Photonenantrieb

Lightsail 2: Photonenantrieb absolviert erfolgreichen Test

Photonenantrieb: Es gibt ein grundsätzliches Problem dabei, fremde Planeten zu erkunden. Denn um ins All zu kommen, benötigt man große Mengen an Treibstoff. Dieser Treibstoff hat jedoch selbst ein Gewicht, welches ebenfalls getragen werden muss. Dafür ist noch mehr Treibstoff nötig, den die Rakete ebenfalls transportieren muss. Somit ist es praktisch unmöglich, mit solchen Antrieben hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, denn um mit einem chemischen Antrieb 3% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen benötigte man die gesamte Masse des Universums. Ist dies also eine natürliche Grenze für die Ausbreitung des Menschen im All?

Alternative Antriebe: Der Photonenantrieb

Nicht unbedingt, denn es gibt auch Antriebstechnologien, die deutlich effizienter sind, etwa den Ionenantrieb. Dieser hat jedoch einen zu geringen Schub und benötigt Sonnenenergie, dadurch ist seine Nutzung beschränkt. Für Reisen bis an den Rand des Sonnensystems und darüber hinaus legen Forscher ihre Hoffnung auf ein anderes Konzept, den sogenannten Photonenantrieb. Technisch anspruchsvoll, doch das Konzept ist einfach und bereits mehrere Jahrhunderte alt: Wie einst unsere Vorfahren auf den Ozeanen segelten, um neue Welten zu erreichen, so sollen robotische Raumsonden mit der Sonnenstrahlung segeln, um andere Planeten zu erreichen.

So schrieb schon Johannes Kepler an Galileo Galilei: „Stellen Sie Schiffe oder Segel bereit, die an die himmlische Brise angepasst sind, und es wird einige geben, die selbst dieser Leere trotzen.“ Mit der „himmlischen Brise“ meine Kepler vermutlich die Sonnenstrahlung

Die Sonnenstrahlung besteht aus Photonen, welche die Sonne in alle Richtungen ausstrahlt. Zwar haben diese Teilchen keine Masse, jedoch werden sie vom Sonnensegel reflektiert und verleihen ihm so Impuls. Diese Kraft ist zwar sehr klein, doch da sie ununterbrochen wirkt, können damit nach einigen Monaten Geschwindigkeiten erreicht werden, mit denen interstellare Reise in einigen Jahrzehnten möglich sind.

Interplanetare Missionen möglich

Doch derzeit dauern selbst Missionen zum Mars viele Monate. Um die Planeten des äußeren Sonnensystems zu erreichen sind Jahre nötig. Der interstellare Raum ist derzeit 40 Flugjahre entfernt, während der nächste Stern in 6000 Jahren erreichbar ist. Doch 2010 startete die japanische Raumfahrtorganisation JAXA eine Mission zur Venus, die durch ein Sonnensegel angetrieben wurde. Tatsächlich war die Mission erfolgreich und die Sonde namens IKAROS nach sieben Monaten die Venus, doch es ging nicht alles Glatt. Denn die Sonnenstrahlung gab nicht nur Antrieb, er brachte die Sonde auch in einer Spiralbewegung und beeinflusste ihre Rotation, all das waren wertvolle Erkenntnisse.

Planetary Society erreicht Erfolg mit Photonenantrieb

Lightsail 2 ist ein privates Projekt des Planetary Society, dessen Ziel das Proben des Photonenantriebs durch die Entfaltung eines Sonnensegels im Orbit und eine Änderung des Orbits durch den Photonenimpuls ist, jedoch ist es bereits der dritte Versuch, zwei vorherige scheiterten. Am 25.Juni brachte SpaceX das Sonnensegel dann mit einer Falcon Heavy in den Orbit, wo es sich entfaltete. Der Satellit selbst ist winzig doch das Sonnensegel hat eine Fläche von 32 Quadratmetern. Tatsächlich gelang das Vorhaben, den Orbit durch das Sonnensegel zu ändern, sodass nun der Machbarkeitsbeweis für weitere komplexere Mission vollbracht ist. Einen Monat soll der Satellit die Erde nun umkreisen, bevor er kontrolliert in die Atmosphäre eintritt und verglüht.

Mission zum Jupiter geplant

Doch die JAXA plant bereits den nächsten großen Sprung. Im laufe des nächsten Jahrzehnts, vermutlich um das Jahr 2022, soll eine Raumsonde zum Jupiter fliegen und seine Trojaner erforschen, dass sind Asteroiden, die sich an speziellen Punkten befinden und die Planeten so auf ihrem Orbit um die Sonne begleiten. Doch die Raumsonde soll viele wissenschaftliche Instrumente an Bord haben und über mehrere Jahre forschen, was mit chemischen Antrieben nicht möglich ist. Daher soll die Raumsonde mit einem Photonenantrieb die weite Strecke zum Jupiter zurücklegen und vor Ort einen Ionenantrieb nutzen. Dafür soll das Segel 10 mal größer sein als IKAROS.

Die JAXA möchte mit einem Sonnensegel die Trojaner des Jupiter erkunden.

Polare Umlaufbahnen und Sonnenbeobachtung

Doch die Einsatzmöglichkeiten für Sonnensegel gehen noch weiter. Denn für Internet und Fernsehen benötigt es Satelliten, die immer an einem Punkt am Himmel stehen. Jedoch sind diese bahnmechanisch nur in einem geostationären Orbit über dem Äquator möglich. Über den Polen ist dies aber nicht möglich, womit eine permanente Internetverbindung für Forschungsstationen und die dauerhafte Erforschung des Klimawandels nicht möglich sind. Sonnensegel könnten jedoch regelrecht über die Pole schweben und sie ständig beobachten, was vieles möglich machen würde. Durch Sonnensegel ließe sich jedoch auch das Frühwarnsystem der Menschheit für Sonneneruptionen verbessern.

Ein Sonnensegel-Satellit könnte permanente Sicht auf die Pole haben.

Das sind hochgefährliche Strahlenausbrüche auf der Sonnenoberfläche. Wenn künftig Astronauten in der Mond-Raumstation Gateway leben muss man sie über Sonneneruptionen unbedingt informieren. Aber auch auf der Erde können Sonnenstürme Funknetze lahmlegen und Schäden von vielen Milliarden Euro anrichten. Unser derzeitiges Frühwarnsystem befindet sich am sogenannten Lagrangepunkt 1, in der Nähe der Erde, doch es ermöglicht uns nur eine Vorwarnzeit von etwa einer halben Stunde. Der Lagrangepunkt 5 befindet sich weiter entfernt und ist mit chemischen Antrieben nur sehr schwer zu erreichen. Von dort hätten wir jedoch eine Vorwarnzeit von zwei Tagen. Ein Sonnenobservatorium wäre dort mit einem Sonnensegel möglich.

Ein Sonnenobservatorium am Lagrange-Punkt 5 wäre mit einem Sonnensegel möglich.

Versorgung für Raumstation, Weltraumteleskope und mehr

Doch die Möglichkeiten reichen noch viel weiter. Sonnensegel könnten die künftige Mondstation eines Tages kostengünstig versorgen und dabei eine Art Pendelverkehr einrichten, der in der Lage wäre schwere Lasten zu transportieren. Weit entfernt von der Sonne gibt es einen Punkt, an dem das Licht ferner Objekte durch die Sonne fokussiert wird. Dadurch wirkt sie als riesige Linse, wodurch Beobachtungen möglich wären von denen heutige Astronomen nicht einmal träumen. Doch dieser Gravitationslinsenpunkt befindet sich etwa 550 Astronomische Einheiten entfernt, derzeit bräuchten wir dafür viel zu lange. Doch ein Sonnensegel, welches sich in geringer Entfernung zur Sonne entfaltet und so genügend Schub aufnimmt bräuchte dafür nur etwas über sechs Jahre. Die Oortsche Wolke, eine Ansammlung an Kometen im interstellaren Raum wäre in dreißig Jahren erreichbar. Die Möglichkeiten sind also schier endlos. 2021 wird die NASA zunächst erstmals mit einem Sonnensegel mit Photonenantrieb einen Asteroiden erforschen.

Fazit

Egal ob Taxiservice zu Raumstationen, Reisen zur Oortschen Wolke oder Erd- und Sonnenbeobachtung. Mit einem Laserstrahl, der von der Erde aus auf das Segel zeigt wären sogar andere Sterne erreichbar. So werden bereits im nächsten Jahrzehnt die ersten Sonnensegel durchs Sonnensystem fliegen.

Sirius, ein Doppelsternsystem wäre mit einem Photonenantrieb in unter 70 Jahren erreichbar.
Mindestflugzeiten eines Sonnen/Lasersegels zu verschiedenen Zielen

Dabei können jedoch viel größere Lasten zu den Planeten transportiert werden als heute, so wären Sonnensegel auch als bemannten Antriebskonzept denkbar. Für interstellare Reisen, wie sie die NASA 2069 plant ist jedoch eine Überarbeitung nötig. Dabei soll ein leistungsstarker Laser auf das Segel zielen und es auch im interstellaren Raum, wo es keinen zusätzlichen Schub bekommt antreiben. Lange galt der Atomantrieb als Zukunft der unbemannten Raumfahrt, doch die sind mit dem Atomwaffensperrvertrag verboten worden, weshalb man heute sagt, dass unser erster Flug zu den Sternen mit einem Photonenantrieb absolviert werden wird.

Danke fürs Teilen dieses Beitrags.

3 Gedanken zu „Lightsail 2: Photonenantrieb absolviert erfolgreichen Test&8220;

  1. Mich würde interessieren warum dieser mini Satellit mit dem 32m2 Segel in der Erde verglühen soll. Wäre es nicht gut zu wissen wie oft und wie lange das ganze hält und damit man weitere Experimente durchführen kann?

    Für mich persönlich hat das verglühen nur den Vorteil das keine Überwachungskosten mehr entstehen, wobei ich aber auch nicht weiß wie teuer so etwas aufs Jahr gesehen ist. Gibt es dazu Informationen zu den Gründen dieser Entscheidung?

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