Segelschein für Astronauten - Teil 2: Magnetsegeln

1. VorbemerkungAnstelle von Sonnenlicht kann man auch den Sonnenwind als Antriebskraft benutzen. Dies ist das Prinzip beim Magnetsegeln, dem magsailing. Robert Zubrin hat sich besonders intensiv mit dieser Antriebsmethode beschäftigt. Im interplanetaren Raum gibt es so um die 100 ionisierte Atome pro Kubikzentimeter. Dieses von der Sonne erzeugte Plasma bewegt sich mit durchschnittlich 500 km/sec von der Sonne weg. Außerdem existieren irdische, solare, planetare und übergeordnete galaktische Magnetfelder. Man kann mit dem Sonnenwind tatsächlich segeln, aber als Segel wäre eine verspiegelte Folie ungeeignet, denn diese wird von den Ionen einfach durchschlagen.

 

Deformation des Erdmagnetfeldes durch SonnenwindQuelle: NASA

 

2. Grundprinzip

Eine Kabelschleife aus supraleitendem Material ist auf einer Trommel aufgewickelt und in einem Raumschiff gelagert. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird die Schleife abgewickelt. Über eine Kraftanlage wird ein Strom induziert. Er kreist verlustlos in dem Kabel. Das durch den kreisförmig fließenden Strom verursachte Magnetfeld erzeugt Zugkräfte, die auf die Kabelschleife wirken und zu einer stabilen festen Kreisform führen. Die Schleife arbeitet im unteren Energiebereich von 0.00001 Tesla, etwa einem Drittel des Erdmagnetfeldes am Erdäquator. Die struktuelle Festigkeit des Kabels wird also nicht sehr strapaziert. Jeder mögliche Anstellwinkel zum Sonnenwind ist denkbar, zwischen den Extremen axial und normal. Der Durchmesser des aufgespannten Kreises mag z.B. 60 km betragen, seine Fläche errechnet sich dann zu 2800 Quadratkilometer.

In Erdnähe besteht der Sonnenwind aus dem Fluß von einigen Millionen Protonen und Elektronen pro Kubikmeter, bei einer Geschwindigkeit zwischen 400 und 600 Km/sec. Dieser Teilchenstrom trifft auf das kreisförmige ausgedehnte Magnetfeld und erzeugt einen Druck, der sich über die Kabel auf das Raumschiff überträgt. Bei einer Normalstellung des Segels entsteht ein Auftrieb, mit ihm kann das Winkelmoment in Bezug auf die Sonne verändert werden. Bei einer Axialstellung erfolgt Bremsung oder Beschleunigung, je nachdem ob man mit dem Sonnenwind oder gegen ihn fliegt. Mit Beschleunigung und Bremsung können wiederum Bahnänderungen vorgenommen werden.

Die Leistungsfähigkeit des Segels hängt von der Stromdichte ab, diese wiederum von der Außentemperatur, da die Supraleitfähigkeit aufrecht erhalten werden muss. Im interstellaren Raum herrschen 2.7 Kelvin, das ist schön kühl und man kann Niob-Titan oder Niob-Zinn Legierungen für den Leiter verwenden. Die kritischen Stromdichten liegen dann bei 10 Milliarden Ampere pro Quadratmeter.

Doch im Sonnensystem, wo das Magnetsegeln hauptsächlich stattfinden würde, ist es natürlich viel wärmer. Ein Leiter aus Niob-Titan würde dort versagen, weil er starke, also schwere Kühleinrichtungen erfordert und damit wäre das Magnetsegeln nicht mehr effizient. Aber die Verbindung Y Ba2 Cu3 O 7 hat eine Sprungtemperatur von 77 Kelvin, also von minus 194 Grad C!! Das funktioniert jenseits der Saturnbahn schon sehr gut. Weiter innen im Sonnensystem müsste man mehrlagige Isolierungen und hochreflektierende Beschichtungen einsetzen.

Bessere Hochtemperatur-Supraleiter sind in der Entwicklung. Ist man erst mal bei 200 Kelvin angekommen, steht auch das innere Sonnensystem offen, aber nicht bis zur Merkurbahn. Dort wären noch erheblich höhere Sprungtemperaturen erforderlich.

Ein operierendes Magnetsegel kann beschrieben werden als ein Dipolfeld, begrenzt von einem perfekt leitenden Plasma. Innerhalb der Begrenzung gibt es das Magnetfeld, aber keinen Plasmadruck, außerhalb ist der Plasmastrom mit seinem starken dynamischen Druck. Der aufprallende Sonnenwind verformt die Magnetospäre der Erde und übt einen mechanischen Druck auf den Planeten aus.

Wäre die Erde Billionen mal leichter bei gleicher Größe, könnte der Sonnenwind sie langsam aus ihrer Bahn treiben. (Auch innerhalb des Erdmagnetfeldes, wo es keinen Sonnenwind gibt, kann das Magnetsegel operieren. Es tritt dort in Wechselwirkung mit den Feldlinien und beschleunigt auf polaren Umlaufbahnen langsam, mit Hilfe einiger „Perigäumkicks“, bis eine geosynchrone Bahn erreicht ist.)

Der Stömungsdruck wird definiert durch das Produkt aus Dichte des Sonnenwindes und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit, geteilt durch 2. In die Beschleunigung des Magnetsegels geht außer der Sonnenwinddichte und der „Windgeschwindigkeit“ auch noch der Radius der Magnetschleife, deren Dichte und natürlich die Stromstärke ein.

Wie man auch immer nach diesen Formeln rechnet, es ergibt sich stets, daß große Segelradien und kleine Stromstärken mehr Schub liefern als umgekehrt. Robert Zubrin gibt ein Rechenbeispiel vor, nach dem der Radius der Magnetschleife 31.6 km, die Stromstärke 50 000 Ampere und der Kabeldurchmesser 2.5 mm beträgt. Die Masse der Schleife beträgt dann nur 5 Tonnen. Bei einer Sonnenwinddichte, wie sie auf der Erdbahn vorliegt, ergibt sich eine Beschleunigung von 0.0172 m / sec2. Dies ist nicht sehr viel, nur 1/600 von g, aber der Aufwand ist viel geringer, als wenn man die Beschleunigung mit einem gleichgroßen Sonnensegel erzeugen wollte. Denn der Strom kann von einer kleinen 10 KW-Anlage innerhalb von zwei Stunden aufgebaut werden.

 

3. Probleme bei der Anwendung

Das Magnetsegeln hat gegenüber dem Lichtsegeln Vorzüge und Nachteile. Es ist wegen der unverzichtbaren Supraleitfähigkeit der Kabelschleifen wärmeempfindlich. Gerade in Sonnennähe, wo der Sonnenwind zwar nicht schneller, aber dichter ist als sonst, gibt es gravierende Probleme mit der Kühlung. Zum Rand des Sonnensystems hin wird es kälter, die Kühlungs- u. Isolierungsprobleme vermindern sich und hören spätestens ab der Saturnbahn ganz auf. Allerdings ist der Sonnenwind dort draußen zwar immer noch 500 km pro Sekunde schnell, aber ausgedünnt, was den Strömungsdruck verringert. Trotzdem ist Magnetsegeln dort und auch im mittleren Sonnensystem dem Lichtsegeln überlegen. Die Leistungsdichte (also das Verhältnis Schub zu Nutzlast) ist beim Magnetsegeln zwischen 50 und 100 mal so groß wie beim Sonnensegeln. Dies heißt nicht, daß der Sonnenwind mehr Kraft pro Fläche ausübt als der Lichtdruck, im Gegenteil, – das Equipment ist einfach viel leichter als ein großes Lichtsegel.

Daraus ergibt sich eine Beschleunigung von bis zu einem Fünfzigstel der Erdbeschleunigung.

Das ist schon recht viel und erlaubt es, in zwei oder drei Tagen so richtig Fahrt aufzunehmen. Damit ist das Verfahren klar im Vorteil, nicht nur gegenüber dem Lichtsegeln, sondern sogar gegenüber den konventionellen Antrieben. Sein Equipment ist robuster und leichter zu handhaben als ein fragiles Lichtsegel. Die praktisch erreichbaren Geschwindigkeiten werden erkennbar unterhalb der des Sonnenwindes liegen, das ist richtig. Aber beispielsweise 100 km/sec reichen im Sonnensystem doch völlig aus, um zügig überall hin zu kommen. Vorausetzung für die hohe Leistungsfähigkeit sind allerdings weitere Innovationen im Supraleiterbereich. Die Stromdichten bei Hochtemperaturleitern (mit Hochtemperatur sind in diesem Zusammenhang grimmige 100 K, also – 173 Grad C, gemeint!) müssen denen von Tieftemperaturleitern nahekommen, also Milliarden Ampere pro Quadratmeter Leiterquerschnitt erreichen.

Die Möglichkeit, auch das Erdmagnetfeld, das Jupiterfeld oder lokale freischwebende Felder mit zu benutzen, erhöht die Einsatzfähigkeit enorm.

Ein wichtiger Punkt muss noch erwähnt werden: Die Nutzlast, dh. ein Satellit, aber auch ein Raumschiff, befindet sich vielleicht nicht im Mittelpunkt, aber doch noch innerhalb des selbst erzeugten Magnetfeldes. Damit ist der beste Schutz von Astronauten gegen ionisierte Teilchen gegeben, den man sich vorstellen kann. Nicht geladene Teilchen, sowie Röntgen- u. Gammastrahlung können zwar nicht abgehalten werden, aber die vom Körper aufgenommenen Strahlungsdosen (gemessen in Sievert) reduzieren sich doch erheblich. Die Sonnensegler und die auf klassische Weise angetriebenen Raumschiffe, können sich so einen Magnetschirm zwar auch zulegen, aber er wäre ein Extra und nicht systemimmanent, wie beim Magnetsegler.

Zum Schluß soll ein gravierender Nachteil nicht unerwähnt bleiben.

Der Sonnenwind „weht“ nicht immer gleichmäßig. Es ist manchmal mit heftigen Böen zu rechnen.Die gemessenen Schwankungen der Teilchengeschwindigkeit reichen von 300 km pro Sekunde bis zu 1000 km pro Sekunde. Auch die Teilchendichte schwankt beträchtlich, zwischen einem und hundert pro Kubikzentimeter. Auslöser für diese Fluktuationen sind die bekannten Protubranzen, die Flares, auf der Sonnenoberfläche. Diese Eruptionen produzieren heftige Ausbrüche geladener Teilchen und rufen auch regelrechte Schockwellen im Sonnenwind hervor. Die Vorhersagbarkeit solcher Ereignisse ist mit Schwierigkeiten behaftet, zumal die Zonen hoher und besonders niedriger Teilchenemission auf der Sonne unterschiedlich schnell wandern. Der Grund liegt in der zu den Polen abnehmenden Winkelgeschwindigkeit der Sonne.

So sind für eine erfolgreiche Magnetsegelraumfahrt noch intensive Grundlagenforschungen zur Physik der Sonne und ihrer Wechselwirkung mit dem interplanetaren Medium erforderlich. Erst wenn all diese Prozesse besser verstanden sind, kann das Magnetsegeln eine brauchbare und ökonomische Ergänzung der konventionellen Raumfahrt werden.

 

Autor: Michael Boden

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