Konventionelle Raketen stecken in einem Paradox fest. Um sich fortzubewegen, braucht man Treibstoff. Kraftstoff hat Gewicht. Gewicht braucht mehr Treibstoff, um es zu heben. Es ist ein Zyklus, der uns auf das innere Sonnensystem beschränkt und interstellare Reisen wie Science-Fiction aussehen lässt.
Aber was wäre, wenn Sie nicht Ihren eigenen Schwung tragen müssten?
Eine neue Rezension, die in Acta Astronautica veröffentlicht wurde, befasst sich mit treibstofflosen Raumfahrttechnologien, die diese Einschränkung ignorieren. Anstatt Chemikalien zu verbrennen, entziehen diese Raumschiffe ihrer Umgebung Impulse. Planeten. Sonnenlicht. Geladene Teilchen. Sie tragen das Feuer nicht. Sie surfen einfach.
So könnten wir die Erde hinter uns lassen, ohne Hydrazintanks ins Leere zu schleppen.
Schwerkraftunterstützung: Timing gegen Treibstoff eintauschen
Wir wissen bereits, wie man die Raketengleichung betrügt. Man nennt es Schwerkraftunterstützung.
Ingenieure schicken eine Sonde in einem präzisen Winkel an einem Planeten vorbei. Das Raumschiff taucht in die Gravitationsquelle des Planeten ein und schwingt um ihn herum. Es beeinträchtigt einen kleinen Teil der Umlaufgeschwindigkeit des Planeten. Der Planet verliert vernachlässigbare Energie. Die Sonde bekommt einen gewaltigen Schub.
Voyager 1 und 2 haben dies getan. Sie trafen Jupiter. Dann Saturn. Uranus. Neptun. Für diese großen Geschwindigkeitssteigerungen wurde kein Kraftstoff verbrannt. Nur Physik und Timing.
Das Problem? Die Planeten stehen für Sie nicht in einer Reihe.
Schwerkraftunterstützungen sind ein einmaliges Geschäft. Sie benötigen ein bestimmtes Fenster. Wenn Sie den Starttermin verpassen, verpassen Sie den Boost. Sie können ein schwerkraftunterstütztes Fahrzeug nicht einfach dorthin richten, wo Sie möchten. Die Routen sind starr. Selten. Restriktiv.
Sonnensegel: Von Photonen angetrieben
Wenn die Schwerkraft zu wählerisch ist, versuchen Sie es mit Sonnenlicht.
Der treibstofflose Antrieb von Raumfahrzeugen mithilfe von Sonnensegeln ist von der Theorie zur Realität übergegangen. Die japanische IKAROS-Mission im Jahr 2010 hat es bewiesen. Die Sonde entfaltete eine massive Membran. Sonnenlicht traf es. Photonen reflektiert. Die Reflexion erzeugte Druck. Drücken.
Es ist kein großer Druck. Es ist kontinuierlich. Kein Kraftstoffverbrauch. IKAROS hat es zur Venus geschafft.
Allerdings haben Sonnensegel auch Mängel. Das Material ist riesig und dünn. Denken Sie hauchdünn. Ein Mikrometeoriteneinschlag könnte ein Loch in Ihren Motor reißen. Und es gibt noch ein weiteres Problem: die Entfernung. Das Sonnenlicht nimmt mit dem Quadrat der Entfernung von der Quelle ab. Gehen Sie weit genug weg, und Ihr Segel verwandelt sich im Handumdrehen in einen Drachen. Der Schub verschwindet.
Magnetische Segel: Den Sonnenwind ablenken
Photonen sind schwach. Was ist mit Partikeln?
Die Sonne bläst einen Strom geladenen Plasmas aus, der Sonnenwind genannt wird. Magnetische Segel wollen das auffangen. Anstelle eines physischen Spiegels verwenden sie eine supraleitende Schleife, um eine magnetische Blase zu erzeugen. Die geladenen Teilchen des Windes treffen auf die Blase. Sie lenken ab. Die Impulserhaltung gibt dem Segel einen Schub.
Das klingt besser als Sonnensegel. Es ist nicht auf Reflexion angewiesen. Es wird nicht in gleicher Weise durch UV-Schäden oder Staubeinwirkung beeinträchtigt. Theoretisch funktioniert es weiter von der Sonne entfernt.
Warum haben wir also keins gebaut?
Die Größe. Die supraleitende Schleife würde einen Radius von bis zu 50 Kilometern benötigen. Fünfzig Kilometer. Aus supraleitendem Draht. Das muss bei kryogenen Temperaturen im Weltraum gefroren bleiben. Das können wir nicht herstellen. Wir können es nicht bereitstellen. Wir können es nicht abkühlen.
Elektrische Segel: Die günstigere magnetische Option
Magnetfelder sind schwer und teuer. Die Ladung ist leichter.
Ein elektrisches Segel (E-Segel) verwendet lange, geladene Drähte. Normalerweise Dutzende Kilometer an Halteseilen. Die Drähte stoßen die Protonen im Sonnenwind ab. Es ist wie ein Modell eines magnetischen Segels mit statischer Elektrizität.
Der Vorteil liegt in der Masse. Sie benötigen keine schweren supraleitenden Schleifen. Sie benötigen lediglich einen lichtleitenden Draht.
Die Kehrseite ist Macht und Zerbrechlichkeit. Sie benötigen genügend Spannung, um das elektrische Feld über diese Dutzende Kilometer aufrechtzuerhalten. Die Drähte sind zerbrechlich. Eine Kollision mit Weltraummüll zerreißt sie. Wenn der Stromkreis unterbrochen wird, bleiben Sie stehen.
Jede Technologie tauscht technische Komplexität gegen den Zugang zu freier Energie im Nichts ein.
Welche Antriebsmethode ist die richtige für Sie?
Hier gibt es keinen Gewinner. Noch.
Die Wahl hängt von der Mission ab. Brauchen Sie einen schnellen Flug zum Mars mit vorhandener Technologie? Verwenden Sie chemische Raketen mit Schwerkraftunterstützung. Möchten Sie eine günstige und unkomplizierte Reise zu einem Objekt im Asteroidengürtel unternehmen? Vielleicht ein Sonnensegel, wenn Sie den Spiegel bauen können.
Suchen Sie weiter hinaus? Das äußere Sonnensystem ist dunkel und kalt. Solarsegel bleiben stehen. Sie brauchen den Sonnenwind. Aber magnetische Segel erfordern eine Technologie, die wir nicht erfunden haben. Elektrische Segel sind plausibel, aber im Maßstab noch nicht getestet.
Konzepte für antriebslose Raumfahrt stellen die Annahme in Frage, dass man brennen muss, um zu fliegen. Sie zwingen Ingenieure dazu, Strukturen als Antriebssysteme zu betrachten. Riesig. Zerbrechlich. Elegant.
Die Überprüfung legt nahe, dass wir diese nicht als Alternativen, sondern als Toolkit betrachten. Nutzen Sie die Schwerkraft für das schwere Heben. Segel zum Ausrollen.
Die Sterne sind noch weit entfernt. Aber vielleicht brauchen wir nicht noch mehr Treibstoff, um dorthin zu gelangen. Wir brauchen nur größere Netze, um das Licht einzufangen.
Oder der Wind.
Wer weiß? Wir sind immer noch am Boden.
