Seit Hunderten von Jahren widmen sich die Menschen der Erforschung der Geheimnisse des Universums. Um jedoch eine interstellare Navigation zu erreichen, werden die Energieanforderungen für Raumfahrzeuge strenger sein. Um zu Dutzenden Lichtjahren entfernten Sternen zu reisen, müssen wir viel Treibstoff mitführen, aber das würde das Raumschiff zu schwer machen.
Da es beim Mitführen von Treibstoff viele Hindernisse gibt, ist es möglich, mit leichtem Gepäck zu reisen und einfach auf Treibstoff zu verzichten? Es gibt jetzt die Möglichkeit, ein Raumschiff an einem riesigen reflektierenden Segel zu befestigen und es mit einem leistungsstarken Laser zum Leuchten zu bringen. Der Impuls der Photonen wird das Raumschiff auf einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Auf dem Träger kann die Lichtsegelmission innerhalb weniger Jahrzehnte Proxima Centauri (Proxima Centauri ist nach der Sonne der erdnächste Stern, etwa 4,2 Lichtjahre von uns entfernt) erreichen.
Was ist ein Lichtsegel? Ein Lichtsegel, auch Sonnensegel oder Photonensegel genannt, ist ein Antriebssystem für Raumfahrzeuge, das den Lichtdruck des Sonnenlichts als Antrieb nutzt. Lichtsegel nutzen den Lichtdruck des Sonnenlichts und nicht den durch Solarenergie erzeugten Strom.
Das Lichtsegel ist eine riesige Dünnfilmlinse mit einer Dicke von nur einem Zehntel eines menschlichen Haares. Es kann als Segel im Zeitalter der Entdeckungen verstanden werden. Das Lichtsegel erzeugt durch die Aufnahme von Sonnenlicht einen Lichtdruck und treibt so das Raumschiff dazu, sich zu bewegen und zu beschleunigen. Da der Strahlungsdruck des Sonnenlichts sehr gering ist, muss das Lichtsegel einen langen Beschleunigungsprozess durchlaufen. Sein Vorteil besteht jedoch darin, dass es überall dort eingesetzt werden kann, wo Sonnenlicht oder anderes Sternenlicht vorhanden ist, sodass es theoretisch langfristige interstellare Reisen durchführen kann.
Allerdings müssen noch die Probleme gelöst werden, ein ausreichend großes und leichtes Leichtsegel zu bauen und es vorwärts zu segeln. Derzeit befindet sich die Lichtsegeltechnologie noch im theoretischen Forschungsstadium und die technischen Herausforderungen sind enorm, da selbst die kleinsten Probleme über Jahrzehnte von Lichtjahren hinweg schwierig zu lösen sein können.
Bezüglich der Stabilität laserbetriebener Lichtsegel wurde in einem kürzlich erschienenen Artikel diskutiert, wie man das Lichtsegel auf dem Laserstrahl ausbalanciert. Während ein Laser direkt auf einen Stern oder dessen Standort Jahrzehnte später gerichtet werden kann, kann das Lichtsegel dem Strahl nur folgen, wenn es perfekt ausbalanciert ist. Wenn das Lichtsegel relativ zum Strahl leicht geneigt ist, gibt das reflektierte Laserlicht dem Lichtsegel einen leichten seitlichen Schub. Egal wie gering diese Abweichung ist, sie nimmt mit der Zeit zu, sodass die Flugbahn des Lichtsegels kontinuierlich vom Ziel abweicht. Wir können ein Lichtsegel nie perfekt ausrichten, deshalb brauchen wir eine Möglichkeit, kleine Abweichungen zu korrigieren.
Herkömmliche Raketen verwenden grundsätzlich interne Gyroskope, um die Rakete zu stabilisieren, und verwenden den Motor, um den Schub dynamisch anzupassen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Aber Gyroskopsysteme sind für interstellare Lichtsegel zu sperrig, und Anpassungen des Strahls würden Monate oder Jahre dauern, bis sie das Lichtsegel erreichen, was schnelle Änderungen unmöglich macht. Aber das Papier schlägt vor, einen Strahlungstrick namens Poynting zu verwenden. -Robertson-Effekt.
Der Poynting-Robertson-Effekt bezieht sich auf das Phänomen, dass Teilchen im interplanetaren Raum aufgrund der Wechselwirkung mit der Sonnenstrahlung zur Sonne gezogen werden und sich um die Sonne bewegen. Es wird durch die Absorption und Emission von Strahlung durch Partikel verursacht und wird daher auch als Lichtdruckeffekt bezeichnet, der dazu führt, dass Staubpartikel langsam auf einer spiralförmigen Umlaufbahn in die Sonne fallen. Die Intensität dieses Effekts ist proportional zur linearen Geschwindigkeit des Staubs um die Sonne und zur Intensität der Sonnenstrahlung.
Wie nutzen wir also den Poynting-Robertson-Effekt, um unseren Lichtsegeldetektor auf Kurs zu halten? Unter der Annahme, dass der Strahl eine einfache monochromatische ebene Welle ist (echte Laser sind komplexer), zeigen die Autoren, wie ein einfaches Zwei-Segel-System die Auswirkungen der Relativbewegung nutzen kann, um das Fahrzeug im Gleichgewicht zu halten. Wenn das Segel leicht vom Kurs abweicht, wird es durch die Rückstellkraft des Balkens aufgehoben. Dies beweist, dass das Konzept realisierbar ist. Mit der Zeit kommen aber auch relativistische Effekte ins Spiel. Frühere Forschungen haben den Doppler-Effekt der Relativbewegung berücksichtigt, aber diese Studie zeigt, dass auch eine relativistische Version der chromatischen Aberration eine Rolle spielt. Das gesamte Spektrum relativistischer Effekte muss bei tatsächlichen Entwürfen berücksichtigt werden, was komplexe Modellierungs- und optische Techniken erfordert. Lichtsegel scheinen also immer noch eine Möglichkeit zu sein, Sterne zu erreichen. Wir müssen nur aufpassen, dass wir die technischen Herausforderungen nicht unterschätzen.
