Lightsail: Segeln vor dem Sonnenwind
Der Weltraum wird privat: Objekte in die Umlaufbahn zu schießen, war lange den staatlichen Raumfahrtagenturen vorbehalten. Heute schießen auch Unternehmen Raumschiffe ins All. Die gemeinnützige, wissenschaftliche Planetary Society(öffnet im neuen Fenster) hat kürzlich ein Miniraumschiff mit einem neuartigen Antrieb in den Orbit gebracht. Ziel war es, den Antrieb zu testen.
Das Konzept ist Segeln mit Sonnenlicht. Die Planetary Society ließ das Testraumschiff Lightsail-A(öffnet im neuen Fenster) vier Wochen um die Erde kreisen. Eine weitere Mission ist in Vorbereitung. Aber auch die Raumfahrtagenturen erwägen, diesen Antrieb zu nutzen – ein japanisches Raumschiff segelt sogar schon durch das Sonnensystem.
Antrieb durch Photonen
Segeln im Weltraum funktioniert so ähnlich wie Segeln auf der Erde: Auf dem Wasser sorgt der Wind, der auf das Segel trifft, für den Vortrieb. Der Wind im Weltraum besteht aus Photonen, die die Sonne ins All aussendet. Die Lichtteilchen haben zwar keine Masse, aber sie haben Schwung. Treffen sie auf das Sonnensegel von Lightsail, werden sie davon reflektiert. Dabei übertragen sie den meisten Schwung auf das Segel und treiben so den Weltraumsegler an.
Das erzeuge nicht den Riesenschub einer Rakete, erklärt die Planetary Society auf der Website des Projekts. Eine Rakete brennt aber auch nur für kurze Zeit, das Lichtsegel hingegen ist dauerhaft gesetzt. Ein damit ausgestattetes Raumfahrzeug wird zwar nur wenig, aber dafür kontinuierlich angetrieben.
Ein Quadrat aus vier Dreiecken
Lightsail ist ein Cubesat-3. Er besteht aus drei Würfeln mit einer Kantenlänge von zehn Zentimetern. Das quadratische Sonnensegel besteht aus vier Dreiecken aus einer 45 Mikrometer dicken biaxial orientierten Polyester-Folie(öffnet im neuen Fenster) (Bopet). Das Material wird gereckt und bekommt dadurch eine hohe Zugfestigkeit sowie eine große chemische, mechanische und thermische Stabilität.
Für den Flug werden die Dreiecke gefaltet und in dem Cubesat verstaut. Die Verkleidung des Satelliten ist auch für die Energieversorgung zuständig: Die Innenseiten sind mit Solarmodulen ausgelegt. Vier Streben sorgen dafür, dass sie sich entfalten und halten sie dann straff. Entfaltet ist das Segel 32 Quadratmeter groß.
Lightsail fliegt mit unbemanntem US-Militärraumschiff
Am 20. Mai brachte eine Trägerrakete vom Typ Atlas V 501(öffnet im neuen Fenster) des US-Raumfahrtunternehmens United Launch Alliance(öffnet im neuen Fenster) (ULA) das Miniraumschiff mit ins All. Lightsail flog als Sekundärnutzlast mit dem unbemannten Raumfahrzeug X-37B Orbital Test Vehicle (OTV), mit dem die US-Luftwaffe Langzeitmissionen in der Erdumlaufbahn durchführt.
Im Orbit wurde die Verkleidung ausgeklappt, damit das Raumfahrzeug Strom hat. Dann hatte Lightsail nicht viel mehr zu tun, als um die Erde zu kreisen und Telemetriedaten zur Erde zu funken. In dieser Zeit kam es zu einigen Problemen: Fehler in der Software und an den Akkus legten Lightsail mehrfach lahm und gefährdeten die ganze Mission.
Lightsail setzt Segel
Doch Lightsail erwachte wieder, und am 7. Juni war dann der große Tag: Das Sonnensegel wurde entfaltet. Vorerst musste sich die Mannschaft auf der Erde mit Telemetriedaten des Motors zufriedengeben: Das Raumschiff befand sich außerhalb der Reichweite der Bodenstationen der California Polytechnic State University in San Luis Obispo und des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech). Deshalb konnte erst am Tag darauf ein Bild aufgenommen und in Teilen zur Erde gesendet werden. Das vollständige Bild gab es erst am 9. Juni.
Die Bodenmannschaft wollte noch ein Bild der zweiten Kamera aufnehmen, auf dem die Erde zu sehen gewesen wäre. Es kam aber nur in Fragmenten an. Bevor sie einen neuen Versuch starten konnten, kam es erneut zu einem Systemausfall: Lightsail sendete nur noch dauerhaft ein Signal ohne Daten zur Erde.
Wegen der Größe des Segels war Lightsail von der Erde aus zu sehen: Jason Davis von der Planetary Society veröffentlichte in seinem Blog Bilder und Videos von Lightsail-Sichtungen(öffnet im neuen Fenster) . Dem Direktor der Planetary Society, Bill Nye, gelang es am 14. Juni, Lightsail am Himmel zu sehen. Zuvor hatten Wolken und helles Licht das verhindert. Auch an diesem Tag sei Lightsail nur "der blasseste Nadelstich gegen die hellen Lichter der Großstadt" gewesen, schreibt er(öffnet im neuen Fenster) .
Lightsail verglüht
Es war die letzte Gelegenheit, einen Blick auf das Raumfahrzeug zu werfen: Am 15. Juni gegen 19:30 Uhr unserer Zeit trat Lightsail planmäßig in die Erdatmosphäre ein und verglühte über dem Südatlantik. Möglicherweise hatten sich Satellit und Segel aber getrennt: Der in Deutschland ansässige Amateurfunker und Satellitenbeobachter Mike Rupprecht empfing noch Stunden später sehr schwache Signale von Lightsail(öffnet im neuen Fenster) .
Die Vorstellung, dass sich das Sonnensegel beim Wiedereintritt des Cubesat abgetrennt und mit der Steuerelektronik und dem Funksystem noch ein paar Runden um die Erde gedreht hat, sei lustig, schreibt Davis in seinem Blog(öffnet im neuen Fenster) . "Eine letzte Trotzhandlung sozusagen."
Der Test war erfolgreich
Trotz der Schwierigkeiten war die Mission ein Erfolg: Das Primärziel war, das Entfalten des Segels in weitgehender Schwerelosigkeit zu testen und Bilder von den Streben aufzunehmen, die die vier Segel straff halten. Das wurde erreicht.
Planetary Society wollte schon 2001 segeln
Die Planetary Society beschäftigt sich schon seit längerem mit dem Weltraumsegeln. 2001 wollte die Gesellschaft das erste Raumschiff mit Sonnensegel ins All schießen. Eine russische Rakete vom Typ Wolna sollte Cosmos-1 ins All bringen. Die Wolna ist die zivile Version einer Interkontinentalrakete, die von einem U-Boot aus abgeschossen wird.
Der Start verzögerte sich mehrfach. Schließlich wurde er auf den 21. Juni 2005 festgesetzt. Die Rakete startete von der Barentssee aus. Allerdings verlor die russische Bodenkontrolle kurz nach dem Start den Kontakt zu der Rakete. Mutmaßlich hatte sich ein Triebwerk nach knapp anderthalb Minuten abgeschaltet und die Rakete war ins Meer gestürzt.
Ikaros segelt durchs Sonnensystem...
So blieb es der japanischen Raumfahrtagentur Japan Aerospace Exploration Agency (Jaxa) vorbehalten, das erste Raumschiff mit Segel auf den Weg zu bringen: Am 21. Mai 2010 schossen die Japaner die Raumsonde Ikaros(öffnet im neuen Fenster) (Abkürzung für: Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) ins All. 2012 erhielt die Jaxa einen Eintrag ins Guinness-Buch der Rekorde für die erste von einem Sonnensegel angetriebene Sonde im interplanetarischen Raum.
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Das Segel ist wie das von Lightsail quadratisch und aus vier Teilen zusammengesetzt, die nicht dreieckig, sondern trapezförmig sind. Das Segel besteht aus einem Kunststoff und wiegt zwei Kilogramm. Es dient allerdings nicht nur als Antrieb: Es ist zum Teil mit Dünnfilmsolarzellen besetzt, die Strom für die Sonde liefern. Außerdem ist es deutlich größer: Es hat eine Fläche von 173 Quadratmetern.
... und passiert die Venus
Zehn Tage nach dem Start begann das Entfalten des Segels. Der Prozess musste wegen technischer Probleme unterbrochen werden und dauerte bis zum 10. Juni. Seither segelt Ikaros. Erstes Ziel war die Venus, die die Sonde noch im gleichen Jahr erreichte: Am 8. Dezember 2010 passierte Ikaros den Nachbarplaneten in einer Entfernung von etwa 80.000 Kilometern. Damit war das Primärziel der Mission erreicht.
Im Oktober 2011 feuerte die Jaxa die Triebwerke, die für die Lageregelung zuständig sind, und drehte die Sonde. Sie ist seither weiter im Sonnensystem unterwegs, verfällt immer wieder in den Ruhezustand, aus dem sie unregelmäßigen Abständen wieder aufwacht(öffnet im neuen Fenster) .
Zuletzt wachte Ikaros im März dieses Jahres auf und fiel Ende Mai wieder in Tiefschlaf. Derzeit ist der Weltraumsegler etwa 110 Millionen Kilometer von der Erde und rund 130 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Die Jaxa erwartet, dass sie im kommenden Winter wieder Kontakt zu der Sonde herstellen kann.
Auch die Nasa segelt
Auch die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics and Space Administration (Nasa) hat schon eine Sonde um die Erde segeln lassen: Im November 2010 schoss sie den Satelliten Fastsat(öffnet im neuen Fenster) ins All. Er setzte am 17. Januar 2011 das Raumfahrzeug Nanosail-D2(öffnet im neuen Fenster) aus.
Wie Lightsail war auch Nanosail-D2 ein Cubesat-3. Das Segel wurde drei Tage später gesetzt. Es bestand ebenfalls aus vier Elementen, war aber deutlich kleiner: Es hatte eine Fläche von etwa 9,30 Quadratmetern. Rund acht Monate kreiste Nanosail-D2 um die Erde. Am 17. September 2011 verglühte das Raumfahrzeug beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre.
Erstes Nanosail geht baden
Wie bei der Planetary Society war auch bei der Nasa der erste Versuch mit dem Sonnensegel ein Fehlschlag: Nanosail-D sollte im August 2008 von einer Falcon-1-Trägerrakete des US-Raumfahrtunternehmens Space Explorations Technologies(öffnet im neuen Fenster) (SpaceX) ins All transportiert werden. Die Rakete stürzte jedoch mit ihrer Nutzlast in den Pazifik.
Ein weiterer Raumsegler der Nasa musste am Boden blieben: Im Januar 2015 sollte der Sunjammer starten. Ein 1.200 Quadratmeter großes Sonnensegel hätte ihn zum Lagrange-Punkt L1(öffnet im neuen Fenster) bringen sollen. Im Oktober 2014 sagte die Nasa das Projekt jedoch ab. Grund waren Zweifel, dass der Auftragshersteller in der Lage sein würde, das Segel zu liefern.
Asche des Star-Trek-Erfinders bleibt auf der Erde
Er hätte eine ganze besondere Fracht mitgenommen: die Asche des 1991 verstorbenen Filmemachers Gene Roddenberry und seiner 2008 verstorbenen Frau Majel Barrett Roddenberry. Roddenberry ist der Erfinder der Star-Trek-Fernsehserie sowie der dazugehörigen Filmreihe.
Zwei weitere Projekte sind jedoch in Planung: 2018 soll die Trägerrakete Space Launch System (SLS) bei ihrem Erstflug die Raumsegler Near-Earth Asteroid Scout(öffnet im neuen Fenster) (Nea Scout) und Lunar Flashlight(öffnet im neuen Fenster) im All aussetzen.
Zwei Cubesat-6 setzen Segel
Beides sind Cubesat-6, bestehen also aus sechs Würfeln, die als doppelte Cubesat-3 angeordnet sind. Die Größe beträgt demnach 10 x 20 x 30 Zentimeter. Lunar Flashlight, der nach Wassereis am lunaren Südpol Ausschau halten soll, wird ein 80 Quadratmeter großes, rechteckiges Sonnensegel haben. Nea Scout hat ein 83 Quadratmeter großes Segel und soll zu einem erdnahen Asteroiden segeln.
Auch die Planetary Society bereitet schon die nächste Lightsail-Mission vor.
Die Masse finanziert den nächsten Sonnensegler
Denn: Gesegelt ist Lightsail-A nicht. Dazu war das Raumschiff nicht hoch genug. Der Nachfolger Lightsail-1 soll deutlich weiter oben ausgesetzt werden, um zu zeigen, dass Sonnensegeln funktioniert – was die Jaxa aber mit Ikaros ja schon bewiesen hat.
Der Start für Lightsail-1 ist für April 2016 geplant. Sollte die Mission ein Erfolg sein, sollen Lightsail-2 und Lightsail-3 folgen. Letzterer soll zum Lagrange-Punkt L1 segeln. Dort soll das Raumfahrzeug Daten über Sonnenstürme sammeln und an die Erde senden.
Falcon Heavy soll Lightsail-1 transportieren
Es gibt auch schon ein Transportmittel für Lightsail-1: Die Trägerrakete Falcon Heavy(öffnet im neuen Fenster) von SpaceX soll die Raumfahrzeuge ins All bringen. Die Rakete soll noch in diesem Jahr erstmals starten. Der zweite Flug ist für das Frühjahr 2016 geplant. Dann soll Lightsail-1 als Sekundärnutzlast mitfliegen.
Falcon Heavy ist eine Falcon 9, die mit zwei Boostern ausgestattet ist. Ein solcher Booster ist nichts anderes als eine erste Falcon-Stufe. Ausgestattet mit diesen drei Antriebsstufen soll die Rakete etwa 53 Tonnen Nutzlast ins All transportieren – die aktuelle Version der Falcon 9 schafft 13 Tonnen.
Lightsail-1 fliegt in Begleitung
So viel wird die Planetary Society jedoch nicht brauchen: Lightsail-1 wird wie der Vorgänger ein Cubesat-3. Er bekommt allerdings einen Begleiter: Prox-1(öffnet im neuen Fenster) , ein rund 50 Kilogramm schweres Kleinraumschiff, das von Wissenschaftlern am Georgia Tech entworfen wurde.
Die Falcon Heavy wird das Gespann in rund 720 Kilometern Höhe aussetzen. Dabei befindet sich Lightsail im Inneren von Prox-1. Das Raumschiff wird Lightsail dann in den Orbit entlassen und sich entfernen. Nach einigen Tagen wird Prox-1 wieder zurückkehren und sich Lightsail wieder nähern. Prox-1 wird Lightsail umfliegen und von allen Seiten Bilder aufnehmen. Vor allem soll das Raumschiff beobachten, wie sich das Sonnensegel entfaltet. Mit Prox-1 wollen die Forscher automatisierte Annäherungs- und Inspektionsmanöver testen.
Die Planetary Society setzt sich für die Erforschung des Sonnensystems ein. Sie finanziert ihre Projekte vollständig privat, die neue Mission über eine Crowdfunding-Kampagne auf der Plattform Kickstarter(öffnet im neuen Fenster) . Diese endete in der vergangenen Woche mit einem Erfolg(öffnet im neuen Fenster) : Die Planetary Society erhielt mehr als 1,24 Millionen US-Dollar.