Interstellare Raumfahrt

Die Schwierigkeiten des interstellaren Reisens

Die größte Herausforderung bei interstellaren Reisen sind die riesigen Entfernungen, die es zu überwinden gilt. Dies bedeutet, dass eine sehr hohe Geschwindigkeit und/oder eine sehr lange Reisezeit erforderlich ist. Die Reisezeit mit den realistischsten Antriebsmethoden würde Jahrzehnte bis Jahrtausende betragen.

Daher wäre ein interstellares Schiff viel stärker den Gefahren ausgesetzt, die bei interplanetaren Reisen auftreten, einschließlich Vakuum, Strahlung, Schwerelosigkeit und Mikrometeoroiden. Bei hohen Geschwindigkeiten würde das Fahrzeug von vielen mikroskopisch kleinen Materieteilchen durchdrungen werden, wenn es nicht stark abgeschirmt ist. Das Tragen des Schildes würde die Antriebsprobleme erheblich verstärken.

Kosmische Strahlung

Die kosmische Strahlung ist von großem Interesse, weil es keinen Schutz außerhalb der Atmosphäre und des Magnetfeldes gibt. Es wurde beobachtet, dass sich die Energien der energiereichsten ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECR) 3 × 1020 eV nähern, was etwa dem 40 Millionenfachen der Energie der vom Large Hadron Collider beschleunigten Teilchen entspricht. Bei 50 J haben die hochenergetischen ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen Energien, die mit der kinetischen Energie eines 90-Kilometer-pro-Stunde-Baseballs (56 mph) vergleichbar sind. Infolge dieser Entdeckungen besteht Interesse daran, die kosmische Strahlung mit noch höheren Energien zu untersuchen. Die meisten kosmischen Strahlungen haben jedoch nicht solche extremen Energien. Die Energieverteilung der kosmischen Strahlung erreicht ihren Höhepunkt bei 0,3 Gigaelektronenvolt (4,8×10-11 J).

Benötigte Energie

Ein wesentlicher Faktor ist die Energie, die für eine angemessene Reisezeit benötigt wird. Eine untere Grenze für die erforderliche Energie ist die kinetische Energie K = ½ mv2, wobei m die Endmasse ist. Wenn eine Abbremsung bei der Ankunft erwünscht ist und nur durch die Motoren des Schiffes erreicht werden kann, dann verdoppelt sich die erforderliche Energie mindestens, weil die zum Anhalten des Schiffes erforderliche Energie gleich der Energie ist, die zum Beschleunigen des Schiffes auf die Fahrgeschwindigkeit erforderlich ist.

Die Geschwindigkeit für eine bemannte Rundreise von einigen Jahrzehnten bis zum nächsten Stern ist tausendmal größer als die von heutigen Raumfahrzeugen. Das bedeutet, dass aufgrund des v2-Terms in der kinetischen Energieformel millionenfach mehr Energie benötigt wird. Die Beschleunigung einer Tonne auf ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit erfordert mindestens 450 PJ oder 4,5 ×1017 J oder 125 Milliarden kWh, wobei Verluste nicht berücksichtigt sind.

Die Energiequelle muss getragen werden, da Sonnenkollektoren nicht weit von der Sonne und anderen Sternen entfernt arbeiten. Die Grösse dieser Energie kann interstellare Reisen unmöglich machen. Ein Ingenieur erklärte: "Für die Reise (nach Alpha Centauri) wäre mindestens die 100-fache Gesamtenergieleistung der gesamten Welt [in einem bestimmten Jahr] erforderlich".

Interstellares Medium

interstellarer Staub und interstellares Gas können aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeiten und der großen kinetischen Energien erhebliche Schäden am Raumfahrzeug verursachen. Größere Objekte (wie z.B. größere Staubkörner) kommen weitaus seltener vor, wären aber wesentlich zerstörerischer. .

Reisezeit

Die langen Reisezeiten machen es schwierig, bemannte Missionen zu konzipieren. Die grundlegenden Grenzen der Raumzeit stellen eine weitere Herausforderung dar. Auch interstellare Reisen wären aus wirtschaftlichen Gründen schwer zu rechtfertigen.

Es kann argumentiert werden, dass eine interstellare Mission, die nicht innerhalb von 50 Jahren abgeschlossen werden kann, überhaupt nicht begonnen werden sollte. Stattdessen sollten die Ressourcen in die Entwicklung eines besseren Antriebssystems investiert werden. Denn ein langsames Raumschiff würde wahrscheinlich von einer anderen Mission, die später mit einem fortschrittlicheren Antrieb entsandt wird, überholt werden.

Auf der anderen Seite kann daher für den unverzüglichen Beginn einer Mission plädiert werden, da sich die nicht antriebsbedingten Probleme als schwieriger erweisen können als die Antriebstechnik.

Intergalaktische Reisen beinhalten Entfernungen, die etwa eine Million Mal größer sind als interstellare Entfernungen, was sie radikal schwieriger macht als selbst interstellare Reisen.

Kennedys Berechnung

Andrew Kennedy hat gezeigt, dass Reisen, die vor der Mindestwartezeit unternommen werden, von denen überholt werden, die mit dem Minimum abreisen, während diejenigen, die nach dem Minimum abreisen, niemals diejenigen überholen werden, die mit dem Minimum abreisen.

Kennedys Berechnung hängt von r ab, dem mittleren jährlichen Anstieg der Weltstromproduktion. Von jedem Zeitpunkt bis zu einem bestimmten Ziel gibt es ein Minimum bis zur Gesamtzeit bis zum Ziel. Reisende würden wahrscheinlich ankommen, ohne von späteren Reisenden überholt zu werden, indem sie vor der Abreise eine Zeit t warten. Das Verhältnis zwischen der Zeit, die benötigt wird, um zu einem Zielort zu gelangen (jetzt, Tnow, oder nach dem Warten, Tt, und dem Wachstum der Reisegeschwindigkeit ist

T n o w T t t = ( 1 + r ) t 2 {\displaystyle {\frac {T_{now}}}{T_{t}}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}}

Am Beispiel einer Reise zum sechs Lichtjahre entfernten Barnard's Star zeigt Kennedy, dass bei einer durchschnittlichen jährlichen Weltwirtschaftswachstumsrate von 1,4 % und einem entsprechenden Wachstum der Reisegeschwindigkeit die schnellste menschliche Zivilisation in 1.110 Jahren ab dem Jahr 2007 zum Stern gelangen könnte.

Interstellare Entfernungen

Astronomische Entfernungen werden oft in der Zeit gemessen, die ein Lichtstrahl benötigen würde, um sich zwischen zwei Punkten zu bewegen (siehe Lichtjahr). Licht in einem Vakuum legt etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde oder 186.000 Meilen pro Sekunde zurück.

Die Entfernung von der Erde zum Mond beträgt 1,3 Lichtsekunden. Mit den heutigen Antriebstechnologien für Raumfahrzeuge kann ein Raumfahrzeug die Entfernung von der Erde zum Mond in etwa acht Stunden zurücklegen (Neue Horizonte). Das bedeutet, dass sich Licht etwa dreißigtausend Mal schneller fortbewegt als mit den derzeitigen Antriebstechnologien für Raumfahrzeuge. Die Entfernung von der Erde zu anderen Planeten des Sonnensystems reicht von drei Lichtminuten bis zu etwa vier Lichtstunden. Je nach dem Planeten und seiner Ausrichtung zur Erde dauern diese Reisen für ein typisches unbemanntes Raumfahrzeug zwischen einigen Monaten und etwas mehr als einem Jahrzehnt. Die Entfernung zu anderen Sternen ist viel größer. Wenn die Entfernung von der Erde zur Sonne auf einen Meter verkleinert wird, würde die Entfernung zu Alpha Centauri A 271 Kilometer oder etwa 169 Meilen betragen.

Der der Sonne nächstgelegene bekannte Stern ist Proxima Centauri, der 4,23 Lichtjahre entfernt ist. Das bisher schnellste ausfliegende Raumschiff, Voyager 1, hat in 30 Jahren 1/600 eines Lichtjahres zurückgelegt und bewegt sich derzeit mit 1/18.000 der Lichtgeschwindigkeit. Bei dieser Geschwindigkeit würde eine Reise nach Proxima Centauri 72.000 Jahre dauern. Natürlich war diese Mission nicht speziell dafür gedacht, schnell zu den Sternen zu reisen, und die gegenwärtige Technologie könnte es viel besser machen. Die Reisezeit könnte mit Sonnensegeln auf einige Jahrtausende oder mit dem nuklearen Impulsantrieb auf ein Jahrhundert oder weniger reduziert werden.

Die Spezielle Relativitätstheorie bietet die Möglichkeit, die Reisezeit zu verkürzen: Wenn ein Raumschiff mit hinreichend fortgeschrittenen Triebwerken Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen könnte, würde die relativistische Zeitdilatation die Reise für den Reisenden wesentlich kürzer machen. Aus der Sicht der auf der Erde verbliebenen Menschen würde die Reise jedoch noch viele Jahre dauern. Bei der Rückkehr zur Erde würden die Reisenden feststellen, dass auf der Erde weit mehr Zeit verstrichen ist als für sie (Zwillingsparadoxon).

Viele Probleme wären gelöst, wenn es Wurmlöcher gäbe. Die Allgemeine Relativitätstheorie schließt sie nicht aus, aber soweit wir derzeit wissen, existieren sie nicht.

Mitteilungen

Die Hin- und Rückflugverzögerungszeit ist die Mindestzeit zwischen dem Eintreffen eines Sondensignals auf der Erde und dem Erhalt von Anweisungen von der Erde durch die Sonde. Da Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können, beträgt sie für die Voyager 1 etwa 32 Stunden, in der Nähe von Proxima Centauri wären es 8 Jahre. Schnellere Reaktionen müssten programmiert werden, um automatisch ausgeführt zu werden. Im Falle eines bemannten Fluges kann die Besatzung natürlich sofort auf ihre Beobachtungen reagieren. Die Hin- und Rückflug-Verzögerungszeit macht sie jedoch nicht nur extrem weit entfernt, sondern auch, was die Kommunikation betrifft, extrem isoliert von der Erde. Ein weiterer Faktor ist die Energie, die benötigt wird, damit die interstellare Kommunikation zuverlässig ankommt. Es liegt auf der Hand, dass Gas und Teilchen die Signale verschlechtern würden (interstellare Auslöschung), und die Energie, die für die Signalübertragung zur Verfügung steht, wäre begrenzt.

Bemannte Missionen

Die Masse jedes Raumschiffs, das Menschen transportieren kann, wäre unweigerlich wesentlich größer als die für eine unbemannte interstellare Sonde erforderliche Masse. Die weitaus größeren Reisezeiten würden ein Lebenserhaltungssystem erfordern. Es ist unwahrscheinlich, dass die ersten interstellaren Missionen Lebensformen transportieren können.

Hauptziele für interstellare Reisen

Im Umkreis von 20 Lichtjahren von der Sonne gibt es 59 bekannte Sternensysteme, die 81 sichtbare Sterne enthalten. Die folgenden könnten als Hauptziele für interstellare Missionen angesehen werden: Strahlungsgefahren würden alle organischen Wesen für eine Expedition zum Sirius ausschließen. In jedem Fall ist es angesichts der wahrscheinlichen Reisezeiten schwierig, überhaupt bemannte Expeditionen zu visualisieren.

Die wahrscheinlichste Zeit für interstellare Reisen wäre vielleicht, wenn ein Stern durch unsere Oort-Wolke kommt. Wir sollten gut 10.000 Jahre vor diesem Ereignis gewarnt werden, so dass wir für dieses Ereignis im Detail planen könnten. Sehen Sie sich Scholz' Stern zum letzten Mal an, als ein Stern durch die Oort-Wolke kam.

Sternsystem	Entfernung (ly)	Anmerkungen
Alpha Centauri	4.3	Nächstes System. Drei Sterne (G2, K1, M5). Komponente A ist ähnlich wie die Sonne (ein G2-Stern). Alpha Centauri B hat einen bestätigten Planeten.
Barnard-Stern	6.0	Kleiner Roter Zwerg M5 mit geringer Leuchtkraft. Dem Sonnensystem am nächsten gelegen.
Sirius	8.7	Großer, sehr heller A1-Stern mit einem Weißen Zwerg als Begleiter.
Epsilon Eridani	10.8	Einzelner K2-Stern etwas kleiner und kälter als die Sonne. Verfügt über zwei Asteroidengürtel, hat möglicherweise einen riesigen und einen viel kleineren Planeten und besitzt möglicherweise ein Planetensystem vom Typ Sonnensystem.
Tau Ceti	11.8	Einzelner G8-Stern ähnlich der Sonne. Hohe Wahrscheinlichkeit, ein sonnensystemähnliches Planetensystem zu besitzen: derzeit sind 5 Planeten nachgewiesen, von denen sich möglicherweise zwei in der bewohnbaren Zone befinden.
Gliese 581	20.3	Mehrplanetensystem. Der unbestätigte Exoplanet Gliese 581 g und der bestätigte Exoplanet Gliese 581 d befinden sich in der bewohnbaren Zone des Sterns.
Vega	25.0	Mindestens ein Planet und mit einem geeigneten Alter, um primitives Leben entwickelt zu haben

Bestehende und kurzfristige astronomische Technologie ist in der Lage, Planetensysteme um diese Objekte herum zu finden und damit ihr Erkundungspotenzial zu erhöhen.