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Sonnenenergie II
Kosmische Segeltörns
Das schnellste Segelschiff der Welt wird
seine Jungfernfahrt auf keinem der Weltmeere, sondern in kosmischen
Höhen antreten. Zwar gibt
es im Weltraum keine Winde im klassischen Sinne, dafür
aber fast unerschöpfliches Sonnenlicht.
Von Jasmina Causevic.
Die Idee zu Raumfahrzeugen mit Segelantrieb
ist an sich nicht neu. Bereits Johannes Kepler nahm vor über
400 Jahren an, dass Segeln im Weltraum möglich ist. Das
Thema wurde dann im Laufe des technikbegeisterten 19. Jahrhunderts
von zahlreichen Science Fiction Autoren aufgenommen. Der Sprung
von der fantastischen Literatur zur wissenschaftlichen Disziplin
erfolgte in den 1920er Jahren.
Grosses Interesse weckte das Sonnensegeln
erst in den 1970er Jahren, als nach einem neuen Antrieb für
die Mission zum Halley-Kometen gesucht wurde. Seitdem gab es
einige Versuche das Konzept umzusetzen, allerdings ist dies wegen
der hohen technischen Anforderungen bis heute nicht ganz gelungen.
Mit Licht durch das All rasen
Die Sonnensegler nutzen nicht, wie
oft behauptet, den Sonnenwind als Antriebskraft, sondern das
Licht selber. Das ist möglich, weil das Licht beim Aufprall
auf Flächen einen Druck erzeugt. Er ist jedoch dermassen
klein, dass wir auf der Erde nichts davon spüren. Da aber
im Weltraum keine Reibung vorhanden ist und ein Vakuum herrscht,
ist der Lichtdruck dort keine vernachlässigbare Grösse.
So wurde 1962 die Raumsonde Mariner 1 wegen nicht berücksichtigtem
Lichtdruck um über 12'000 Kilometer vom Kurs abgelenkt.
Zwar kommen die Sonnensegler im Vergleich
zu herkömmlichen Raumfahrzeugen nur langsam in Fahrt, können
jedoch im beständigen Lichtstrom Geschwindigkeiten bis zu
360'000 Kilometer pro Stunde erreichen.
High-Tech Segelmaterialien
Eine Reihe von Herausforderungen müssen
gemeistert werden, wenn der Lichtdruck als Antrieb tatsächlich
funktionieren soll. Eine davon ist der Aufbau eines genug grossen,
aber sehr leichten und strapazierfähigen Segels, das auch
schnellen Manövern, kleineren Meteoritenregen und starker
Strahlung trotzen kann.
Sonnensegel werden obendrein mit einer spiegelnden
Schicht versehen, da reflektiertes Licht infolge der doppelten
Impulsübertragung einen grösseren Druck ausübt.
Trotzdem benötigt man für die Schubkraft einer kleinen
Mondsonde (0.07 N) eine Segelfläche von 9000 m2.
Bisher wurden insbesondere die Kunststoffe
Mylar und Kapton verwendet. Beide sind sehr dünn, leicht
und widerstandsfähig. Kapton besitzt zudem den Vorteil der
UV-Beständigkeit, was bei sonnennahen Missionen entscheidend
ist.
Neue Materialien befinden sich bereits in
der Entwicklung. Einer der Anwärter ist Aluminium, das mit
Löchern etwas kleiner als Lichtteilchen versehen werden
soll. Dadurch wird eine Menge an Material und Gewicht eingespart.
Jedoch ist Aluminium alleine zu fragil, um starken Kräften
standhalten zu können. Dafür geeigneter sind Karbonfasern,
die nebenbei durch ihre Knitterfreiheit Glättungsmechanismen
nach der Entfaltung überflüssig machen.
Das optimale Segeldesign
Für die Formen der Segel gibt
es verschiedene Vorschläge. Zu den Favoriten gehören
quadratische, kreis- und rotorblattförmige Designs. Jedes
hat seine spezifischen Vorteile und die Auswahl hängt von
der Art der Mission ab.
Quadratische Segel sind aus einem grossen
oder mehreren kleineren Segeln zusammengesetzt. Die Teilsegel
werden meistens mit vier Masten befestigt. Die Segel können
auch 3-Achsen-stabilisiert sein bzw. in drei Dimensionen gesichert
werden. Zwei Dimensionen liegen in der Fläche des Segels
und die dritte senkrecht zu ihr. So wird ein unkontrolliertes
Zusammenklappen des Segels verhindert.
Kreisförmige Segel bestehen ebenfalls
aus einem (Torus-Segel) oder mehreren Segeln (Disk-Segel). Kreisförmige
Segel sind spinstabilisiert - ihre Entfaltung und Stabilisierung
erfolgt durch die Ausnutzung der Fliehkraft. Dies funktioniert
nach demselben Prinzip wie schnell rotierendes Wasser in einem
Eimer das Überlaufen verhindert. Spinstabilisierte Segel
sind dank leichterer Konstruktion schneller als 3-Achsen-stabilisierte.
Rotorblattförmigen Segel (Heliogyros)
sind aus schmalen Rotorblättern aufgebaut. Sie sind ebenfalls
spinstabilisiert, was ihnen die nötige Formfestigkeit während
des Fluges garantiert. Zudem können einzelne Rotorblätter
mit Hilfe des Lichtdrucks zur präzisen Lageregelung genutzt
werden.
Die heikelste Phase jeder Mission ist die
Entfaltung des Segels, da ein Fehlschlag das ganze Vorhaben gefährden
kann. Um den Einsatz schwerer Motoren zu verhindern, bedient
man sich eines Tricks: Die flexiblen Masten werden vor dem Start
nach einem konkreten Schema gefaltet. Im Weltraum angelangt,
öffnen sie sich durch die zuvor gespeicherte Formänderungsenergie
weitgehend von selbst. Erst jetzt härten die Masten durch
das Sonnenlicht zu ihrer endgültigen Festigkeit aus und
garantieren so die Stabilität der Konstruktion.
Interstellare Regatten
Sonnensegler haben viele Vorteile:
Da sie Sonnenlicht als Antrieb verwenden, haben sie keinen oder
nur geringen Treibstoffverbrauch. Sie benötigen keine schweren
Antriebsaggregate und sind besonders leicht, schnell und wendig.
Ideal also für verschiedene Arten von Missionen, auch in
weit entfernte Teile des Weltraums, in welche Raumfahrzeuge aufgrund
der ungelösten Treibstoffversorgung bisher nicht vordringen
konnten.
Es ist ebenso denkbar, dass zukünftig
Regatten im Weltraum ausgetragen werden. Das ist kein Witz, denn
ein solches Projekt wurde für das Jahr 1992 geplant. Zu
Ehren der 500-jährigen Entdeckung Amerikas durch Kolumbus
sollte ein Wettflug mit Sonnenseglern zum Mars stattfinden. Leider
wurde das Projekt aus finanziellen Gründen nie realisiert.
Das schreit schon fast nach einem neuen Abenteuer für Bertrand
Piccard. Immerhin ist er auf dem besten Weg dahin: er versucht
gerade die Welt mit einem Solarflugzeug zu umsegeln. Alles Weitere
ist wohl nur eine Frage der Zeit.
solarsail.jpl.nasa.gov
planetary.org/solarsail/
www.solarsails.info
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