Neuer Schritt in der Wissenschaft: Lichtgetriebene Raumflüge getestet

Ingenieure der University of Pennsylvania, des California Institute of Technology und der University of California, Los Angeles (UCLA) haben das Konzept des interstellaren Flugs unter Einsatz von Lasern aus der theoretischen Physik praktisch getestet. Den in Nature Communications veröffentlichten Forschungsergebnissen zufolge haben Wissenschaftler einen nanolaminierten Lichtsegel-Prototyp mit hoher Reflexionsfähigkeit und effizienten Wärmeableitungseigenschaften entwickelt. Dieser Erfolg löste die widersprüchlichen Herausforderungen zwischen minimaler Masse, optischer Effizienz und hoher thermischer Stabilität. Dies berichtet Ixbt.com berichtet .

Mit heutigen modernen chemischen Raketen würde es 75.000 bis 165.000 Jahre dauern, um Alpha Centauri, das der Erde nächstgelegene Sternensystem, zu erreichen. Die Initiative Breakthrough Starshot schlägt jedoch einen völlig anderen Ansatz vor: Die Energiequelle verbleibt auf der Erde, und mithilfe einer Laseranlage mit einer Leistung von 100 GW wird eine Mikrosonde mit einem Gewicht von etwa 1 g angetrieben. Dieser Photonenstrom kann das Gerät in nur 7 Minuten auf ein Fünftel der Lichtgeschwindigkeit (knapp 60.000 km/s) beschleunigen und die Reisezeit auf 20 Jahre verkürzen.

Lösung schwieriger physikalischer Einschränkungen

Laut ixbt.com gab es zuvor kein Material, das der Leistung von Gigawatt-Lasern standhalten konnte. Selbst wenn ein sehr dünner Film nur einen kleinen Bruchteil des Laserstrahls absorbierte, schmolz er sofort oder riss unter starkem Druck. Um diese physikalische Einschränkung zu umgehen, entwickelten Ingenieure eine dreischichtige Struktur, bei der jede Schicht eine spezifische Funktion erfüllt. Die Basis des Segels besteht aus Molybdändisulfid (MoS2), das Infrarotstrahlen gut reflektiert und zwischen zwei Aluminiumoxid-Schichten (Al2O3) eingebettet ist.

Das neue Design schützt nicht nur die innere Schicht, sondern verhindert auch eine Überhitzung, indem es überschüssige Wärme wie ein Kühler in den Weltraum abgibt. Um mechanische Festigkeit zu gewährleisten, wandten Wissenschaftler zudem eine hexagonale Wellungsstruktur an. Kokonartige mikroskopische Muster erhöhten die Biegefestigkeit des Materials um ein Vielfaches, ohne das Gewicht zu erhöhen, und verhinderten die Ausbreitung möglicher Mikrorisse.

Praktische Ergebnisse und Perspektiven

Laborstestergebnisse zeigen, dass die entwickelten Prototypen weniger als 1 g pro Quadratmeter wiegen, was bedeutet, dass sie etwa 100-mal leichter sind als normales Papier. Dieses Lichtsegel reflektiert mehr als 50 % der einfallenden Laserstrahlung und absorbiert weniger als 4 %, wodurch Licht effizient in kinetische Energie umgewandelt wird. Derzeit ist dieser Prototyp das einzige Material in Bezug auf seine Abmessungen, das Höchstgeschwindigkeitsziele erreichen kann.

In Zukunft planen Experten, an der weiteren Erhöhung der Thermostabilität, der Ausweitung der Produktion und der Lösung mechanischer Stabilitätsprobleme zu arbeiten. Insbesondere ist vorgesehen, amorphes Aluminiumoxid in kristallinen Saphir umzuwandeln, die Wärmeableitung durch Oberflächenmikrostrukturen zu verbessern und Rolle-zu-Rolle-Nanolithografiemethoden anzuwenden. Dies wird es in Zukunft ermöglichen, nicht nur interstellare Forschungen durchzuführen, sondern auch Sonden in nur 4 Tagen zum Jupiter zu starten.