Segelschein für Astronauten -Teil 1

Mit dem Tachyonenantrieb und dem Warp Drive dauert es wohl noch ein bißchen. Also müssen wir noch ein paar Jahrhunderte mit Rückstoßantrieben aller Art vorliebnehmen – unter gelegentlicher Zuhilfenahme von elektromagnetischen Katapulten, Schleudern und Weltraumliften. Aber es gibt in der Raumfahrtgemeinde ja auch noch die Segelfreunde. Die Idee ist faszinierend und wert, geprüft zu werden. Segeln im Sonnensystem, das ist eine mathematisch und physikalisch elegante Angelegenheit. Fast immer ist dabei die Rede vom Sonnensegeln, einer wunderschönen, aber etwas schwächlichen Antriebsart, vergessen wird meist das Magnetsegeln. Sonnensegeln, oder auch Lichtsegeln, erfolgt mit Hilfe des Lichtdruckes der Sonne. Dieser ist umsonst, während man für den Lichtdruck eines weitreichenden Superlasers einigen Aufwand treiben müsste. Diese spezielle Variante wird hier nicht erörtert. Der Lichtdruck P ist der Anziehungskraft der Sonne entgegengesetzt. Beide nehmen mit dem Quadrat der Entfernung zur Sonne ab bzw. zu.

Formel für den Lichtdruck bei perfekten Refelktoren

Mit S ist die Solarkonstante gemeint, also die Sonneneinstrahlung auf einen Quadratmeter Fläche, senkrecht zur Einstrahlungsrichtung. Die Einheit ist Watt pro Quadratmeter, besser ausgedrückt als Nm/sec. Unter dem Bruchstrich steht c, die Lichtgeschwindigkeit in m/sec. Der Wert S ist abhängig von der Entfernung zur Sonne. Auf der Erdbahn beträgt er 1360 Watt pro m2, auf der Venusbahn sind es um die 2700 Watt, auf der Marsbahn zwischen 500 und 650 Watt, im Asteroidengürtel 100 bis 400 Watt und am Rand unseres Systems ein bis zwei Watt pro Quadratmeter. Man sieht, das beste Segelrevier ist zwischen Erdbahn und Merkurbahn, beim Mars geht es noch leidlich, spätestens ab der Jupiterbahn wird es dünn mit dem Lichtdruck.

Wie rechnet man nun den Lichtdruck aus?Für jeden beliebigen Punkt im Raum nimmt man das zweifache der dortigen Solarkonstante in Nm/sec und teilt den Wert durch 300 Millionen m /sec. Sekunden kürzen sich weg, Meter werden quadriert, übrig bleibt N/m2, also Kraft pro Flächeneinheit, also Druck. Auf der Erdbahn sind es 9 Newton pro Quadratkilometer an Lichtdruck. Neun Newton, daß entspricht 900 Gramm Gewicht auf der Erde. Hier schluckt man erst mal. Ein Lichtdruck von 900 Gramm auf einen Quadratkilometer Segelfläche, daß ist wahrlich nicht viel. Auf der Jupiterbahn sind es sogar nur 0.3 N, also 30 Gramm Lichtdruck. Wenn ein Quadratkilometer Segelfolie nur 900 g Masse hätte, dann könnte man mit 1 g also mit 9.81 m /sec2  beschleunigen. Das wäre ideal - nur - ein solches Segel bekommt man nicht. Eine Alufolie von einem Millimeter Stärke hätte eine Masse von zweitausend Tonnen, das wäre bei 900 Gramm Lichtdruck indiskutabel. Zum Glück sind solch starke Folien nicht erforderlich. Man kann auf metallbedampfte Kunststoffolien von z.B. einem Mikrometer Stärke zurückgreifen. So ein Segel würde dann um die zwei Tonnen wiegen, allerdings noch ohne Verstrebungen und Aussteifungen, sowie kleinen Elektromotoren, was ja für das Manövrieren unerlässlich ist. Wenn man nun ein Quadratkilometer großes Sonnensegel mit drei Tonnen Masse annimmt, ergibt sich bei 900 Gramm Lichtdruck immerhin die Möglichkeit, mit 0.00033 g also einem dreitausendstel der Erdbeschleunigung zu beschleunigen. So wenig ist das gar nicht, wie es zunächst klingt, denn der Antrieb kann ja beliebig lange, über Tage und Wochen erfolgen. In 24 Stunden ließe sich zumindest theoretisch ein Delta v von 260 m / sec erzielen. Nach einem Monat wären es 7800 m/sec, das ist immerhin die Kreisbahngeschwindigkeit um die Erde. Aber eine Nutzlast ist hierbei noch nicht eingerechnet. Geht man - small is angeblich beautiful - nur von einem Minisatelliten von ein paar Kilogramm Masse aus, spielt das bei einem großen Segel noch keine Rolle. Aber jede einigermaßen große Nutzlast, von zumindest mehreren Tonnen, reduziert entweder die Beschleunigung dramatisch oder es muß ein entsprechend größeres Sonnensegel verwendet werden. Der nutzbare Lichtdruck beträgt übrigens nur dann 2 S / c, wenn es sich um einen perfekten Reflektor handelt. Tendenziell geht der Lichtdruck nämlich gegen S / c (Absorber). Die Folien sind unfassbar dünn und sie werden im Raum in Mitleidenschaft gezogen. Die kosmische Strahlung und die Erosion infolge von Staubpartikeln reduzieren das Reflexionsvermögen nach einigen Jahren beträchtlich. Weitere Probleme ergeben sich aus der Unhandlichkeit der großen Folien. Ein Quadratkilometer, das mag noch angehen, aber was ist bei 10 oder 100 Quadratkilometern? Das Segel muß auch dann flach ausgebreitet und gestrafft werden, das kriegt man vielleicht noch hin. Doch bei jedem Segelmanöver muß der Anstellwinkel der gigantischen Konstruktion präzise verändert werden, ohne daß die Folie Falten schlägt. Wenn man ein Segel in Rotation (um die Achse) versetzt, erzeugt man eine Straffung und damit bessere Handhabung, erkauft dies aber mit Kreiseleffekten, die sich jeder Änderung der Drehachse widersetzen, bzw. diese erschweren. Die Änderung des Anstellwinkels zwischen Lichteinfall und Segelfläche ist jedoch unverzichtbar für jedes Navigieren.

Wie die beiden folgenden Schemabilder zeigen:

 

 

In einem eleganten Wechselspiel zwischen Lichtdruck und Gravitation lässt sich die Flugbahn beliebig variieren. Dabei kann man auch die Schwerefelder von Planeten mit nutzen (swing by Manöver). Der Lichtdruck ist gleichmäßig und fast exakt vorher berechenbar, ein Unterschied zum Sonnenwind. Ein mit Sonnensegel betriebenes (unbemanntes) Raumschiff kann innerhalb der Merkurbahn so richtig Fahrt aufnehmen und quasi Impuls tanken. Ein weiterer Vorteil ist, daß das Antriebsmedium de fakto unendlich schnell ist, (man kann die 300 000 km/sec durchaus als unendlich schnell definieren). Bei sehr hohen Geschwindigkeiten des Seglers gibt es deshalb keine Abnahme des Lichtdruckes, also der Beschleunigung.Diese hängt ausschließlich von der Entfernung von der Sonne ab. Und da ständig beschleunigt wird, wenn auch nervtötend langsam, kann das Gefährt auch etwas kürzere Bahnen als die antrieblosen Hohmannbahnen benutzen. Wenn man z.b. auf einer definierten Spiralbahn in Erdbahndistanz zur Sonne, tausend Jahre lang beschleunigen würde, könnte das Segel theoretisch ein knappes Drittel der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Praktisch geht das natürlich nicht, weil die Spiralbahn sich ja immer weiter von der Sonne weg bewegen würde und der Lichtdruck mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Doch ein Hinweis auf die relativ hohen Geschwindigkeiten, die beim Sonnensegeln erreichbar sind, ist dieses Beispiel schon. Nur, sehr viel Geduld muß man beim Beschleunigen mitbringen. Für die bemannte Raumfahrt ist das also nichts, sehr wohl aber für leichte Forschungssatelliten.

 

Autor: Michael Boden

 

 

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