Was ist der beste Weg, um von Welt zu Welt zu segeln? Elektrische Segel oder Sonnensegel?

In den letzten zehn Jahren wurden Tausende von Planeten jenseits unseres Sonnensystems entdeckt. Dies hat zu einem erneuten Interesse an der Erforschung des Weltraums geführt, einschließlich der Möglichkeit, Raumschiffe zur Erforschung von Exoplaneten zu schicken. Angesichts der damit verbundenen Herausforderungen wird derzeit eine Reihe fortschrittlicher Konzepte untersucht, wie beispielsweise das altehrwürdige Konzept eines leichten Segels (wie beispielhaft dargestellt durch) Durchbruch Starshot und ähnliche Vorschläge).

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler jedoch ein potenziell effektiveres Konzept vorgeschlagen, das als elektrisches Segel bekannt ist, bei dem ein Segel aus Drahtgeflecht elektrische Ladungen erzeugt, um Sonnenwindpartikel abzulenken und so Impulse zu erzeugen. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben zwei Harvard-Wissenschaftler diese Methoden verglichen und gegenübergestellt, um festzustellen, welche für verschiedene Arten von Missionen vorteilhafter sind.

Die Studie, die kürzlich online erschien und zur Veröffentlichung durch geprüft wird Acta Astronauticawurde von Manasavi Lingam und Abraham Loeb geleitet – einem Assistenzprofessor am Florida Institute of Technology (FIT) und dem Frank B. Baird Jr. Professor für Wissenschaft an der Harvard University und dem Direktor des Instituts für Theorie und Berechnung (ITC). beziehungsweise.

Das Konzept eines leichten Segels ist ein altbewährtes Konzept, bei dem ein Raumschiff, das mit einer großen Schicht reflektierenden Materials ausgestattet ist, den Strahlungsdruck eines Sterns (auch bekannt als Sonnenwind) verwendet, um im Laufe der Zeit zu beschleunigen. Ein Hauptvorteil dieser Technologie besteht darin, dass kein Raumfahrzeug benötigt wird, um seine eigene Treibstoffversorgung zu transportieren, was typischerweise den größten Teil der Masse eines Raumfahrzeugs ausmacht.

Dies ist besonders wichtig, wenn es um interstellare Reisen geht, da die Menge an Reaktionsmasse benötigt wird, um auch nur einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen (c) wäre enorm. Und im Gegensatz zu Konzepten wie Antimaterie-Antrieb oder Konzepten, die auf Physik beruhen, die noch nicht getestet (oder sogar hypothetisch) sind, verwenden Solar- / Lichtsegel Technologie und Physik, die zu diesem Zeitpunkt vollständig bewiesen sind.

Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass ein leichtes Segel mit anderen Mitteln als Sonnenstrahlung beschleunigt werden kann. Wie Lingam dem Space Magazine per E-Mail erklärte:

„Leichte Segel können entweder durch Laser-Arrays oder durch Sonnen- / Sternstrahlung„ geschoben “werden. In beiden Fällen besteht der Hauptvorteil von leichten Segeln darin, dass man den Treibstoff im Gegensatz zu chemischen Raketen nicht an Bord tragen muss. Dies reduziert die Masse des Raumfahrzeugs erheblich, da der Großteil der Masse in chemischen Raketen auf den Treibstoff zurückzuführen ist. Der gleiche Vorteil gilt auch für elektrische Segel. “

In den letzten Jahren wurden jedoch Variationen dieses Konzepts entwickelt, wie das von Robert Zubrin und Dana Andrews 1988 vorgeschlagene Magnetsegel (auch bekannt als „Magsails“) und das von Pekka Janhunen im Jahr 2006 vorgeschlagene Elektrosegel Ersteres würde eine supraleitende Schleife ein elektrisches Feld erzeugen, während letzteres ein Magnetfeld über ein Segel aus kleinen Drähten erzeugen würde – beide würden Sonnenwind abwehren.

Diese Konzepte unterscheiden sich erheblich von herkömmlichen Solar- oder Lichtsegeln. Wie Lingam erklärte:

„Elektrische Segel beruhen auf der Impulsübertragung von den geladenen Sonnen- / Sternwindpartikeln (in unserem Beispiel Protonen), indem sie über elektrische Felder abgelenkt werden, während Lichtsegel auf der Impulsübertragung von vom Stern emittierten Photonen beruhen. So treibt der Wind des Sterns elektrische Segel an, während die vom Stern emittierte elektromagnetische Strahlung leichte Segel antreibt. “

Interessanterweise wurden Magnetsegel von einigen Forschern als ein mögliches Mittel angesehen, um ein leichtes Segel zu verlangsamen, wenn es sich seinem Ziel nähert. Eine solche Person ist Prof. Claudius Gros vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt sowie Andreas Hein und Kelvin F. Long – die Hauptforscher des Projekts Dragonfly (ein ähnliches Konzept wie Durchbruch Starshot).

Alle drei Konzepte sind in der Lage, die von Sternen emittierte Strahlung in Impuls umzuwandeln, weisen jedoch auch einige Nachteile auf. Für den Anfang sind elektrische Segel sehr stark von den Eigenschaften ihrer Wirtssterne abhängig. Leichte Segel hingegen sind bei M-Sternen (Roter Zwerg) weitgehend unwirksam, da der Strahlungsdruck nicht hoch genug ist, um genügend Geschwindigkeit zu erzeugen, um einem Sternensystem zu entkommen.

Dies ist ein eher begrenzendes Problem, da ultrakühle M-Zwerge mit geringer Masse die überwiegende Mehrheit der Sterne im Universum ausmachen – 75% der Sterne in der Milchstraße. Rote Zwerge sind im Vergleich zu anderen Klassen von Sternen unglaublich langlebig und können bis zu 10 Billionen Jahre in ihrer Hauptsequenz bleiben. Daher wäre ein Antriebssystem, das Rotzwergsysteme verwenden kann, längeren Zeiträumen vorzuziehen.

Aufgrund dieser Überlegungen versuchten Lingam und Loeb zu bestimmen, welche Methode des interstellaren Reisens (leichte Segel oder elektronische Segel) in Bezug auf verschiedene Klassen von Sternen vorzuziehen wäre – F-Typ (weiß), G-Typ (gelb), K- Typ (orange) und Sterne vom Typ M. Nach Berücksichtigung der Strahlungseigenschaften jeder Klasse berücksichtigten sie die wahrscheinliche Masse des Raumfahrzeugs – basierend auf den von Durchbruch Starshot.

Was sie fanden, war, dass ein Raumschiff, gepaart mit einem elektrischen Segel, ein besseres Mittel zum Antrieb in der Nähe der meisten Arten von Sternen darstellt, und nicht nur für Raumfahrzeuge im Gramm-Maßstab (wie es bei gefordert ist) Starshot). Die Berechnungen von Lingam und Loeb ergaben jedoch auch, dass es erheblich länger dauern würde, bis ein elektrisches Segelraumschiff die Geschwindigkeiten erreicht, die interstellares Reisen praktisch machen würden.

„Wenn man stattdessen Lichtsegel betrachtet, die von Laser-Arrays (wie Breakthrough Starshot) angetrieben werden, ist es stattdessen möglich, relativistische Geschwindigkeiten (z. B. 10% der Lichtgeschwindigkeit) direkt über Lichtsegel zu erreichen. Im Gegensatz dazu erreichen elektrische Segel, die von Sternwinden angetrieben werden, Geschwindigkeiten von nur 0,1% der Lichtgeschwindigkeit “, sagte Lingam.

Während ein elektrisches Segel 0,1 erreichen könnte c Nachdem sie wiederholt die Nähe zu Sternen erreicht hatten, schätzten sie, dass dies im Verlauf einer Million Jahre 10.000 Begegnungen erfordern würde. Wie Lingam es ausdrückte:

„[E] lektrische Segel sind ein praktikables Mittel für interstellare Reisen. Jede technologische Spezies, die diese Methode anwenden möchte, müsste jedoch langlebig sein, da dieser gesamte Prozess zur Erreichung relativistischer Geschwindigkeiten ungefähr 1 Million Jahre dauern würde. Wenn solche langlebigen Arten existieren, stellen elektrische Segel ein ziemlich bequemes und energieeffizientes Mittel dar, um die Milchstraße über lange Zeiträume (Millionen von Jahren) zu erkunden.

Während 1 Million Jahre in kosmischer Hinsicht kaum mehr als ein Wimpernschlag sind, ist sie in Bezug auf die Lebensdauer von Zivilisationen unglaublich lang – zumindest um unsere Standards. Als Spezies existiert die Menschheit seit ungefähr 200.000 Jahren und zeichnet ihre Geschichte erst seit ungefähr 6000 auf. Genauer gesagt, wir sind erst seit 60 Jahren eine weltraumtaugliche Zivilisation.

Ergo, ein Segel, das durch Laser beschleunigt werden kann, bleibt das praktischste Mittel, um Exoplaneten in unserem Leben zu erkunden. Eine weitere Implikation für diese Studie ist, wie sie die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) beeinflussen könnte. Bei der Suche im Universum nach Anzeichen technologischer Aktivität (auch bekannt als Technosignaturen) müssen Wissenschaftler nach Anzeichen suchen, die sie erkennen werden.

Angesichts der Vorteile eines elektrischen Segels ist es möglich, dass eine außerirdische Zivilisation diese Technologie gegenüber ähnlichen bevorzugt. Wie Prof. Loeb dem Space Magazine per E-Mail erklärte:

„Unsere Berechnungen deuten darauf hin, dass fortgeschrittene Zivilisationen wahrscheinlich die Verwendung von elektrischen Segeln gegenüber leichten Segeln für den Antrieb bevorzugen, der auf der natürlichen Leistung von Sternen in Form von Wind oder Strahlung basiert. Wenn eine technologische Zivilisation jedoch Geschwindigkeiten erreichen oder große Ladungen starten möchte, die nicht durch die von ihrem Wirtsstern erzeugte Kraft angetrieben werden können, wird sie wahrscheinlich leichte Segel bevorzugen, die von ihrem künstlich erzeugten Lichtstrahl geschoben werden, wie z. B. einen starken Laser. Die Situation ähnelt dem Unterschied zwischen Segelbooten, die den von Mutter Natur kostenlos zur Verfügung gestellten Wind nutzen, und größeren oder schnelleren Booten, die mit künstlichen Mitteln wie einem Motor angetrieben werden. “

Leider, wie Loeb hinzufügte, sind elektrische Segel in großen Entfernungen nicht leicht zu erkennen, da sie aus elektrifizierten Drahtgeflechten bestehen und keine offensichtlichen Technosignaturen aussenden. "Daher", schließt er, "sollte sich SETI in erster Linie auf die Suche nach Lichtsegeln konzentrieren, die sichtbar sind, weil ihre Lichtstrahlen über die Grenzen des Segels hinaus in der Nähe ihrer Startplätze austreten oder weil sie Sonnenlicht reflektieren, wenn sie in der Nähe des Segels vorbeifahren." Sonne, genau wie Asteroiden oder Kometen ähnlicher Größe. “

Lingam und Loeb betonen jedoch auch, dass elektrische Segel aus genau demselben Grund eine attraktive Option für eine außerirdische Zivilisation sein könnten. Elektrische Segel sind nicht nur energieeffizient, sondern unterliegen auch keinem Überlauf und können daher unbemerkt von einem Sternensystem zum anderen wandern. Eine mögliche Lösung für das Fermi-Paradoxon? Vielleicht!

In jedem Fall zeigt diese Studie, dass sich unsere aktuellen Pläne zur Erforschung benachbarter Sternensysteme auf Konzepte konzentrieren sollten, bei denen Geschwindigkeit über Langlebigkeit im Vordergrund steht. Dies bedeutet, dass der Einsatz von elektrischen oder magnetischen Segeln (die das Universum noch Äonen lang erforschen könnten) eine schlechte Idee ist, aber eine Mission, die in unserem Leben in einem anderen Sternensystem ankommen kann, scheint vorerst die bevorzugte Option zu sein.

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