Kann die Menschheit interstellare Reisen erreichen?

Ich habe Interstellar immer und immer wieder gesehen, bestimmt drei Mal. Die gesamte theoretische Grundlage des Films basiert auf der Relativitätstheorie und der Wurmloch-Theorie. So faszinierend das auch ist, ich habe trotzdem das Gefühl, dass das Technologieniveau, das im Film (und in der realen Welt) gezeigt wird, hoffnungslos unzureichend ist. Ohne das Wurmloch, das von zukünftigen Menschen in der Nähe des Saturn platziert wurde, gibt es mit unseren derzeitigen technischen Fähigkeiten praktisch keine Chance für die Menschheit, aus dem Sonnensystem hinauszufliegen.

Voyager 1 ist wahrscheinlich die schnellste Maschine, die die Menschheit je gebaut hat (derzeit über der dritten kosmischen Geschwindigkeit von 16,7 km/s, die genaue Geschwindigkeit ist unbekannt). 2013 gab die NASA bekannt, dass Voyager 1, gestartet 1977, endlich die Heliosphäre – die Region, die von Sonnenpartikeln beeinflusst wird – verlassen und den interstellaren Raum erreicht hat. Damals dachte ich naiverweise, das Sonnensystem müsse ja recht klein sein, wenn man es in nur 35 Jahren durchqueren kann. In Wirklichkeit ist die Strecke, die Voyager 1 in diesen 35 Jahren zurückgelegt hat, im Vergleich zum Maßstab des gesamten Sonnensystems wie die kleinste Skaleneinteilung auf einem Mikrometer.

Wie groß ist das Sonnensystem eigentlich?

Jeder Himmelskörper oder jedes Material, das die Sonne umkreist, fällt innerhalb der Grenzen des Sonnensystems. Neben den acht bekannten Planeten gibt es mindestens fünf Zwergplaneten, mindestens 173 Monde und Hunderte Millionen kleinerer Körper. Jenseits des Neptun liegt der Kuipergürtel – eine scheibenförmige Region, die aus zahlreichen Planetesimalen besteht und sich etwa 50 bis 500 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt erstreckt (eine Astronomische Einheit ist die Entfernung zwischen Erde und Sonne). Jenseits des Kuipergürtels liegt eine kugelförmige Wolke, die das Sonnensystem umhüllt und Oortsche Wolke heißt. Sie befindet sich 50.000 bis 100.000 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, mit einem maximalen Radius von etwa einem Lichtjahr.

Erst nach dem Durchqueren der Oortschen Wolke kann die Menschheit wirklich behaupten, das Sonnensystem verlassen zu haben. Doch Voyager 1 brauchte 35 Jahre, um etwas mehr als 120 Astronomische Einheiten zurückzulegen – weniger als 4 AE pro Jahr. Eine einfache Division macht es klar: Selbst mit Voyagers derzeitiger Geschwindigkeit bräuchte die Menschheit mindestens 20.000 Jahre, um das Sonnensystem zu verlassen.

Die Technologie der Menschheit ist ernsthaft enttäuschend

In den Hunderttausenden von Jahren seit dem Erscheinen der Menschheit bedeutete jeder Technologiesprung eine Steigerung unserer Reisegeschwindigkeit – die dramatischsten Verbesserungen gab es in den letzten 200 Jahren. Leider scheint der Antrieb mit Treibstoff seine Obergrenze erreicht zu haben. Die heutigen Raketen unterscheiden sich nicht grundlegend von denen vor 50 Jahren. Gemäß der Masse-Energie-Äquivalenz E=mc² brauchen wir für höhere Geschwindigkeiten einen stärkeren Rückstoß, was bedeutet, mehr Energie mitzuführen und höhere Ausströmgeschwindigkeiten zu erreichen. Für eine schnelle Kurzreise innerhalb des Sonnensystems würde die benötigte Treibstoff- und Motormasse die der bemannten Raumsonde selbst bei weitem übersteigen.

Interstellare Reisen mit Treibstoffantrieb sind also schlicht unmöglich – es sei denn, wir haben Zehntausende von Jahren oder eine praktisch unendliche Energieversorgung, die wir verheizen können.

Wenn wir uns nur auf die Technologie verlassen, die wir heute haben, wird die Menschheit für immer am inneren Rand des Sonnensystems im Dreck spielen.

Unser Ziel sind die Sterne und das Meer! Die Menschheit braucht eine neue Antriebsmethode: einen treibstofflosen Antrieb.

Es gibt derzeit etwa ein Dutzend Konzepte für treibstofflose Antriebe – Sonnensegel, elektromagnetischer Antrieb, Kernfusionsantrieb, Warp-Antrieb und mehr.

Ein Sonnensegel funktioniert ähnlich wie ein Segelschiff: Eine riesige dünne Folie wird im Weltraum entfaltet, mit einem Raumschiff dahinter. Photonen des Sonnenlichts treffen auf die Folie und erzeugen einen Rückstoß. Solange das Schiff nicht abbremst, wird es immer weiter beschleunigen, bis es außergewöhnliche Geschwindigkeiten erreicht. Die größte Schwierigkeit bei Sonnensegeln ist jedoch das Abbremsen. Reist man von einem Stern zu einem anderen Stern mit vergleichbarer Helligkeit, kann man auf halber Strecke mit dem Licht des Zielsterns abbremsen. Ist das Ziel jedoch ein nicht leuchtender Körper, bräuchte man entweder einen Treibstoffantrieb zum Abbremsen oder eine Gravitationsbremse – beides in der Praxis knifflig.

Elektromagnetischer Antrieb nutzt elektromagnetische Felder, um die Richtung des Partikelausstoßes zu kontrollieren und Raumschiffe entlang vorgegebener Bahnen zu lenken. Er ist energieeffizient und kompakt, und einige Satelliten nutzen diese Technologie bereits zur Bahnstabilisierung.

Kernfusionsantrieb ist eine weitere Form des treibstofflosen Antriebs. Schätzungen zufolge bräuchte man, um eine Masse von 11.000 Tonnen (etwa das Gewicht eines kleinen Kriegsschiffs) auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, das gesamte Helium-3 auf dem Mond, um eine kontrollierte Fusionsreaktion aufrechtzuerhalten. Das ist offensichtlich nicht machbar – und wir haben die kontrollierte Kernfusion noch nicht einmal vollständig gemeistert. Aber für kurze Reisen mit 1% bis 10% der Lichtgeschwindigkeit wäre sie durchaus komfortabel.

Jeder, der Die drei Sonnen gelesen oder Star Trek gesehen hat, ist sicherlich vom Warp-Antrieb fasziniert. Ein Warp-Antrieb könnte ein Raumschiff fast augenblicklich auf Lichtgeschwindigkeitsbedingungen beschleunigen, ohne die relative Zeit zu verändern – ein wirklich fortschrittliches Antriebskonzept. Aber ein Konzept ist eben nur das: Bisher konnte keine wissenschaftliche Forschung seine Gültigkeit beweisen.

Es ist klar, dass die nächste Generation von Raumschiffen möglicherweise elektromagnetische oder Kernfusionsantriebstechnologie einsetzen wird. Es gibt unzählige Herausforderungen zu meistern – und über die Physik hinaus werden Materialwissenschaften, Biologie und viele andere Disziplinen die gemeinsame Anstrengung der gesamten Menschheit erfordern.