Breakthrough Initiatives und Projekt Starshot
BLOG: Go for Launch
Heute war ich bei einem Vortrag von Peter Klupar, dem Chief Engineer bei Breakthrough Initiatives, einem privat finanzierten SETI-Forschungsprogramm. Hauptthema des Vortrags war deren Projekt Starshot. Ich habe nicht im Detail die Breakthrough Initiatives recherchiert; ich beschränke mich darauf, wieder zu geben, was Klupar in seinem Vortrag zum besten gab, versehen mit deutlich gekennzeichneten Kommentaren von mir.
Die Breakthrough Initiatives
Die Breakthrough Initiatives wurden vom russischen Milliardär Yuri Milner gegründet. Unter ihren Sponsoren sind eine Menge Leute mit richtig viel Kohle, beispielsweise Mark Zuckerberg und seine Frau Priscilla Chan und Sergey Brin. Es geht um Suche nach extraterrestrischem Leben, spezifisch extraterrestischer Intelligenz. Dazu wird Beobachtungszeit mit großen Radioteleskopen gekauft. Genannt wurden Green Bank in West Virginia und Parkes in Australien. Mit diesen Riesenschüsseln horchen sie während der gemieteten Zeit ins Weltall. Wichtig ist aber nicht nur die Datensammlung, sondern insbesondere die Verarbeitung, d.h., die Fast-Fourier-Transformation des empfangenen Signals, um aus dem Hintergrundlärm Besonderheiten heraus zu filtern, die nicht natürlichen Ursprungs sein können. Das ist nichts anderes als das, was beispielsweise bereits die Initiative seti@home tut, nur viel besser finanziert und damit leistungsfähiger. Laut Klupar leistet jeder Tag von “Breakthrough Listen” so viel wie ein Jahr aller bisherigen Initiativen zusammen genommen.
Die Breakthrough Initiatives vergeben auch jährlich Preise ähnlich dem Nobelpreis an Wissenschaftler, allerdings etwa drei Mal so hoch dotiert wie ein Nobelpreis. Zudem vergeben sie Stipendien an mittellose Studenten, Schulen und Schüler. Gerade in den USA mit ihren oft horrenden Studiengebühren wäre ohne diese Art von Mäzenatentum der Zugang zur Universität für hochbegabte Kinder armer Eltern oft nicht möglich.
Das Projekt Starshot
Das Projekt Starshot ist die zentrale Aktivität der Breakthrough Initiatives. Dabei soll eine Flottille kleinster Raumsonden in maximal 30 Jahren zu Alpha Centauri und Proxima Centauri und dann zu anderen Sternen im Umkreis von weniger als 5 parsec geschickt werden. “30 Jahre” sind eine harte Anforderung, die erhebliche Konsequenzen hat. Diese eine Anforderung treibt das gesamte Missionsdesign vor sich her, denn sie bedingt eine extrem hohe Fluggeschwindigkeit. Angestrebt werden 20% der Lichtgeschwindigkeit, also 60000 km/s. Die etwa 4.2 Lichtjahre bis Proxima Centauri könnten so in nur 17 Jahren zurückgelegt werden.
Die Raumsonden sollen klein sein. Klein bedeutet hier eine Masse von 1.5 Gramm. Nicht Tonnen. Nicht Kilogramm. Nein, wirklich: anderthalb Gramm. Davon ein halbes Gramm für den “Starchip”, auf dem die Funktionalität einer Raumsonde abgebildet ist: Laser-Kommunikationssystem, Lageregelung, Energieversorgung, wissenschaftliche Nutzlast. Das restliche Gramm für ein 4×4 Meter großes Sonnensegel auf Basis von Nanotechnologie mit einer Materialstärke von nur 300 Atomdurchmessern. Die Energieversorgung erfolgt über einen ebenfalls miniaturisierten Radionuklidgenerator auf dem Starchip.
Dieser Starchip soll bereits als Prototyp existieren, jedenfalls hat Klupar einen gezeigt. Was das kleine Stück Plastik in seiner Hand überhaupt war und was es leistet, weiß ich allerdings nicht. Ich würde erwarten, dass die dessen Funktionsfähigkeit vorab demonstrieren, beispielsweise in der ISS.
Starchip und Nanosail zusammen ergeben das 1.5 Gramm schwere und 16 Quadratmeter große interstellare Raumschiff Lightcraft.
Wie soll ein Lightcraft nun mit 60000 km/s das Sonnensystem verlassen? Das Projekt Starshot sieht vor, dass dazu ein Riesenarray aus Infrarotlasern auf einem Gebiet von einem Quadratkilometer aufgebaut wird. Die Laser sollen zusammen genommen eine Leistung von 100 Gigawatt haben, also etwa die Leistung von 100 Kernkraftwerken. Diese Leistung wird aber nur über 2 Minuten aufgebracht. Zuvor sollen 1000 Lightcrafts in ein hochexzentrisches Erdorbit gebracht worden sein, wo jedes einzelne sein Nanosail entfaltet.
Jeder 120-Sekunden-Laserpuls soll nun jeweils ein Nanosail treffen, muss also auf 16 Quadratmeter Fläche gebündelt werden. Dort kommen von den 100 GW etwa 50 GW an. Das macht eine Leistungsdichte von mehr als 3 GW/qm – mehr als 2 Millionen Solarkonstanten. Die Nanosails müssen also wirklich perfekte Spiegel sein, sonst werden sie im Bruchteil einer Sekunde zu Plasma. Übrigens ist auch der Starchip dem Laserlicht ausgesetzt, denn die Nanosails ziehen ihn an vier Seilen hinter sich her. Also muss der auch so gut verspiegelt sein.
Um binnen 2 Minuten auf 0.2*c zu kommen, ist eine Beschleunigung von 500000 (fünfhunderttausend) m/s2 erforderlich. 51000 Mal die Erdbeschleunigung. Die daraus resultierenden Kräfte müssen sich mit den angenommenen geringen Materialstärken vertragen.
Nach dem 120-Sekunden-Laserpuls wird kein weiterer Antrieb verabreicht. Das heißt (angenommen, ein solcher Antrieb lässt sich realisieren), dass dann auch die Flugrichtung haargenau stimmen muss. Bei 60000 km/s Fluggeschwindigkeit kann man nicht einfach umlenken. Das bedeutet aber, dass die Form des Nanosails perfekt sein muss und dass ihre phänomenale Reflektionsfähigkeit über die gesamte Fläche gleich phänomenal sein muss – nicht etwa in der einen Ecke ein klein wenig phänomenaler als in der anderen.
Noch eine phänomenale Eigenschaft der phänomenalen Verspiegelung: Diese muss bei der anfänglichen Laserwellenlänge von 1 Mikrometer genau so phänomenal sein wie bei der aufgrund der erheblichen Blauverschiebung am Ende des Pulses auf 800 nm reduzierten. Und natürlich auch bei allen Werten dazwischen.
Wenn die Zielrichtung auch nur um 0.1 Grad falsch liegen sollte, kommt nach 4 Lichtjahren (38 Billionen km) Flug eine Querabweichung von 56 Milliarden km heraus. Es wäre vermutlich nicht hinnehmbar, wenn man ein Exoplanetensystem um 56 Milliarden km verfehlt. Das sind 376 astronomische Einheiten. Folgerichtig sagte Klupar, dass eine Zielgenauigkeit von 100 Millibogensekunden (also 0.0016 Grad) (also 3*10-5 Grad) erforderlich ist. Dann könnte die Abweichung auf etwa 2 astronomische Einheiten begrenzt werden (Ich komme da auf 7 AE Abweichung, aber vielleicht rechne ich da etwas falsch). Wie unten in einem Kommentar vermerkt, bekomme ich hier allerdings einen Fehler von 16 Millionen km heraus. Vielleicht habe ich etwas missverstanden.
Klupar behauptet, jedes dieser bei einem Start ausgesetzten 1000 Lightcraft könnte über einen Zeitraum von drei Jahren in die Erdflucht geblitzdingst werden. Wenn sie dann am Ziel ankommen, allerdings mit sehr hoher Geschwindigkeit, würden sie mit verschiedenen Instrumenten das Exoplanetensystem untersuchen und ihre Messdaten zur Erde zurückschicken, per Laser mit einer Sendeleistung von 1W, wobei das Nanosail als Reflektor dient.
Probleme sieht Klupar allenfalls beim Aufbau des Laser-Arrays. Immerhin müssen Tausende sehr starker Laser in einem sehr eng umschriebenen Areal aufgestellt werden und die ganzen Anlage mit einer Leistungsaufnahme von 100GW muss fast verlustfrei funktionieren, ansonsten würde die kombinierte Abwärme zum Problem. 100 GW über 120 Sekunden Entspricht einer Energie von 1.2*1013 Joule. Das ist gar nicht so viel, wie es klingt. Es entspricht der elektrischen Energie, die ein Kernkraftwerk mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 1000 MW in gut sieben Stunden ins Netz einspeist. Oder aber der elektrischen Ausgangsenergie einer Solarfarm von 2 km x 2 km Größe in 4 Stunden Betrieb.
Die Schwierigkeit dürfte also kaum im Bereich der Energieversorgung selbst liegen. Schwieriger wird es werden, die erforderliche Energie genau während der 120 Sekunden des Betriebs der Laser bereit zu stellen. Man braucht also einen Park von großen Energiespeichern, die auch das plötzliche Abzapfen großer Mengen problemlos wegstecken. Das müsste am Ort des Laser-Arrays auch aufgebaut werden. Klupar schlägt als Standort einen Ort in 5000 Metern Höhe vor, dort wo die Luft zuverlässig trocken und staubfrei ist, beispielsweise in der Atacama-Wüste in Chile. Der Zwei-Minuten-Puls müsste so gelegt werden, dass kein Satellit durch den gebündelten Laserstrahl fliegt, wenn gerade ein Lightcraft beschleunigt wird.
Das Ganze sei, so Klupar, in den nächsten 10-15 Jahren auf die Beine zu stellen, damit dann die ersten interstellaren Lightcraft-Missionen starten können. In abgespeckter Form sei das System bereits für Missionen im Sonnensystem einsetzbar, um Venus-, Jupiter- oder Kuipergürtel-Missionen innerhalb von Wochen oder Monaten und zu einem Bruchteil der Kosten einer konventionellen Mission zu realisieren. Die Gesamtkosten sollen sich auf weniger als 10 Milliarden $ belaufen, das meiste davon geht in das Laser-Array.
Meine Meinung dazu
Im Gegensatz zu den meisten meiner Altersgenossen kann ich es immer weniger verknusen, je älter ich werde, wenn immer gleich gesagt wird “Das geht nicht”. Zugegeben, hier ist die Versuchung ziemlich groß, genau das zu sagen. Aber ich erliege dieser Versuchung nicht. Stattdessen stelle ich einfach mal ein paar Fragen :
- 51000 g Dauerbelastung über 2 Minuten beim Start – steckt die Hardware das wirklich weg?
- Die beschriebene Phänomenalität gleich mehrerer Eigenschaften des Materials, die nicht etwa nur ein nice-to-have ist, sondern unabdingbar erforderlich, weil sonst das Konzept nicht geht – ist das realisierbar?
- Manche Dinge lassen sich miniaturisieren, andere nicht. Optiken beispielsweise eher nicht. Wenn die Kamera selbst Bestandteil eines System-on-a-chip mit nur 0.5 Gramm Masse ist, dann wird sie zwangsläufig sehr eingeschränkte Brennweite und Apertur haben. Was für eine Auflösung könnte man sich von so einer Kamera denn bestenfalls erhoffen? Wenn ich mein Handy gen Himmel halte und ein Foto vom Jupiter mache, kommt da wohl nichts heraus, worauf jemand 17 Jahre mit Spannung warten würde. Die pico-Kamera hier wäre aber zwangsläufig deutlich weniger leistungsfähig als das in meinem Smartphone. Die Durchfluggeschwindigkeit durch das Exoplanetensystem wäre eben auch 60000 km/s – das sind 35 AE pro Tag. Das ist die Strecke vom Pluto zur Sonne. Hinzu kommt das genannte Problem der Zielgenauigkeit. Was soll denn unter solchen Voraussetzungen an nennenswerter Wissenschaft herumkommen? Mag sein, dass bei denen die Besten der Welt am Werken sind. Aber können die hexen?
- Der Datentransfer per Laser mit einer Sendeleistung von einem Watt, selbst unter Verwendung eines 16 Quadratmeter-Reflektors, erscheint mir sehr unplausibel. Von Klupar wurde auf ein Laserdatentransfer-Experiment der Mondmission LADEE verwiesen. Aber 400000 km und 4 Lichtjahre sind eben doch 8 Größenordnungen unterschiedlich.
Meine Vermutung
Keiner der Geldgeber ist naiv oder unrealistisch. Alle haben einen naturwissenschaftlichen Hintergrund, und da sie ihr Geld selbst verdient haben, können sie auch eine Idee, die fliegt, von einer unterscheiden, die einfach nicht fliegt. Auf alle Zweifelsmomente, die ich angesprochen habe, kommen die selbst., und wahrscheinlich noch auf ein paar mehr, die mir mangels Einblick noch gar nicht aufgefallen sind.
Ich vermute mal, es geht denen gar nicht um interstellare Forschungsmissionen, sondern um die Entwicklung der irdischen Technologien, so wie IR-Laser im Multi-Megawattbereich oder leistungsstarke und effiziente Stromspeichereinheiten. Das wären hier “nur” Spin-offs, aber es wären “enabling technologies” für Schlüsseltechnologien der kommenden Jahrzehnte. Darin liegt das wirkliche Interesse.
Gewisse staatliche Stellen hätten zudem ein großes Interesse an Laserstationen mit der Fähigkeit, punktgenau orbitale Kapazitäten auszuschalten. Nun sind staatliche Stellen nicht an den Breakthrough Initiatives beteiligt. Sie kämen aber durchaus als Kunden für Privatunternehmen infrage, die solche Systeme anbieten können. Es fallen mir gleich auch noch ein paar Anwendungen ein, wo solche Laser-Arrays sehr nützlich wären, auch mit weniger als 100 GW installierter Leistung.
Dass es ein Projekt Starshot in der beschriebenen Form geben wird, halte ich für wenig wahrscheinlich. Dass es zentrale Komponenten des beschriebenen Bodensegments geben wird, erscheint mir dagegen ziemlich wahrscheinlich.
Nachtrag
Klupar postuliert einen 120-Sekunden Laserpuls einer Leistungsdichte, die etwa 2 Millionen Solarkonstanten entspricht. Da stellt sich mir aber die Frage, was passiert, wenn man diesen Laser einfach weglässt und die Sonne die Arbeit machen lässt. In Erdnähe wirkt auf einen perfekten Spiegel eine Solardruckkraft von knapp 10-5 N/qm. Bei 16 Quadratmetern Querschnittsfläche und 1.5 Gramm Masse bekommt man so eine Beschleunigung von fast 0.1 m/s2. Bitte rechnen Sie selbst nach.
Nach nur einem Tag kommt so ein Delta-v von mehr als 8 km/s zusammen.
Nach 10 Tagen schon 80 km/s (bereits mehr als genug für die Flucht aus dem Sonnensystem).
Nach 100 Tagen schon gewaltige 800 km/s.
Es geht natürlich nicht linear weiter, denn der Solardruck nimmt mit dem Quadrat der Entfernung von der Sonne ab, die radiale Beschleunigung bleibt also bestehen, wird aber immer schwächer, je weiter das Segel von der Sonne entfernt ist. Aber dennoch kann man davon ausgehen, dass einige Prozent der Lichtgeschwindigkeit in nur wenigen Jahren Flug erreichbar sind.
Mal angenommen, ein funktionierendes interstellares Raumschiff mit einer Masse von nur 1.5 Gramm sei realistisch. Dann sollte man die Randbedingung von weniger als 30 Jahren Missionsdauer auf den Prüfstand stellen, denn die uns nächsten Sterne lassen sich mit etwas längerer Flugzeit auch erreichen, ohne dass es dazu eines gewaltigen Laser-Arrays bedarf. Und damit auch ohne die gewaltige Anfangsbeschleunigung von 51000 g, was in etwa der Beschleunigung eines Projektils im Gewehrlauf entspricht.
Im Endeffekt pflegen sie also folgende Verschwörungstheorie:
. Nun ja, immerhin bieten sie als Alternativen noch folgende Ziele an:
Ich sehe das ganz anders: Beim Starshot-Projekt handelt es sich meiner Einschätzung nach um Wunschdenken. Zu glauben Wunschdenken gebe es im technischen Bereich nicht oder aber Wunschdenken im technischen Bereich ende spätestens, wenn es an die Realisation gehe, ist wohl – wie eine Artikelserie von Thomas Grüter zeigt – grundlegend falsch. Thomas Grüter hält die sogenannte Energiewende, die Deutschland nach dem baldigen Abschalten aller AKW’s allein mit regenerativen Energien (Wind+Sonne) versorgen soll, für Wunschdenken. Und ich tendiere dazu, ihm zuzustimmen. In dieses Wunschdenken wurden nun schon hunderte von Milliarden Euro investiert. Im Vergleich dazu ist Starshot ein kleiner Fisch.
Ich sehe da keine Verschwörung, also hege ich auch keine diesbezügliche Theorie. Die betuchten Geldgeber setzen da ihr eigenes Geld ein. Die müssen sich nicht verschwören. Es ist ihre eigene Kohle. Sie werden auch etwas von Geschäften mit Hochtechnologie verstehen, denn da haben sie ja ein Milliardenvermögen erworben.
Ich denke, es ist nicht weit hergeholt, wenn man unterstellt, dass die Leute schon abschätzen können, was geht und was nicht. Wenn Sie trotzdem ein solches Vorhaben finanzieren, dann werden sie auch das Gefühl haben, dass das etwas abwirft. Im Weltraum wohl eher nicht, aber auf der Erde sehr wohl.
Das hat mit der Vorstellung vom Wolkenkuckucksheim, die der Energiewende zugrunde liegt, wenig zu tun. Denn diese Vorstellung vertreten Politiker. Die wissen halt mehrheitlich wirklich nicht, was geht und was nicht. Das ist eben keine technische Illusion. Es ist eine politische Illusion. Da sehe ich einen fundamentalen Unterschied.
Wenn Mark Zuckerberg, seine Frau Priscilla Chan sowie Sergey Brin unter dem Deckmantel eines extrem ambitionierten Raumfahrtprojekts in Wirklichkeit Kriegstechnologie entwickeln wollen (Abschuss von Satelliten im Orbit mit den im Rahmen des Projekts Starship entwickelten Lasern) , dann benutzen sie dieses Projekt offensichtlich als Tarnmantel für Kriegstechnologie.
Weil ich es für absurd halte, dass diese Leute zwielichtige Absichten verfolgen, sie aber fest damit rechnen – deshalb bezichtige ich sie der Konstruktion einer Verschwörungstheorie. Eine Verschwörungstheorie sieht in einer Gruppe von Leuten Verschwörer. Diese Verschwörer operieren im Geheimen oder mithilfe einer Tarnorganisation, eines Tarnprojekts. Sie täuschen die Öffentlichkeit über ihre wahren Absichten und haben verbrecherische Ziele. Wenn Mark Zuckerberg und Co. Kriegstechnologie im Namen des Projekts Starship entwickeln, dann haben sie sich verschworen – verschworen gegen die Öffentlichkeit.
Facebook ist zweifellos alles andere als ein reines Menschheitsbeglückungsprojekt. Aber trotzdem würde ich einem Mark Zuckerberg nie unterstellen, er wolle Kriegstechnologie entwickeln. Genau das aber tun sie, wenn sie von Laserwaffen als geplantem Starshot – Spin-Off sprechen.
Ich denke, da verdrehen Sie meine Aussagen schon extrem.
Zunächst einmal ist es so, dass die ja ganz offen sagen, was sie entwicken wollen und was diese Entwicklung für Charakteristiken und Leistungsparameter hat. Deswegen liegt hier keine Verschwörung vor. Es ist nichts geheim. Alles liegt offen auf dem Tisch. Klupar reist durch die Lande und erzählt lang und breit, dass Bestandteil dieses Projekts die Entwicklung eines Hochleistungs-Laserarrays ist, den man nur maximal 120 Sekunden lang zünden will, weil seine Leistungsdichte so hoch ist, dass jeder den Strahl durchfliegende Satellit sofort vernichtet würde.
Dass ein extrem eng kollimierbares Array aus Hochleistungs-Infrarot-Lasern auch das Potenzial zu einem extrem leistungsfähigen und in dieser Form einzigartigen militärischen Einsatz hat und dass sich deswegen das Militär zwangsläufig dafür interessieren wird, liegt auf der Hand. Wenn man das nicht wahrhaben will, verschließt man sich der Wirklichkeit.
Ich kann mir wirklich nicht vorstellen, dass sich die Geldgeber des Projekts dieser Tatsache nicht bewusst sind. Gerade diese Leute haben doch ein überdurchschnittliches Talent dafür, neue Einsatzgebiete für Technologien zu erschließen. Damit haben die ihre Milliarden gemacht. Es kann doch nicht sein, dass die jetzt aus allen Wolken fallen: “Was, das kann man auch militärisch einsetzen? Nein, darauf wären wir nie gekommen, das wollen wir gar nicht!”
Ich glaube ebensowenig, dass das Militär sagen wird: “Och, das interessiert uns aber nicht.” Ich glaube allerdings auch nicht, dass die das primär einsetzen werden, um Satelliten anderer Nationen vom Himmel zu holen, sondern eher, dass solche Technologie im Rahmen der Raketenabwehr Einsatz finden würde.
Ein anderes Einsatzgebiet, allerdings ein friedliches und ausgesprochen nützliches, wäre der Einsatz zur Reinigung des erdnahen Weltraums von Schrott. Im Moment wäre so etwas nur nützlich und hilfreich. In absehbarer Zukunft könnte es aber dringend notwendig werden.
Und natürlich könne man auch Satelliten per Laserschub vom Boden in ein höheres Orbit hieven.
Sie haben recht: Nicht nur sie, auch der Economist-Schreiber, welcher den Artikel Starchip enterprise geschrieben hat, denkt auch an den militärischen Einsatz der zugehörigen Technologie.
Ich kann mir nicht vorstellen, dass die Idee für ein solches Laser-Array den Starshot-Initiatoren als ersten gekommen ist. Bereits in den 80ern war ihm Rahmen von Reagans SDI-Programm die Rede von Laserwaffen verschiedenster Ausprägung. Das bedeutet aber auch, dass zumindest die technischen Hürden auf dem Weg zu solchen Systemen bereits detailliert untersucht worden sein müssen.
Militärische Forschung unterliegt in der Regel nicht so stringenten finanziellen Einschränkungen wie zivile. Wäre die Politik genau so spendabel gegenüber der zivilen Forschung, dann hätten wir wahrscheinlich ein paar Probleme weniger in dieser Welt.
Ich denke auch nicht, dass es um rein “irdische” Spin-offs geht, zumindest nicht im Sinne von absehbarer Technik.
Die ersten zwei Punkte scheinen mir prinzipiell realisierbar – extrem ambitioniert und wohl jenseits heutiger Technik, aber mit etwas Aufwand und Frustrationstoleranz geht das. Zumal schon Teilerfolge auf dem Weg eine ziemliche Ansage wären und den Schwung aufrecht erhalten würden.
Punkt drei und vier sind natürlich unrealistisch, aber eben nur im Rahmen dieser konkreten Konfiguration. Braucht man denn eine Kamera? Würde man zum Beispiel das Segel als Antenne nutzen, hätte man einen Magnetfeldsensor. Ein Spektrometer braucht nicht die Auflösung einer optischen Kamera etc. Da lässt sich viel drehen für die Wissenschaft.
Und wer weiß schon was rauskommt, wenn man das Unmögliche versucht und guckt wie weit man kommt?
Die Spin-Offs wird es geben. Es muss sie geben, denn davon hängt das ganze Projekt ab. Selbst wenn man kein Laser-Array der erforderlichen Leistung bauen kann, dann gibt es eine gute Chance, dass immer noch ein sehr ansehnliches Array ‘rumkommt. Das ist ein Spin-Off, und zwar ein nützlicher. Das kommt dabei ‘raus, wenn man das Unmögliche versucht, und das wissen die Geldgeber auch ganz genau. Daran ist auch gar nichts Verwerfliches.
Was die Wissenschaft angeht und die angedachte Konfiguration, ist es nun mal so, dass wir von einem “Satelliten” reden, der auf eine Daumennagel passt und ein halbes Gramm (!) wiegt. Mehr als die Gramm-Größenordnung darf das Ganze nicht wiegen, denn schon dafür braucht man 100 GW Laserleistung. Und weniger Leistung darf es nicht sein, denn sonst wird die Mission zu lang. Das ist ja die harte Randbedingung.
Was soll man mit einem halben Gramm anfangen? Aber was soll’s … dieser Punkt ist ja angeblich sogar schon gelöst. Na, dann wird es ja sicher bald terrestrische oder interplanetare Raumsonden mit so etwas geben, oder?
Ich bitte um Beachtung des heute angefügten Nachtrags
Interessanter Bericht. Ich denke wenn die Spiegel so extrem gut sein müssen, dann muss auch die Antriebsbeleuchtung der Segel durch das Laser-Array sehr homogen sein. Das wird bei einer Installation der Laseranalage auf dem Erdboden, selbst in 5 km Höhe, nur schwer realisierbar sein, da die Atmosphäre ordentlich optische Störungen aufprägt. Hängt aber letztlich von Details wie verwendete Wellenlänge und maximal tolerierbare Leistungsabweichung ab. Noch was zu den Winkelangaben. Proxima Centauri ist ca. 1.3 parsec entfernt. Ein Winkel von 1 Bogensekunde entspricht genau einer astronomischen Einheit in einem Abstand von 1 parsec. Somit entsprechen 100 Millibogensekunden im Abstand von Proxima Centauri 0.13 astronomischen Einheiten, in etwa 20 Millionen Kilometern. Der bei Proxima Centauri gefundene Planet Proxima Centauri b hat einen Abstand zu seiner Sonne von etwa 0.05 astronomischen Einheiten, ca. 7,5 Mio. Kilometern.
Sie haben vollkommen Recht; auch die Leistungsverteilung muss extrem homogen sein. Ich halte den Leuten des Projekts mal wohlwollend zugute, dass sie davon ausgehen, während der Beschleunigungsphase die Abflugrichtung messen zu können, sodass sie konstant die Ausgangsleistung einzelner Laser nachjustieren können. Oder so.
Was die Lageabweichung bei der Ankunft angeht, habe ich das wie folgt abgeschätzt:
Der Geschwindigkeitsfehler in Lateraler Richtung ist gleich dem Delta-v multipliziert mit dem Sinus des Winkels, um den das delta-v von der Zielrichtung abweicht. Wenn also das Delta-v 60000 km/s beträgt, aber der Winkelfehler 0.1 Bogensekunden=4.848e-7 rad, dann hat man eine ungewollte Lateralkomponente von 0.029 km/s. Wenn man diesen Fehler über rund 17 Jahre Flugdateur aufsummiert, kommen 15.6 Millionen km heraus. Meine Überschlagsrechnung im Artikel ist also falsch, ich muss sie korrigieren. Danke für den Hinweis.
Wenn nun aber der Fehler größer ist, also beispielsweise 0.1 Grad (was bei Manövern immer noch ziemlich präzise wäre), dann kämen nach 17 Jahren Flug eine Abweichung von 56 Milliarden km heraus. Das wäre keinesfalls hinnehmbar. 16 Millionen schon eher, wobei man sich da schon fragen muss, wie eine solche Genauigkeit erreicht werden soll.
Ist das heute schon technisch möglich und wenn ja wie? Müsste das Nanosail nicht vor dem Start milimetergenau positioniert sein? Bzw müsste die Lage nicht milimetergenau bekannt sein? Und dann während der Beschleunigungsphase die Abflugrichtung präzise messen, wie macht man das? Radar oder Laser? Geht das von der Erdoberfläche oder müsste das von einem Sateliten geschehen? Bei Sateliten hat man dann noch gewisse Signallaufzeiten zur Bodenstation. Puh, den Regelkreis möchte ich nicht programmieren.
Gute Fragen. Eine so extreme Präzision des Einschusses erfordert zwingend einen geschlossenen Regelkreislauf. Vermutlich nutzt dieser die Messung der Dopplerverschiebung des zur Laseranlage zurückgespiegelten Strahls. Nur so kann eine genügend schnelle Regelung gewährleistet werden.
Das führt mich zu einer anderen Frage. Die schießen da 2 Minuten lang ein 100 GW-Bündel aus Lasern zu einem perfekten Spiegel. 50 GW treffen auf den Spiegel (sagt Klupar) und werden komplett zurückgespiegelt. Der Spiegel, also das Segel, muss genau senkrecht zur Blickrichtung angeordnet sein. Also geht die reflektierte Energie direkt zurück zur Laserbasis in der Atacama-Wüste, die da auf einer Fläche von 1×1 km aufgebaut wurde.
Und dann? 50 GW pro 1000000 qm machen 50 kW/qm Einstrahlung. Was passiert dann mit der Laserstation? Oder, wenn das nicht auf die Laserstation trifft, sondern woanders hin, was passiert dann mit diesem Ort?
Das kommt wie immer darauf an. Erstmal darauf warum von den 100 GW nur die Hälfte beim Nanosail ankommen. Streuung bzw Absorbstion in der Atmosphäre oder wird das Segel nicht getroffen? Letzteres hab ich nur aufgezählt, weil es einer der möglichen Gründe sein könnte, aber das sollte es eigentlich nicht sein. Wenns ersteres ist, dann scheint es mit folgerichtig anzunehmen, dass auf dem Rückweg auch die Hälfte in der Atmosphäre hängenbleibt.
25 kW/qm Einstrahlung wären natürlich immer noch happig. Wie problematisch das wird kommt natürlich auf die Taktung feuern/Pause an bzw darauf wie oft gefeuert wird. Das wird da warm werden. Richtig warm. Wenn der Spiegel komplett getroffen wird und alles in Richtung Laserstation zurückreflektiert wird, dann werden die 100 GW in der Atmosphäre obergalb der Station und auf dem Boden drumrum zu Wärme. Dazu noch die Verluste in den Lasern.
Solarzellen aufstellen zur Energierückgewinnung werden da wohl nicht viel helfen.
Mir fällt noch ein, dass wir voraussetzen, dass das Nanosail die ganze Zeit exakt plan bleibt. Eine Verformung halte ich für wahrscheinlich. Das sollte eine Auffächerung des Strahls auf eine größere Fläche bewirken. Lustig könnte es werden, wenn es sich parabolspiegelartig verformt. Den Brennpunkt auf Höhe der Erdoberfläche sollte man vermeiden. Gut, das dürfte unwahrscheinlich sein. Schlimmer wärs, wenn sich die Sonde selbst im Brennpunkt befände. Aber selbst wenn nicht könnte die Sonde leicht mehr Licht vom Nanosail als von der Erde abbekommen.
Wenn man näher an die Sonne heran fliegt, dann kann man viel mehr Strahlungsdruck einfangen, zum Beispiel wie in diesem Diagramm:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/Sun_Flyby_via_Motion_Reversal_of_Fast_Sailcraft.png
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Eine extrem leichte, und dennoch sehr große Kamera kann aus einem sehr dünnwandigen Ballon bestehen, der im Bedarfsfall elektrostatisch aufgeblasen wird, und nicht mit Gas, so daß er auch porös oder netzförmig sein kann.
Vermutlich schlägt die UV-Strahlung Elektronen aus dem Material, so dass es positiv geladen wird, und zur Sicherheit könnte man noch eine beta-strahlendes Isotop einbauen, das auch zur beta-voltaischen Stromversorgung verwendet werden kann.
Entweder verspiegelt man eine Polkappe des Ballons, oder man führt die andere Polkappe des Ballons als hauchdünne Fresnel-Zonenplatte aus (keine Fresnel-Linse), um das Licht zu fokussieren.
Bei Verwendung der Fresnel-Zonenplatte könnte die Fokal-Ebene auf der gegenüber liegenden Polkappe des Ballons liegen was günstig ist.
Bei der verspiegelten Polkappe liegt die Fokal-Ebene etwa beim halben Radius des Ballons, und man sollte dem Ballon im Bereich der verspiegelten Polkappe eine parabolische Form geben, um die sphärische Aberration zu vermeiden.
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Die Idee einen Chip an Seilen an ein Segel zu hängen fällt dann ganz weg, wenn die Ballonwandung selbst eine extrem dünne, aber extrem großflächige elektronische Schaltung darstellt, der deshalb auch Mikrometeoriten nur wenig schaden.
Man könnte Graphen, Graphan und Graphenoxid dafür verwenden.
Aus mehreren Graphen-Schichten und passenden molekularen Abstandshaltern könnte man auch einen hochreflektierenden und sehr leichten Bragg-Spiegel aufbauen.
Inzwischen habe ich bemerkt, dass für das Projekt Starshot ballon-förmige Segel empfohlen werden.
https://arxiv.org/pdf/1609.09506v1.pdf
Ein solches Segelkonzept hat Klupar allerdings nicht vorgestellt. In allen Bildern, die in seiner Präsentation geszeigt wurden, war das Segel quadratisch. Noch nicht einmal kreisförmig. Bei einem kugelförmigen Segel müsste man ein Füllgas vorsehen. Dann aber wäre es vermutlich schwierig, die sehr strikten Massenvorgaben einzuhalten. Auch die Verformung der Kugel wäre ein Problem. Das Paper spricht diesen Punkt unter “VI. Discussion” an:
Wie stellen die sich eigentlich so eine vollkommen starre Kugel vor, wenn sie noch nicht einmal ein Füllgas vorsehen?
Ich möchte wirklich einmal sehen, was so ein großer Gasballon macht, wenn man ihn 51000 g Belastung aussetzt.
Das Hereinfliegen ins innere Sonnensystem zur Nutzung des dort höheren Solardrucks empfiehlt sich nur bei viel geringeren Fluggeschwindigkeiten. Hier macht das gar keinen Sinn – die verpassen dem Segel doch eh schon den Strahlungsdruck von zwei Millionen Solarkonstanten. Und es geht auch gar nicht – die wollen doch in eine Fluchthyperbel mit einer asymptotischen Geschwindigkeit von 0.2c. Eine solche hochenergetische Hyperbel ist viel zu steif, um noch durch ein bisschen Solardruck verbogen zu werden.
Ihre technischen Vorschläge sind sehr gut. Ich vermute allerdings, das fallschirmartige Konzept, das Klupar vorstellte, hat auch strukturmechanische Gründe und soll die Form des Segels gewährleisten. Das Segel dient ja nicht nur als Segel, sondern auch als Reflektor für die auf dem Chip angesiedelten 1W-Laser.
Hallo Herr Khan,
ich dachte an einen Ballon aus einem Netz von Kohlenstoff-Nano-Röhrchen, der elektrostatisch, also ohne Füllgas, aufgeblasen wird, der durch gebündelte Mikrowellenstrahlung angetrieben wird, und der mehr als 3000 Grad Celsius aushält.
Der Fokus der Strahlung sollte nicht die Form einer Kreisscheibe haben, sondern die Form eines Kreisringes, um den Ballon im Strahl zu halten.
(Wo habe ich nur von einem “ringförmigen Eindämmungsstrahl” gehört? 🙂
Das Starwisp von Robert Forward ist dieser Idee ähnlich.
http://www.transorbital.net/Library/D001_AxA.html
(Graf Hombug würde einfach die Strahlung von explodierenden Nuklearwaffen als Antrieb verwenden, denn damit könnte man einen ganzen Schwarm von Sonden in alle möglichen Richtungen aussenden. 🙂
Mit freundlichen Grüßen,
Karl Bednarik.
Nachtrag zum Netz aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen:
Die Maschenweite muss kleiner als die halbe Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung sein, also vermutlich einige Millimeter.
Weil die Kohlenstoff-Nano-Röhrchen nur wenige Atomduchmesser dick sind, und weil das Netz haupsächlich aus Löchern besteht, wird seine Masse pro Fläche noch geringer als bei Graphen sein.
Der Strahlungsdruck ist nur von der Leistung abhängig, und nicht von der Wellenlänge, aber der elektrische Wirkungsgrad von Mikrowellensendern ist höher als der von Lasern.
Metalle leiten Strom bei hohen Temperaturen schlechter als bei niedrigen Temperaturen, aber Kohlenstoff, Halbleiter, Keramik und Glas leiten Strom bei hohen Temperaturen besser als bei niedrigen Temperaturen.
Zuerst erwärmt sich das Netz aus den Kohlenstoff-Nano-Röhrchen durch die Widerstands-Heizung durch die Mikrowellenstrahlung bis es glüht, und dann ist es ein idealer Reflektor für die Mikrowellenstrahlung.
(“Great balls of fire” war schon immer ein gutes Science-Fiction-Thema. 🙂
Eine nicht maßstabsgerechte Zeichnung zur Energie-Übertragung mit Phased-Array-Antennen, die Synchronisierung der Phasenlage der Mikrowellenstrahlung wird durch das vom Ballon reflektierte Signal gesteuert.
http://members.chello.at/karl.bednarik/ANTISATE.PNG
Für die Startphase wäre Phosphor-32 als beta-strahlendes Isotop günstig, weil seine maximale Elektronen-Energie 1711000 Elektronenvolt und seine Halbwertszeit 14 Tage beträgt.
Für die Flugphase wäre Kohlenstoff-14 als beta-strahlendes Isotop günstig, weil seine maximale Elektronen-Energie 156000 Elektronenvolt und seine Halbwertszeit 5730 Jahre beträgt.
Leider haben bei beta-strahlenden Isotopen nicht alle Elektronen die gesamte Zerfalls-Energie, weil ein Teil davon auf die Neutrinos übergeht.
Alternativ zu den beta-strahlenden Isotopen kann man auch eine klassische Elektronen-Kanone einbauen, wie in den alten CRT-Fernsehern, denn die Mikrowellenstrahlung stellt eine gute Energieversorgung dar.
Vermutlich werden Elektronen aus dem Sonnenwind auf mehr als 1000000 Elektronenvolt beschleunigt, und in den stark positiv geladenen Ballon stürzen, aber die meisten davon werden einfach hindurch fliegen und dahinter wieder langsamer werden.
Falls man irgendwann einen Hohlspiegel zum Senden von Nachrichten benötigt, kann man den Ballon durch einfaches Einstülpen in eine Halbkugel umwandeln, am Besten durch den Zug von Kohlenstoff-Nano-Fasern.
Zu diesem Zeitpunkt ist es besser, wenn man die Elektronen-Kanone abschaltet.
Falls man an der passenden Stelle positive Ionen freisetzt, dient der stark positiv geladenen Ballon sogar als Ionen-Triebwerk für Kurskorrekturen.
Zum Nachtrag (<a href="http://www.space.com/20169-interstellar-spaceflight-solar-sail.html"Interstellarer Raumflug mit Solarsegel). Tatsächlich findet man mehr oder mindestens gleich viel Einträge im Internet zum interstellaren Raumflug mit Solarsegel (hier als electric Sail) wie zum entsprechenden interplanetaren Raumflug mit solaren Segeln. Mir scheint das ein zu früher und zu grosser Sprung ins Fantastische/Science-Ficiton-hafte. Genau wie es auch das Projekt Starshot ist. Zuerst einmal sollte man Technologien entwickeln mit denen man unser Sonnensystem schneller und effizienter bereisen und untersuchen kann und mit denen unser Sonnensystem zu unserer erweiterten Heimat wird. Mit interplanetarem Internet, leistungsfähigen Kameras in Orbits aller Planeten und ihrer Monde und einem interplanetaren Verkehrssystem, das regelmässige Flüge zu den Planeten und ihren Monden möglich macht.
Weder die NASA noch die ESA oder die russische Raumfahrt hat in den letzten Jahrzehnten einen wirklich neuen Ansatz in Bezug auf die Erforschung und Bereisung des interplanetaren Raums gebracht – ausser dass im Rahmen des NIAC (Innovative-Advanced-Concepts)-Programms der NASA ein paar Zukunftsprojekte vorgestellt wurden.
Am ehesten erkenne ich noch in den wiederverwendbaren Raketen von SpaceX und in den neuen Methan-getriebenen Raptor-Triebwerken einen Fortschritt, der die Raumfahrt mit konventionellen Mitteln – also mit einem chemischen Antrieb – weiterbringen könnte.