Raumfahrt im 21. Jahrhundert: Evolution und Vision

Raumfahrt im 21. Jahrhundert: Evolution und Vision

 

Auch mehr als vierzig Jahre nach ihrem Beginn ist die Raumfahrt eine noch immer »junge Technik« und steht erst am Anfang ihrer Möglichkeiten. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen dürfen wir annehmen, dass die Zukunft der Raumfahrt durch zwei deutlich unterscheidbare Entwicklungslinien gekennzeichnet sein wird. Die eine wird die Weltraumtechnik allmählich und in kleinen Schritten, also im Sinne einer technischen Evolution voranbringen: Heute bereits etablierte Raumfahrtanwendungen werden ausgeweitet, fortentwickelt und um zusätzliche Angebote ergänzt werden. Raumfahrtdienstleistungen werden dadurch noch attraktiver und begehrter und somit immer mehr selbstverständlicher Teil des alltäglichen Lebens werden. Veränderte oder neu entstehende Bedürfnisse lassen sich häufig durch Weiterentwicklung oder durch Anpassung existierender Technik relativ rasch und kostengünstig befriedigen. Einige Beispiele für derartige Entwicklungen wurden in den vorstehenden Abschnitten über die wichtigsten heutigen Raumfahrtanwendungen schon genannt: In der Satellitenkommunikation etwa sind es neue Mobilfunk- und Multimediadienste die von globalen Satellitennetzwerken angeboten werden und die einen wachsenden Informationsbedarf der Menschen befriedigen helfen. Als ein weiteres Beispiel geht es in der Erdbeobachtung aus den Weltraum um den Aufbau eines möglichst lückenlosen Systems von Beobachtungssatelliten, das Einzelprojekte mehrerer Länder koordiniert in sich vereinigt; das daraus letztendlich entstehende System soll präzise Daten über den Zustand und mutmaßlich schädliche Veränderungen unserer natürlichen Umwelt liefern, aber auch aktuell vor drohenden Katastrophen warnen können.

 

Daneben wird es eine zweite Entwicklungsrichtung geben, die geprägt sein wird durch eher revolutionäre, pionierhafte Durchbrüche. Diese werden als markante Meilensteine, als weithin sichtbare Fanale die Vorstellungskraft der Menschen beflügeln und die Idee vom Aufbruch ins All weitertragen. Als Ziele dieser primär nach außen, in unser Sonnensystem hinein gerichteten Bewegung kommen in Betracht: der Mond, der Mars, die Monde anderer Planeten sowie erdnahe Asteroiden (Kleinplaneten in Sonnenumlaufbahnen zwischen Mars und Jupiter). Über die Schritte im Einzelnen und über deren zeitliche Abfolge kann gegenwärtig noch spekuliert werden. Ob es beispielsweise vor einer bemannten Expedition zum Planeten Mars oder als Zwischenschritt auf dem Weg dorthin auf dem Erdmond einen ständig mit Menschen besetzten Außenposten geben wird, wie es manche Planer für zweckmäßig halten, ist gegenwärtig noch völlig offen.

 

Gänzlich neue Aufgaben erfordern in der Regel auch revolutionäre technische Lösungen, die sich — und das zeigt die bisherige Geschichte der Raumfahrt sehr deutlich — nur mit großen intellektuellen Anstrengungen, unter Einsatz erheblicher finanzieller Mittel und selbst dann nicht von heute auf morgen realisieren lassen. Sind solche innovativen Lösungen aber erst einmal gefunden, so können sie auch fruchtbar in Anwendungsbereiche, für die sie ursprünglich gar nicht gedacht waren, ausstrahlen und diese auf eine gänzlich neue Grundlage stellen — so könnten beispielsweise von den flugzeugähnlichen, voll wieder verwendbaren Raumtransportern der nächsten Generation entscheidende Impulse für eine Weltraumtourismusindustrie ausgehen.

 

In diesem Sinne sind die beiden skizzierten Entwicklungslinien nicht als Alternativen, sondern als sich gegenseitige ergänzende Perspektiven zu verstehen. Einige der Ideen und Projekte, die von Raumfahrtingenieuren und Wissenschaftlern heute lebhaft diskutiert werden, zum Teil schon in konkreteren Planungsstadien, sollen hier beispielhaft vorgestellt werden.

 

 Raumfahrt zum Nutzen des Planeten Erde und seiner Bewohner

 

Spätestens seit der Studie des »Club of Rome« über die Grenzen des Wachstums ist auch einer breiteren Öffentlichkeit bewusst, dass Rohstoffe und Energie auf der Erde zwar in enormen Mengen vorhanden, aber letztlich doch begrenzt sind. Um der nicht unmittelbar bevorstehenden, aber absehbaren Erschöpfung der Reserven zu begegnen, wurden Pläne entwickelt, den Weltraum in die Versorgung der Erde und der Menschheit mit Rohstoffen oder Energie einzubeziehen. Beispielhaft für diesen Ansatz sei hier die Überlegung behandelt, die Energieversorgung der Menschheit mit Sonnenenergiesatelliten zu sichern.

 

Energie aus dem All: Sonnenenergiesatelliten

 

Die Menschheit ist mit einem unausweichlichem Problem konfrontiert: In den kommenden Jahrzehnten wird es eine immer größere Zahl von Menschen geben, die immer mehr Energie verbrauchen wollen, denn die Nutzung von Energie ist grundlegend für das moderne Leben, dem wesentlich der hohe Lebensstandard und die fortgeschrittene Industrialisierung in großen Teilen der Welt zu verdanken ist.

 

Energie ist in der Natur zwar reichlich, im Prinzip sogar unbegrenzt vorhanden: gespeichert in verschieden Arten von fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas), als Sonnenlicht, als fließendes Wasser und als Wind.

 

Die Sonnenenergie ist ein Paradebeispiel für eine erneuerbare (regenerative) Form von Energie; sie ist (praktisch) unerschöpflich und steht für unbegrenzte Zeiträume zur Verfügung. Die Menge an Sonnenstrahlung, welche die Erde trifft, ist — in Relation zum Weltenergiebedarf gesetzt — enorm groß. Doch nur ein sehr kleiner Anteil davon ist heute zu vertretbaren Kosten in Form von Wärme nutzbar. Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom — ohne den Umweg über Wärmekraftmaschinen — ist schon seit etwa Mitte der Fünfzigerjahre im Prinzip bekannt. Heute sind Solarzellen aus dem Halbleiter Silicium zu einer verlässlichen Quelle elektrischer Energie für zahlreiche Anwendungen auch im täglichen Leben gereift. Man spricht von photovoltaischer (PV-)Stromerzeugung beziehungsweise Energiewandlung.

 

Insbesondere im Weltraum, wo Sonnenstrahlung ständig und ungefiltert durch die Erdatmosphäre zur Verfügung steht, haben sich Solarzellen und daraus aufgebaute »Solargeneratoren« als Energielieferanten für viele Arten von Raumfahrzeugen bewährt. Zwar sind die Kosten für die Herstellung von Solarzellen immer noch recht hoch — und dies ist zurzeit noch das wesentliche Hindernis für eine breitere Nutzung dieser Technik —, doch ihre Vorteile im Betrieb sind für viele Anwendungen einfach bestechend: Es gibt keine beweglichen Teile, die gewartet werden müssten, es entstehen weder Lärm noch schädliche Emissionen.

 

Satelliten im Weltall, die Sonnenenergie nicht nur für die Eigenversorgung produzieren, sondern die Erde damit beliefern könnten, wurden zuerst 1969 von dem Amerikaner Peter Glaser vorgeschlagen. Ein solcher Satellit hätte gegenüber terrestrischen Solarzellen den Vorteil, dass er unabhängig vom Tag-Nacht-Zyklus auf der Erde wäre und dass die Einstrahldichte, also der Energiefluss der Sonnenstrahlen außerhalb der Atmosphäre wesentlich höher ist als auf der Erdoberfläche.

 

Glasers Grundidee wurde in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben auf ihre Machbarkeit geprüft, verfeinert und modifiziert. Einer umfangreichen Untersuchung der NASA aus den Siebzigerjahren zufolge sollten Sonnenenergiesatelliten (»Solar Power Satellites«, SPS) riesige rechteckige Strukturen auf Erdumlaufbahnen sein. Ihre Oberflächen wären mit Feldern von Solarzellen bedeckt, welche die Sonnenstrahlung zunächst auf photovoltaischem Wege in elektrischen Strom umwandeln würden.

 

Wie aber brächte man den Strom zur Erde herunter? Leitungen aus Draht scheiden selbstverständlich aus! Glasers Idee war, den von den Solarzellen gelieferten elektrischen Gleichstrom in Hochfrequenzstrahlung umzuwandeln (damals dachte man an den Mikrowellenbereich, heute wird auch Laserstrahlung in Betracht gezogen). Diese könnte man in einem gebündelten Strahl durch die Atmosphäre hindurch zur Erdoberfläche senden. Dort würde die Strahlung mittels großflächiger Empfangsantennen in unbewohnten Gebieten aufgefangen, wieder in elektrischen Strom zurückgewandelt und in das terrestrische Stromverteilungsnetz eingespeist werden. Die Ausgangsleistung eines Satelliten (Abmessungen 2 × 10 × 0,5 Kilometer, Gewicht 50 000 Tonnen) wäre 8000 Megawatt; diese Leistung entspricht der von sechs bis acht Kohlegroßkraftwerken. Eine Erdempfangsstation mit etwa zehn Kilometern Durchmesser würde noch 5000 Megawatt liefern. Nach dem Gesamtkonzept würden 60 derartige Satelliten 300 Gigawatt an elektrischer Leistung erzeugen. Die Satelliten würden von Tausenden von im Weltraum arbeitenden Astronauten errichtet und gewartet werden. Der Transport in die geostationäre Umlaufbahn würde etwa 30 Jahre und eine große Flotte von wieder verwendbaren Schwerlastraumtransportern erfordern.

 

Dieses gewaltige Szenario mutet zunächst wenig praktikabel an — zu schwer lösbar in technischer, ökonomischer und ökologischer Hinsicht erscheinen die Transportprobleme, zu ungewiss der Nutzen der weltraumgestützten Solarkraftwerke im Vergleich mit terrestrischen Lösungen. Dass der Gedanke über 20 Jahre nach seiner Geburt heute erneut — mit zum Teil frischen Ideen und veränderten Zielrichtungen — diskutiert wird, hat dennoch seine Berechtigung: Er bietet eine Zukunftsoption (unter mehreren anderen) an, möglicherweise das Energieproblem der Menschheit zu lösen. Er sollte nicht vorschnell allein deshalb aufgegeben werden, weil die Schwierigkeiten einer Realisierung aus heutiger Sicht zu groß erscheinen. Vielleicht ist ja Solarenergie aus dem All die Rettung für den Fall, dass andere derzeit untersuchte Möglichkeiten oder bereits eingeschlagene Wege aus heute noch unbekannten Gründen scheitern sollten.

 

Weltraumtourismus

 

Bekanntermaßen sind Menschen bereit, große körperliche und seelische Mühen sowie finanzielle Belastungen auf sich zu nehmen, um außergewöhnliche Erfahrungen zu machen; die Wüsten-, Polar- und Himalajaexpeditionen im Repertoire der neueren Tourismusindustrie zeugen davon. Jüngeren Untersuchungen in einer Reihe westlicher Industriestaaten zufolge würde mehr als die Hälfte der Bevölkerung gerne Ausflüge in den Weltraum unternehmen, auch wenn sie drei Monatsgehälter kosten, und ein Zehntel der Befragten sagte, sie wären bereit, bis zu zwei persönliche Jahreseinkommen dafür zu bezahlen. Das Haupthindernis ist, dass keine geeigneten Transportmittel existieren. Diese sollten ähnlich sicher, bequem und vor allem preiswert wie heutige Flugzeuge ihre Passagiere befördern, Menschen ins All und zurück bringen können.

 

Ist damit der Tourismus in den Weltraum ein tot geborenes Kind? Der Vergleich mit der Luftfahrt könnte einen Weg weisen: In den 20er- und 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts steckte die zivile Luftfahrtindustrie, die heute jährlich mit 250 Milliarden US-Dollar beziffert wird, noch in den Kinderschuhen. Wagemutige Pioniere und Unternehmer wurden damals durch zahlreiche Wettbewerbe in Verbindung mit Geldpreisen motiviert, neue Flugrekorde zu setzen und das scheinbar Unmögliche zu wagen, so etwa Charles A. Lindbergh, der den mit 25 000 US-Dollar dotierten Orteig-Preis für den ersten Nonstopflug von New York nach Paris erringen konnte.

 

Am Beginn des Weltraumzeitalters war es der politisch motivierte Wettstreit zwischen der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten von Amerika, der die Raumfahrt so schnell und so weit vorangebracht hat. Um die Entwicklung des Weltraumtourismus in Geiste eines Wettbewerbs zu fördern, wurde jetzt der »X-Preis« ausgesetzt. Dieser Preis verspricht die Summe von 10 Millionen Dollar derjenigen privaten Gruppe, die den ersten kommerziellen, vollkommen wieder verwendbaren Raumtransporter baut, der Touristen an den Rand des Weltalls und sicher zurückbringt. Dies könnte ein erster konkreter Schritt sein zu einem — nach der Satellitenindustrie — weiteren florierenden Raumfahrtgeschäft, das sich in Ansätzen bereits zu entwickeln beginnt.

 

Wer heute einen Raumflug antreten möchte, dem bieten sich zwei Möglichkeiten: Entweder wird man Regierungsangestellter der USA, Russlands oder einer kleinen Zahl europäischer Länder und unterzieht sich der aufwendigen und anstrengenden Astronauten- beziehungsweise Kosmonautenausbildung. Oder man probiert, für 20 bis 30 Millionen Mark einen Flug zur Mir-Station bei der russischen Weltraumagentur RKA zu buchen — eine Chance, die bislang beispielsweise schon ein japanischer Journalist und eine britische Ernährungswissenschaftlerin ergriffen haben.

 

Eine dritte Möglichkeit erfordert etwas mehr Geduld: Man muss warten, bis touristische Touren in den Weltraum kommerziell angeboten werden. Die Idee ist schon älter: Bereits zu Anfang der Siebzigerjahre nahm die Fluggesellschaft Pan American Airways Vorausbuchungen für künftige kommerzielle Flüge zum Mond gegen Anzahlung entgegen. Mehr als 90 000 Menschen machten davon Gebrauch. Heute nimmt beispielsweise »Zeagrahm Space Voyages« in Seattle Buchungen für einen sechstägigen Ausflug ins All an — zum Preis von 98 000 US-Dollar.

 

Gefahr aus dem All

 

Reißerische Schlagzeilen wie »Kosmische Bomben bedrohen die Erde« zieren die bunten Seiten von Zeitungen immer wieder einmal — auch für zumeist seichte Unterhaltungsfilme ist dies ein beliebter Stoff. Gleichwohl ist die Gefahr existent und kann nicht ignoriert werden. Von den ständigen Einschlägen kosmischer Objekte zeugen zahlreiche Krater auf der ganzen Erde, die zum Teil noch heute gut zu erkennen sind, zum Beispiel Meteor Crater in der Wüste von Arizona. Auch die biologische Evolution auf unserem Planeten ist durch Einschläge kosmischer Objekte geprägt; man hält es für möglich, dass beispielsweise das Aussterben der Saurier vor 65 Millionen Jahren durch den Aufprall eines großen Körpers aus dem All und die nachfolgende Katastrope verursacht worden sein könnte.

 

Die auf die Erde hereinprasselnden kleineren Körper — große Sternschnuppen von der Größe eines Staubpartikels oder bis zu einige Tonnen schwere Meteorite — bilden keine Gefahr; sie treten mit Geschwindigkeiten von etlichen Kilometern pro Sekunde in die Atmosphäre ein und verglühen in der Regel, ohne Schaden anzurichten. Asteroiden mit einem Durchmesser von mehr als 100 Metern jedoch können die Erdoberfläche erreichen und bilden eine stete Gefahr für Menschen und prinzipiell sogar für die menschliche Zivilisation.

 

Als historisches Beispiel für einen Meteoriteneinschlag gilt das Tunguska-Ereignis am 30. Juni 1908, benannt nach dem Fluss Tunguska in Zentralsibirien. Es wurde durch einen Meteoriten mit einem geschätzten Durchmesser von etwa 60 Metern verursacht, der nach Eintritt in die Atmosphäre in acht Kilometern Höhe explodierte und dabei eine Energie freisetzte, die etwa der einer großen Wasserstoffbombe entsprach. Ein Gebiet von der Größe Berlins (circa 1200 Quadratkilometer) wurde total verwüstet. Der Statistik zufolge kann es alle 100 bis 300 Jahre zu einem derartigen Treffer kommen. Ein großer Asteroid mit einem Durchmesser von ein bis zwei Kilometern, dessen Einschlag weltweite Auswirkungen hätte, trifft statistisch einmal in 500 000 Jahren die Erde.

 

Was kann man tun? Zunächst gilt es, die Gefahr genauer zu erkennen und das Risiko einzuschätzen. Hier ist das Ziel, systematisch potenziell gefährliche Objekte zu suchen und zu katalogisieren, um in absehbarer Zeit die Population erdnaher Asteroiden fast vollständig aufzuspüren. Hierzu könnte sich sehr effektiv eine Kombination aus terrestrischen und weltraumgestützten Teleskopen eignen. Demgegenüber tritt die Frage, ob und wie man die Erde möglicherweise vor Einschlägen schützen könnte, indem die Objekte aus ihrer Bahn gelenkt oder zerstört werden, vorerst in den Hintergrund. Aber auch hier werden schon verschiedene Methoden unter den Wissenschaftlern diskutiert. Manche meinen, die Nuklearwaffen der Supermächte könnten hier letztendlich noch zum Wohle der Menschheit eingesetzt werden.

 

 Erkundung des Sonnensystems

 

Die Erforschung unseres Sonnensystems ist — in weitester Auslegung — schon uralt: Sie begann mit der Erkundung der Erde, die ja auch ein Planet unseres Sonnensystems ist. Vor knapp 500 Jahren, von 1519 bis 1522, umsegelte Fernando Magellan die Erde und bewies damit ihre Kugelgestalt.

 

Seither haben mit wissenschaftlichen Geräten ausgerüstete Raumflugkörper nahezu alle Planeten des Sonnensystems sondiert sowie Daten und Bilder über die Monde und die Ringsysteme der äußeren Planeten, über Kometen und Asteroiden geliefert. Bis auf Venus, die von einer dichten Atmosphäre umgeben ist, konnten die Oberflächen der erdähnlichen Planeten direkt beobachtet werden oder waren — wie im Fall von Erdmond, Venus und Mars — In-situ-Messungen zugänglich. Damit konnten die Körper des Sonnensystems geowissenschaftlichen Untersuchungen unterworfen werden, um Fragen ihrer Struktur, Entwicklung und Entstehung zu beantworten.

 

Trotz der Fortschritte der theoretischen Astrophysik und der vergleichenden Analyse vieler empirischer Fakten, die in den letzten 25 Jahren durch Weltraummissionen zusammengetragen wurden, gibt es aber noch kein theoretisches Modell, das die Entstehung und Entwicklung des Planetensystems und seiner einzelnen Objekte konsistent beschreibt. Das Wechselspiel von theoretischer Modellierung und empirischer Überprüfung durch Raumsonden wird auch in den nächsten zwei Jahrzehnten die wissenschaftliche Exploration des Sonnensystems bestimmen.

 

Die Bedeutung des Sonnensystems liegt vor allem darin, dass einer seiner Planeten, die Erde, Ursprungsort und Heimat der Menschen ist. Um die Erde besser kennen zu lernen und speziell ihre geologisch nicht rekonstruierbare Frühgeschichte zu verstehen, aber auch ihre zukünftige Entwicklung als Planet mit massiven anthropogenen Belastungen vorhersagen zu können, muss man die Entwicklungsgesetze der Planeten möglichst umfassend untersuchen: von der Struktur und Dynamik der Entwicklung des tiefsten Innern bis hin zu Atmosphäre und Magnetosphäre. Solches planetologische Wissen lässt sich nur gewinnen, indem man die Entwicklung möglichst vieler planetarischer Körper, ihrer Atmosphären und Magnetosphären vergleicht.

 

Darüber hinaus wird das Sonnensystem auf lange Sicht der einzige Teil des Kosmos sein, den der Mensch direkt an Ort und Stelle untersuchen kann. Damit liefert das Sonnensystem grundlegende Daten für die Astronomie. Die Erforschung des Sonnensystems durch Raumsonden bleibt daher in Zukunft eine wesentliche Grundlage zur Vertiefung unseres Wissens über die Erde, unsere planetare Umwelt und kosmische Umwelt in der Galaxis.

 

Schwerpunkte der zukünftigen Planetenforschung werden beispielsweise in der Planung der NASA auf lange Sicht in der weiteren Erforschung des Sonnensystems nach dem »Dreistufenplan«, der intensiven Erforschung des Planeten Erde im Rahmen einer vergleichenden Planetologie, der Errichtung einer Station auf dem Mond und einer bemannte Landung auf dem Mars, bestehen.

 

Technologie für Explorationen

 

Missionen zu den äußeren Planeten und noch weiter in den interstellaren Raum sind eine große technische Herausforderung. Besonders kritisch sind das Startgewicht der Sonde sowie ihre Energieversorgung (in Sonnenferne reichen auch große Paneele mit Solarzellen nicht aus) und die Telekommunikationseinrichtungen.

 

Um Masse, Energie und Volumen der planetaren Raumsonden zu reduzieren, wird die Mikrosystemtechnik (also die Kombination von Mikroelektronik, Mikrooptik, Sensorik und Mikromechanik) in Zukunft noch mehr genutzt werden. Auf diese Weise werden miniaturisierte, »feingliedrige« und mobile Roboter in Leichtbauweise gebaut werden, die »an Bord« über eine hohe Rechenkapazität (»Intelligenz«) verfügen müssen, da sie sich nur sehr eingeschränkt fernsteuern lassen. Solche Geräte werden sich für den Einsatz auf bemannten und unbemannten Orbitalsystemen sowie bei der Erkundung von planetaren Oberflächen und Atmosphären eignen.

 

Verkürzung der Reisezeit

 

Die technischen Mittel der Raumfahrt von morgen werden mit denen von heute nur noch wenig zu tun haben. Zurzeit bilden noch chemische Raketen das Rückgrat. Sie erzeugen zwar sehr hohe Schubkräfte, aber nur für kurze Zeit. Danach zieht der Raumflugkörper im Prinzip auf einer ballistischen Bahn antriebslos weiter. Er würde etwa 30 Jahre benötigen, um nur die Außengrenze des Sonnensystems zu erreichen. Weicht man von einer streng ballistischen Bahn ab, indem man Schwung durch nahe Vorbeiflüge bei am Weg liegenden Planeten holt (»Swing-by«), kann sich die Reisezeit zum Pluto auf sieben Jahre verkürzen. Aber der Flug zu den Planeten mit dieser Technik hat Nachteile: Starts sind nur in zeitlich sehr eng »Fenstern« möglich, und die Flugzeiten sind noch immer lang.

 

Chemische Antriebe sind für interstellare Raumflüge letztlich ungeeignet. Wie bei allen Raumsonden, die auf dem Rückstoßprinzip basieren, ist die Effektivität gering, und die erzielbare Reisegeschwindigkeit liegt bei gerade einem Hundertausendstel der Lichtgeschwindigkeit (circa drei Kilometer pro Sekunde); sie bleibt damit weit unter den Geschwindigkeiten, die den interstellaren Abständen angepasst sind. Weiterhin folgt aus der Raketengrundgleichung nur ein sehr ungünstiges Verhältnis von Nutzlast zu Masse (beim Spaceshuttle beträgt es gerade 1,4 Prozent).

 

Die Beschränkung der chemischen Antriebe hat zwei Ursachen: den geringen Energieinhalt chemischer Brennstoffe und die beschränkte Temperaturfestigkeit des Düsenmaterials. An der Umgehung dieser Engpässe und alternativen Antriebstechnologien wird, wie weiter vorne dargelegt, derzeit intensiv gearbeitet.

 

Das grundsätzliche Problem der raketengetriebenen Raumfahrt besteht darin, Treibstoffe mit einer möglichst hohen Energiedichte zu finden, die also mit möglichst wenig Masse einen möglichst hohen Energieinhalt aufweisen. Der Grund dafür ist, dass ein Raumfahrzeug seinen Treibstoff mitführen und daher einen Teil der Energie zu dessen Beschleunigung verwenden muss. (Das Wort »Treibstoff« soll hier nicht nur chemische Energieträger bezeichnen, sondern auch beispielsweise Atomkernbrennstoffe.)

 

Sieht man sich die Energiedichten der heute üblichen Energieträger an, so erkennt man schnell die Grenzen des Machbaren: Der Energieinhalt eines Treibstoffs besteht nicht nur aus dem Energieanteil, der bei der Verbrennung frei wird, sondern auch aus dem Anteil, der von der Einstein'schen Äquivalenz von Masse und Energie E = mc ² herrührt. Bildet man den Quotienten aus technisch genutztem Energiebetrag und der Gesamtenergie, so zeigt sich, welch verschwindend geringen Anteil an Energie im Treibstoff heutige Antriebe überhaupt ausnutzen.

 

Nur die Annihilation führt zu einer dem Einstein'schen Massenäquivalent entsprechenden Energie, die auch ausreichend wäre, ein Raumschiff auf annähernd Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Zur technischen Umsetzung ist das Zerstrahlen von Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, vorgeschlagen worden, ein anderer Ansatz sieht die gegenseitige Vernichtung von Protonen und Antiprotonen vor. Die bei der Vernichtung entstehende Gammastrahlung kann man zur Schuberzeugung benutzen. Von einer Realisierung sind beide Konzepte weit entfernt.

 

Die Erkundung des Mars

 

Der Mars steht im Zentrum der Aktivitäten mehrerer Weltraumorganisationen. Die NASA hat die feste Absicht, die günstigen Startbedingungen zum Mars, die nur alle 26 Monate vorliegen, jeweils durch die Entsendung mindestens einer, möglichst zweier Missionen zu nutzen. Die letzten erfolgreichen Missionen waren Pathfinder (1997) und Mars Global Surveyor (1998). Visionäres Fernziel ist die Durchführung einer bemannten Marsmission um das Jahr 2020 herum.

 

Die europäische Weltraumagentur ESA plant für 2003 den Start von Mars-Express, die unter anderem eine hochauflösende Stereokamera aus Deutschland und das Landegerät Beagle 2 an Bord haben wird.

 

Expeditionen zu anderen Planeten?

 

Unbemannte Sondierungen und die Wiederaufnahme bemannter Expeditionen (nach den wissenschaftlich und technisch erfolgreichen Apollomissionen zum Mond) etwa zum Mars schließen sich nicht aus, sondern sind sich ergänzende Wege bei der Erkundung des Sonnensystems.

 

Einerseits ist der Mensch als Forscher mit seinen intuitiven und kognitiven Fähigkeiten durch automatische Systeme und Roboter nicht umfassend zu ersetzen — im Weltraum ebenso wenig wie im irdischen Labor — andererseits strebt der Mensch nach Authentizität von Erfahrung. »Nichts kann uns auf die Gefühle und den klaren Blick vorbereiten, die die persönliche Anwesenheit vermitteln. Entscheidend für das menschliche Erleben ist: dabei zu sein.« — so formulierte es der Geologe und Apollo-17-Astronaut Harrison H. Schmitt.

 

Erkundung der Planeten mit unbemannten Raumsonden, das Sehen mit den eigenen Augen, Inspektion am Ort des Interesses und Erklärung der Beobachtungen im Licht der Theorie sind ergänzende Erfahrungen. Auch für die Exploration des Sonnensystems gilt: Wissenschaft wird von Menschen für Menschen gemacht.

 

Aber genau das ist das Problem: Bereits für Expeditionen innerhalb des Sonnensystems sind die Reisezeiten lang im Vergleich zur menschlichen Lebensspanne. Die Apolloflüge zum 384 000 Kilometer entfernten Mond dauerten zwar nur drei Tage. Ein Flug zum Mars entlang einer ballistischen Bahn erfordert aber bereits achteinhalb Monate. Nach der Ankunft auf dem Mars muss das Astronautenteam knapp 16 Monate warten, bis sich ein günstiges Startfenster für den Rückflug öffnet, der dann nochmals neun Monate dauert. Die gesamte Marsexpedition benötigt somit über zweieinhalb Jahre.

 

Schon die Hin- und Rückreise zum Pluto, dem entlegensten Planeten unseres Sonnensystems, würde entlang einer ballistischen Bahn 90 Jahre dauern — länger als ein Forscherleben.

 

Reise zur Grenze des Sonnensystems

 

Jenseits von Neptun und Pluto befinden sich Raumfahrzeuge auf Bahnen, die sie über die Grenze des Sonnensystems hinaus in den interstellaren Raum führen werden: Die Sonden Pioneer 10 und 11 (gestartet 1972 und 1973) sowie die beiden Voyager-Sonden (Start im August 1977).

 

Die Grenze des Sonnensystems, die Heliopause, liegt etwa 100 Astronomische Einheiten (eine Astronomische Einheit entspricht der mittleren Entfernung der Sonne zur Erde) von der Sonne entfernt. Dahinter beginnt der interstellare Raum. Er ist nicht völlig leer; die Zusammensetzung der dünnen interstellaren Materie spiegelt die Zusammensetzung unserer Galaxie vor Jahrmilliarden wider. Deshalb ist die Erkundung des interstellaren Raums wichtig, um unsere Vorstellungen über die chemische Entwicklung unseres Milchstraßensystems zu überprüfen. Der Erforschung harren auch die beiden Regionen des Sonnensystems, in denen die Kometen ihren Ursprung haben: der Kuiper-Gürtel jenseits der Bahn des Pluto und, schon beinahe im interstellaren Raum, die Oort'sche Wolke. Es gibt sogar die Chance, von bestimmten Orten des interstellaren Raums aus die Sonne als eine große Gravitationslinse einzusetzen, um mit der so erreichten Vergrößerung in die fernsten Bereiche des Universums zu blicken.

 

 Flug zu den Sternen

 

Auch wenn ein gezielter Flug zu den Sternen heute noch utopisch erscheint, hat die interstellare Raumfahrt schon begonnen. Die Raumsonden Voyager 1 und 2 sowie Pioneer 10 und 11 sind auf einem Kurs, der sie in den Raum jenseits des Sonnensystems führen wird. Mit ihrer momentanen Geschwindigkeit könnten sie Proxima Centauri, den nächsten Fixstern in einer Entfernung von 4,3 Lichtjahren, erst in knapp 20 000 Jahren erreichen. Ein Raumschiff mit zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit (= 10⁹ Kilometer pro Stunde) würde für die Reise immer noch gut 40 Jahre benötigen. Zum Vergleich: Das Licht braucht nur eine Sekunde bis zum Mond, acht Minuten bis zur Sonne und 4,3 Jahre bis zum nächsten Stern.

 

Es liegt auf der Hand, dass ein Raumschiff, das die ungeheuren Entfernungen zu den nächsten Sternen überwinden soll, eine Geschwindigkeit zu erreichen in der Lage sein müsste, die nahe bei der Lichtgeschwindigkeit liegt. Wenn dies gelänge, würden sich einerseits die Flugzeiten verkürzen, und andererseits würde sich der Alterungsprozess der Astronauten aufgrund des von der Relativitätstheorie vorhergesagten Effektes der Zeitdilatation verlangsamen, der folgenden Hintergrund hat: Eine bewegte Uhr geht langsamer als die Uhr eines Beobachters, der sich nicht bewegt. Die »Eigenzeit« der bewegten Uhr wird also gedehnt. Von merklicher Größe ist diese Zeitdilatation aber erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten; bei zwei Atomuhren etwa, deren eine mit einem Düsenflugzeug bewegt wurde, machte der Gangunterschied nur Bruchteile von Millisekunden aus. Anders ist es in der Raumfahrt: Wenn ein Raumschiff eine Beschleunigung aufrechterhalten könnte, die der Schwerebeschleunigung hier auf der Erde entspricht, könnte es wegen des Effektes der Zeitdehnung in weniger als 25 Jahren Bordzeit den Mittelpunkt unserer Galaxis, der 30 000 Lichtjahre entfernt ist, erreichen!

 

Wenn man aber annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen will, braucht man entweder eine sehr hohe Beschleunigung oder eine sehr lange Beschleunigungsdauer. Die dafür notwendigen Antriebstechnologien gibt es derzeit noch nicht. Einer Abschätzung zufolge müssten auch unter optimalen Bedingungen eines Nuklearantriebes für Reisen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit pro Gramm Nutzlast drei Megawatt aufgewendet werden. Um zehn Tonnen Nutzlast in zwei bis drei Jahren auf zwei Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu bringen, bräuchte man also 40 Millionen (Atom-)Kraftwerke mit je 15 Megawatt. Nur die Realisierung eines auf der Zerstrahlung von Materie und Antimaterie beruhenden Antriebs böte die (prinzipielle) Möglichkeit, ein Raumschiff auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen; ein solcher Antrieb ist aber nicht in Sicht.

 

Aufgrund der in der Natur unseres Universums liegenden »kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung« — keine Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit von rund 300 000 Kilometer pro Sekunde — wäre selbst bei Triebwerken mit 100 Prozent Wirkungsgrad die Fortbewegung materieller Raumsonden mit maximal 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit möglich.

 

Bei diesen hohen Geschwindigkeiten würde die Zeitdilatation merklich: Ein mit fast Lichtgeschwindigkeit reisender Astronaut könnte bei einem solchen Flug, der, von der Erde aus beobachtet, noch immer mehrere Jahrmillionen dauerte, dennoch eine andere Galaxie erreichen, weil er selbst dabei kaum altern und subjektiv auch nur wenige Jahre unterwegs gewesen wäre. Allerdings wäre ein Astronautenteam bei seiner Rückkehr etwa von der Andromeda-Galaxie zur Erde mit einem zerstörten Lebensraum konfrontiert. Selbst nach einer Reise nur bis an die Grenzen unserer eigenen Milchstraße kehrte der Astronaut auf eine Erde zurück, auf der er nur noch als historische Figur bekannt wäre. Oft spricht man dabei vom Zwillingsparadoxon, das jedoch einen anderen Hintergrund hat.

 

Die menschliche Weltraumfahrt wird daher auf lange absehbare Zeit auf das Sonnensystem beschränkt bleiben. Schon die Hin- und Rückreise zum Pluto würde entlang einer ballistischen Bahn 90 Jahre dauern. Eine Reise in den interstellaren Raum wäre eine Reise ohne Wiederkehr.

 

Denkbar wäre jedoch ein unbemannter interstellarer Flug. Doch auch hier treten — neben dem problematischen Antrieb einer Sonde — weitere Schwierigkeiten auf: Schon vor dem Erreichen der Grenze des Sonnensystems machen steigende Signallaufzeiten jede Fernsteuerung der Sonde unmöglich. Ein weiteres Problem besteht darin, vom Ziel der Reise aus über eine Distanz von Lichtjahren Forschungsdaten zur Erde zu senden. Laserstrahlen scheinen dafür das Mittel der Wahl zu sein. Sie lassen sich weitaus enger bündeln als Funkwellen. Somit erhöht sich bei gegebener Sendeleistung die Reichweite.

 

Umrundung des Kosmos

 

Albert Einstein formulierte 1917 das Modell eines statischen Kosmos, der endlich, aber begrenzungsfrei ist, so wie die Oberfläche einer Kugel endlich ist, aber keine Grenzen hat. Aus einigen Daten konnte Einstein auch den (Krümmungs-)Radius des Alls abschätzen: rund 10²⁴ Kilometer (zum Vergleich: Die Astronomische Einheit, die mittlere Entfernung von der Erde zur Sonne, beträgt 150 · 10⁶ Kilometer; dasselbe Größenverhältnis ergibt sich etwa beim Vergleich des Erdradius und einem Millionstel Millimeter). In einem solchen Kosmos wäre das Analogon zur Weltumsegelung des Fernando Magellan, die »Umfahrung« des gesamten Weltalls mit Rückkehr zur Erde, innerhalb eines Astronautenlebens möglich. Aufgrund der relativistischen Zeitdilatation in einem nahezu lichtschnellen Raumschiff würde der Astronaut nur 47 Jahre altern, wohingegen für die Erde und ihre Bewohner etwa 100 Milliarden Jahre vergangen wären.

 

Das Einstein'sche Modell trifft aber nicht zu: Der Weltraum ist nicht statisch, sondern er expandiert — und läuft sogar dem Licht davon. Die kosmische Magellan-Fahrt wird nicht stattfinden. Dennoch reisen wir schon jetzt durch den Weltraum: Mit einer Geschwindigkeit von 250 Kilometern pro Sekunde bewegt sich die Sonne mit den Planeten auf einer Kreisbahn im Abstand von rund 30 000 Lichtjahren um das galaktische Zentrum, und um die Sonne herum zieht unser Raumschiff seit Jahrmillionen seine Bahn: das Raumschiff Erde.

 

Prof. Dr. Hans-Joachim Blome; Dr. Jens Fromm

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Raumfahrt: Warum drängt der Mensch in den Weltraum?

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Raumfahrt: Visionen und Realitäten - Eine kurze Bilanz