die für die Herstellung der Blase erforderliche negative Energiedichte aufrechtzuerhalten, über exotische Materie führt. Wissenschaftler schätzen auch, dass der Gesamtenergiebedarf der Masse des Jupiter entsprechen würde.
Dies stellt jedoch einen signifikanten Rückgang gegenüber früheren Energieschätzungen dar, die behaupteten, dass eine Energiemasse benötigt würde, die dem gesamten Universum entspricht. Trotzdem ist eine Menge exotischer Materie mit Jupitermasse immer noch unerschwinglich. In dieser Hinsicht müssen noch erhebliche Fortschritte erzielt werden, um den Energiebedarf auf einen realistischeren Wert zu reduzieren.
Dies sei absehbar nur durch weitere Fortschritte in der Quantenphysik, Quantenmechanik und Metamaterialien möglich, sagt Agnew. Auf technischer Seite sind weitere Fortschritte bei der Herstellung von Supraleitern, Interferometern und magnetischen Generatoren erforderlich. Und natürlich die Frage der Finanzierung, die bei Konzepten, die als „da draußen“ gelten, immer eine Herausforderung darstellt.
Aber wie Agnew sagt, ist das keine unüberwindbare Herausforderung. Angesichts der bisherigen Fortschritte gibt es Grund, positiv in die Zukunft zu blicken:
'Die Theorie hat sich bisher als lohnenswert erwiesen, und es ist heute einfacher als früher, ihre Legitimität nachzuweisen. Was die Rechtfertigung der Ressourcenzuteilung angeht, so ist es nicht schwer zu erkennen, dass die Fähigkeit, über unser Sonnensystem hinaus, sogar über unsere Galaxie hinaus, einen enormen Sprung für die Menschheit bedeuten würde. Und das technologische Wachstum, das sich aus der Erweiterung der Forschungsgrenzen ergibt, wäre sicherlich von Vorteil.“
Wie Avionik, Nuklearforschung, Weltraumforschung, Elektroautos und wiederverwendbare Raketenbooster scheint der Alcubierre Warp Drive eines der Konzepte zu sein, die sich bergauf kämpfen müssen. Aber wenn diese anderen historischen Fälle ein Hinweis sind, kann es irgendwann einen Punkt passieren, an dem es kein Zurück mehr gibt und plötzlich völlig möglich erscheint!
Und angesichts unserer wachsenden Beschäftigung mit Exoplaneten (einem weiteren explodierenden Feld der Astronomie) mangelt es nicht an Menschen, die hoffen, Missionen zu nahegelegenen Sternen zu senden, um nach potenziell bewohnbaren Planeten zu suchen. Und wie die oben genannten Beispiele sicherlich zeigen, braucht es manchmal nur einen guten Schubs, um den Ball ins Rollen zu bringen…
Bild oben – “IXS-Raumschiff“. Kredit und©: Mark Rademaker (2016)
Weiterlesen: UAH , Zentrum für Luft- und Raumfahrtforschung
