Ultradünn, ultraschnell: Können diese Lichtsegel das Universum erobern?
Forschende der TU Delft und der Brown University haben neue, ultradünne Lichtsegel entwickelt. Mit ihnen sollen interstellare Reisen möglich sein.
Professor Richard Norte in seinem Labor in Delft (Niederlande). Er war maßgeblich an der Entwicklung des Lichtsegels beteiligt.
Foto: Delft University of Technology
Die Reise zu fernen Sternen war bisher eine Vision für die ferne Zukunft. Selbst die schnellsten Raumsonden unserer Zeit würden Zehntausende Jahre benötigen, um das nächste Sternensystem zu erreichen. Doch ein internationales Forschungsteam der TU Delft (Niederlande) und der Brown University (USA) arbeitet daran, genau das zu ändern. Ihr Ziel: Raumsonden mit Lichtgeschwindigkeit bewegen – mithilfe neuartiger Lichtsegel.
Was sind Lichtsegel?
Lichtsegel sind hauchdünne, reflektierende Materialien, die sich wie Segel im Vakuum entfalten. Anders als bei herkömmlichem Antrieb gibt es keinen Treibstoff. Stattdessen nutzen die Segel den Strahlungsdruck von Licht – etwa von Lasern – als Antrieb. Je intensiver das Licht, desto stärker der Schub. Der Vorteil: Kein Treibstoff bedeutet weniger Masse, und weniger Masse bedeutet höhere Geschwindigkeit.
Die Vision ist, ultraleichte Raumsonden mit solchen Lichtsegeln auszustatten. Laserstationen auf der Erde oder im Orbit sollen sie anschieben – bis auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit.
Der technologische Durchbruch?
Die größte Herausforderung bisher: Die Herstellung solcher Segel. Ein Lichtsegel für ein Projekt wie „Breakthrough Starshot“ müsste mit Milliarden winziger Löcher versehen sein, um Stabilität und Reflexion zu gewährleisten. Das war bislang ein Prozess, der viele Jahre gedauert hätte.
Das Team um den Doktoranden Lucas Norder und Professor Richard Norte hat diesen Prozess nun radikal beschleunigt – von 15 Jahren auf nur einen Tag. Sie entwickelten eine völlig neue Herstellungsmethode auf Basis von Nanotechnologie.
„Dies ist nicht nur ein weiterer Schritt, um Dinge zu verkleinern, sondern eine völlig neue Denkweise in der Nanotechnologie“, sagt Norte. Der Clou: Die Materialien sind nur etwa 200 Nanometer dick – das ist rund ein Tausendstel eines menschlichen Haars – und trotzdem großflächig stabil. Der aktuelle Prototyp misst 60 x 60 Millimeter und ist durchzogen von nanoskaligen Strukturen.
Nanotechnologie neu gedacht
Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen der Nanotechnologie geht es hier nicht nur darum, alles kleiner zu machen. Vielmehr kombinieren die Forschenden extrem dünne Materialien mit großflächiger Struktur. Norte nennt das „Geräte mit hohem Aspektverhältnis“ – also Bauteile, die extrem dünn, aber gleichzeitig sehr breit oder lang sind.
Das Besondere an der Entwicklung ist die Kombination von Fertigung und intelligenter Planung. Die Forschenden setzten auf sogenannte neuronale Topologieoptimierung. Dabei nutzt man künstliche Intelligenz, um komplexe Strukturen zu entwerfen, die mit klassischen Methoden kaum denkbar wären. Kombiniert mit einem eigens entwickelten Ätzverfahren lassen sich so extrem präzise und gleichzeitig großflächige Membranen herstellen.
„Unsere Arbeit kombiniert die neuesten Fortschritte in der Optimierung, um neue Wege zu finden, unintuitive Designs zu entdecken“, ergänzt Miguel Bessa von der Brown University. „Wir haben Designs geschaffen, die die Grenzen des Möglichen sowohl in der Nanophotonik als auch in der Großserienfertigung erweitern.“
Vergleich des hergestellten Nanomaterials mit dem größten Lichtsegel, das bei der Ankündigung von Starshot im Jahr 2016 gezeigt wurde.
Foto: Richard Norte
Vom Nanometer zum Lichtjahr
Aktuell können solche Lichtsegel nur über extrem kurze Distanzen bewegt werden – wenige Pikometer. Doch schon in Kürze wollen die Forschenden mit Experimenten beginnen, bei denen sich die Membranen über Zentimeter hinweg bewegen. Das wäre ein Quantensprung: „Das klingt vielleicht nicht nach viel, aber das wäre 10 Milliarden Mal weiter als alles, was bisher mit Lasern angetrieben wurde“, erklärt Norte.
Langfristig könnten solche Lichtsegel Raumsonden antreiben, die den Mars in wenigen Tagen erreichen – schneller als ein Paket per Post. Und auch eine Reise zum nächsten Stern innerhalb von 20 Jahren scheint dann nicht mehr ausgeschlossen.
Lichtsegel als Fenster zur Physik
Die Technologie könnte nicht nur die Raumfahrt verändern. Auch für die Grundlagenforschung eröffnen sich neue Möglichkeiten. Denn wenn sich Massen mit hoher Geschwindigkeit und Präzision bewegen lassen, lassen sich neue Experimente zur Licht-Materie-Wechselwirkung durchführen – ein zentraler Bereich der modernen Physik.
„Die Herstellung dieser dünnen optischen Materialien öffnet ein Fenster zu grundlegenden Fragen, wie z. B. der Frage, wie schnell wir ein Objekt tatsächlich beschleunigen können“, sagt Norte. Die Forschenden sehen ihre Arbeit daher nicht nur als einen Beitrag zur Raumfahrt, sondern als Türöffner für ganz neue wissenschaftliche Fragestellungen.
Die Breakthrough Starshot Initiative
Hinter der Vision, mit Lichtsegeln ferne Sternensysteme zu erreichen, steht die „Breakthrough Starshot Initiative“. Gegründet wurde sie 2016 von Yuri Milner und Stephen Hawking. Ziel des Projekts ist es, winzige Raumsonden – kaum größer als ein Mikrochip – mit Lichtsegeln auszustatten und sie mit leistungsstarken Lasern auf bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Der Plan: Innerhalb von 20 Jahren könnten solche Sonden das Sternensystem Alpha Centauri erreichen – rund 4,37 Lichtjahre entfernt.
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