In den kommenden Jahrzehnten planen mehrere Weltraumorganisationen, Astronauten zum Mond zurückzubringen (oder sie zum ersten Mal dorthin zu schicken) und die ersten bemannten Missionen zum Mars durchzuführen. Zwischen diesem und dem explosiven Wachstum, das wir im Low Earth Orbit (LEO) sehen, besteht kein Zweifel, dass wir in einer Ära der erneuerten Weltraumforschung leben. Daher ist es verständlich, dass heutzutage auch über alte und neue Konzepte für interstellare Reisen nachgedacht wird.
Ein erheblicher Fokus liegt derzeit auf Leichtsegeln, die durch Strahlungsdruck ihren eigenen Antrieb erzeugen oder durch Laser beschleunigt werden. Diese Konzepte stellen alle möglichen technischen und ingenieurtechnischen Herausforderungen. Zum Glück Coryn Bailer-Jones von der Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) kürzlich eine Studie durchgeführt wo er für ein „Sun Diver“-Lichtsegel plädiert, das die nötige Geschwindigkeit aufnimmt, indem es nahe an der Sonne taucht.
Die Studie mit dem Titel „ The Sun Diver: Sonnensegel mit dem Oberth-Effekt kombinieren ”, erschien kürzlich in derAmerican Journal of Physics. Wie Bailer-Jones bemerkte, ist einer der größten Reize von Solar- und Lichtsegeln die Tatsache, dass sie das Raumfahrzeug davon befreien, seinen eigenen Treibstoff mit sich führen zu müssen. Dies sorgt für weniger Masse, was es dem Raumfahrzeug letztendlich ermöglicht, auf höhere Geschwindigkeiten zu beschleunigen.
Dies ist eine Folge der berühmten Raketengleichung von Tsiolkovsky, die beschreibt, wie ein Raumfahrzeug Beschleunigung ausübt, indem es einen Teil seiner Masse (Treibstoff) als Schub ausstößt. Eine Folge dieser Gleichung ist, dass die Treibstoffmenge, die eine Rakete tragen muss, um ihre Geschwindigkeit zu erhöhen (Delta-v), exponentiell ansteigt, wenn Delta-v ansteigt, hauptsächlich weil der größte Teil des Treibstoffs verwendet wird, um den ungenutzten Treibstoff zu beschleunigen.
Bis heute wurde eine Reihe von Konzepten entwickelt und getestet, um das Sonnensystem zu erforschen, darunter die der Planetary Society Lichtsegel und Lichtsegel 2 , und JAXAs IKAROS Satellit. Darüber hinaus untersuchen verschiedene Organisationen die Idee von Lichtsegeln, die durch Laserarrays beschleunigt werden, als Mittel für interstellare Reisen – wie z Durchbruch Starshot , Projekt Libelle , und NASAs Sternenlicht .
In beiden Fällen bietet ein leichtes Segel Vorteile. Wie Bailer-Jones Universe Today per E-Mail sagte:
„Für die Erforschung des Sonnensystems ermöglichen Sonnensegel daher viele verschiedene Manöver durchzuführen oder in Umlaufbahnen zu gelangen, die sonst viel Treibstoff erfordern würden. Für interstellare Reisen würden wir ein Sonnensegel verwenden, um so nah wie möglich an der Sonne zu tauchen, um so die maximale Beschleunigung von der Sonne zu erzielen.
Ein Phased Laser Array, vielleicht in der Hochwüste Chiles, treibt Segel auf ihrer Reise an. Kredit: bahnbrechende Initiativen
Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da herkömmliche Sonnensegel auf Strahlungsdruck angewiesen sind, was einige Nachteile hat. Laut Bailer-Jones gehört dazu die totale Abhängigkeit von der Sonne für eine bescheidene Beschleunigung. „Insbesondere sinkt die maximale Beschleunigung, die man mit einem Sonnensegel von der Sonne erhält, mit dem Quadrat der Entfernung von der Sonne“, sagte er. 'Also nützen sie nicht viel, wenn Sie sehr weit von der Sonne entfernt sind.'
Da der Strahlungsdruck (und das resultierende Delta-v) in diesen Fällen klein ist, müsste das Lichtsegel entweder extrem leicht oder extrem groß sein. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, sich auf leistungsstarke Arrays mit gerichteter Energie (Laser) zu verlassen, um das Segel zu beschleunigen. Genau das ist dasSternenschuss, Libelle,undSternenlichtKonzepte erfordern, aber ein solches Array wäre sehr teuer zu bauen und zu betreiben.
Eine andere mögliche Lösung, so Bailer-Jones, besteht darin, ein leichtes Segel zu schaffen, das den Oberth-Effekt nutzen kann. Wie er erklärte:
'Das Prinzip des Oberth-Effekts besteht darin, Ihren Boost anzuwenden, wenn Sie sich relativ zum Körper, den Sie umkreisen, am schnellsten bewegen, im Fall des Sundivers zur Sonne. Je näher Sie der Sonne in Ihrer Umlaufbahn sind, desto schneller werden Sie sein. Um den Oberth-Effekt zu nutzen, müssen Sie der Sonne so nahe wie möglich kommen.'
Die Solar-Segelsonde LightSail-1 der Planetary Society soll 2016 mit ihrem Muttersatelliten Prox-1 eine SpaceX Falcon Heavy-Rakete in die Umlaufbahn bringen. Bildnachweis: Josh Spradling/The Planetary Society.
Für diesen Vorgang würde ein Raumfahrzeug mit einem darin verstauten Segel und einer kleinen Menge Treibstoff eine kreisförmige Umlaufbahn um die Sonne einnehmen. Das Raumfahrzeug könnte dann eines von drei Dingen tun. Erstens könnte es sein gesamtes Treibmittel verwenden, um einen retrograden Schub auszuführen (was seine Umlaufgeschwindigkeit verringern würde) und so nah wie möglich an der Sonne absinken, bevor es sein Segel entfaltet.
Zweitens könnte es vollständig auf den Tauchgang verzichten und beim Ausfahren der Segel einen vollständigen prograden Boost anwenden (wodurch seine Umlaufgeschwindigkeit erhöht wird). Drittens könnte es eine Kombination der beiden ausführen. Er überlegte auch ein Szenario, in dem die Segel auf der anfänglichen kreisförmigen Umlaufbahn geöffnet und am Ende der volle Treibmittelschub angewendet würde.
Nach Betrachtung all dieser Szenarien kam Bailer-Jones zu dem Schluss, dass die höchste Geschwindigkeit erreicht werden würde, wenn das Raumfahrzeug einen vollständigen retrograden Schub ausführt, um so nah wie möglich an der Sonne zu tauchen, und dann sein Segel öffnet, sobald es das Perihel erreicht. Nach seinen Berechnungen könnte ein Segel auf diese Weise eine Endgeschwindigkeit von rund 350 km/s erreichen – das entspricht 1,26 Millionen km/h (~783,00 mph).
Dies ist wesentlich schneller als das, was chemische Raketen leisten können. Derzeit wird der Rekord für das schnellste Raumfahrzeug von der Parker Solarsonde , die eine Höchstgeschwindigkeit von rund 246.960 km/h (153.454 mph) erreichte. Bei einer Endgeschwindigkeit von 1,26 Millionen km/h würde ein leichtes Segel jedoch immer noch etwa 2.865 Jahre brauchen, um Proxima Centauri zu erreichen.
IKAROS-Raumsonde mit Sonnensegel im Flug (Künstlerdarstellung) mit typischer Rahsegel-Konfiguration. Bildnachweis: Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki
Wie Bailer-Jones andeutete, liegt dies an den Grenzen der Materialwissenschaft, die der Sonne Grenzen setzt, wie nah ein Raumfahrzeug an die Sonne herankommen kann. „[I]Falls Ihr Raumfahrzeug einer Annäherung an die Sonne standhalten könnte, die Sie mit dem verfügbaren Delta-V erreichen könnten, dann könnten Sie das Segel so neigen, dass es sich so nah wie möglich an der Sonne befindet, und dann das Delta-V . anwenden als Auftrieb“, sagte er.
Darüber hinaus konzentriert sich seine Studie darauf, was mit einer einzigen Transferbahn erreicht werden kann. Als Erweiterung behauptet er, dass eine optimale Kombination der drei von ihm identifizierten Impulsmethoden während zweier Transferbahnen auch zu höheren Geschwindigkeiten führen könnte. Trotzdem gibt es viele Missionsprofile, die ein Sun Diver erfüllen könnte, insbesondere in der Nähe seiner Heimat:
'Der Nutzen des Oberth-Effekts kann in der Praxis jedoch eingeschränkt sein, da Sie bei vielen Missionen nicht nur an Geschwindigkeit interessiert sind. Sie möchten auch die Fahrtrichtung und die Ankunft an bestimmten Zielen steuern, daher ist die Festlegung dieser möglicherweise nicht mit dem maximal möglichen Schub durch den Oberth-Effekt vereinbar.“
Was interstellare Missionen betrifft, die auf Fortschritte in der Materialwissenschaft warten müssen, unabhängig davon, ob es sich um einen „Sonnentaucher“ oder ein Antriebskonzept mit gerichteter Energie handelt oder nicht. Glücklicherweise werden solche Fortschritte (und viele mehr) in den kommenden Jahren erwartet, und die Auswirkungen auf die Weltraumforschung werden sicherlich tiefgreifend sein!
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