Mit Sonnensegel zu den Sternen

von Hans-Arthur Marsiske

Falsche Bescheidenheit kann man Louis Friedman gewiss nicht vorwerfen. Denn als Direktor der amerikanischen Planetary Society, der weltweit gr–þten nicht kommerziellen Raumfahrtinteressengruppe, vergleicht er die von ihm geleitete "Cosmos 1"-Mission direkt mit den ersten erfolgreichen Fl¸gen der Gebr¸der Wright im Jahre 1903.

 Illustration der ausgebreiteten Sonnensegel

So repr”sentiere "Cosmos 1" heute "das n”chste Jahrhundert des Fliegens, das uns und unsere Roboterkundschafter von der Erde zum Mars, Pluto und dar¸ber hinaus bringen wird". Denn w”hrend die Gebr¸der Wright f¸r den Ðbergang vom Segelflug zum Motorflug stehen, geht "Cosmos 1" wieder den umgekehrten Weg. Nur mit Segeln soll das Raumfahrzeug ganz ohne eigenen Antrieb durchs All reisen.

Doch die Sonnensegel von "Cosmos 1" fangen keine steife Windbrise ein und produzieren auch keinen Solarstrom. Einzig der winzige Druck der Lichtteilchen, die ununterbrochen von der Sonne abgestrahlt werden, wirkt auf die Segelfl”che. So gering dieser Druck auch sein mag, es lassen sich damit theoretisch im All ganz neue Horizonte erschlieþen. Berechnungen zeigen, dass mit Hilfe groþer, reflektierender Fl”chen die Kraft des Sonnenlichts genutzt werden kann, um Raumschiffe auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. "Cosmos 1" soll die G¸ltigkeit dieser Theorien erstmals im praktischen Einsatz beweisen.

U-Boot als Startrampe

Wenn alles nach Plan verl”uft, wird eine umgebaute Interkontinentalrakete vom Typ Volna das etwa 100 Kilogramm schwere Ger”t am 31. Mai 2005 in eine 800 Kilometer hohe Erdumlaufbahn bef–rdern. Als Startrampe dient ein russisches U-Boot in der Barentssee. Funktionieren alle Bordsysteme einwandfrei, soll sich einige Tage sp”ter das Sonnensegel mit Hilfe einer aufblasbaren Tr”gerstruktur entfalten.

 Die Raumsonde "Cosmos 1" wird mit Lichtantrieb in einer Erdumlaufbahn beschleunigt.

Das Licht einfangende Segel besteht aus acht jeweils 15 Meter langen, dreieckigen Fl¸geln, die zu einem Kreis angeordnet werden. Diese Fl¸gel sind aus dem leichten und stabilen Kunststoff Mylar gefertigt. Mit Aluminium beschichtet und nur f¸nf Mikrometer dick, ist dieses spezielle "Segeltuch" viermal d¸nner als die Folie eines M¸lleimerbeutels. Wie die Rotorfl¸gel eines Hubschraubers k–nnen die Segel einzeln gedreht werden. Aber w”hrend der ersten Tage werden sie zun”chst starr bleiben, um das Verhalten des Raumfahrzeugs genau zu pr¸fen.

Sp”ter k–nnen sie je nach Flugrichtung senkrecht oder parallel zur Sonneneinstrahlung gestellt werden. In dieser Stellung kann der Lichtdruck "Cosmos 1" beschleunigen. So bewegt sich das Raumfahrzeug von der Sonne weg und wird in dieser H–he nicht mehr durch die Reibung mit Luftteilchen abgebremst.

Mut zur Langsamkeit

Allerdings erwarteten die Entwickler nur sehr geringe Beschleunigungswerte. Sie liegen bei etwa einem halben Millimeter pro Sekundenquadrat. Das entspricht ungef”hr einem Auto, das innerhalb eines ganzen Tages von 0 auf Tempo 160 beschleunigt. Im Vergleich zur Leistung chemischer Raketenantriebe ist das l”cherlich wenig. Aber w”hrend konventionelle Raketen ihren Treibstoff innerhalb weniger Minuten verbrennen, kann der Lichtdruck ¸ber lange Zeit kontinuierlich auf das Solarsegel wirken - und das Sonnensegel immer weiter beschleunigen. So kann es ein Raumfahrzeug letztendlich auf erheblich h–here Geschwindigkeiten bringen, als sie mit einem chemischen Antrieb erreichbar sind. Solarsegel gelten daher als die einzige derzeit realisierbare Technologie, die Missionen zu anderen Sternensystemen in vertretbaren Zeitrahmen erm–glichen k–nnte.

"Cosmos 1" wird allerdings nicht so weit fliegen. "Wenn alles gut klappt, k–nnte es auf eine mehr als 100 Kilometer h–here Umlaufbahn gelangen", sagt Friedman. "Aber das ist wahrscheinlich zu optimistisch. Doch selbst einige zig Kilometer w”ren exzellent." Theoretisch k–nnte das Ger”t bei andauernder Beschleunigung den Schwerkraftbereich der Erde verlassen. Seine Maximalleistung ist jedoch durch seine Lebensdauer begrenzt. Friedman rechnet damit, dass das Ger¸st des Segels durch Einschl”ge von Mikrometeoriten nach ungef”hr einem Monat zusammenbricht.

Kritik an der Mission

F¸r Wolfgang Seboldt vom Deutschen Zentrum f¸r Luft- und Raumfahrt (DLR) in K–ln ist das der Hauptkritikpunkt an der Mission. "Man h”tte die Struktur des Segels h”rten k–nnen, sodass sie trotz kleinerer Einschl”ge stabil bliebe", gibt er zu bedenken. "Mit dem jetzt verwendeten Verfahren besteht ein hohes Risiko, dass ,Cosmos 1‘ gef”hrlichen Weltraumm¸ll erzeugt." Zumal in 800 Kilometern die Reibung der Erdatmosph”re sehr gering ist, wird es lange dauern, bis das Raumfahrzeug vergl¸ht. Bis dahin k–nnte es durch Kollisionen mit anderen Objekten zertr¸mmert und v–llig unkontrollierbar um die Erde treiben.

Die st”rkere Reibung in einer niedrigeren Umlaufbahn mit dichterer Atmosph”re w¸rde zwar f¸r einen schnelleren Absturz sorgen. Doch w¸rde diese Umgebung den Flugk–rper zu stark abbremsen und die durch den Lichtdruck bewirkte Beschleunigung kompensieren. Das f¸hrt zu ungenauen Messergebnissen. Aber um genau diese Messungen geht es bei diesem Erstflug eines Sonnensegels, um den praktischen Nachweis f¸r die Tauglichkeit dieses Antriebsprinzips zu erbringen.

"Neue Art der Raumfahrt"

Einziger Sponsor der 4 Mio. $ teuren Mission ist Cosmos Studios, eine Produktionsfirma f¸r wissenschaftsbasierte Unterhaltungsprogramme. "Es gibt andere private Initiativen, um seit langem etablierte Raumfahrttechnologien in kommerzielle Gesch”ftsmodelle zu ¸berf¸hren", sagt Ann Druyan, Pr”sidentin von Cosmos Studios. "Doch Cosmos 1 ist das erste Beispiel eines kleinen Unternehmens, das sich einen grundlegenden wissenschaftlichen und technologischen Durchbruch bei einer v–llig neuen Art der Raumfahrt vorgenommen hat." Die Witwe des 1996 verstorbenen Astronomen und Publizisten Carl Sagan erg”nzt: "Wenn ,Cosmos 1‘ Erfolg hat, wird es in weiten Teilen der Welt mit dem bloþen Auge sichtbar sein. Ein Leuchtsignal der Hoffnung f¸r den weisen Gebrauch von Wissenschaft und Hochtechnologie."

Daf¸r dr¸ckt auch Wolfgang Seboldt die Daumen. Denn nach erfolgreichen Bodentests wird das Programm zur Erforschung von Sonnensegeln bei der Europ”ischen Weltraumorganisation Esa zum Ende des Jahres eingestellt. Ein erfolgreicher Flug von "Cosmos 1" k–nnte auch hier vielleicht einiges wieder in Schwung bringen.

 Illustration der durch Lichtteilchen angetriebenen Raumsonde Cosmos 1

Lichtteilchen treiben Raumsonden an

Antrieb 600 Quadratmeter Spiegelfolie reflektieren die von der Sonne abgestrahlten Lichtteilchen. Treffen diese Photonen auf das Segel, ¸bertragen sie ihre Bewegungsenergie. Dadurch dr¸cken sie "Cosmos 1" nach vorne.

Steuerung Mit acht verstellbaren Fl¸geln kann der Winkel zwischen Sonnenstrahlen und Segel ver”ndert und damit die Richtung des Vortriebs kontrolliert werden.

Geschwindigkeit Jede Sekunde kann ein Lichtsegler nur einen Millimeter pro Sekunde schneller werden. Doch so k–nnen nach einem Tag 310 und nach zwei Wochen knapp 4000 Kilometer pro Stunde erreicht werden.

Ziele Mit diesem Lichtantrieb k–nnten in unserem Sonnensystem Planeten und mit zus”tzlichem Laserlichtquellen sogar ferne Sterne erreicht werden.