Raumfahrtkonzept: Schnellere Weltraumreisen durch Pellet-Strahlenantrieb

Die Nasa fördert innovative Konzepte für die Raumfahrt. Darunter eines, dass Weltraumreisen viel schneller machen soll.

Artikel veröffentlicht am 28. Januar 2023, 13:05 Uhr, Patrick Klapetz

Grafische Darstellung des Pellet-Beam-Antriebs (Bild: Artur Davoyan)

Raumfahrzeuge mit konventionellem Antriebsformen bräuchten 19.000 bis 81.000 Jahre, um den 4,25 Lichtjahre von uns entfernten Stern Proxima Centauri zu erreichen - und dies ist der uns nächste Stern. Damit das in Zukunft schneller geht, arbeiten einige Raumfahrtagenturen an alternativen Antriebsformen.

Artur Davoyan, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA (University of California in Los Angeles), hat bei der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa und deren Projekt für innovative fortschrittliche Konzepte NIAC (Innovative Advanced Concepts) ein Konzept für schnellere Antriebsformen eingereicht: Pellet-Beam Propulsion for Breakthrough Space Exploration (dt.: Pellet-Strahlenantrieb für bahnbrechende Weltraumforschung).

Mit der Technik sollen Raumschiffe mit einem Gewicht von einer Tonne in weniger als 20 Jahren an den Rand des Sonnensystems gelangen. Dafür wird ein umgewandeltes Lichtsegel verwendet. Dass man Raumfahrzeuge mit Licht antreiben kann, bewies die Planetary Society bereits mit den Raumsonden Lightsail 1 und Lightsail 2.

Bahnbrechende Weltraummissionen mit heutigen Antriebstechnologien unmöglich

"Alle gegenwärtigen Raumfahrzeuge und Raketen fliegen durch Ausdehnung des Treibstoffs. Je schneller der Treibstoff herausgeschossen wird, desto effizienter ist die Rakete. Die Menge des Treibstoffs, die wir an Bord mitnehmen können, ist jedoch begrenzt", erklärte Davoyan der nichtkommerziellen Nachrichtenseite Universe Today. Die Geschwindigkeit, die ein Raumfahrzeug erreichen kann, ist daher abhängig von der Menge an Treibstoff, die mitgeführt werden kann.

Die Raumsonde Voyager 1 brauchte 35 Jahre, um die Heliopause, die äußerste Grenze der Heliosphäre, zu erreichen. Dabei kam sie auf eine Rekordgeschwindigkeit von 17 Kilometern pro Sekunde. Doch um ein anderes Sternensystem zu erreichen, würde die Raumsonde 40.000 Jahre benötigen. "Die Beschränkungen der Raketengleichung führen zu einer relativ langsamen und kostspieligen Erforschung des Weltraums", sagte der Assistenzprofessor.

Futuristische Missionen vielleicht doch umsetzbar?

"Größere Weltraummissionen wie [das Projekt] Solar Gravitational Lens sind mit den derzeitigen Raumfahrzeugen nicht machbar", so Davoyan. Das Prinzip der Sonnengravitationslinse beruht auf einem Phänomen, das Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat: dem Gravitationslinseneffekt. Damit wird die Ablenkung von Lichtstrahlen durch schwere Massen bezeichnet, die diese durch die Krümmung der Raumzeit verursachen.

Durch den Effekt können Astronomen weit entfernte Objekte mit größerer Auflösung und Präzision untersuchen. Durch die Positionierung einer Raumsonde im Bereich der Heliopause könnten Exoplaneten und weit entfernte Objekte mit der Auflösung eines Hauptspiegels von etwa 100 Kilometern Durchmesser untersucht werden. Doch mit bisherigen Antriebstechnologien bräuchte es Jahrzehnte, ein solches Weltraumteleskop an den Rand des interstellaren Raums zu bringen.

Schnellere Weltraumreisen sind möglich, doch es gibt auch Probleme

Schneller könnte es mit Davoyans Konzept gehen: "Im Gegensatz zu herkömmlichen Raumfahrzeugen und Raketen benötigt man beim Lasersegeln keinen Treibstoff an Bord, um zu beschleunigen. Hier erfolgt die Beschleunigung durch einen Laser, der das Raumfahrzeug durch Strahlungsdruck antreibt."

Mit dieser Technologie könne sogar annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Jedoch sei die Antriebskraft durch die Laserstrahlen nicht immer gleich. Es gebe nur einen begrenzten Entfernungsbereich, in dem das Raumfahrzeug so schnell beschleunigt werden könne, erklärte Davoyan.

Um das Raumfahrzeug kontinuierlich mit einer hohen Geschwindigkeit anzutreiben, benötige das Lasersegel eine "exorbitant hohe Laserleistung" von mehreren Gigawatt oder sogar Terawatt, sagte der Forscher. Eine andere Möglichkeit sei die Reduzierung der Masse des Raumfahrzeugs - ein Weltraumteleskop könne man so kaum transportieren.

Mit dem Pellet-Beam-System in 20 Jahren 74,7 Milliarden Kilometer reisen

Davoyan und sein Team untersuchten, wie sie ein 900 Kilogramm schweres Raumschiff in weniger als 20 Jahren 500 Astronomische Einheiten (AE) weit befördern können. Das entspricht einer Entfernung von 74,7 Milliarden Kilometern: "In unserem Fall besteht der Strahl, der das Raumfahrzeug antreibt, aus winzigen Pellets, daher nennen wir ihn Pellet-Strahl. Jedes Pellet wird durch Laserablation auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und dann übertragen die Pellets ihren Impuls, um das Raumfahrzeug anzutreiben."

Die geringe Größe und Masse der Pellets sollen dabei helfen, dass die Laserstrahlen mit relativ geringer Leistung betrieben werden können. "Im Gegensatz zu einem Laserstrahl divergieren die Pellets nicht so schnell, so dass wir ein schwereres Raumfahrzeug beschleunigen können. Da die Pellets viel schwerer sind als Photonen, haben sie einen größeren Impuls und können eine größere Kraft auf ein Raumfahrzeug übertragen", legte Davoyan dar.

Nach der Einreichung folgt die Prüfung der Machbarkeit und die Modellierung der verschiedenen Teilsysteme des Pellet-Beam-Konzepts. "Mit dem Pellet Beam können äußere Planeten in weniger als einem Jahr erreicht werden", sagte der Forscher. Eine Strecke von 100 AE soll in rund drei Jahren zu bewältigen und eine Entfernung von 500 AE in etwa 15 Jahren erreichbar sein. Die Installation eines Gravitationslinsen-Teleskops am Rande unserer Heliosphäre wäre somit in absehbarer Zeit möglich.