Am 31. Oktober 1936 verbrannten sechs junge Tüftler, die den Spitznamen „Rocket Boys“ trugen, fast, als sie versuchten, die Schwerkraft der Erde zu überwinden. Die Gruppe hatte sich in einer Schlucht in den Ausläufern der kalifornischen San-Gabriel-Berge zusammengekauert, um ein kleines alkoholbetriebenes Düsentriebwerk zu testen. Sie wollten beweisen, dass Raketentriebwerke in den Weltraum vordringen können, und das zu einer Zeit, als solche Ideen weithin mit Spott bedacht wurden. Dieses Ziel wurde gestört, als eine Sauerstoffleitung Feuer fing und wild umherwirbelte und Flammen schlug.
Die Kühnheit der Rocket Boys erregte die Aufmerksamkeit des Aerodynamikers Theodore von Karman, der bereits mit zwei von ihnen am Caltech zusammenarbeitete. Nicht weit vom Ort ihres feurigen Missgeschicks errichtete er ein kleines Testgelände, auf dem die Rocket Boys ihre Experimente fortsetzten. Im Jahr 1943 wurde das Gelände zum Jet Propulsion Laboratory (JPL) und von Karman zu dessen erstem Direktor. Seitdem ist das JPL zu einem ausgedehnten NASA-Feldzentrum mit Tausenden von Angestellten herangewachsen, und doch ist es ihm gelungen, seine Gründungsmotivation beizubehalten: die Grenzen der Erforschung auszutesten, ohne Rücksicht auf Konventionen.
Im Laufe der Jahre konnten sie viele Erfolge verzeichnen. In den frühen 1970er Jahren bauten die JPL-Ingenieure Pioneer 10, das erste Raumschiff, das die Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem erreichte. Einige Jahre später folgten die Voyager 1 und 2, die schnellsten der vielen Objekte, die den interstellaren Raum anpeilen. Vom Beginn des Weltraumzeitalters bis zum Start der Voyager-Raumschiffe – eine Zeitspanne von nur zwei Jahrzehnten – haben die Raketenwissenschaftler die Fluggeschwindigkeit mehr als verdoppelt. Doch in den vergangenen Jahrzehnten ist den Voyagern nur eine weitere Raumsonde aus dem Sonnensystem gefolgt, und das auch nur mit einer so hohen Geschwindigkeit. Jetzt werden die Raketenbauer des JPL wieder unruhig und planen im Stillen den nächsten großen Sprung.
Das durchgängige Thema der neuen Bemühungen ist, dass das Sonnensystem nicht genug ist. Es ist an der Zeit, über die bekannten Planeten hinauszugehen und zu den Sternen aufzubrechen. John Brophy, ein Flugingenieur am JPL, entwickelt ein neuartiges Triebwerk, das die Raumfahrt um einen weiteren Faktor 10 beschleunigen könnte. Leon Alkalai, ein Missionsarchitekt am JPL, plant eine ferne Reise, die mit einem unwahrscheinlichen, Ikarus-ähnlichen Sturz zur Sonne beginnen würde. Und der JPL-Forscher Slava Turyshev hat die vielleicht verrückteste Idee von allen: ein Weltraumteleskop, das einen intimen Blick auf einen weit entfernten, erdähnlichen Planeten ermöglichen könnte – ohne tatsächlich dorthin zu fliegen.
Das sind alles weit hergeholte Pläne (laut Brophy nicht völlig verrückt), aber wenn auch nur einer davon Erfolg hat, werden die Auswirkungen enorm sein. Die Rocket Boys und ihresgleichen haben dazu beigetragen, dass der Mensch zu einer weltraumfahrenden Spezies wurde. Die derzeitige Generation am JPL könnte diejenige sein, die uns in den interstellaren Raum bringt.
Raketenreaktionen
Für Brophy kam die Inspiration von Breakthrough Starshot, einem extravagant kühnen Projekt, das 2016 von dem verstorbenen Stephen Hawking und dem russischen Milliardär Yuri Milner angekündigt wurde. Das ultimative Ziel des Projekts ist der Bau eines kilometerbreiten Laserarrays, das ein Miniatur-Raumschiff auf 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte, so dass es in nur zwei Jahrzehnten das Alpha-Centauri-Sternensystem (unseren nächsten stellaren Nachbarn) erreichen könnte.
Brophy war skeptisch, aber fasziniert. Ehrgeizige Bestrebungen sind für ihn nichts Neues. „JPL ermutigt die Leute, über den Tellerrand zu schauen, und meine verrückten Ideen werden mit der Zeit immer verrückter“, sagt er. Selbst nach diesen Maßstäben erschien ihm das Starshot-Konzept ein wenig zu weit von der technischen Realität entfernt. Aber er begann sich zu fragen, ob er dasselbe Konzept so verkleinern könnte, dass es zu unseren Lebzeiten tatsächlich realisierbar wäre.
Was Brophy besonders faszinierte, war die Idee, einen Laserstrahl im Stil von Starshot zu verwenden, um die „Raketengleichung“ zu lösen, die die Bewegung eines Raumfahrzeugs mit der Menge des mitgeführten Treibstoffs verknüpft. Die Raketengleichung konfrontiert jeden angehenden Weltraumforscher mit ihrer grausamen Logik. Wenn man schneller fliegen will, braucht man mehr Treibstoff, aber mehr Treibstoff bedeutet mehr Masse. Mehr Masse bedeutet, dass man noch mehr Treibstoff braucht, um das zusätzliche Gewicht zu transportieren. Dieser Treibstoff macht die ganze Sache noch schwerer, und so weiter. Aus diesem Grund brauchte man eine 1,4 Millionen Pfund schwere Rakete, um die 1.800 Pfund schweren Voyager-Sonden zu starten: Das Startgewicht bestand fast ausschließlich aus Treibstoff.
Seit seiner Zeit als Doktorand in den späten 1970er Jahren hat Brophy eine weitaus effizientere Art der Raketentechnik entwickelt, den so genannten Ionenantrieb. Ein Ionentriebwerk nutzt elektrische Energie, um positiv geladene Atome (Ionen genannt) mit hoher Geschwindigkeit aus einem Triebwerk zu schießen. Jedes einzelne Atom gibt nur einen winzigen Anstoß, aber zusammen können sie die Rakete auf eine viel höhere Geschwindigkeit bringen als eine herkömmliche chemische Rakete. Noch besser ist, dass die für den Betrieb des Ionentriebwerks benötigte Energie von Solarzellen stammen kann – es sind keine schweren Treibstofftanks oder Generatoren an Bord erforderlich. Indem der Ionenantrieb mehr Geschwindigkeit aus weniger Treibstoff herausholt, trägt er wesentlich dazu bei, die Gleichung der Rakete zu zähmen.
Aber Ionentriebwerke haben auch ihre Nachteile. Je weiter sie von der Sonne entfernt sind, desto begrenzter ist die Menge an Strom, die ihre Solarzellen erzeugen können. Man kann die Paneele riesig machen, aber dann kommt viel Gewicht hinzu, und die Raketengleichung macht einen wieder einen Strich durch die Rechnung. Und Ionentriebwerke haben einen so geringen Schub, dass sie den Boden nicht aus eigener Kraft verlassen können; im Weltraum brauchen sie dann sehr lange, um auf ihre rekordverdächtigen Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Brophy kennt diese Probleme gut: Er war an der Entwicklung des Ionentriebwerks an Bord der NASA-Raumsonde Dawn beteiligt, die gerade eine 11-jährige Mission zum Asteroiden Vesta und zum Zwergplaneten Ceres abgeschlossen hat. Trotz der gewaltigen Spannweite von 65 Fuß an Solarzellen ging Dawn in nur vier Tagen von Null auf 60.
Ion the Prize
Während Brophy über diese ausweglose Situation zwischen effizienten Triebwerken und unzureichender Solarenergie nachdachte, kam das Breakthrough Starshot-Konzept heraus, und es brachte die Zahnräder in seinem Kopf in Bewegung. Er fragte sich: Was wäre, wenn man die Sonne durch einen hochintensiven Laserstrahl ersetzen würde, der auf das Raumschiff gerichtet ist? Angetrieben durch den effizienteren Laser könnte das Ionentriebwerk viel härter arbeiten und gleichzeitig Gewicht sparen, da die Energiequelle nicht mit an Bord genommen werden müsste.
Zwei Jahre nach seiner Erleuchtung führt mich Brophy durch eine SUV-große Testkammer am JPL, wo er ein Hochleistungs-Ionentriebwerk auf Herz und Nieren prüft. Sein Prototyp verwendet Lithium-Ionen, die viel leichter sind als die von Dawn verwendeten Xenon-Ionen und daher weniger Energie benötigen, um höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Außerdem läuft er mit 6.000 Volt im Vergleich zu den 1.000 Volt von Dawn. „Die Leistung dieses Dings wäre sehr erstaunlich, wenn man den Laser hätte, um es zu betreiben“, sagt er.
Es gibt nur ein kleines Problem: Diesen Laser gibt es nicht. Obwohl er das Starshot-Konzept drastisch verkleinert hat, stellt sich Brophy immer noch ein weltraumgestütztes 100-Megawatt-Lasersystem vor, das 1.000-mal mehr Energie erzeugt als die Internationale Raumstation und genau auf ein sich schnell entfernendes Raumschiff gerichtet ist. „Wir sind nicht sicher, wie wir das machen sollen“, räumt er ein. Es wäre das bei weitem größte technische Projekt, das je außerhalb der Erde durchgeführt wurde. Einmal gebaut, könnte die Anlage jedoch immer wieder für verschiedene Missionen als universeller Raketenantrieb eingesetzt werden.
Als Beispiel beschreibt Brophy ein mit Lithium-Ionen betriebenes Raumfahrzeug mit 300 Fuß langen Flügeln aus Photovoltaik-Paneelen, die eine Version des von ihm am JPL entwickelten Antriebs in voller Größe antreiben. Der Laser würde die Paneele in Licht tauchen, das hundertmal heller ist als das der Sonne, und das Ionentriebwerk von hier bis zum Pluto, der etwa 4 Milliarden Meilen entfernt ist, in Betrieb halten. Das Raumschiff könnte dann mit seiner beträchtlichen Geschwindigkeit dahinrollen und jedes Jahr oder zwei weitere 4 Milliarden Meilen zurücklegen.
Bei diesem Tempo könnte ein Raumschiff schnell die dunklen Gebiete erforschen, aus denen Kometen kommen, oder zum noch unentdeckten Planeten 9 aufbrechen oder … fast überall in der näheren Umgebung des Sonnensystems hinfliegen.
„Es ist, als hätten wir diesen glänzenden neuen Hammer, und ich gehe herum und suche nach neuen Nägeln, die wir einschlagen können“, sagt Brophy verträumt. „Wir haben eine lange Liste von Missionen, die man machen könnte, wenn man schnell wäre.“
Brunnen des interstellaren Mediums
Nach Brophys genialer Ausgelassenheit ist es ein Schock, mit Alkalai zu sprechen, der in der Direktion für Technik und Wissenschaft des JPL für die Formulierung neuer Missionen zuständig ist. Er sitzt in seinem großen, gläsernen Büro und wirkt wie ein nüchterner Verwalter, aber auch er ist ein Mann mit einer forschenden Vision.
Wie Brophy glaubt auch Alkalai, dass die Leute von Breakthrough Starshot die richtige Vision haben, aber nicht genug Geduld. „Wir sind technologisch noch lange nicht da, wo wir sein müssen, um eine Mission zu einem anderen Stern zu planen“, sagt er. „Wir müssen also mit kleinen Schritten beginnen.“
Alkalai hat einen konkreten Schritt im Sinn. Wir können zwar noch keinen anderen Stern besuchen, aber wir können eine Sonde schicken, um das interstellare Medium zu untersuchen, das spärliche Gas und den Staub, der zwischen den Sternen fließt.
„Ich bin sehr daran interessiert, das Material außerhalb des Sonnensystems zu verstehen. Letztlich sind wir daraus entstanden. Das Leben ist aus diesen primordialen Staubwolken entstanden“, sagt Alkalai. „Wir wissen, dass es darin organisches Material gibt, aber welcher Art? In welcher Häufigkeit? Gibt es Wassermoleküle darin? Das zu verstehen, wäre enorm wichtig.“
Das interstellare Medium ist nach wie vor schlecht verstanden, weil wir es nicht in die Finger bekommen können: Ein ständiger Partikelstoß von der Sonne – der Sonnenwind – drückt es weit von der Erde weg. Wenn wir jedoch über den Einfluss der Sonne hinausgehen könnten, bis zu einer Entfernung von 20 Milliarden Meilen (etwa das 200-fache der Entfernung der Erde von der Sonne), könnten wir endlich zum ersten Mal unberührte Proben unserer Heimatgalaxie untersuchen.
Alkalai will Antworten, und er will die Ergebnisse aus erster Hand sehen. Er ist 60 Jahre alt und hat einen straffen Zeitplan – keine Zeit, um auf riesige Weltraumlaser zu warten. Stattdessen schlägt er eine einfachere, wenn auch noch unbewiesene Technologie vor, die so genannte solarthermische Rakete. Sie würde einen großen Vorrat an kaltem, flüssigem Wasserstoff mit sich führen, der irgendwie vor der Hitze der Sonne geschützt wäre, und einen schockierenden Sturzflug bis auf etwa 1 Million Meilen an die Sonnenoberfläche durchführen. Bei der größten Annäherung würde die Rakete die intensive Sonnenhitze hereinströmen lassen, vielleicht durch Abwerfen eines Schildes. Die Sonnenenergie würde den Wasserstoff schnell verdampfen lassen und ihn aus einer Raketendüse herausschießen. Durch den kombinierten Schub des entweichenden Wasserstoffs und die Unterstützung durch die Schwerkraft der Sonne würde das Schiff seine interstellare Reise mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 Meilen pro Sekunde antreten, schneller als jedes menschliche Objekt bisher – und es wird von da an nur noch schneller. Er hofft, in diesem Jahr mit der Erprobung von Elementen eines thermischen Raketensystems beginnen zu können und dann sein Konzept zu einer realistischen Mission weiterzuentwickeln, die im nächsten Jahrzehnt oder so starten könnte. Ein weiteres Jahrzehnt später würde sie das interstellare Medium erreichen. Eine solche Sonde könnte nicht nur unsere galaktische Umgebung erforschen, sondern auch untersuchen, wie die Sonne mit dem interstellaren Medium interagiert, die Struktur des Staubs im Sonnensystem studieren und auf dem Weg dorthin vielleicht einen fernen Zwergplaneten besuchen.
Es wäre eine Reise, sagt Alkalai, „wie wir sie noch nie gemacht haben.“
Catch A Glimpse
Solarthermische Raketen und Laser-Ionen-Triebwerke, so beeindruckend sie auch sein mögen, sind immer noch völlig unzureichend, um die gewaltige Kluft zwischen unserem Sonnensystem und Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne umkreisen – zu überwinden. Ganz im Sinne der Rocket Boys lässt sich Turyshev nicht von der Absurdität aufhalten. Er entwickelt einen raffinierten Ausweg: eine virtuelle Mission zu einem anderen Stern.
Turyshev erzählt mir, dass er ein Weltraumteleskop in eine Region schicken will, die als solare Gravitationslinse (SGL) bekannt ist. Das Gebiet beginnt in einer beängstigenden Entfernung von 50 Milliarden Kilometern, aber das ist immer noch Hunderte Male näher als unsere nächsten stellaren Nachbarn. Sobald man weit genug in die SGL hineingekommen ist, geschieht etwas Wunderbares. Wenn man in Richtung Sonne blickt, erscheint jedes Objekt, das sich direkt hinter der Sonne befindet, ausgestreckt, ringförmig und in enormer Vergrößerung. Dieser Ring ist das Ergebnis der starken Schwerkraft unseres Sterns, die den Raum wie eine Linse krümmt und das Licht des fernen Objekts verändert.
Wenn man sich im SGL richtig positioniert, könnte das Objekt, das hinter der Sonne vergrößert wird, ein interessanter Exoplanet sein. Ein im SGL schwebendes Weltraumteleskop, erklärt Turyshev, könnte dann herummanövrieren, verschiedene Teile des Lichtrings abtasten und die Schnipsel des gebogenen Lichts zu Megapixel-Schnappschüssen des fraglichen Planeten rekonstruieren.
Ich muss ihn hier unterbrechen. Hat er Megapixel gesagt, wie die Auflösung, die man auf seinem Fotohandy hat? Ja, er spricht wirklich von einem Bild mit 1.000 mal 1.000 Pixeln, das gut genug ist, um Details zu erkennen, die kleiner als 10 Meilen breit sind, auf einem Planeten, der bis zu 100 Lichtjahre (600 Billionen Meilen!) entfernt ist.
„Wir könnten unter die Wolken schauen und Kontinente sehen. Wir konnten Wettermuster und Topographie sehen, was sehr aufregend ist“, sagt Turyshev. Er erwähnt es nicht, aber das ist auch nicht nötig: Diese Art von Auflösung könnte auch Megastädte oder andere riesige künstliche Strukturen aufdecken, falls es sie gibt.
Angenommen, die Tüftler des JPL können die Transportprobleme lösen, um zum SGL zu gelangen, ist die Mission selbst ziemlich einfach, wenn auch eine enorme Herausforderung. Turyshev und seine Mitarbeiter (darunter Alkalai) müssen ein Weltraumteleskop in Hubble-Größe
oder eine Mini-Flotte kleinerer Teleskope entwickeln, die die 30-jährige Reise überstehen können. Sie müssen eine künstliche Intelligenz an Bord perfektionieren, die in der Lage ist, den Betrieb ohne Führung von zu Hause aus durchzuführen. Vor allem aber brauchen sie ein Ziel – einen Planeten, der so faszinierend ist, dass die Menschen bereit sind, Jahrzehnte und Milliarden von Dollar für seine Erforschung auszugeben. Das Weltraumteleskop TESS der NASA leistet derzeit einen Teil dieser Aufklärungsarbeit und sucht nach erdgroßen Welten in der Nähe von Sternen.
„Um Leben auf einem Exoplaneten zu sehen, müssen wir ihn letztendlich besuchen. Aber eine Gravitationslinsen-Mission ermöglicht es, potenzielle Ziele viele Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte, früher zu untersuchen“, sagt Turyshev fröhlich.
Eine Reise zum SGL würde uns über die kleinen Schritte von Alkalai hinaus auf den Weg zur interstellaren Erforschung bringen. Es ist ein weiteres kühnes Ziel, aber zumindest sind die Chancen, Feuer zu fangen, dieses Mal viel geringer.
Corey S. Powell, ein mitwirkender Redakteur von Discover, schreibt auch für den Out There Blog der Zeitschrift. Folgen Sie ihm auf Twitter: @coreyspowell. Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Printausgabe unter dem Titel „Boldly Go“
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