Neue photonische Vorrichtungen sollen bereit sein, den nächsten Sprung in der Weltraumforschung zu ermöglichen.

Neu ausgerichtete Energieantriebssysteme könnten die ersten interstellaren Missionen ermöglichen, bei denen kleine, robotische Raumfahrzeuge benachbarte Sonnensysteme erforschen, so der Experimentalkosmologe Philip Lubin. Diese und andere Fortschritte wird er auf dem Laserkongress der Optical Society (OSA), Light the Future Speaker Series, 4. bis 8. November in Boston, vorstellen.

Stellen Sie sich ein hauchdünnes Raumschiff vor, das mit Laserlicht angetrieben wird und in der Lage ist, Geschwindigkeiten von mehr als einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, die schnell genug sind, um innerhalb von 20 Jahren den nächsten Nachbarstern unseres Sonnensystems zu erreichen, oder etwas, das näher an der Heimat liegt, wie z.B. die Menschen innerhalb eines Monats zum Mars zu bringen. Durch den Einsatz von photonengesteuertem Antrieb sind die Forscher auf dem besten Weg, diese scheinbar unmögliche Science-Fiction-Leistung Wirklichkeit werden zu lassen, sagte Lubin, Professor für Physik an der University of California, Santa Barbara.

Die Forschungsergebnisse, die Lubin beschreiben wird, stammen aus den Starlight- und Breakthrough-Starshot-Programmen der NASA, die beide die Spitzenforschung in der Photonik unterstützen. Lubin ist Direktor des Starlight-Programms.

„Die Photonik, die Herstellung und Manipulation von Licht, ist bereits Teil unseres täglichen Lebens – vom Handy über den Computer bis hin zur LED-Glühbirne oder Glasfaser, die Ihre Daten überall hin transportiert – auch wenn Sie sie vielleicht nicht sehen“, sagt Lubin. „Man kann auf praktische Beispiele der Photonik im Alltag verweisen und es scheint nichts mit dem interstellaren Flug zu tun zu haben, aber in der Tat, weil es synergistisch mit der Technologie ist, die man braucht, um den interstellaren Flug zu erreichen.“

Eine der größten Herausforderungen bei der Validierung dieses photonischen Konzepts in Bezug auf den Antrieb ist die Demonstration der Laserleistung, die erforderlich ist, um das vorgeschlagene/hypothetische Raumfahrzeug zu beschleunigen, so Lubin.

Synthetisierte Optik für gerichtete Energieantriebssysteme

Große gerichtete Energiesysteme werden nicht mit einem einzigen gigantischen Laser gebaut, sondern setzen auf die Strahlkombination, bei der viele sehr bescheidene Leistungsverstärker zum Einsatz kommen.

„Unser System nutzt eine etablierte Typologie namens Master Oscillator Power Amplifier‘ Design“, sagt Lubin. „Es ist ein verteiltes System, so dass jeder Laserverstärker-Baustein zwischen 10 und 1000 Watt liegt.“ Du kannst es in der Hand halten. Anstatt einen gigantischen Laser zu bauen, kombiniert man viele kleine Laserverstärker, die zusammen ein extrem leistungsfähiges und revolutionäres System bilden.“

Lubin schlägt eine Analogie zu Supercomputern vor, die aus einer großen Anzahl von zentralen Verarbeitungseinheiten (CPUs) bestehen. „Durch die kohärente Kombination von Milliarden von Low-Poser-Laserleistungsverstärkern – ähnlich der gleichen Leistung einer typischen modernen Haushalts-LED – haben Sie plötzlich dieses erstaunlich leistungsfähige, gerichtete Energiesystem“, sagte er.

Interstellare Sonden, die über Laserlicht mit Strom versorgt werden.

Gezielte Energiesysteme können in nicht allzu ferner Zukunft interstellare Sonden als Teil der menschlichen Erforschung ermöglichen, und sie sind das Herzstück des NASA Starlight-Programms und der Breakthrough Starshot Initiative, um die ersten interstellaren Missionen der Menschheit zu ermöglichen. Die gleiche Kerntechnologie hat viele andere Anwendungen, wie z.B. schnelle interplanetare Reisen für Missionen mit hoher Masse, einschließlich solcher, die Menschen transportieren; planetare Verteidigung; und die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI).

„Unser Hauptaugenmerk liegt derzeit auf sehr kleinen robotischen Raumfahrzeugen. Sie werden keine Menschen an Bord tragen – es ist nicht das Ziel für den interstellaren Teil unseres Programms“, sagte Lubin. „Wenn die Menschheit andere Welten außerhalb unseres Sonnensystems erforschen will, gibt es keine anderen physikalisch erhältlichen Antriebsmöglichkeiten dafür – mit zwei Ausnahmen.

„Eine Möglichkeit wäre, wenn wir einen technologischen Ansatz beherrschen könnten, der als Antimaterie-Vernichtungsmotoren bekannt ist, d.h. theoretische Antriebssysteme, die Schub erzeugen, basierend auf Energie, die durch Wechselwirkungen auf der Ebene subatomarer Partikel freigesetzt wird. Aber wir haben derzeit keine Möglichkeit, das zu tun“, sagte Lubin, „und es beinhaltet eine Reihe von Komplexitäten, die wir nicht haben, einen aktuellen Weg zur Lösung.

„Die andere Option ist gerichtete Energie oder photonischer Antrieb, auf die wir uns konzentrieren, weil es machbar erscheint“, sagte Lubin. In einer Variante ist der gerichtete Energieantrieb ähnlich wie die Nutzung der Wasserkraft aus einem Gartenschlauch, um einen Ball nach vorne zu drücken. Kleinstmögliche interstellare Raumfahrzeuge (typischerweise weniger als ein Kilogramm und einige, die Raumfahrzeuge auf einem Wafer sind) können über Laserlicht angetrieben und gesteuert werden, sagte er.

„Miniaturisierung von Raumfahrzeugen ist nicht für alle von uns betrachteten Missionsszenarien erforderlich, aber je geringer die Masse des Raumfahrzeugs, desto schneller können Sie fahren“, sagte Lubin. „Dieses System skaliert auf andere Weise als der normale Massenausstoßantrieb.“

Bisher basieren alle von der Erde abgefeuerten Raketen auf chemischen Antriebssystemen, deren Grundkonstruktionen auf den Zweiten Weltkrieg zurückgehen. Sie sind kaum in der Lage, es von der Erdoberfläche bis in die Umlaufbahn zu schaffen. Eine größere Rakete zu bauen, bringt sie nicht schneller voran, sondern ermöglicht es der Rakete nur, mehr Masse zu transportieren. Der photonische Antrieb funktioniert anders, denn je weniger dicht die Nutzlast, desto schneller geht es. Also willst du die Masse senken, um schneller zu werden.

Wie beim Fahren in einem Regensturm – im Weltraum.

Eine große Herausforderung für relativistische Raumfahrzeuge ist die Strahlungshärtung, denn „wenn wir beginnen, Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, sind die Partikel im interstellaren Raum, insbesondere die Protonen, die Sie in die Staubkörner pflügen – die primäre Strahlungsquelle“, sagt Lubin. „Der Raum ist nicht leer, er hat etwa ein Proton und ein Elektron pro Kubikzentimeter, sowie eine Zertrümmerung von Helium und anderen Atomen.“

Das Einschlagen in diese Partikel kann bei hohen Geschwindigkeiten von Bedeutung sein, da sie zwar innerhalb ihres eigenen Bezugsrahmens langsam fahren, für ein schnell laufendes Raumschiff aber für Hochgeschwindigkeitsaufpralle sorgen.

„Wenn man sie trifft, ist es, als würde man in einem Regensturm fahren. Selbst wenn der Regen direkt vom Himmel fällt, wird Ihre Windschutzscheibe verputzt, weil Sie schnell fahren – und das ist für uns ein ziemlich ernster Effekt“, sagte Lubin. „Wir erhalten enorme Strahlungsbelastungen an der Vorderkante, da die Vorderseite gerade noch absolut geschlagen wird, während der Rest des Raumfahrzeugs, der nicht die Vorderkante ist und in verschiedene Richtungen zeigt, überhaupt nicht stark getroffen wird. Es ist ein interessantes und einzigartiges Problem, und wir arbeiten daran, was passiert, wenn man sie durchpflügt.“

In Bezug auf den Zeitrahmen für die Umsetzung der Technologie des gerichteten Energieantriebs „Wir produzieren Labordemos für jeden Teil des Systems“, sagte Lubin. „Die volle Leistungsfähigkeit ist mehr als 20 Jahre entfernt, obwohl Demonstrationsmissionen innerhalb eines Jahrzehnts möglich sind.“

Schnell zum Mars kommen

Die gleiche Kerntechnologie der Photonik im NASA Starlight-Programm ermöglicht auch extrem schnelle interplanetare Missionen, einschließlich Missionen zum Mars, die Menschen in nur einem Monat Reisen transportieren könnten. Dies würde die Gefahren für den Menschen auf dem langen Weg zum roten Planeten drastisch reduzieren und wird derzeit als eine Option untersucht.

Billionen Planetenvermessung

Die Fortschritte der Photonik bedeuten auch, dass wir jetzt ein Licht auf die außerirdische Intelligenz im Universum werfen können, wenn wir gefunden werden wollen – falls es ein anderes intelligentes Leben gibt, das auch die Antwort auf die Frage wissen will: „Sind wir allein“?

Lubins Schüler erforschen dieses Konzept in ihrem Experiment „Trillion Planet Survey“. Dieses Experiment durchsucht nun aktiv die nahegelegene Galaxie Andromeda, die etwa eine Billion Planeten hat, und andere Galaxien sowie unsere nach Lichtsignalen.

Durch die Kombination von Lubins Forschung mit dem Experiment seiner Schüler gibt es Möglichkeiten, das Leben zu signalisieren. Wenn der technologische Fortschritt die Demonstration von Lasern ermöglicht, die stark genug sind, um die winzigen Raumschiffe anzutreiben, könnten diese Laser auch verwendet werden, um ein Leuchtfeuer in Richtung der Andromeda-Galaxie zu leuchten, in der Hoffnung, dass jede Lebensform dort diese Lichtquelle an ihrem Himmel entdecken und erkennen könnte.

Der umgekehrte Fall ist interessanter. Vielleicht existiert eine andere Zivilisation mit ähnlichen Fähigkeiten wie das, was wir jetzt in der Photonik entwickeln. Sie können erkennen, wie wir es tun, dass die Photonik ein äußerst effizientes Mittel ist, um über große Entfernungen weit außerhalb unserer Galaxie entdeckt zu werden. Wenn es eine außerirdische Zivilisation gibt, die ihre Präsenz über optische Strahlen ausstrahlt, wie sie für den photonischen Antrieb vorgeschlagen werden, sind sie Kandidaten für eine groß angelegte optische Untersuchung wie die Trillion Planet Survey des Lubin-Teams.

„Wenn die Übertragungswellenlänge eines außerirdischen Strahls nachweisbar ist und lange genug eingeschaltet war, sollten wir in der Lage sein, das Signal von einer Quelle irgendwo in unserer Galaxie oder von nahegelegenen Galaxien mit relativ kleinen Teleskopen auf der Erde zu erfassen, auch wenn keine der beiden Parteien weiß, dass die andere existiert und nicht weiß, wohin sie zeigen sollen“, sagte Lubin. Dieses „blindblinde“ Szenario ist der Schlüssel zur „Suche nach gerichteter Intelligenz“, wie Lubin diese Strategie nennt.

Planetare Verteidigung

Eine der vielleicht faszinierendsten Anwendungen für Photonen – die dem Heim näher kommen – ist es, sie anzuzapfen, um die Erde vor äußeren Bedrohungen wie Treffern von Asteroiden und Kometen zu schützen.

Das gleiche System, das die Forscher für den Antrieb zu entwickeln beginnen, kann für die planetarische Verteidigung verwendet werden, indem der Strahl auf den Asteroiden oder Kometen gerichtet wird. Dies führt zu einer Beschädigung der Oberfläche, und da Teile der Oberfläche während der Reaktion mit dem Laserlicht ausgestoßen werden, würde der Impuls den Schmutz in eine Richtung und den Asteroiden oder Kometen in die entgegengesetzte Richtung drücken. So, nach und nach, wird es die Bedrohung ablenken, sagte Lubin.

„Die langfristigen Auswirkungen auf die Menschheit sind sehr wichtig“, fügte er hinzu. „Die meisten Asteroidenbedrohungen sind zwar keine existenziellen Bedrohungen, aber sie können sehr gefährlich sein, wie wir es 2013 in Tscheljabinsk, Russland, und 1908 in Tunguska, Russland, gesehen haben. Leider fehlte den Dinosauriern die Photonik, um ihr Ableben zu verhindern. Vielleicht sind wir klüger.“

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