TEIL C

Weltraum-Sonnensegel (4)

In einer Studie von David Kirtley und John Slough aus dem Jahr 2012 wird ein Konzept mit der Bezeichnung Plasma MagnetoShell vorgeschlagen, bei dem die Ionosphäre eines Planeten mit Hilfe der Plasmamagnettechnologie in einen Bremsmechanismus umgewandelt werden sollte.

In Simulationen, die bis 2021 durchgeführt werden, wird die Technologie für Missionen zum Mars, Jupiter, Neptun und Uranus bewertet, wobei sich herausstellt, daß eine Spule mit mehreren Windungen vielversprechender war als das Plasmamagnetdesign.

Ein späterer Artikel von Slough mit dem Titel ,Plasma MagnetoShells (PMS) for Orbit Insertion on Deep-Space Planetary Missions’, der während der IEEE Aerospace Conference im März 2023 vorgelegt wird, ist im Netz abrufbar.

Eine weitere Technologie, die der bereits erwähnte Robert L. Forward erstmals im Jahr 1985 vorgeschlagen hat, trägt den Namen Starwisp, sein Artikel den Titel ,Starwisp - An Ultra-Light Interstellar Probe’. Hierbei wird ein winziges interstellares Raumflugzeug, eben das Starwisp, von Mikrowellen angetrieben, die von einem solarbetriebenen Satelliten in der Erdumlaufbahn ausgesendet werden. Das Hauptmerkmal der Starwisp-Sonde ist ihre niedrige Masse. In den Berechnungen von Landis hat das Netz eine Dichte von nur 100 kg/km², besitzt eine Gesamtmasse von 1 kg plus eine Nutzlast von 80 g. Dafür weist die Sonde eine extrem hohe Beschleunigung von 24 m/s auf.

Das Raumflugzeug würde hauptsächlich aus einem mit Mikroschaltkreisen belegten Netzsegel mit 1 km Durchmesser bestehen, das die Mikrowellenstrahlung einfängt und in Vortrieb umsetzt. Die Strahlleistung würde bis zu 100 GW betragen und das Raumfahrzeug 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen lassen. Hierbei würde wiederum eine Fresnel-Zone zur Bündelung der Mikrowellenstrahlen genutzt.

Ebenfalls für interstellare Reisen angedacht ist der Einsatz eines großen Laser-Arrays von beispielsweise 1.000 km Durchmesser, das wie die Starwisp-Mikrowellensender in einer engen Umlaufbahn um die Sonne plaziert ist, um dort die benötigte Energie für den Betrieb zu bekommen. Je nachdem, wie weit das Ziel entfernt ist, soll die Leistung des Laser-Arrays bis zu 43.000 TW betragen. Zum Vergleich: Der Gesamtenergieverbrauch der Erde beträgt gegenwärtig etwa 1 TW.

Wie groß das entsprechende Segel sein müßte, hängt alleine vom Reiseziel ab. Für eine Reise zum nächsten Stern, Proxima Centauri, in einer Entfernung von etwa 4,3 Lichtjahren, würde ein Segel von etwa 117 km Durchmesser benötigt werden. Für eine Mission zu den äußeren Bereichen der Anwendbarkeit von Lichtsegel-Systemen, also rund 40 Lichtjahre, wäre ein Segel mit 936 km Durchmesser erforderlich. Beide Zahlen gehen von einer 1.000-Tonnen-Nutzlast aus.

Und auch diese Technologie schlägt sich in der Science-Fiction nieder. In dem Roman The Annals of the Heechee von Frederik Pohl (1987) werden Starwisps erwähnt, die von einer schon lange toten Rasse von Aliens im Weltraum hinterlassen worden sind, in der Story Fade to Black von Robert Forward (1990) wird der Strahl von einem Solarenergiesatelliten verwendet, um eine Starwisp-Sonde anzuschieben, und der Roman Queen of Angels von Greg Bear aus dem gleichen Jahr beinhaltet eine Starwisp-Sonde, die Videos von einem Planeten zurücksendet, der besetzt werden könnte.

Eine besonders schöne Beschreibung findet sich in dem SF-Roman Saturn’s Children von Charles Stross (2008, dt.: Die Kinder des Saturn, 2009):

„M2P2 steht in der Raumfahrt für das neue Antriebskonzept ‚Mini-Magnetospheric-Plasma-Propulsion’ – einer Variante des Sonnenwindseglers, die derzeit entwickelt wird. Beim M2P2-Antrieb erzeugen die Raumsonden eine eigene Magnetosphäre, die im Sonnenwind wie ein Segel wirkt. Ein Elektromagnet erzeugt dabei ein ähnliches Magnetfeld wie das Erdmagnetfeld, in das dann ionisiertes Helium injiziert wird. So entsteht eine magnetische Blase im Sonnenwind, der die Sonde aus dem Sonnensystem herauskatapultiert.“

Stross erwähnt die Technologie zudem in seinem 2005 erschienenen SF Accelerando, wo ein Starwisp-Antriebssystem eine kleine Nutzlast zu einem hypothetischen braunen Zwergstern in drei Lichtjahren Entfernung treibt. Zudem werden Starwisps als kinetische Raketen gegen Kampfraumschiffe eingesetzt. Und auch in der Serie The Corporation Wars von Ken Macleod (2016) taucht eine Starwisp-Sonde auf, die eine Nutzlast aus AIs, aufgezeichneten menschlichen Persönlichkeiten und anderer Software zu einem Hunderte von Lichtjahren entfernten System trägt.

Im Februar 2013 wird ein Projekt der Professoren Philip M. Lubin von der University of California, Santa Barbara (UCSB) und Gary B. Hughes von der California Polytechnic State University (Cal Poly) bekannt, bei dem die Forscher ein massives System vorschlagen, um die Erde mit einem leistungsfähigen Solar-Laser vor gefährlichen Meteoren und Asteroiden zu schützen, indem diese innerhalb einer Stunde zerstört werden.

Unter dem Namen DE-STAR (Directed Energy Solar Targeting of Asteroids and exploRation) soll ein im Wesentlichen auf aktuellen Technologien basierendes System entwickelt werden, bei dem ein großes, durch Sonnenenergie aufgeladenes Netzwerk aus Lasern rund um die Erde die potentiell bedrohlichen Gesteinsbrocken so stark erhitzt, bis diese zerplatzen oder verdampfen.

Das System wäre ebenso in der Lage, die Umlaufbahn von Asteroiden zu ändern – sie von der Erde weg oder in die Sonne zu lenken –, oder als Instrument zur Bestimmung der Zusammensetzung von Asteroiden genutzt zu werden, um die Chancen für einen Bergbau zu bewerten. Ein DE-STAR-1 wäre ein quadratisches Array mit 10 m pro Seite und ungefähr so stark wie Lockheeds neuester Laser (s.u. Elektrofluggeräte 2015), während am anderen Ende der Skala ein DE-STAR-4 steht, ein 70 GW Array, das eine Fläche von 100 km² abdecken würde.

Im April 2015 veröffentlicht Lubin dann seinen Aufsatz ,A Roadmap to Interstellar Flight’, in welchem er vorschlägt, einen leistungsstarken Laserstrahl auf das Segel eines Fluggeräts zu richten, um dieses voranzutreiben. Der Antrieb per Laser sei zwar nicht leicht umzusetzen, ist technologisch aber durchaus machbar. Im Vergleich zu konventionellen Sonnensegeln, die alleine vom Rückstoß der von der Sonne ausgesandten Photonen beschleunigt werden, kann der wesentlich energiereichere Laserstrahl auch deutlich mehr Schub erzeugen.

Gemeinsam mit Kollegen der Experimental Cosmology Group an der UCSB hatte Lubin neue Antriebstechnologien analysiert und ist zu dem Schluß gekommen, daß sich mit der Laser-Methode des Space Sailing eine unbemannte, sehr leichte Sonde von der Größe eines Wafers, die mit einem 90 cm durchmessenden Segel ausgestattet ist, auf etwa ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen läßt (~ 75.000 km/s). Zum nächstgelegenen Sternensystem Alpha Centauri, das etwa 4,34 bis 4,37 Lichtjahre entfernt ist, bräuchte die Sonde somit rund 20 Jahre.

Aber auch mit großen bemannten Raumschiffen sollen den Kalkulationen zufolge immerhin noch Geschwindigkeiten von 1.000 km/s möglich sein, womit ein Flug bis zum Mars nur noch einen Monat dauern würde. Die Laser, welche das Raumschiff permanent anschieben, würden um die Erde kreisen und ihre Strahlen auf das mit einem riesigen Segel bestückte Gefährt richten, das sich bereits im Weltall befindet. Ein Vorteil der Technologie ist, daß das ,Antriebssystem’ nahe der Erde bleibt und nicht im Raumschiff steckt – denn dies verringert den Energiebedarf, weil deutlich weniger Masse beschleunigt werden muß.

Das größte Problem bildet vermutlich der gigantische Energiebedarf der Laser. Solange es nur um wenige Gramm schwere, unbemannte Sonden geht, würde laut Lubins Kalkulationen ein DE-STAR 4 Laser mit 50 - 70 GW ausreichen. Derart energieintensive Laserstrahlen könnten diese binnen zehn Minuten auf rund 26 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, worauf die Sonde anschließend ohne weiteren Antrieb ungebremst durchs All rast – und schon nach 30 Minuten am Mars vorbeizieht, falls sie in dieser Richtung unterwegs ist. Ein schon wesentlich schwerer CubeSat würde aber auch nur acht Stunden benötigen, um den Roten Planeten zu erreichen.

Lubins Projekt DEEP IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) wird im Mai 2015 vom NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) mit rund 100.000 $ gefördert.

Ein weiteres, noch ungelöstes Problem wird allerdings bei Alpha Centauri auftreten, denn für eine genaue Untersuchung muß die Sonde ja abbremsen. Bei einer entsprechenden Nachfrage durch die Technik-Seite Inhabitat im Februar 2016 nennt Lubin die Möglichkeit eines Ionen-Motors, der von dem Hauptlaser im Erdorbit versorgt wird, da eine chemische Variante eine Menge Treibstoff erfordern würde.

Eine andere Möglichkeit sei, die Sonde mit einem ausfaltbaren Spiegel zu bestücken, der das Laserlicht von der Erde zurückstrahlt, ähnlich wie die Schubumkehr der Triebwerke bei einem Jet nach der Landung. Ich muß allerdings gestehen, daß ich diese Methode logisch nicht nachvollziehen kann. Ohne Bremsung würde die Sache auf eine Fly-by-Mission hinauslaufen, also auf einen ungebremsten Vorbeiflug mit einem nur sehr kurzen Fenster für Fotos.

Eine weitere Option für den Einsatz des DE-STAR Systems ist, einen anderen Laser in der Umlaufbahn um ein gewünschtes Ziel zu bauen, wie z.B. den Mars, um dann mit Raumfahrzeugen Ping-Pong zu spielen. Zuallererst müssen die Physiker aber Geldgeber finden, um ihr futuristisches Antriebskonzept erst einmal praktisch untersuchen zu können. Nach den bisherigen Laborexperimenten, über deren Natur aber nichts zu erfahren ist, soll zunächst eine Klasse 0 DE-STAR (1 m, 1 kW) gebaut werden, gefolgt von einem Klasse 1 System (10 m, 100 kW) in den nächsten fünf Jahren.

Nachdem die NASA im Jahr 2018 um Vorschläge für deutlich schnellere Flüge zum Mars gebeten hatte, als die gegenwärtig angesetzten sechs bis neun Monate, wird eine zweite Umsetzungsform unter dem Namen Laser-thermischer Antrieb bekannt, die von einem Team um Emmanuel Duplay von der McGill University im kanadischen Montreal im Dezember 2021 in der Studie ,Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion’ beschrieben wird.

Diese Antriebsmethode, mit der ein nur 45-tägiger Transit zum Mars möglich wird, erfordert allerdings einen gigantischen, beweglichen Laser mit einem Durchmesser von 10 m und einer Leistung von 100 MW, der auf das Antriebssystem im All ausgerichtet werden muß.

Dessen großer, aufblasbarer Spiegel, der an dem Raumschiff befestigt ist, das zum Mars reisen soll, würde das Laserlicht so umlenken und in Richtung der Treibstoffkammer bündeln, daß es den mitgeführten Wasserstoff erhitzt, der durch eine Düse ausgestoßen das Raumschiff mit fast 60.000 km/h voran katapultiert. Schwierig wäre aber das Abbremsen am Ziel, wo kein solcher Laser existiert, weshalb nur ein Bremsmanöver in der dünnen Atmosphäre des Mars selbst infrage käme. Nach Erreichen des Ziels        würde der Spiegel abgekoppelt und mit der gleichen Methode zurück Richtung Erde gebracht werden.

Im April 2016 überschlägt sich die Presse mit Meldungen über ein neu vorgestelltes Projekt mit dem Namen Breakthrough Starshot Initiative, das der russische Milliardär Jurij Milner ins Leben ruft – und dabei öffentlichkeitswirksam den Physiker Stephen Hawking aufs Podium rollt.

Das kühne Ziel der Initiative ist, innerhalb des nächsten halben Jahrhunderts ein Raumschiff zu einem benachbarten Stern außerhalb unseres Sonnensystems zu schicken. Die wissenschaftliche Federführung des Lichtssegler-Teilprojekts übernimmt das California Institute of Technology (Caltech) unter der Leitung des Physikers Harry Atwater.

Bei diesem Missionskonzept wird ein ultraleichtes Raumfahrzeug durch den Druck der Laserstrahlung von einer erdgebundenen Quelle auf etwa 20 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wobei eine ultradünne Membran zur Nutzung des Photonendrucks während der Beschleunigung eingesetzt wird.

Milner, der auch den hoch dotierten ,Breakthrough Prize’ sowie das Projekt ,Breakthrough Listen’ finanziert, bei dem nach außerirdischen Radiosignalen gesucht wird (ebenfalls mit Hawking als Berater), will in den kommenden Jahren 100 Mio. $ in die neue Initiative stecken – bei der nichts anderes als Lubins Konzept umgesetzt werden soll, mit einigen Änderungen. Geleitet wird das Projekt von Pete Worden, dem ehemaligen Direktor des AMES-Forschungszentrums der NASA.

Die ultraleichten Sonden, die StarChip genannt werden und im Grunde nur aus einem kleinen Computer, Solarzellen, einem Funksender, Sensoren, Batterien und einer Kamera bestehen, sollen dem aktuellen Konzept zufolge durch eine Armada von Lasern angetrieben werden, die auf einem möglichst trockenen Ort in großer Höhe auf der Erde errichtet werden. Hier kann die Leistung viel leichter als im Orbit bis auf 100 GW ausgebaut werden, auch wenn zu Beginn nur wenige Gigawatt ausreichen würden.

In die Erdumlaufbahn gebracht werden die Mini-Raumschiffe an Bord von Raketen. Dort angekommen wird das Lichtsegel aufgefaltet, und die Beschleunigung per Laser kann beginnen. Weil pro Sonde wohl nur ein paar Minuten Laserbeschuß reichen, könnten nach und nach ganze Flotten von Kleinstraumschiffen zu interstellaren Reisen aufbrechen.

Bereits im Juni 2016 folgen Meldungen, demnach noch in diesem Sommer 100 Stück der nun Sprites genannten Minisonden in einem Projekt namens Kicksat-2 zur Internationalen Raumstation gebracht werden sollen, wo ein paar Tage lang ihre Navigations-Hardware und Kommunikationssysteme geprüft werden, bevor die Sonden in der Atmosphäre verglühen.

Das Projekt wird von den Ingenieuren Zachary Manchester und Mason Peck der Cornell University geleitet, die auch im Beratungsausschuß von Breakthrough Starshot sitzen.

Die Sprites und die ChipSat-Technologie, auf der sie basieren, werden seit 2010 von der amerikanischen Nonprofit-Forschungs- und Entwicklungsorganisation Draper Laboratory mit Sitz in Cambridge, Massachusetts, entwickelt. Im Jahr 2011 werden drei der Sprites der ersten Generation an der Außenseite der ISS befestigt, wo sie eine kräftige Strahlendosis aufnehmen. Zur Freude der Beteiligten funktioniert die handelsübliche Hardware immer noch, als Astronauten die Geräte einige Jahre später wieder abmontieren.

Im April 2014 wird dann als erster großer Test der Technik der 5,5 kg schwere Kicksat-1 in die Umlaufbahn gestartet, der über die Plattform kickstarter.com finanziert worden ist – wo statt der benötigten 30.000 $ tatsächlich 74.586 $ zusammengekommen sind. Der dem U3-CubeSat-Standard entsprechende Technologieerprobungs- und Amateurfunksatellit kann bis zu 128 Sprite-Femtosatelliten mitführen. Tatsächlich sind aber nur 104 Stück an Bord, die 16 Tage nach dem Start zeitgesteuert durch Federwirkung ausgestoßen werden sollten.

Obwohl der Satellit im Orbit erfolgreich Datenpakete sendet, erreicht die Energieversorgung nicht die erforderliche Spannung, um den Empfänger an Bord in Betrieb zu nehmen. Zudem wird der Container vermutlich von einem Ausbruch kosmischer Strahlung getroffen und kann seine Ladung aus 104 Sprites nicht aussetzen, fällt in die Atmosphäre zurück und verglüht samt Inhalt.

Mit dem ebenfalls durch Crowdfunding finanzierten Kicksat-2, der 100 Stück der kleinen Satelliten mit sich führen wird, versuchen es Manchester und seine Mitarbeiter nun ein zweites Mal. Ein wichtiges Ziel ist es, das Kommunikationssystem der Sprites zu testen, das auf einem Protokoll namens Code Division Multiple Access (CDMA) - die gleiche Technik, mit der ein Mobiltelefonturm über dieselbe Funkbandbreite Hunderte von einzelnen Geräten anspricht. Mit den einzelnen Sprites auf diese Weise kommunizieren zu können, ist ein kritischer Schritt zur Verfolgung von Schwärmen kleiner Raumfahrzeuge auf einer Weltraummission.

Einige der 4 g schweren und 3,5 cm großen Sprites enthalten auch eine winzige Drahtschleife, die ein kleines Magnetfeld erzeugt, wenn ein Strom durch sie hindurchgeleitet wird. Dies macht den ganzen Satelliten grundsätzlich zu einer Kompaßnadel, so daß man ihn zum Lenken nach dem Magnetfeld der Erde ausrichten kann.

Für interstellare Reisen sollen die Satelliten aber noch auf ein Viertel ihrer gegenwärtigen Größe geschrumpft werden, denn je kleiner die Satelliten sind, desto weniger groß muß das Laser-Antriebssystem sein.

Im März 2019 werden 105 ChipSat-Femtosatelliten der Cornell University vom CubeSat Kicksat-2 in einer Höhe von 300 km ausgesetzt, und am nächsten Tag gelingt es Ingenieuren der Stanford University und des NASA-Ames-Zentrums, über eine CorneCubell-Satellitenbodenstation Kontakt zu ihnen herzustellen. Da die Sprites so klein sind, haben sie ein sehr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, so daß sie wie kleine Fallschirme wirken, die von der fast nicht vorhandenen oberen Atmosphäre gebremst werden und nach wenigen Tagen ihre Umlaufbahnen verlassen und verglühen.

In zwei späteren Artikeln stellt eine Gruppe um Matthew F. Campbell von der University of Pennsylvania, an der auch Kollegen der University of California at Los Angeles beteiligt sind, fundamentale Spezifikationen der geplanten Mission vor. Im Dezember 2021 erscheint ,Relativistic Light Sails Need to Billow’ und im Januar 2022 ,Multiscale Photonic Emissivity Engineering for Relativistic Lightsail Thermal Regulation’. Beide Artikel sind im Netz einsehbar.

Darin beschreiben die Ingenieure, daß das wenige Meter große Segel eines Nano-Raumschiffes, das durch einen Laser auf der Erde angetrieben wird, nur dann auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden kann, wenn es die richtige Form hat und dank Spezialmaterialien sowie besonderer Struktur nicht zu stark erhitzt wird. Dabei führen sie aus, daß das aus Aluminiumoxid und Molybdändisulfid bestehende Segel, anders als oft vermutet, gekrümmt sein muß, um so effizient wie möglich beschleunigt zu werden.

Den Berechnungen zufolge müsse das extrem dünne Segel etwa so tief wie breit sein, um die immense Beschleunigung auszuhalten. Außerdem sollte es netzartig aufgebaut sein und winzige Löcher haben, um die Hitze möglichst gut abzugeben. Denn selbst wenn es nur einen Bruchteil des ankommenden Laserlichts absorbiert, würde es sonst zu heiß werden. Hierzu werden als Lösungen  nanophotonische Kristallplattenreflektoren vorgestellt, die aus 2H-Phasen-Molybdändisulfid und kristallinem Siliziumnitrid bestehen, sowie multiskalige photonische Strukturen mit Mie-Resonanzgeometrien.

Was die Lichtsegel anbelangt, so sollen die notwendige Materialwissenschaft, das nanophotonische Design und die Strukturmechanik, um laserbetriebene Segel für interstellare Reisen zu realisieren, in einem entsprechenden Lightsail-Programm entwickelt werden, das 2016 startet und an dem Teams von 14 internationalen Universitäten und Unternehmen beteiligt sind. Deren Publikationen aus den Jahren 2018 bis 2024 sind auf der Lightsail-Projektseite der Caltech-Homepage zu finden.

Erste theoretische Berührungspunkte mit photonischen Antrieben und Sonnensegeln gab es am Caltech schon früher durch die enge Verknüpfung mit dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA sowie dem im Januar 2008 am Caltech gegründeten Keck Institute for Space Studies (KISS), die sich ab etwa 2010 mit kleineren CubeSat-Sonnensegeln beschäftigten, wie der LightSail-Reihe der Planetary Society.

In den ersten zwei Jahren, 2017 und 2018, untersucht das Team die extremen physikalischen Hürden, und Atwater veröffentlicht eine Arbeit, die mathematisch aufzeigt, daß ein Lichtsegel unter einem Gigawatt-Laser sofort schmelzen oder zerreißen würde, wenn es die Energie nicht nahezu perfekt reflektiert. Bis 2021 folgt daher eine Materialsuche, bei der das Caltech-Team Hunderte von nanotechnologischen Verbindungen simuliert, mit dem Ziel, ein Material zu finden, das extrem leicht ist, stabil bleibt und Licht kaum absorbiert, um Hitzeentwicklung zu vermeiden.

Nach jahrelanger computergestützter Forschung legen die Forscher 2022 ihren Favoriten fest: einlagiges Siliziumnitrid (Si₃N₄). Sie weisen zuerst theoretisch nach, daß dieses Material im Infrarotbereich des Lasers kaum Wärme aufnimmt, bauen in den Folgejahren hochkomplexe experimentelle Testsysteme auf und nutzen schließlich die Elektronenstrahllithografie, um die ultradünnen Prototyp-Membranen tatsächlich physisch herzustellen.

Über den nächsten Meilenstein wird im Januar 2025 berichtet, als das Team die Studie ,Direct radiation pressure measurements for lightsail membranes’ veröffentlicht, in der ein mittels Elektronenstrahllithographie hergestelltes Mikrometer-Lichtsegel in einer Laborumgebung beschrieben wird.

In der Forschungsarbeit untersucht das Team ein an den Ecken von Federn gehaltenes Miniatur-Lichtsegel aus Siliziumnitrid, das nur 40 x 40 µm groß und nur 50 nm dick ist, indem es einen Argonlaser mit sichtbaren Wellenlängen darauf richtet, um zu sehen, wie das Segel wackelt und auf die vom Laser erzeugte Wärme reagiert. Dabei werden die Bewegungen des Segels auf einer Pikometerskala gemessen, bis hinunter zu Billionstel Metern.

Das Team beschreibt seitliche Bewegungen und die Rotation des Lichtsegels, eine wichtige Fähigkeit, wenn ein solches Gerät ein Fahrzeug durch den Weltraum treibt. Die Arbeit liefert erstmals Daten aus direkten experimentellen Messungen darüber, wie diese Segel auf den Strahlungsdruck weitreichender Laserkräfte unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen, einschließlich Leistung, Einfallswinkel und Spotgröße, reagieren. Die Erkenntnisse werden genutzt, um eine neue Methode zur Messung der Lichtkraft auf ultradünnen Lichtsegel-Membranen zu entwickeln.

Hierzu paßt, daß Forscher der TU Delft und der Brown University im März 2025 die im Netz einsehbare Studie ,Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization’ veröffentlichen und berichten, daß sie neue, ultradünne und ultrareflektierende photonische Kristallmembranen für Lichtsegel entwickelt haben, mit denen interstellare Reisen möglich werden könnten.

Den Wissenschaftlern zufolge war bisher die Herstellung solcher Segel die größte Herausforderung. Ein Lichtsegel für ein Projekt wie Breakthrough Starshot müßte mit Milliarden winziger Löcher versehen werden, um Stabilität und Reflexion zu gewährleisten. Dies wäre bislang ein teuerer Prozeß gewesen, der viele Jahre gedauert hätte.

Das Team um Prof. Richard A. Norte und den Doktoranden Lucas Norder kann auf der Basis von Nanotechnologie jedoch eine völlig neue Herstellungsmethode entwickeln, die diesen Prozeß radikal beschleunigt: „von 15 Jahren auf nur einen Tag.“

Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen der Nanotechnologie geht es hier nicht nur darum, alles kleiner zu machen, vielmehr kombinieren die Forscher extrem dünne Materialien, die nur etwa 200 nm dick sind, mit einem großflächig stabilen Aufbau. Der aktuelle Prototyp mißt 60 x 60 mm und ist mit Milliarden von Löchern im Nanomaßstab versehen, mit Durchmessern, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts und die das Reflexionsvermögen der Oberfläche erhöhen. Die Struktur ist auf der Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zu erkennen.

Dieses bestimmt, wie viel Lichtdruck hinter dem Segel erzeugt wird, was wiederum bestimmt, wie schnell es beschleunigen kann. Zudem erfordert das leichtere Material weniger Kraft zur Beschleunigung, so daß weniger Masse gleichbedeutend mit mehr Geschwindigkeit ist.

Indem die Forscher zur Form und Plazierung der Löcher im Hinblick auf ein erhöhtes Reflexionsvermögen und ein geringeres Gewicht die neuronale Topologieoptimierung anwenden, bei der KI genutzt wird, um komplexe Strukturen zu entwerfen, die mit klassischen Methoden kaum denkbar sind, lassen sich - kombiniert mit einem eigens entwickelten, gasbasierten Ätzverfahren - extrem präzise und gleichzeitig großflächige Membranen herstellen.

Aktuell können solche Lichtsegel nur über extrem kurze Distanzen bewegt werden – wenige Pikometer. Doch schon in Kürze sollen Experimente beginnen, bei denen sich die Membranen über Zentimeter hinweg bewegen. Dies wäre dann 10 Milliarden Mal weiter als alles, was bisher mit Lasern angetrieben wurde.

Zurück zum chronologischen Ablauf: Da Nano-Raumschiffe, wie die oben erwähnten, viel zu empfindlich wären, um jahrzehntelange Reisen unbeschadet zu überstehen, steigt – wie Meldungen im Dezember 2016 zu entnehmen ist – nun auch die NASA bei dem Breakthrough Starshot Projekt ein und entwickelt gemeinsam mit dem Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) Methoden, mit denen sich der Chip unterwegs selbst heilen kann.

Neben den Ansätzen, das Raumschiff mit einem Schild zu umgeben, was diesem unnötig viel Gewicht hinzufügen würde, oder einen möglichst gefahrlosen Kurs zu wählen, der die Missionszeit allerdings deutlich verlängern würde, gibt es noch eine dritte Methode, auf die sich die Wissenschaftler jetzt konzentrieren.

Bei dem ,radiation-aware circuit design’, das auf Strahlung reagieren kann, nutzen die Forscher statt herkömmlicher Transistoren einen sogenannten ,gate-all-around’ Nanodraht-Transistor (GAA FET) mit einer winzigen 20-Nanometer-Struktur, der vom KAIST entwickelt wurde. Dieser Schaltkreis reguliert den Elektronenfluß und erzeugt innerhalb von 10 Nanosekunden eine Temperatur von mehr als 900°C, was den Leistungsabfall durch Strahlung, mechanischem Streß und Alter wieder reparieren kann.

Getestet wurde das System bereits in drei verschiedenen Komponenten mit kritischer Bedeutung für das Nano-Raumschiff: einem Mikroprozessor, einem DRAM-Speicher und einem Flash-Speicher zur Datensicherung. Dabei erwies sich das System als geeignet, die Lebensdauer aller drei Komponenten zu verlängern und wiederholt mit auftretenden Defekten klarzukommen. Der Flash-Speicher konnte 10.000 Mal repariert werden, bei dem DRAM gelang dies sogar unglaubliche 10¹² Mal. Zudem zeigten sich die Nanodraht-Transistoren als besonders widerstandsfähig gegenüber kosmischer Strahlung.

Die Fachpresse berichtet Anfang März 2015 über ein Projekt der San José State University (SJSU) in Kalifornien und der University of Idaho (UI) in Moscow, Idaho, unter der Leitung von Marcus Murbach am Ames Research Center der NASA, bei dem ein CubeSat mit einer fallschirmähnlichen Bremse namens Exo-Brake getestet wird, mit der Satelliten verlangsamt werden sollen, um wieder sicher in die Erdatmosphäre einzutreten. Das auch als selbststabilisierender, exosphärischer Rückkehrmechanismus bezeichnete System nutzt einen Bremsschirm mit einer Fläche von etwa einem Quadratmeter pro Kilogramm der Satellitenmasse.

Die Motivation dafür betrifft Proben, die von der ISS zurück zur Erde geschickt werden sollen. Oft muß monatelang gewartet werden, bis eine Mannschaft oder eine Frachtkapsel in der richtigen Richtung unterwegs ist. Viele Wissenschaftler möchten daher ein billigeres, einfacheres System, das Proben häufiger oder sogar auf Anfrage zurücksenden kann. Dies könnte zwar mit kleinen Wiedereintrittskapseln geschehen, die mit Bremsraketen ausgerüstet sind. Angesichts der Gefahr, die solche Raketen an Bord der Raumstation bilden, bevorzugt die NASA verständlicherweise ein System, das überhaupt keinen Treibstoff benötigt.

Der TechEdSat-4 (Technical and Educational Satellite) ist der vierte einer Serie von Kleinsatelliten, die von einer Gruppe von Studenten entwickelt wird. Das passive Bremssystem wurde bereits im August 2013 beim TechEdSat-3 getestet, der im Januar 2014 in der Erdatmosphäre verglühte, während der neue U3 CubeSat eine Version der zweiten Generation trägt. Gebaut wird der etwa 2,2 kg schwere Kleinsatellit aus Standardkomponenten und zu Kosten von weniger als 50.000 $.

Der TechEdSat ist auch der erste Satellit, der von der ISS mit dem NanoRacks Deployer ausgesetzt wird. Nach dem Öffnen des Bremsschirms geht er auf seine aktuelle Umlaufbahn, um vier Wochen lang Kommunikations- und Telemetrieversuche durchzuführen. Der nächste Satellit in der Serie, der TechEdSat-5, wird eine Exo-Bremse haben, die sich selbst rekonfigurieren kann, so daß er einen kontrollierten Wiedereintritt machen kann.

Im Mai 2015 berichten die Blogs über eine Zufallsentdeckung, die Yongsheng Chen und seine Kollegen an der chinesischen Nankai University in Tianjin machen, als sie mit Hilfe eines Lasers einen mehrere Zentimeter großen Schwamm aus zerknitterten Graphenoxid-Blättern zerschneiden und dabei verblüfft feststellen, daß das Material von dem Laser auf mysteriöse Weise nach vorne bewegt wird.

Als das Graphen – nur ein Atom dicke Blätter aus Kohlenstoff – dann in einer Vakuumkammer erneut einem Laserbeschuß unterschiedlicher Wellenlänge und Intensität ausgesetzt wird, schiebt dieser den Schwamm um bis zu 40 cm vorwärts. Es gelingt sogar, das Graphen durch die Konzentration gewöhnlichen Sonnenlichts mit einer Linse zu bewegen.

Obwohl sich die Wissenschaftler nicht sicher sind, warum dies geschieht, eröffnet die Erkenntnis, daß Graphen Licht in Bewegung verwandeln kann, aufregende neue Möglichkeiten für lichtbetriebene Raumsonden, die keinen Brennstoff benötigen. Eine Erklärung könnte sein, daß das Graphen die Laserenergie absorbiert und eine Ladung aus Elektronen aufbaut.

Schließlich kann es diese nicht mehr halten, worauf Elektronen freigesetzt werden und den Schwamm in die entgegengesetzte Richtung drücken. Was aber noch nicht erklärt, warum die Elektronen konzentriert in eine Richtung und nicht nach dem Zufallsprinzip wegfliegen. Ein Lichtantrieb nach dieser Methode würde jedenfalls wesentlich mehr Vortrieb als die bisherigen Sonnensegel erreichen.

Am 30. Juni 2015 wird übrigens der erste offizielle Asteroid Day zelebriert, der u.a von dem Queen-Gitarristen und Astrophysiker Brian May mitbegründet wird - zum Gedenken an das Tunguska-Ereignis am selben Tag des Jahres 1908.

Nikolaos Perakis und Andreas M. Hein von der Technischen Universität München stellen im Januar 2016 eine Kombination von magnetischem und elektrischem Segel vor (,Combining Magnetic and Electric Sails for Interstellar Deceleration’) um ein Raumfahrzeug abzubremsen, wenn es sein Zielsternsystem erreicht. Die Kombination der Segel kompensiert dabei jede technologische Unzulänglichkeit: Ein magnetisches Segel ist bei höheren Geschwindigkeiten effektiver als das elektrische Segel und umgekehrt. Das magnetische Segel nutzt die Ablenkung der interstellaren Materie über ein Magnetfeld, um das Raumfahrzeug zu verzögern.

Um zum Beispiel ein Raumfahrzeug mit einer Gesamtmasse von 8.250 kg von 5 % der Lichtgeschwindigkeit auf interplanetare Geschwindigkeiten zu bremsen, benötigen beide Segel zusammen etwa 29 Jahre, während das elektrische Segel alleine 35 Jahre, und das magnetische Segel alleine etwa 40 Jahre brauchen würde.

Im Rahmen des Projekts Dragonfly, initiiert von der Initiative of Interstellar Studies (i4is), soll in zukünftigen Arbeiten untersucht werden, wie der parallele Betrieb von beiden Systemen, statt einzeln, die Leistung beeinflussen würde. Darüber hinaus müssen Unsicherheiten in der Dichte der interstellaren Materie und die spezifischen Eigenschaften der Segel untersucht werden.

Im Rahmen der 2001 begonnenen Satellitenreihe CanX (Canadian Advanced Nanospace eXperiment) der University of Toronto in Kanada startet im September 2016 zusammen mit sieben weiteren und größeren Satelliten der CubeSat CanX-7 (o. NLS-19) in den Orbit. Während der ersten sieben Monate seines Lebens nutzt der nur 3,5 kg schwere 3U-Nanosatellit seinen Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B)-Empfänger, um Flugzeuge zu verfolgen und Daten zu sammeln.

Im Mai 2017 wird die zweite Phase eingeleitet, für welche der CanX-7 vier ausklappbare Segel mit einer Fläche von jeweils ca. 1 m² trägt. Diese sollen als Schleppsegel die Verweildauer des Kleinsatelliten in der Erdumlaufbahn verkürzen und ihm helfen, schneller auf die Erde zu fallen. Das System soll zeigen, wie sich Raumfahrzeuge selbst entsorgen können, wenn ihre Mission beendet ist, um weiteren Weltraummüll zu vermeiden. Betont wird, daß das kompakte System, das nun ohne Probleme in Betrieb genommen wird, die Hauptaufgabe des Satelliten nicht gestört hatte.

Das Verlangsamen bis zum Verbrennen in der Erdatmosphäre kann noch ein paar Jahre dauern, ist aber trotzdem viel besser als die projizierte Zeitlinie von Jahrhunderten, die es andernfalls wären.

In dem im Februar 2017 erscheinenden Artikel ,Fast Radio Bursts from Extragalactic Light Sails’ legen die beiden Harvard-Wissenschaftler Manasvi Lingam und Avi Loeb die Theorie vor, daß die erstmals im Jahr 2007 beobachteten sogenannten kurzen Radioblitze (Fast Radio Bursts, FRB), für deren Ursprung es noch keine befriedigende Erklärung gibt, möglicherweise auf ein interstellares Antriebssystem zurückzuführen sind.

Die Forscher, deren Arbeit von der Breakthrough Initiative finanziell unterstützt wurde, berechnen, wie viel Energie nötig wäre, um solch einen Sender anzutreiben, dessen Signale auch noch weit außerhalb einer Galaxie registriert werden könnten, und kommen zu dem Ergebnis, daß das Sonnenlicht ausreichend sei, das auf eine Fläche falle, die doppelt so groß wäre wie die der Erde. Solch eine Konstruktion liege zwar weit außerhalb unserer gegenwärtigen Möglichkeiten, sei aber vorstellbar und widerspreche auch keinen physikalischen Gesetzen.

Die plausibelste Erklärung für solch einen Sender sei daher ein interstellares Antriebssystem für Sonnensegel-Raumschiffe. Die Energie sei ausreichend, um ein Raumschiff mit einer Masse von einer Million Tonnen auf interstellare Reisen zu schicken. Für die nötige Beschleunigung müßte der Sender konstant das Raumschiff anvisieren – während wir das Signal aufgrund von dessen Bewegung relativ zur Erde nur als kurzen Blitz registrieren. Vor allem sich wiederholende Blitze könnten deswegen entscheidende Hinweise auf einen künstlichen Ursprung liefern.

Im Januar 2017 stellen die deutschen Wissenschaftler René Heller und Michael Hippke als Ergebnis von Computersimulationen einen Bremsmechanismus für eine Mini-Sonde vor. Ihre Idee basiert darauf, die Strahlung der Sterne im Alpha-Centauri-System zu nutzen, um das Gefährt gezielt zu entschleunigen. Dafür muß das Sonnensegel der Sonde allerdings genau ausgerichtet sein.

Das Sonnensegel-Exemplar, mit dem die Rechnung gemacht wurde, ist 100.000 m² groß – was einem Quadrat mit gut 316 m Seitenlänge entspricht – und soll weniger als 100 g wiegen. Wenn die hypothetische Sonde mit einer Geschwindigkeit von 13.800 km/s unterwegs ist, also 4,6 % der Lichtgeschwindigkeit, müßte sie sich der Rechnung zufolge dem Stern bis auf etwa vier Millionen Kilometer nähern, um abgebremst zu werden.

Mitte Juli 2017 startet an Bord einer Sojus-2.1a-Rakete – zusammen mit 72 anderen Satelliten – der russische CubeSat Majak (Leuchtturm), der ein pyramidenförmiges Segel mit stark reflektierender Folie mit sich trägt. Der von Studenten der Moscow State Mechanical Engineering University (MAMI) um den Projektleiter Alexander Shaenko entwickelte und über eine Crowdfunding-Kampagne mit mehr als 57.000 € finanzierte, ca. 3,6 kg schwere Minisatellit soll das Segel als Solarreflektor nutzen, was ihn zeitweise zum zweithellsten Objekt am Nachthimmel machen wird.

Bei dem ursprünglich schon für 2016 geplanten Projekt geht es um Weltraumschrott und darum, mit einfachen Mitteln maximale Effekte zu erzielen. Die als Schrott geltenden Objekte sollen mit Hilfe von Fallschirmen so weit gebremst werden, daß sie von der Erdanziehung in die Atmosphäre gezogen werden und verglühen. Dies könnte tatsächlich funktionieren, weil es in 600 km Höhe, wo viele erdnahe Satelliten kreisen, noch ein kleines bißchen Luft zum Bremsen gibt – was Mayak nun beweisen soll.

Das Segel aus PET besteht aus vier Dreiecken mit einer Kantenlänge von jeweils 2,7 m und ist mit einer dünnen, stark reflektierenden Schicht überzogen. Ist das insgesamt 16 m² große, tetraederförmige Segel einmal entfaltet, wird es von der Erde so aussehen, als ob der Satellit blinkt, da Mayak um die eigene Achse rotiert. Klappt der Plan, wird das Segel den Satelliten so weit abbremsen, daß er nach einigen Wochen in die Atmosphäre eintritt und dadurch ‚entsorgt‘ wird.

Im August müssen die Verantwortlichen allerdings das Scheitern des Prototyps bekannt geben. Demnach habe sich der Schirm offenbar aufgrund eines technischen, Konstruktions- oder Designfehlers nicht entfaltet. Auch eine Beschädigung des Satelliten während des Starts wird nicht ausgeschlossen. Ob das Projekt weiterverfolgt wird, ist derzeit noch ungewiß.

Im November folgt ein Bericht von Forschern der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden, die ein Segel aus Graphen entwickelten, das sie von dem Spezialunternehmen Graphenea aus Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts bezogen haben.

Das aus Santiago J. Cartamil-Bueno, Rocco Gaudenzi, Davide Stefani und Vera Janssen bestehende GrapheneX-Doktorandenteam hatte seinen Experiment-Vorschlag im Oktober 2016 erfolgreich beim ‚Drop Your Thesis‘-Programm von ESA Education eingereicht – und kann nun im 146 m hohen ZARM-Fallturm der Universität Bremen testen, ob es sich tatsächlich als Segel verwenden läßt.

Hierzu wird ein Stückchen Graphen von nur 3 mm Durchmesser gemeinsam mit einer Kamera und einem Laser in eine Kapsel gesteckt. Im Inneren des Turms befindet sich ein senkrechtes Rohr, in dem ein Hochvakuum herrscht. Insgesamt fünfmal wird die Kapsel in diesem Rohr an die Spitze befördert, um dann im freien Fall auf den Boden zurückzufallen. Dabei herrscht im oberen Bereich für genau 9,3 Sekunden Schwerelosigkeit, ähnlich wie die Mikrogravitation bei einem Parabelflug.

Sobald sich das Segel im freien Fall befindet – wodurch die Auswirkungen der Schwerkraft effektiv eliminiert werden – richten die Forscher eine Reihe von Lasern auf das Segel. Um den genauen Mechanismus zu untersuchen, wie der Impuls vom Licht auf das Graphen übertragen wird, setzt das Team verschiedenfarbige Laser ein. Der Strahlungsdruck eines 1 W Lasers läßt die Graphen-Membran um bis zu 1 m/s² beschleunigen, ähnlich der Beschleunigung eines Büroaufzugs, und bewegt das Segelstückchen um etwa 2 mm.

Obwohl das GrapheneX-Experiment damit abgeschlossen ist, plant das Team weitere Tests als Teil eines neuen und ehrgeizigen Forschungsprojekts, um den Einfluß des Strahlungsdrucks auf Graphen-Lichtsegel weiter zu erforschen. Die Firma Graphenea ist übrigens ein Partner des von der Europäischen Kommission finanzierten ‚Graphene Flagship‘, das mit einem Budget von 1 Mrd. € eine neue Form der gemeinsamen, koordinierten Forschung in einem noch nie dagewesenen Ausmaß darstellt und die größte europäische Forschungsinitiative aller Zeiten bildet.

Die Studie über diese Arbeit erscheint online im April 2020 unter dem Titel ,One Step Closer to Interstellar Travel. A Successful Microgravity Test of a Graphene Light Sail’. Ein weiterer Bericht mit dem Titel ‚Light-induced propulsion of graphene-on-grid sails in microgravity‘ wird im September veröffentlicht.

Außerdem kommt das Thema Graphen im Mai wieder auf den Tisch, als das von Cartamil-Bueno Ende 2018 gegründete, in Estland und Deutschland tätige Forschungsunternehmen SCALE Nanotech OÜ im Rahmen des ESA-Business-Inkubator-Programms nach kommerziellen Partnern sucht, um das System zu skalieren und im Orbit zu testen. Ein Bericht mit dem Titel ‚Light-induced propulsion of graphene-on-grid sails in microgravity‘, an dem neben Cartamil-Bueno auch Gaudenzi und Stefani beteiligt sind, erscheint im September 2020.

Ebenfalls im November 2017 veröffentlicht der deutsche Physiker Prof. Claudius Gros von der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main eine im Netz einsehbare Untersuchung über magnetische Segel zur Impulsbremsung interstellarer Raumsonden im Grenzbereich von verdünnten interstellaren Medien (‚Universal scaling relation for magnetic sails: momentum braking in the limit of dilute interstellar media‘).

Das von Gros vorgeschlagene Segel besteht aus einer supraleitenden Schleife, die bis zu einem Durchmesser von etwa 50 km entfaltet werden kann. In ihr wird ein verlustfreier Strom induziert, um in der Mitte der Schleife ein starkes Magnetfeld zu erzeugen. Die durch diese Schleife hindurchtretenden geladenen Teilchen – ionisierter Wasserstoff im interstellaren Medium – würden von dem Magnetfeld reflektiert und das sich mit etwa 60.000 km pro Sekunde bewegende Raumschiff dadurch allmählich verlangsamt werden.

Den Berechnungen zufolge müßte die Sonde allerdings weniger als 1.500 kg wiegen und sich weitaus langsamer fortbewegen als mit den in ähnlichen Projekten vorgeschlagenen 20 % der Lichtgeschwindigkeit. In Betracht käme z.B. eine Reisegeschwindigkeit von 1.000 km/s, was 0,3 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Dabei könnten die langsam fliegenden Sonden von der Größe eines Autos mit demselben Laser gestartet werden, der die nur wenige Gramm leichten Hochgeschwindigkeits-Raumsonden des o.e. Projekts Breakthrough Starshot bis zu Alpha Centauri schicken soll.

Eine Gruppe um Xiangfeng Duan an der University of California in Los Angeles berichtet im Februar 2019 über ein neu entwickeltes Aerogel, das schnelle Temperaturwechsel zwischen minus 198°C und plus 900°C schadlos übersteht und damit gut geeignet für den Einsatz im Weltraum sei.

Die Basis des porösen Materials, das zu mehr als 99 % aus Luft besteht, sehr stark dämmt und extrem leicht und elastisch ist, besteht aus Bornitrid, einer Bor-Stickstoff-Verbindung, die wabenförmige Strukturen bilden kann. Diese schon sehr stabilen, flachen Strukturen werden in ein dreidimensionales, netzartiges Gebilde eingebunden, wodurch sich das Material sehr gut plastisch verformen läßt.

Daß es so gut dämmt, wird auf drei Hauptfaktoren zurückgeführt: Erstens ist durch die sehr geringe Dichte des Materials die Wärmeleitung im Feststoff reduziert. Zweitens existieren in der Bornitrid-Struktur Brüche im Bereich von Nanometern, welche die Wärmeleitung behindern. Und drittens sind die Porenwände als Doppelwände ausgestaltet und dämmen dadurch ähnlich wie Doppelglasfenster.

Um die Wirkung thermischer Schocks auf das Material zu testen, entwickeln die Forscher eine besondere Röhre, deren eines Ende in einem Ofen steckt, während ihr anderes mit flüssigem Stickstoff auf minus 198°C gekühlt wird. Durch Luftstöße wird dann eine Probe zwischen den beiden Enden hin- und hergeschickt. Dabei ergeben sich Temperaturwechsel von etwa 275°C pro Sekunde, die trotzdem kein Problem für das neue Aerogel bilden.

Das neue Material bietet zudem zwei weitere Vorteile: Es dehnt sich bei größerer Wärme nicht aus, sondern zieht sich etwas zusammen. Zum anderen besitzt es eine negative sogenannte Poissonzahl: Das heißt, wird es seitlich gezogen, wird es nicht flacher, sondern dehnt sich nach oben und unten aus. Die Forscher können sich daher gut vorstellen, daß das Material für ein Lasersegel geeignet sein könnte.

Im Juni 2019 macht das weiter oben vorgestellte LightSail-Projekt der Planetary Society den nächsten Schritt, als an Bord einer SpaceX Falcon Heavy-Rakete der Kleinsatellit LightSail 2 gestartet wird, der neben seinen Kameras und Kommunikationsausrüstungen mit einem 32 m² großen Mylar-Solarsegel ausgestattet ist.

Der CubeSat, der als Machbarkeitsnachweis für den Segeleinsatz dient, wird zwar in der Erdumlaufbahn bleiben, soll aber mit Hilfe der Sonnenphotonen weiter nach außen geschoben werden, wodurch sich die Form seiner Umlaufbahn ändert.

Zur Erinnerung: Der erste LightSail-Satellit startete im Mai 2015 mit einer ähnlichen Mission, aber das Ziel war damals nur, das Segel zu entfalten, nicht es zu benutzen.

Der LightSail 2 befindet sich in einem koffergroßen, von Studenten der Georgia Tech gebauten Raumschiff namens Prox-1, das etwa 80 Minuten nach dem Start in einer kreisförmigen Umlaufbahn in einer Höhe von 720 km ausgesetzt wird. Exakt eine Woche nach dem Start öffnet Prox-1 seine Luke und setzt den LightSail 2 frei, der daraufhin seine Antenne ausfährt und die Kommunikation mit dem Bodenteam aufnimmt.

Fünf Tage später werden die Solarpaneele ausgefahren, und rund zwei Wochen nach dem Start entfaltet sich schließlich das Sonnensegel, indem die vier 4 m langen Ausleger aus einer Kobaltlegierung von ihrer zentralen Spindel ausfahren. Die Ausleger wickeln sich wie Zimmermannsbandmaße ab und sind an vier dreieckigen Segelabschnitten befestigt, die zusammen das quadratische Sonnensegel bilden.

Der Kleinsatellit paßt den Winkel des Segels während seiner Umkreisung wiederholt an, so daß die Fläche der Lichtquelle zugewandt ist, wenn sich das Objekt von der Sonne wegbewegt, und dann seitlich angewinkelt wird, wenn es auf die Sonne zuschwenkt.

Dies geschieht, indem das Raumfahrzeug auf jeder Erdumlaufbahn zwei 90°-Drehungen ausführt, die durch ein Drehimpulsrad umgesetzt werden – d.h. ein Schwungrad, das sich um eine einzige Achse dreht. Die mehrfache Wiederholung dieses Vorgangs soll die Umlaufbahn so verändern, daß sich das Segel anschließend auf einer höheren Höhe befindet als zu Beginn.

Die Änderungen in der Umlaufbahn werden vom Boden aus mit einem Netzwerk von Lasern gemessen. Diese werden auf den CubeSat gelenkt und prallen an einer Gruppe von Spiegeln an seiner Unterseite ab, so daß die Wissenschaftler feststellen können, wie lange es dauert, bis das Licht zu ihnen zurückreflektiert wird. Damit kann gemessen werden, wie stark sich die Umlaufbahn verändert. In de nachstehenden Grafik zeigt die rote Linie den Steuerungsbefehl der Segelausrichtung, während die schwarze die tatsächlich gemessenen Winkelstellungen innerhalb mehrerer Stunden darstellt.

Der gesamte Prozeß wird die 90-minütige Umlaufbahn von LightSail 2 elliptischer machen und die tiefsten Punkte der Umlaufbahn näher an die Erdatmosphäre bringen. Schließlich wird der atmosphärische Luftwiderstand den Photonenschub aufheben, wodurch die experimentelle Phase der Mission beendet wird. LightSail 2 wird den Planeten danach noch etwa ein Jahr lang umkreisen, bevor er letztlich wieder nach unten gezogen wird und beim Wiedereintritt verglüht.

Schon eine Woche nach Entfaltung des Segels kann die Planetary Society bestätigen, daß das Raumschiff innerhalb der vier davor liegenden Tage seinen orbitalen Hochpunkt von 726 km um etwa 2 km angehoben hat, während sein tiefster Punkt um eine ähnliche Distanz gesunken ist. Zwei Wochen nach Öffnen des Segels ist es dem Raumschiff bereits gelungen, sein Apogäum auf 729 km zu erhöhen.

Am bisher besten Tag hebt das Raumschiff seinen Gipfelpunkt um etwa 900 m an und zeigt damit die tatsächliche Effektivität dieses vielversprechenden neuen Antriebsmittels – das Hauptziel des Programms. Die Planetary Society präsentiert die ersten Ergebnisse im August auf dem 5. International Symposium on Solar Sailing (ISSS) in Aachen, Deutschland.

Mitte November 2022 gibt die Planetary Society dann das Ende der Sonnensegel-Mission bekannt, als die LightSail 2-Raumsonde nach dreieinhalb Jahren und rund 18.000 Umläufen im Orbit in die Erdatmosphäre eintritt und während des Abstiegs verbrennt. Die Mission hat erfolgreich die Nutzung von Sonnenlicht zum Antrieb von Satelliten in der Umlaufbahn demonstriert.

Die Ergebnisse des LightSail 2 werden auch der ebenfalls weiter oben kurz erwähnten NASA-Mission Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) zugute kommen, die einen 14 kg schweren, mit einem Sonnensegel angetriebenen CubeSat starten will, um bereits im nächsten Jahr einen erdnahen Asteroiden zu besuchen. Das Missionsziel ist ein Vorbeiflug am Asteroiden 2020 GE.

Im Rahmen dieses Projekts war bereits Ende Juni 2018 in einem geschlossenen Reinraum in der NeXolve-Anlage in Huntsville, Alabama, ein erfolgreicher Entfaltungstest des Sonnensegels durchgeführt worden, das auf der bislang noch nicht terminierten Explorationsmission-1 (EM-1) starten wird.

Ein im Netz einsehbarer Bericht über die Ergebnisse des Versuchs erscheint im Juli 2019 unter dem Titel ‚Lessons Learned from the Flight Unit Testing of the Near Earth Asteroid Scout Flight System‘.

Der Start erfolgt dann als einer von zehn CubeSats, die als sekundäre Nutzlast auf dem Jungfernflug des Space Launch Systems (SLS) im Zuge der Artemis-1-Mission Mitte November 2022 mitfliegen, wobei die Flugzeit bis zum 2020 GE einschließlich mehrerer Swing-by-Manöver am Mond etwa ein Jahr betragen sollte. Nach dem Start kann das Team jedoch keine Kommunikation mit der schuhkartongroßen Sonde herstellen, und auch die Entfaltung des Sonnensegels kann per Teleskop nicht bestätigt werden.

Im Dezember wird die Mission erfolglos beendet, die eigentlich den Weg für zwei weitere Sonnensegelmissionen ebnen sollte: das Advanced Composite Solar Sail System zur Erprobung von Segelauslegermaterial in der Erdumlaufbahn, das ursprünglich Mitte 2022 starten sollte, sowie der Solar Cruiser, von dem geplant ist, daß er 2025 mit einem 18.000 m² großen Segel zur Sonne fliegt.

Tatsächlich ist das an 7 m langen Auslegern aufgespannte 80 m² große Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) bereits seit 2018 am Langley Research Center in der Entwicklung, unter der Leitung von Keats Wilkie.

Im April 2020 wählt die NASA den Nanosatellitenhersteller NanoAvionics aus, um den Trägersatelliten zu bauen. Dabei handelt es sich um eine Ausgründung einer Gruppe der Universität Vilnius, die schon den Satelliten LituanicaSAT-1 baute, der 2014 die erste litauische Nachricht aus dem All sendete. NanoAvionics wird den rund 4,5 kg schweren 12U-Bus-Nanosatelliten in seinem Werk in Columbia, Illinois, entwerfen und bauen.

Um die neue Art von Solarsegeltechnologie zu testen, wird der Nanosatellit mit einem knapp 75 m² großen, superleichten Verbundwerkstoff-Sonnensegel und vier rund 6,4 m langen, einziehbaren Komposit-Auslegern ausgestattet. Diese röhrenförmigen Komposit-Masten bestehen aus einem Polymer, das mit Glasfasern verstärkt ist. So sind sie etwa 75 % leichter als Metallvarianten, behalten unter dem Einfluß von Hitze ihre Form wesentlich besser und können für eine kompakte Aufbewahrung flach zusammengedrückt und wie ein Maßband zu einem kleinen Paket aufgerollt werden.

Sobald der Satellit die niedrige Erdumlaufbahn erreicht, braucht er 20 - 30 Minuten, um das aluminiumbeschichtete Kunststoffsegel zu entfalten, das dann eine Kantenlänge von etwa 9 m haben wird. Hierbei will die NASA insbesondere ein neues Bandspulen-Ausbringsystem testen, mit dem die Segel und die Ausleger aus dem Bus gezogen werden.

Das ACS3 wird mit einer Reihe von Kameras bestückt, die das Entfalten aus allen Blickwinkeln festhalten, so daß die Ingenieure den Fortschritt und etwaige Anomalien verfolgen können. Am Ende seiner fünfmonatigen Mission wird der Satellit in eine Position mit höherem Luftwiderstand gebracht, um die Umlaufbahn zu verlassen. ACS3 soll als technologisches Versuchsfeld für ein viel größeres Sonnensegel mit einer Fläche von 500 m² dienen, das die NASA in den kommenden Jahren losschicken will.

Eine Studie über die Entwicklung des ACS3 erscheint im August 2019 unter dem Titel ,Advanced Composite Solar Sail System: Demonstrating Deployable Composite Solar Sails for Future Deep Space Small Spacecraft’. Darin wird auch überlegt, diese von Sonnensegeln angetriebenen Raumfahrzeuge als Kommunikationsrelais zu nutzen, um Daten zwischen der Erde und zukünftigen bemannten Missionen zu übermitteln.

Im Mai 2022 wird zudem über eine neue Technik der NASA namens ,Diffractive Solar Sailing’ berichtet, die im Rahmen des NASA-Programms Innovative Advanced Concepts (NIAC) ausgewählt wurde. Sonnensegel erzeugen die größte Schubkraft, wenn das Sonnenlicht direkt auf sie trifft, was ihre Bewegungsrichtung und Manövrierfähigkeit allerdings einschränkt. Das neue Konzept des diffraktiven Sonnensegels soll daher die Effizienz des eingefangenen Sonnenlichts verbessern und das einfache Manövrieren von Sonden ermöglichen.

Wie der Name schon sagt, basiert die Technik auf der Beugung des Lichts. Wenn Lichtwellen einen kleinen Spalt passieren, beginnen sie, sich auf der anderen Seite der Barriere fächerförmig auszubreiten. Um dies auszunutzen, wird ein diffraktives Solarsegel aus kleinen Gittern bestehen, die in dünne Filme eingebettet sind und das auf sie treffende Sonnenlicht verteilen. Das zuständige Team arbeitet nun daran, das Material des Segels zu optimieren und Bodentests durchzuführen, um das Design für zukünftige Weltraummissionen vorzubereiten.

Im Januar 2024 erreicht die NASA einen wichtigen Meilenstein, als bei einem Test in der neuen Anlage der Redwire Corp., die die Entfaltungsmechanismen und die fast 30 m langen Ausleger entwickelt, einer von vier identischen, jeweils 400 m² großen Sonnensegel-Quadranten entfaltet wird. Bei vollständiger Entfaltung umfaßt das gesamte Segel eine Fläche von 1.650 m². Die Algorithmen, die für die Steuerung und Navigation des Segels im Weltraum erforderlich sind, werden am Marshall Space Flight Center entwickelt, während die 2,5 µm dicke Segelmembran von dem Unterauftragnehmer NeXolve stammt.

Die aus einem Dünnschicht-Polyimid (Clear Polymer 1 oder CP1) hergestellte und mit Aluminium beschichtete Segelmembran ist vor über zwei Jahrzehnten von der NASA entwickelt und von NeXolve lizenziert worden. Sie wurde erfolgreich beim o.e. NanoSail-D eingesetzt. Doch anstatt die damals genutzten metallischen TRAC-Ausleger (Triangular, Rollable and Compressible) mit einem dreieckigen Querschnitt zu verwenden, der flachgedrückt werden kann, so daß die Ausleger zum Verstauen auf eine Spule gerollt werden können - ein Design, das von der U.S. Air Force entwickelt und von der Roccor LLC lizenziert wurde -, entwickelte Roccor neue Ausleger aus Verbundwerkstoffen.

Was das ACS3 anbelangt, so hebt dieses im April 2024 ab. Nach dem Start der Mission an der Spitze einer Electron-Rakete der Firma Rocket Lab vom Startkomplex 1 des Unternehmens in Māhia, Neuseeland, schwenkt das Raumfahrzeug in eine Umlaufbahn in einer Höhe von 520 km ein. Eine Stunde und 45 Minuten nach dem Start wird dann das ACS3 in einem sonnensynchronen Orbit in einer Höhe von etwa 966 km ausgebracht.

Dies wird durch den Curie-Antrieb der letzten Stufe der Rakete ermöglicht, der wiederholt gestartet werden und so verschiedene Elemente der Nutzlast in unterschiedliche Orbits bringen kann, ohne daß deren bordeigene Antriebssysteme zum Einsatz kommen müssen. Am Zielpunkt soll sich das Segel in etwa 25 Minuten entfalten, um eine Fläche von 80 m² abzudecken, wobei sich der Ausleger von der Größe einer Hand auf 7 m Länge ausstreckt. Anschließend soll es sich der Umlaufbahn anpassen, indem es sich in Bezug auf den Sonnenwind ausrichtet.

Die erste Flugphase der Mission ist auf etwa zwei Monate ausgelegt und umfaßt eine Reihe von Ausrichtungsmanövern, um das Anheben und Absenken der Umlaufbahn allein durch den Druck des Sonnenlichts auf das Segel zu demonstrieren. Die gewonnenen Daten werden zum Einsatz kommen, um das Design des Segels zu verbessern sowie es letztlich auf eine Fläche von 2.000 m² hochzuskalieren.

Etwa eine Woche nach dem Start nimmt der Würfelsatellit zwar Kontakt mit der Bodenkontrolle auf, doch ein erster Entfaltungsversuch wird unterbrochen, als ein bordeigener Energiemonitor höhere als die erwarteten Motorströme feststellt. Erst beim zweiten Versuch, einige Tage später, gelingt es, das massive Sonnensegelsystem zu entfalten, wobei der Prozeß mit vier Kameras an Bord der Raumsonde aufgenommen wird.

Nun will das NASA-Team mit der Erprobung beginnen und in den nächsten Wochen verschiedene Manöver einleiten, um zu sehen, wie gut sich das Segel schlägt, indem sie seine Umlaufbahn allein durch den Druck des darauf wirkenden Sonnenlichts anheben und absenken.

Parallel dazu verfolgt die NASA das Projekt eines 1.653 m2 großen Sonnensegelsystems namens Solar Cruiser, bei dem im Juni 2022 jedoch festgestellt wird, daß es nicht in der Lage sein wird, den für 2025 vorgesehenen Starttermin einzuhalten und die festgelegten Kostenvorgaben zu erfüllen. Infolgedessen wird die Pathfinder-Mission, die vom Solar-Terrestrial-Probes-Programm der Heliophysics Division gesponsert und von den Unternehmen Bell Aerospace, Roccor LLC und NeXolve realisiert wird, gestrichen.

Eigentlich sollte der Solar Cruiser eine Position sonnenwärts des Lagrange-Punkts L1 einnehmen, um Technologien zu demonstrieren, die es zukünftigen Missionen ermöglichen werden, die Überwachung, Vorhersage und Wissenschaft des Weltraumwetters zu verbessern. Zudem war geplant, ein Gerät namens Active Mass Translation (AMT) zu verwenden, das ursprünglich für die NEA Scout-Mission entwickelt wurde, um das Zentrum des (leichten) Drucks des Raumfahrzeugs relativ zu seinem Masseschwerpunkt aktiv anzupassen, das Segel stabil zu halten und die Steuerung und Navigation zu unterstützen.

Darüber hinaus sollten sogenannte Reflective Control Devices (RCDs), die aus einem dünnen Film bestehen, der durch Anlegen einer Spannung von reflektierend auf durchlässig umgeschaltet werden kann, dazu beitragen, die Stabilität des Segels während des Fluges zu erhalten, während in das Segel eingebettete Dünnschicht-Solarzellen die Stromerzeugung demonstrieren sollten. Es ist bislang nicht bekannt, ob diese Technologien nun im Rahmen anderer Projekte zum Einsatz kommen werden.

Der bislang jüngste Schritt der NASA erfolgt im April 2026, als die in Loveland, Colorado, beheimatete Firma Opterus einen Vertrag im Wert von 10,2 Mio. $ erhält, um das strukturelle Entfaltungssystem für das nächste Sonnensegel-Raumschiff der Behörde zu liefern. Mit den Mitteln wird jetzt die Trussed Collapsible Tubular Mast (TCTM) genannte Technologie von Opterus weiterentwickelt, eine leichte Verbundstoffmast-Architektur, die sich bereits bei früheren Einsätzen bewährt hat.

Die Ausleger sind so konstruiert, daß sie steif und thermisch stabil bleiben, nachdem sie für den Start eng aufgerollt wurden, und sich dann autonom in einer X-förmigen Konfiguration ausgerollt haben, um das Segel zu tragen. Ein integriertes System steuert die Form des Segels und die strukturelle Reaktion, um einen stabilen Strahlungsdruck und eine gleichbleibende Antriebsleistung während der gesamten Mission zu gewährleisten.

Das Unternehmen entwickelt für die NASA nun ein System zur Entfaltung und Steuerung eines 1.600 m² großen Segels mit vier 30 m langen Auslegern, dessen Auslieferung für Anfang 2028 geplant ist. Die Segelmembran, die aus einem fortschrittlichen Dünnpolymer besteht, liefert die Firma Applied Aerospace & Defense, die auf Flugerfahrungen mit früheren Solar- und Schleppsegelsystemen zurückgreifen kann.

 

Weiter mit den Weltraum-Sonnensegeln...