Ein unmerklicher Schlag, eine winzige, aber revolutionäre Schwingung: Caltech Eine sehr dünne Membran vibrierte unter dem Druck eines Lasers. Es mag wie ein weiteres Physikexperiment erscheinen, aber hinter diesem Tanz des Lichts verbirgt sich eine außergewöhnliche Entdeckung. Es ist ein Fortschritt in der Photonischer Antrieb, das Prinzip, das es Raumsonden ermöglichen könnte, ohne Treibstoff, nur angetrieben durch den Druck des Lichts, andere Sterne zu erreichen.
Was ist Photonenantrieb und warum ist er wichtig?
Der photonische Antrieb nutzt den Druck, den Licht auf eine reflektierende Oberfläche ausübt. Obwohl Photonen keine Masse haben, übertragen sie einen sehr kleinen Impuls, wenn sie auf ein Objekt treffen. Fokussiert man einen Photonenstrom auf ein ultraleichtes Segel, kann dieses ohne Treibstoffbedarf in den Weltraum beschleunigen.
Die Idee ist nicht neu: Solarsegel, die Sonnenlicht für den Antrieb nutzen, wurden bereits erfolgreich getestet, wie im Fall der Lichtsegel 2, 2019 von der Planetary Society ins Leben gerufen. Für interstellare Reisen reicht Sonnenlicht jedoch nicht aus. Hier ist der Hochleistungslaser, wodurch die Sonden auf nie zuvor erreichte Geschwindigkeiten gebracht werden könnten.
Das Caltech-Experiment: Ein Trampolin-Segel aus Licht
Das Team der California Institute of Technology testete ein mikroskopisches Segel aus Siliziumnitrid, einem extrem leichten und widerstandsfähigen Material. Die Studie wurde im Nature Photonics (Ich verlinke es hier), beschreibt ein quadratisches Gerät von nur 40 Mikrometer auf jeder Seite und 50 Nanometer dick: weniger als ein menschliches Haar.
Das Experiment hatte ein Hauptziel: Die Kraft, die Laserlicht auf ein Ultraleichtsegel ausübt, genau messen. Dazu hängten die Forscher das Segel an mikroskopisch kleinen Federn auf und richteten einen Laserstrahl auf seine Oberfläche. Der beobachtete Effekt war eine Vibration ähnlich der eines Sprungbretts. Durch die Analyse dieser Bewegungen konnte das Team dann den vom Laser erzeugten Schub berechnen.
Warum ist es ein Fortschritt?
Bisher wurde der Photonenantrieb hauptsächlich theoretisch oder mit groß angelegten Experimenten wie Sonnensegeln untersucht. Dieser Test stattdessen:
- Demonstriert die Machbarkeit extrem dünner und leichter Segel für die Raumfahrt;
- Bietet eine direkte Messung des Laserschubs, nützlich für zukünftige praktische Anwendungen;
- Bestätigt, dass Materialien wie Siliziumnitrid Laserstrahlung standhalten können ohne sich zu verformen oder zu verschlechtern.
Diese Forschung ebnet den Weg für den Entwurf von Raumsonden sehr kleine Masse, die dank Laserstrahlen außergewöhnliche Geschwindigkeiten erreichen können.
Zu den Sternen: Durchbruch bei Starshot und der Traum von Alpha Centauri
Das ehrgeizigste Projekt, das sich auf photonischen Antrieb konzentriert, ist Durchbruch Starshot, 2016 von Stephen Hawking und dem Milliardär Yuri Milner ins Leben gerufen. Ziel ist es, Mikrosonden zu senden Alpha Centauri, das der Erde am nächsten gelegene Sternensystem, bei ca. 4,37 Lichtjahre entfernt.
Wie? Mit einer 100 Gigawatt terrestrischer Laser, die ein wenige Gramm schweres Segel bis zum 20% der Lichtgeschwindigkeit. Bei dieser Geschwindigkeit würde eine Mikrosonde nur 20 Jahre um Alpha Centauri zu erreichen, statt der Tausenden von Jahren, die mit der aktuellen Technologie nötig wären.
Das Caltech-Experiment ist von entscheidender Bedeutung, da es dazu beiträgt, eine der größten Lücken des Projekts zu schließen: das Verständnis, wie Segel auf Laserstrahlung reagieren. Es sind noch viele Herausforderungen zu bewältigen, darunter:
- Segelstabilität: Es muss den Kurs ohne Abweichungen beibehalten.
- Schadensresistenz: Die Laserintensität darf es nicht zerstören.
- Lasergenauigkeit: Es muss ohne Streuung über enorme Entfernungen geleitet werden.
Was jetzt? Die Zukunft des photonischen Antriebs
Die nächsten Schritte der Forschung umfassen die Entwicklung von fortschrittliche Materialien, kann weniger Wärme absorbieren und behält unter Laserschub seine strukturelle Stabilität. Darüber hinaus wird es notwendig sein, die Techniken zu verbessern, Segel-Autokorrektur, damit es bei langen interstellaren Reisen auf den Laserstrahl ausgerichtet bleiben kann.
Werden diese Hindernisse überwunden, könnten wir schon in einigen Jahrzehnten den Start der ersten Sonden erleben. außerhalb des Sonnensystems, wodurch die interstellare Erforschung vom Traum zur Realität wird.
Das Caltech-Experiment zeigt, dass der erste Schritt getan wurde. Licht könnte tatsächlich der Treibstoff der Zukunft für grenzenlose Raumfahrt werden.
