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Methoden zur Ueberwindung stellarer Distanzen

Gestern habe ich zufaelligerweise den Animationsfilm „Alien Planet“ von 2005 gesehen, eine Fernsehdokumentation, in der versucht wurde mit vom Computer generierten Filmsequenzen eine Sondenmission zu einem hypothetischen extrasolaren Planeten namens „Darwin 4“ in 6,5 Lichtjahren Entfernung nachzustellen [1]. Das Drehbuch beruht auf Zeichnungen des amerikanischen Kuenstlers Wayne Barlow, der in einem seiner Buecher 1990 [2] eine interstellare Forschungsreise umrissen hatte. Zu den Animationssequenzen von Alien Planet sind immer wieder die Kommentare einiger Wissenschaftler und Filmschaffender zu sehen, u.a. treten der Physiker Stephen Hawking und der Regisseur George Lucas auf. In Alien Planet geht es neben den hypothetischen Kreaturen vor allem um die irdische Explorationstechnik, in Form von robotischen Ballonsonden „Leo“ und „Ike“, Landefaehren (von denen eine aehnlich der Columbia 2003 beim Wiedereintritt verglueht) und einem interstellaren Mutterschiff namens „Von Braun“ [3].

Quelle: [1]

Der Film versucht auf eine bestimmte Art und Weise realistisch zu sein. Indem man behauptet, im Drehbuch keine Naturgesetze zu brechen, will man einen gewissen Realismus in die Bilder legen. Und doch, gleich am Anfang wird DER Kardinalfehler aller Traeume von interstellaren Reisen gemacht. Damit der Flug unbedingt innerhalb eines Menschenlebens stattfinden koennte und die Menschen, die beim Start der Sonde junge Wissenschaftler waeren, die Forschungsergebnisse noch als Alte erleben wuerden, laesst man im Drehbuch eine Spitzengeschwindigkeit von 20% der Lichtgeschwindigkeit zu, also 60.000 km/s, damit die Reise mitsamt Beschleunigungs- und Abbremsphasen von jeweils 21 Jahren nur 42 Jahre dauern wuerde und man, einer Sendezeit von 6,5 Jahren dazu addierend, nach 48,5 Jahren die ersten Bilder saehe.

Diese Flugzeiten verstossen jedoch gegen die Gesetze der Thermodynamik. Das Raumschiff wuerde bei einer so grossen Beschleunigung von 60.000 Kilometern pro Sekunde pro 21 Jahren oder umgerechnet 0.1 m/s² (ca. 10 mg [3a]), also etwa einem Hundertstel der Erdbeschleunigung, aufgrund seiner Eigenwaerme einfach vergluehen. Das klingt ungewohnt, ist aber einfache Physik und wird spaeter in diesem Text erklaert werden. Es sollte an dieser Stelle nur klar sein, dass 0.1m/s² und 20% Lichtgeschwindigkeit voellig willkuerliche Werte sind, die in dem Film einfach gut in das Drehbuch passen, mit der Wirklichkeit aber nicht im geringsten vereinbar sind. Es ist anscheinend sehr schwer, sich von der Zeitspanne eines Menschenlebens zu loesen.

Es gibt einen weiteren (sehr guten) Animationsfilm der BBC, ebenfalls von 2005: „Alien Worlds“ In diesem Film versuchen Wissenschaftler die Athmossphaere und das Leben auf zwei voellig unterschiedlichen extrasolaren Planeten zu simulieren: „Blue Moon“ und „Aurelia“ [4]. Diese Simulationen sind wesentlich besser als in Alien Planet gelungen und meteorologisch und biologisch fundierter. In Alien Worlds wird auf eine Reise zu fernen Planeten nicht eingegangen, es geht ausschliesslich um Exobiologie und (Exo-)Meteorologie.

Blue Moon, ein hypothetischer extrasolarer Mond voller Leben, der um einen fernen Jupiter aehnlichen Planeten kreist. Quelle: [4]

Der englische Autor Arthur C. Clarke hat 1986 in seiner Geschichte „The Songs of Distant Earth“ (Deutsch: Das Lied der fernen Erde) als erster realistisch interstellare Reisen beschrieben [5]. Er hat darauf hingewiesen, dass sich die Reisezeiten aufgrund thermodynamischer Grenzen und der damit verbundenen langen Beschleunigungszeiten, selbst wenn man mit hypothetischen Energiequellen hohe Endgeschwindigkeiten erreichen wuerde, niemals unter viele Jahrhunderte verkuerzen lassen werden. Auch machte er zum ersten Mal auf die Gefahr vereinzelter Atome im Hochvakuum des interstellaren Mediums aufmerksam, die bei extrem hohen Geschwindigkeiten von Prozenten der Lichtgeschwindigkeit aufgrund ihrer kinetischen Energie zu ernstzunehmenden Bomben werden, und mit entsprechenden Abwehrmassnahmen abgewehrt werden muessen. Er schlug vor, dazu ein Schild aus massivem Eis zu verwenden, das in seiner Geschichte vor dem Raumschiff „Magellan“ angebracht ist. Dieses Eisschild muss in dem Roman auf halber Strecke erneuert werden, weshalb die Magellan am Planeten „Thalassa“ halt macht. Auf Thalassa leben Menschen, deren Vorfahren dort einst von robotischen Saatschiffen von der Erde ausgesetzt wurden, aber ansonsten mit ihren Ahnen von der Erde wenig zu tun haben, und so entwickelt sich die Geschichte.

Arthur Clarkes „Lied der Fernen Erde“ von 1986 war wohl die erste realistische fiktionale Geschichte von interstellaren Reisen, Quelle: [5]

Der englische Pop-Musiker Mike Oldfield hat die Geschichte „The Songs of Distant Earth“ 1994 in Form eines Albums vertont [6]. Ich fing in dieser Zeit gerade an, Raumfahrttechnik in Berlin zu studieren, und las viel ueber hypothetische interstellare Raumfahrzeuge. Ich hoerte zufaelligerweise gerade Oldfields Platte – mehrmals am Tag, weil mir das Thema halt sehr gefiel, und ich schrieb Freunden lange Briefe ueber interstellare Reisen, als am 6. Oktober 1995 „51 Pegasi b“ [7] von Michel Mayor and Didier Queloz entdeckt und kurze Zeit darauf bestaetigt wurde. Es war passiert. Genau darauf hatten viele Wissenschaftler Jahrhunderte ihr ganzes Leben gewartet und ich Gluecklicher nur meine Kindheit und Jugend. Ich war mir dieses aeusserst grossen Gluecks der Geburt absolut bewusst und dementsprechend zutiefst dankbar.

Mike Oldfields Album „The Songs of Distant Earth“ widmet sich komplett der interstellaren Raumfahrt, Quelle: [6]

Mayor und Queloz nutzten die bekannte Methode der Messung der Radialgeschwindigkeit von Sternen, dabei erreichten sie jedoch zum ersten Mal eine Genauigkeit, die es ermoeglichte, die Bewegungen des Sterns aufgrund der Gravitationskraft eines seiner grossen Planeten zu beobachten. Der Beweis war erbracht: es gibt Planeten ausserhalb des Sonnensystems und ich war mehr als begeistert, zum Leidwesen meiner damaligen Kommilitonen, die teilweise eine andere historische Einschaetzung ihres Lebens besassen. Es war eine spannende und auch sehr schoene Zeit. Heute kennen wir ueber 1000 extrasolare Planeten und fast taeglich werden (mittlerweile mit den verschiedensten Methoden) neue extrasolare Planeten entdeckt. Die Wikipedia-Seite „Discoveries of Extrasolar Planets“ [8] zeigt einen schoenen Ueberblick ueber die Zunahme der bestaetigten Entdeckungen und das Hinzukommen immer neuer Verfahren. Schneider [9] hat eine gute Darstellung der damaligen Zeit, der ersten aufregenden Planetenentdeckungen in den Neunziger Jahren, geschrieben und erklaert in seinem Buch auch die angewandten Messmethoden.

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Zunahme der Entdeckungen extrasolarer Planeten und ihr Methoden nach Farben: blau – Radialgeschwindigkeit, gruen – Transit, rot – Direkte Fotografie, gold – Gravitationslinseneffekt, violett – Pulsartiming, Quelle: [8]

Mittlerweile sind unter all den vielen Entdeckungen extrasolarer Planeten auch Himmelskoerper dabei, die von ihrer Masse und der auf sie eintreffenden Sonnenstrahlung ungefaehr den Werten der Erde entsprechen. Es handelt sich bei diesen Planeten mit hoechster Wahrscheinlichkeit um belebte Himmelskoerper, wie das Leben dort auch immer aussehen mag. Von primitiven Einzellern in einem Ur-Ozean bis zu hochentwickelten Zivilisationen und allen Zwischenphasen ist prinzipiell alles denkbar. Der erdaehnlichste Planet ist zur Zeit „Kepler 22-b“ in 600 Lichtjahren Entfernung [10]. Er ist 2,4 mal groesser als die Erde und seine durchschnittliche Oberflaechentemperatur wurde mit 22°C berechnet. Damit beherbergt er mit hoher Wahrscheinlichkeit einen oder mehrere Ozeane. Weitere erdaehnliche Planeten koennten „Gliese 581 d“ in 20 Lichtjahren Entfernung [11] und „HD 85512 b“ in 37 Lichtjahren Entfernung [12] sein.

Kuenstlerische Darstellung von Keppler 22 b, Quelle: NASA AMES JPL Caltech

Es gibt also mittlerweile mehrere lohnenswerte Ziele um das Leben auf anderen Planeten zu untersuchen. Nur wie sollen wir dort hinkommen? Unsere heutigen Raumfahrzeuge erscheinen recht langsam. Die Menschheit (USA) hat bisher vier interstellare Raumfahrzeuge gestartet, das heisst per Definition Raumfahrzeuge, die das Schwerefeld der Sonne verlassen und nach langer Zeit an fernen Sternen vorbeifliegen werden: Pioneer-10, Pioneer-11, Voyager-1 und Voyager-2 [13][14][15][16]. Die Pioneer-Sonden sind mittlerweile ausgefallen, die Voyager-Sonden uebermitteln immer noch regelmaessig Daten ueber die Zusammensetzung des aeusseren Sonnensystems. Voraussichtlich ab 2014, wenn sie die Magnetopause der Sonne ueberschreiten, werden sie zum ersten Mal Daten ueber das interstellare Medium zur Erde senden [56]. In spaetestens einigen Jahrzehnten werden ihre radioisotopischen Plutoniumbatterien nicht mehr genuegend elektrische Leistung zur Verfuegung stellen koennen und die Voyager-Sonden werden dann ebenfalls ausfallen. Eigentlich waren die Pioneer- und Voyager-Sonden zur Untersuchung der fernen Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun gebaut worden, das sie jetzt noch zum Teil Daten ueber das interstellare Medium an die Erde senden koennen ist ein gluecklicher Nebeneffekt, den man durch die Ueberdimensionierung ihrer Nuklearbatterien gewonnen hat.

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Startdatum und jetzige (2012) Position der Pioneer- und Voyager-Sonden, Quelle [16]

Voyager-1 ist von allen interstellaren Raumschiffen nun am weitesten entfernt. Es befindet sich nach 35 Jahren Betriebszeit in einer Entfernung von 16,5 Lichtminuten oder 120 Astronomischen Einheiten oder 18 Milliarden Kilometern [57]. Bei einer Geschwindigkeit von 17km/s, wird Voyager-1 also fuer ein Lichtjahr (9,5 Billionen km) ca. 18 Tausend Jahre benoetigen, In etwa 40.000 Jahren wird Voyager-1 den Stern AC+79 3888  im Sternbild Giraffe passieren, der dann naeher zur Sonne stehen wird als Proxima Centauri heute.

Aufbau der Voyager Raumsonden, Quelle [17]

Wir haben also heutzutage mit Reisezeiten von 18 Tausend Jahren pro Lichtjahr zu rechnen, wenn wir also z.B. Gliese 581 d in 20 Lichtjahren Entfernung vor Ort untersuchen wollen, dann muessen wir mit 360 Tausend Jahren Reisezeit rechnen. Das erscheint erst einmal ziemlich lang. Diese Reisezeit fuer stellare Distanzen wesentlich abzukuerzen, waere also ein erstrebenswertes Ziel.

Physikalische Rahmenbedingungen

Entfernungen

Bevor ich auf verschieden Methoden zur Ueberwindung stellarer Distanzen im Detail eingehe, moechte ich kurz die physikalischen Rahmenbedingungen klaeren. Erst einmal haben wir es grundsaetzlich mit grossen Distanzen zu tun, der naechste Stern, Proxima Centauri ist 4,2 Lichtjahre entfernt, gefolgt von den Sternen Alpha Centauri (4,4 Lj), Barnard (6 Lj), Wolf 359 (7,8 Lj), Lalande 21185 (8,3 Lj), Sirius (8,6 Lj), Luyten 726-8 (8,8 Lj), WISE 1541-2250 (9,3 Lj), Ross 154 (9,7 Lj), Ross 248 (10,3 Lj), Epsilon Eridani (10,3 Lj), usw., nur um unsere 10 naechsten Nachbarwelten einmal benannt zu haben. Proxima Centauri bildet mit dem Doppelstern Alpha Centauri ein grosses Dreifachsystem. Sirius und Luyten sind ebenfalls Doppelsterne. In der folgenden Abbildung sind alle Nachbarwelten innerhalb von 14 Lichtjahren in ihrer raeumlichen Position mit angegebener Rektazension in Stunden und Entfernungsmarkierungen auf 5 Lj, 10 Lj und 15 Lichtjahren dargestellt. Die Deklination ist, um nicht vor lauter radialen Strahlen den Ueberblick zu verlieren, kartesisch dargestellt, man kann sich den Deklinationswinkel selber dazu denken.

Grafische Darstellung der Nachbarsterne der Sonne innerhalb von 14 Lichtjahren, Quelle [18]

Ein Lichtjahr sind etwa 9,5 Billionen Kilometer oder ausgeschrieben 9 500 000 000 000 km. Eine Astronomische Einheit (AE) entspricht der Distanz Sonne-Erde und entspricht 150 Millionen Kilometer, der entfernteste Planet Neptun befindet sich in 30 AE Distanz von der Sonne, ein Lichtjahr hat 63 Tausend AE.

Wenn wir uns ein Modell denken, bei dem die Sonne 1,4 mm Durchmesser hat, dann befindet sich die Erde in 15 cm Distanz, der Planet Jupiter in 75 cm und der entfernteste Planet Neptun in 450 cm Entfernung von der Sonne. In diesem Modell ist der naechste Stern Proxima Centauri etwa 42 km entfernt und Epsilon Eridani 103 km. Um auf unserer obige grafische Darstellung zurueck zu kommen: die Entfernungsringe waeren im Modell in 50 km, 100 km und in 150 km Entfernung von unserem Sonnensystem in der Mitte. Die Sonne waere ein Kuegelchen von 1,4 mm Durchmesser, unsere Erde gut ein Hundertstel Millimeter dick und 15 cm von der Sonne entfernt und die Sonde Voyager-1, kleiner als ein einzelnes Atom, befaende sich gerade in einer Distanz von 18 Metern vom Zentrum entfernt.

Voyager-1 befindet sich also in einer sehr einsamen Umgebung. Zwischen den Sternen, die in unserem Modell Millimeter gross sind, klaffen unendliche Raeume von vielen zehn Kilometern und dazwischen ist NICHTS. Bis in eine Entfernung von ein paar Metern kreisen die Planeten um die Sterne, Staubkoernchen, die man nur unter dem Lichtmikroskop sehen kann, wie die Erde, bis hin zu Zehntel Millimetern riesigen Gasriesen wie der Jupiter. Und zwischen den acht Planetenstaubkoernern ist auch NICHTS. Wuerde man in dem Modell innerhalb des Sonnensystems mit verbundenen Augen wild herumfuchtelnd so lange herumlaufen, bis man erschoepft waere, man wuerde wahrscheinlich keinen einzigen Planeten je beruehren, so leer ist es. Neptun braucht fuer einen Umlauf um die Sonne auf seiner annaehernden Kreisbahn mit 4,50 Metern Radius 165 Jahre. Er bewegt sich also mit knapp einem halben Millimeter pro Tag auf seiner Bahn weiter (entspricht in der Realitaet einer halben Million Kilometer pro Tag). Voyager-1 benoetigte bis in eine Modellentfernung von 18 Metern 35 Jahre. Voyager-1 ist also rasend schnell und durchmisst pro Tag fast 1,5 Millimeter und trotzdem braeuchte es bis zum naechsten Stern in 42 km Entfernung 42km/1,5mm/Tag = 28 Millionen Tage, also rund 76 Tausend Jahre. Das Licht, das absolut schnellste was es im Universum gibt, bewegt sich in unserem Modell mit 0,3 mm pro Sekunde oder einem Meter pro Stunde oder 24 Meter pro Tag. Bis zu den Nachbarsternen braucht es Jahre.

Jetzt wollen wir unser Modell wieder verlassen und wieder die wahren Entfernungs- und Geschwindigkeitsangaben nutzen. Ich hoffe jedoch sehr, dass das Modell beim Leser ein gewisses Gefuehl fuer die riesigen Entfernungen und damit verbundenen Zeitraeume wecken konnte.

Lichtgeschwindigkeit

Lichtgeschwindigkeit ist die absolut groesste Geschwindigkeit die Materie im Universum erreichen kann. Dies ergibt sich aus der Relativitaetstheorie, die eine absolute Grenzgeschwindigkeit fordert, als auch aus tausenden von sich gegenseitig bestaetigenden Messungen und ist damit eine der Grundfesten unserer heutigen Physik. Da elektromagnetische Wellen ebenfalls aus Materie bestehen, den Photonen, gilt diese Grenzgeschwindigkeit auch fuer alle Formen der Nachrichtenuebermittlung. Wenn wir also ein Funksignal von Kepler 22-b erhielten, dann waere dies vor 600 Jahren gesendet worden.

Carnotscher Wirkungsgrad

Carnot konnte zeigen, dass es einen maximalen Wirkungsgrad fuer jede Art von Energieumwandlung gibt, die nur von dem Temperaturverhaeltnis des Prozesses abhaengt. Dieser maximale Wirkungsgrad bestimmt absolut, wie viel der umgewandelten Energie in Form von Waerme mindestens abgegeben werden muss. Eine Ausnahme von diesem Gesetz, also ein Apparat der weniger Waerme und dafuer mehr mechanische Energie freisetzen wuerde, ergaebe implizit ein Perpetuum Mobile, denn man koennte dieses mehr an mechanischer Energie fuer den Selbsterhalt der Bewegung einsetzen. So etwas wurde bisher niemals beobachtet, Carnot hatte also Recht mit seinen Gesetzen von der Waermeabgabe von Prozessen. Das bedeutet in der Praxis, das man Vorkehrungen fuer eine ausreichende Kuehlung treffen muss, weil sonst die am Prozess beteiligten Werkstoffe durch die freiwerdende Waerme thermisch zerstoert werden. Dies gilt fuer Raketentriebwerke genauso wie fuer Verbrennungsmotoren, Elektromotoren, Akkumulatoren, Transistoren, Kernreaktoren, iPhones, Gluehbirnen, LED’s, Dampfturbinen und jedes andere technische Geraet, in dem Energie umgewandelt wird.

Das physikalische Gesetz der Lichtgeschwindigkeit als absolute Grenze wird von vielen futuristischen Autoren respektiert, der Carnotsche Wirkungsgrad, der mindestens genau so absolut und begrenzend ist, wird von den meisten Autoren jedoch trotzdem uebersehen, vielleicht weil seine Konsequenzen auf Menschen noch deprimierender wirken als die absolute Grenze der Lichtgeschwindigkeit. Die Autoren lassen also ein Perpetuum Mobile zu, nur damit ihr Phantasieraumschiff schnell genug am Ziel ankommt. Und so tut es auch der am Anfang erwaehnte Film ‚Alien Planet‘: die ‚Von Braun‘ waere ein Perpetuum Mobile, man muesste dazu den thermischen Prozess ihres Antriebes nur umkonfigurieren. Oder anders ausgedrueckt: sie ist einfach nur Unsinn. Auf realistisch machbare Beschleunigungen und Reisezeiten, die Carnot nicht widersprechen, gehe ich noch ein.

Kuehlung

Das Carnotsche Gesetz sagt uns Technikern, mit welcher Waermefreisetzung wir also mindestens zu rechnen haben. Diese Waerme muessen wir zuverlaessig abfuehren, sonst wird unsere Maschine nach kurzer Zeit komplett zerstoert. Diese Zerstoerung kann mehr oder weniger spektakulaer verlaufen. Bekanntestes Beispiel ist wohl die angsteinfloessende Kernschmelze eine nuklearen Reaktors.

Auf der Erde nutzen wir Ingenieure die folgende Methoden der Waermeabfuehrung von Energie freisetzenden Prozessen:

  • Konvektion: ein umgebendes Medium wird aktiv (Pumpen, Propeller, Gefaelle) oder passiv (Dichte in Verbindung mit Schwerkraft) um den Prozess geleitet, erwaermt sich dabei und fuehrt so die Waerme ab, z.B. wurde der alte Porsche 911 Boxermotor durch Konvektion mit Luft als Kuehlmedium gekuehlt. Aber auch Waermetauscher wie die Kuehler in wassergekuehlten Motoren arbeiten mit Konvektion. Im Automotor ist das Kuehlmedium oft Wasser, das das Oel und das Metall abkuehlt und die Waerme abfuehrt, im Kuehler ist das Kuehlmedium dann Luft, das wiederum das Kuehlwasser abkuehlt. Konvektion ist sicherlich die verbreitetste Kuehlmethode auf der Erde und die Abwaerme landet letztendlich immer in der Luft oder in Gewaessern.
  • Diffusion: ebenfalls eine Form der Waermeuebertragung mit einem Medium, diesmal durch ungerichteten Stofftransport. Ein passiv gekuehlter Mikrochip in der Raumstation ISS muesste sich so behelfen. Aufgrund der fehlenden Schwerkraft kann sich keine natuerliche Konvektion einstellen, da es keine leichtere und schwerere Luft gibt, die zu einem Luftstrom fuehren wuerde, trotzdem wuerde die Diffusion der Luftteilchen, ihre durch Erwaermung hervorgerufene ungerichtete Bewegung, zu einem gewissen Waermeabtransport fuehren.
  • Verdampfung: eine sehr intensive Methode der Kuehlung, ein Kuehlmedium, meist Wasser, wird zum Kochen gebracht und nimmt beim Phasenuebergang fluessig-gasfoermig sehr viel Waerme auf, z.B. im Kuehlturm eines Kraftwerks oder innerhalb eines Siedewasser-Kernreaktors
  • Ablationskuehlung: eine zerstoerungsbehaftete Form der Kuehlung fuer eine einmalige Anwendung, hier nimmt das Kuehlmaterial bei seiner chemischen Umwandlung sehr viel Waerme auf, meist in Form eines entstehenden Verbrennungsgases, das gleichzeitig die Waerme auch noch abfuehrt, z.B. bei Brandschutzanstrichen oder bei dem Hitzeschild von Rueckkehrkapseln in der Weltraumfahrt
  • Strahlung: jede Waerme wird natuerlicherweise zusaetzlich zu den anderen Kuehlmethoden auch durch elektromagnetische Strahlung (Infrarot) abgegeben. Hier gilt das Stefan-Boltzmann’sche Gesetz. Dies ist jedoch bei maessigen Temperaturen ohne ergaenzende Kuehlmethoden eine relativ ineffektive und flaechenintensive Loesung und wird daher in Reinform eher vermieden.

Im Weltraum entfallen die Konvektion und die Diffusion, weil es dort kein umgebendes Medium gibt. Wenn man keine Masse fuer die Kuehlung verlieren darf, dann bleibt letztendlich nur Strahlung als einzige Kuehlmoeglichkeit. Und das genau ist im heutigen Satellitenbau der Alltag der Ingenieure:

Mit der Waermestrahlung als einzige Kuehlmethode im Weltraum ergeben sich einige bauliche Konsequenzen fuer Raumfahrzeuge. So benoetigen Raumfahrzeuge immer einen ausgeglichenen Thermalhaushalt. Die selbe Waerme, die sie durch Sonneneinstrahlung und vor allem innere Abwaerme aufnehmen, muessen sie an anderer Stelle durch Waermestrahlung wieder abgeben. Es kommt ihnen zugute, dass nach dem Stefan-Boltzmann’schen Waermestrahlungsgesetz die abgefuehrte Strahlungswaerme mit der vierten Potenz der Temperatur steigt, somit stellt sich immer irgendwann ein thermisches Gleichgewicht ein. Dieses Gleichgewicht besteht aus dem Kirchhoffschen Strahlungsgleichgewicht und der zusaetzlichen von innen zugefuehrten Waerme.

Das Ziel fuer jedes Raumfluggeraet ist, das sich das thermische Gleichgewicht bei einer fuer den Betrieb praktikablen Temperatur einstellt, z.B. bei einer Temperatur, wo die Treibstoffe fluessig bleiben und nicht verdampfen oder einfrieren, oder bei einer Temperatur, wo sich Menschen wohl fuehlen, oder bei einer Temperatur, wo Mikrochips noch arbeiten koennen. Diese Gleichgewichtstemperatur ergibt sich aus dem Gesamtentwurf und kann zu einem spaeteren Zeitpunkt im Betrieb nicht mehr veraendert werden.

Extreme Kaelte und extreme Hitze

Um so weiter man sich von der Sonne entfernt, um so weniger Strahlungswaerme faellt von der Sonne auf das Raumfluggeraet, und umso mehr ist es auf seine eigenen Energiequellen angewiesen. Irgendwann entspricht das thermale Strahlungsgleichgewicht tiefsten Temperaturen von weniger als 50K oder -223°C. Wir haben also das Problem, dass uns unser Raumschiff mit abgeschaltenem Antrieb tief im Kryotemperaturbereich fuer immer einfriert, und auf der anderen Seite, mit eingeschaltenem Antrieb, schnell bei ueber 1600K weiss glueht und schmilzt, weil es seine innere Abwaerme nur schlecht abfuehren kann.

Die Loesung des Problems heisst, dass man seinen Antrieb die ganze Zeit bei geringer Leistung laufen laesst. Man beschleunigt langsam und gleichmaessig waehrend der ersten Haelfte der Reise, aber nur so sehr, dass die Werkstoffe durch die Carnotsche Verlustwaerme nicht ueberhitzen, und bremst genauso waehrend des zweiten Teils der Reise wieder ab. Bei antriebslosen Phasen muss die Energiequelle im Leerlauf weiterlaufen, um die Temperatur des Raumschiffs nicht zum absoluten Nullpunkt hin absinken zu lassen, weil eine Unterkuehlung ebenso wie eine Ueberhitzung den Totalverlust von Technik und Mission bedeutet.

Maximale Beschleunigung und minimale Flugzeiten

Man kann ziemlich genau ausrechnen, wie hoch die Leistung des Antriebs sein darf, wenn man eine bestimmte Temperatur des Raumschiffs nicht ueberschreiten will. Aus der Leistung des Antriebs ergibt sich wiederum ueber die Ausststroemgeschwindigkeit der Schub des Antriebs. Es ergeben sich bei Werkstoffen mit thermischer Belastbarkeit von 0,3 kW pro Kilogramm, was einem heutigen nuklearen Turbinenkraftwerk entspraeche, maximale Beschleunigungen von einem Hundertstel Milli-g (0,01 mg) bis zu 0,1 mg und bei hypothetischen Werkstoffen mit 10 kW/kg thermischer Belastbarkeit maximale Beschleunigungen von 0,1 mg bis 1 mg. Das g entspricht der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s².

Somit braeuchte man bei gleichmaessiger Beschleunigung von 0,1 mg, um 1% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, 97 Jahre und eine Flugstrecke von knapp einem Lichtjahr oder 61.000 AE. Nach weiteren 97 Jahren haette man das Raumschiff nach der selben zurueckgelegten Distanz wieder auf Null abgebremst. Wenn man z.B. nach Epsilon Eridani in 10,3 Lichtjahren fliegen wollte, muesste man dazwischen noch eine beschleunigungslose Freiflugphase von 8,4 Lichtjahren Wegstrecke und 836 Jahren Reisedauer einplanen. In diesen 836 Jahren muesste die Energiequelle zumindest genuegend Energie liefern, das das Raumschiff nicht in die Naehe des absoluten Nullpunkts tiefgekuehlt wird. Die Antriebsphase mit 0,1 mg waere – abgesehen von der grossen Hitze in den meisten Abteilungen des Raumschiffs – von der Freiflugphase von 0 g nicht spuerbar zu unterscheiden. Wenn man also eine kuenstliche Schwerkraft erreichen wollte, muesste man sich technische Loesungen einfallen lassen, wie z.B. an Speichen und Naben befestigte rotierende Gondeln, in denen sich die Raeume der Besatzung befaenden.

Haette man einen Antrieb, mit dem man sogar 5% der Lichtgeschwindigkeit erreichen koennte, wuerde man bei 0,1 mg Beschleunigung 485 Jahre brauchen um diese Geschwindigkeit zu erreichen, und dabei 24,3 Lj zuruecklegen. Ebenso lange und so weit waere dann die Abbremsphase. Nochmal: eine groessere Beschleunigung braechte das Raumschiff zum Vergluehen.

Jetzt koennte man einwenden, dass die grossen Traegerraketen doch Beschleunigungen von bis zu 10 g – das Hunderttausendfache von 0,1 mg – erreichen und trotzdem nicht vergluehen. Ja, aber sie arbeiten nur Minuten und nicht Jahrzehnte und vor allem stossen sie waehrend ihres Fluges in diesen Minuten hunderte von Tonnen Treibstoffgase aus, die den Grossteil der Waerme abfuehren, so dass nur ein kleiner Teil im System bleibt, der sich dort Minuten lang aufbauen kann, um dann wieder langsam ueber Stunden abgestrahlt zu werden. Ihr Treibstoff ist also gleichzeitig ihr Kuehlmittel; und Verdampfung und Konvektion des Treibstoffs sind wesentlich bessere Kuehlmethoden als reine Waermestrahlung. Unsere interstellaren Raumschiffe, die mit ihrem Treibstoff wesentlich besser haushalten und aus jedem Mol so viel Kernfusionsenergie wie ueberhaupt moeglich herausquetschen muessen, um die notwendigen hohen Ausstroemgeschwindigkeiten zu erreichen, koennen ihren Treibstoff nicht verschwenderisch zusaetzlich als Kuehlmittel nutzen, sonst kommen sie nicht weit.

Bei einem voellig euphorisch-optimistischen Szenario, man koennte sich eine unerschoepfliche Engergiequelle denken, wie Arthur C. Clarke in The Songs of Distant Earth, und mit diesem Antrieb immer naeher an die Lichtgeschwindigkeit herankommen, ausserdem wuerde man ein so heisses Raumschiff zulassen, das aus Werkstoffen besteht, die ueber Jahrhunderte bei Weissglut immer noch stabil blieben. Dann wuerde man hypothetisch ein weiss gluehendes Schiff mit 1 mg Dauerbeschleunigung 960 Jahre betreiben, bis 99% der Lichtgeschwindigkeit bei einer Distanz von 951 Lj erreicht waeren. Bei einer Geschwindigkeit von 99% der Lichtgeschwindigkeit tritt laut der Relativitaetstheorie eine merkliche Zeitdilatation von 1 zu 0,14 auf, und weitere Jahrhunderte der Reise wuerden an Bord nur jeweils 14 Jahre dauern, jedoch wuerde das Erreichen dieser Geschwindigkeit von 99% der Lichtgeschwindigkeit selbst mindestens 960 Jahre dauern, mit weniger hypothetischen Werkstoffen, z.B. nur bei Rotglut des Raumschiffs statt Weissglut, noch viel laenger, und daran laesst sich nichts aendern. Die Abbremsphase dauert nochmal so lang. Es liegt letztendlich am Carnotschen Wirkungsgrad und am Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz. Man kann es genausowenig aendern wie die Obergrenze der Lichtgeschwindigkeit. Reisen zu anderen Sternen werden immer viele Jahrhunderte bis einige Jahrtausende dauern, selbst bei Ausnutzung der Zeitdilatation. Von wenigen Jahrzehnten Flugzeit zu Traeumen ist aus der Sicht des Physikers genau so unphysikalisch wie von Antigravitation, Ueberlichtgeschwindigkeit und Zeitreisen.

Ziolkovskis Raketengrundgleichung

Um extrem hohe Endgeschwindigkeiten wie 1% oder sogar 5% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, muss man erstens, wie in der Raketentechnik ueblich, ein bestimmtes, hohes Massenverhaeltnis von Startmasse zu Brennschlussmasse gewaehrleisten, und zweitens zusaetzlich eine hohe Ausstroemgeschwindigkeit. Die hoechsten Ausstroemgeschwindigkeiten chemischer Antriebe liegen bei 4,5 km/s. Das reicht noch lange nicht. Elektrische Antriebe, z.B. Ionenantriebe werden heute mit bis zu 50 km/s Ausstroemgeschwindigkeit betrieben, mehrere hundert Kilometer pro Sekunde sind vorstellbar. Das reicht auch noch nicht. Thermonukleare Antriebe, die grosse Teile ihrer Explosionsenergie gerichtet – aehnlich einer Hohlladung – in eine Richtung abgeben, sind machbar und koennen damit je nach technischer Realisierung 750km/s bis 15.000km/s erreichen.

Der russische Lehrer Konstantin Ziolkovski hat Anfang des 20. Jahrhunderts eine Gleichung aufgestellt, die als Raketengrundgleichung bekannt ist. Sie gibt an, welche Endgeschwindigkeit ein Flugkoerper bei gegebenem Massenverhaeltnis von Startmasse zu Brennschlussmasse und gegebener Ausstroemgeschwindigkeit des Impulsmediums theoretisch maximal erreichen kann. Man addiert erst einmal alle Flugphasen mit Impulsveraenderungen zusammen. Wenn man z.B. 1% der Lichtgeschwindigkeit – also 3000 km/s – erreichen will und wieder auf Null abbremsen will, muss man 3000 km/s fuer die Beschleunigungsphase und 3000 km/s fuer die Abbremsphase mit seinem Antrieb aufbringen, das sind zusammen 6000 km/s. Man nennt diese Summe das Delta V oder kurz ΔV. Delta steht hier fuer ein Inkrement und V fuer das englische Wort fuer Geschwindigkeit – Velocity, zusammen das Geschwindigkeitsinkrement.

Zum Beispiel braeuchte eine thermonukleare Rakete mit 750 km/s Ausstroemgeschwindigkeit, um ein Geschwindigkeitsinkrement ΔV von 6000 km/s zu erreichen (Spitzengeschwindigkeit 3000 km/s, also 1% der Lichtgeschwindigkeit, einmal 3000 km/s zum Ende der Beschleunigungsphase und dann wieder 3000 km/s zum Abbremsen, zusammen 6000 km/s Geschwindigkeitsinkrement ), nach der Ziolkovsk’schen Raketengrundgleichung ein Massenverhaeltnis von 2980, was voellig unmoeglich ist. Koennte ihr Antrieb eine Ausstroemgeschwindigkeit von 1500 km/s liefern, waere nach der selben Gleichung ein Massenverhaeltnis von 55 notwendig. Die Konstruktion waere noch zu filigran. Jedes langsame Wendemanoever koennte sie schon zum Zerreissen bringen. Mit einer Ausstroemgeschwindigkeit von 2000 km/s waere das notwendige Massenverhaeltnis 20 und damit bei den auftretenden geringen Beschleunigungen ohne weiteres technisch machbar. Koennte der Antrieb vielleicht eine Ausstroemgeschwindigkeit von 3000 km/s liefern, waere z.B. nur ein Massenverhaeltnis von 7,4 notwendig, um das gegebene ΔV von 6000 km/s zu erreichen.

Um 5% der Lichtgeschwindigkeit (15.000 km/s) zu erreichen und danach wieder abzubremsen, waere ein ΔV von 30.000 km/s aufzubringen. Mit einer Ausstroemgeschwindigkeit von hohen 3000 km/s waere das notwendige Massenverhaeltnis 22.000 – also voellig unmoeglich zu realisieren. Erst mit einer Ausstroemgeschwindigkeit von 10.000 km/s waere das notwendige Massenverhaeltnis 20 und damit machbar. Um 5% statt 1% der Lichtgeschwindigkeit aufzubringen waere also noch einmal ein gewaltiger (ueberhaupt denkbarer?) Sprung in der thermonuklearen Antriebstechnologie von 2000 km/s bis auf 10.000 km/s Ausstroemgeschwindigkeit notwendig.

Kinetische Energie

Bei einem Prozent der Lichtgeschwindigkeit – also 3000 km/s – hat ein Milligramm die selbe kinetische Energie (9 Megajoule) wie eine 100 Kilogramm schwere Granate, die mit Schallgeschwindigkeit (aber ohne Sprengladung) im Ziel einschlaegt. Bei 5% der Lichtgeschwindigkeit hat das Milligramm-Sandkorn schon die 25-fache kinetische Energie (225 MJ), was nun schon einer 2,5 Tonnen schweren Granate entspraeche, die mit Schallgeschwindigkeit einschlaegt.

Es muesste aber kein Milligramm schweres Sandkorn sein, auch einzelne Wasserstoffatome haetten mit der Zeit eine starke Errosionswirkung. Die einzige bekannte Loesung gegen das Problem eines vereinzelten Staubkorns oder des staendigen atomaren Beschusses ist ein massives Schild. Dieses muss um so dicker sein, je laenger die Reise dauert, je weniger duenn das interstellare Medium ist, und vor allem je schneller das Fahrzeug sich bewegt. Da die Geschwindigkeit quadratisch in die kinetische Energie einfliesst, hat man mit jeder Verdoppelung der Geschwindigkeit eine Vervierfachung der kinetischen Energie zu erwarten.

Strahlung

Im interstellaren Medium herrscht eine harte kosmische Strahlung. Auf der Erde sind wir durch folgende natuerliche Einrichtungen vor der kosmischen Strahlung geschuetzt:

  • die Dichte unserer Atmosphaere
  • das Magnetfeld der Erde
  • und vor allem das Magnetfeld der Sonne

Im interstellaren Medium jenseits der Magnetopause des Magnetfelds der Sonne entfallen diese drei Schutzmechanismen und alles Leben und alle Technik sind der reinen, harten Strahlung ausgesetzt, die aus verschiedenen Quellen auf sie eindringt: Neutronensterne, Schwarze Loecher, Supernovae, kosmische Jets, galaktische Kerne.

Diese Strahlung kann nur durch entsprechend dicke Materialien von den strahlungsempfindlichen Teilen des Raumschiff ferngehalten werden. Jedes Material besitzt eine bestimmte Halbwertsdicke, dies ist die Staerke des Materials, die notwendig ist, die Strahlungsbelastung zu halbieren. So hat zum Beispiel Wasser eine Halbwertsdicke von 14 cm, Beton von 9 cm und Blei von 1,4 cm. So braucht man fernab der Sonne im interstellaren Medium z.B. eine etwa 3 m dicke Eis- oder 2 m dicke Beton-Ummantelung der strahlungsempfindlichen Teile des Raumschiffs, damit diese ungefaehr der irdischen Strahlungsbelastung ausgesetzt sind.

Energiequellen

Die vier physikalischen Grundkraefte im Universum sind die Gravitation, die Elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft, verantwortlich fuer den Zusammenhalt der Protonen, und die schwache Kernkraft, verantwortlich fuer den radioaktiven Zerfall. Weitere Kraefte sind der Physik nicht bekannt.

Die einzige Energiequelle, die wir Menschen uns nutzbar machen koennen, ist die Kernkraft! Das muss man sich einmal auf der Zunge zergehen lassen. Denn schliesslich sind alle bekannten Energiequellen wie Sonnenstrahlung, Kohle, Oel, Gas, Windenergie, Wasserkraft, etc., indirekte, bereits anderweitig umgesetzte Formen einer einzigen Quelle: der Kernfusionsenergie unseres Sterns, der Sonne. Wir koennen diese Kernenergie aber auch mittlerweile direkt herbeifuehren: ueber Kernzerfall, Kernspaltung, Kernfusion. Bis heute wurde nie eine andere Energiequelle ausser der Kernkraft entdeckt. Gravitation oder Elektromagnetismus, die beiden anderen bekannten Grundkraefte des Universums, sind keine Energiequellen [54].

Da alle indirekten Methoden der Kernkraftgewinnung im tiefen Weltraum entfallen, bleiben dort nur die direkten technische Methoden der Energiegewinnung:

  • Kernzerfall (Radioisotopen-Batterien)
  • Kernfission (Kernspaltungsreaktoren)
  • Kernfusion (Kernverschmelzung, Thermonukleare Verbrennung)

Wir beherrschen heute alle drei dieser Methoden, wobei wir bisher die Kernfusion nur durch thermische Zuendung mit Hilfe von Kernspaltungsbomben initiieren koennen. Wir werden im naechsten Unterkapitel sehen, dass diese Technologie als Antrieb fuer stellare Raumschiffe nicht nur ausreichend, sondern geradezu ideal ist.

Eine der toedlichsten Waffen ueberhaupt aber auch das wahrscheinlichst groesste Geschenk der Natur: die nukleare Wasserstoffverbrennung – Lebensspender in der Sonne und einzige Energiequelle fuer Reisen zu den Sternen, Foto: Operation Castle, Bravo Test, 15 Mt, Bikini Atoll, 1.3.1954 [19]

Physikalisch machbare Antriebstechniken

Aus den bisherigen Ueberlegungen zu den absoluten physikalischen Grenzen kann man nun die folgenden allgemeinen technischen Empfehlungen fuer interstellare Raumschiffe und ihre Antriebe ableiten:

Das Problem der Waermeabfuhr, die im freien Weltraum letztendlich nur ueber Waermestrahlung erfolgen kann, in Verbindung mit der durch den Carnotschen Wirkungsgrad gegebenen mindest erzeugten Prozesswaerme, fuehrt zu dem Ergebnis, dass die Leistungsfreisetzung und damit die Beschleunigung des Raumschiffs nach oben hin ultimativ begrenzt ist, wenn es nicht aufgrund seiner eigenen Abwaerme vergluehen soll. Diese auf etwa die Groessenordnung 0,1 mg begrenzte Beschleunigung, also ein Zehntausendstel der Erdbeschleunigung, bei dem das Raumschiff dann durch seine Eigenwaerme etwa Rotglut erreicht, fuehrt zu Beschleunigungszeiten von 97 Jahren oder mehr, zum Erreichen einer Geschwindigkeit von 1% der Lichtgeschwindigkeit.

Um 1% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen und diese (extrem hohe!) Geschwindigkeit auch wider abzubremsen, benoetigt man bei einem Massenverhaeltnis von Startmasse zu Brennschlussmasse von 20 immerhin einen Antrieb mit einer Ausstroemgeschwindigkeit von 2000 km/s. Dies ergibt sich direkt aus der Ziolkovski’schen Gleichung.

Solch hohe Ausstroemgeschwindigkeiten koennen in der Theorie nur Kernfusions-Braende erzielen (theoretisch 750 km/s .. 15.000 km/s). Die beiden anderen physikalisch moeglichen Energiequellen neben der Kernfusion – die Kernspaltung und der Kernzerfall – erreichen solche Ausstroemgeschwindigkeiten schon in der Theorie nicht und entfallen damit.

Um einen Antrieb zu bauen, der Kernfusionsenergie bereitstellt und moeglichst viel der freiwerdenden Energie zu einem Strahl ausgerichtet abgibt, gibt es heute einige denkbare Wege, die ich nach ihrer Schwierigkeit von leichter nach schwerer ordne:

  1. Gepulste Kernfusion mit thermonuklearer Zuendung durch Kernspaltung. „Thermonukleare Hohlladungen“. Kleine Kernspaltungsbomben zuenden groessere Wasserstoffbomben, die den Grossteil ihrer Energie gerichtet abgeben. Die Ausrichtung des Antriebsstrahls erfolgt mit Hilfe der Gesetze der Quantenelektrodynamik. Damit ist die Erzeugung eines gebuendelten Strahls ohne den Einsatz einer Brennkammer oder Duese moeglich. Ein Schild schuetzt das Raumschiff vor der thermischen, optischen und radioaktiven Strahlung und nimmt einseitig den Impuls des gebuendelten elektromagnetischen Dipols auf. Die Verbrennung des nuklearen Treibstoffs erfolgt mit einigem Abstand ausserhalb der Huelle des Raumschiffs. Probleme sind hier der teure Zuendbrennstoff, z.B. Plutonium 239, und der Oeffnungswinkel des Dipols, also des gerichteten, nuklearen Verbrennungsstrahls. Der groesste Vorteil eines solchen interstellaren Antriebs: er ist mit den heutigen Moeglichkeiten jederzeit machbar. Fuer den Bau nuklearer Laser wurde diese Technik waehrend des fruehen SDI-Projektes [55] ausgiebig erforscht.
  2. Gepulste Kernfusion mit chemisch-elektrischer Zuendung. „Pure Fusion Bomb“. Durch geschickte geometrische Anordnung wird im Zentrum einer chemischen Hohlladung ein elektrisch erzeugtes Plasma zur Fusion gebracht. Dieses zuendet in einer weiteren Stufe eine groessere Fusionsladung, die wiederum als Zuendstufe der eigentlichen Fusionbombe dient. Fuer diese Fusionsbombe gilt alles ueber Typ 1 gesagte, also die quantenelektrodynamische Buendelung zu einem Strahl und der Wegfall von Brennkammer und Duese. Vorteil gegenueber Typ 1 waere die reine Fusionsenergiequelle ohne Kernspaltung zur Zuendung der Kernfusion. Der Nachteil waere, dass er etwas weniger effizient als Typ 1 waere, weil sein Zuendmechanismus vermutlich wesentlich massereicher waere. Weil man ihn bei Verbrennung eines Stuetzmediums zur Schuberhoehung auch fuer Schwerlast-Plattformen [59], die von der Erde aus starten, nutzen koennte, die wiederum den Bau gigantischen interstellarer Raumschiffe in der Erdumlaufbahn ermoeglichten, wuerde dieser Antrieb die interstellare Raumfahrt letztendlich ermoeglichen. Seit dem Untergang der Sowjetunion wird darueber spekuliert, ob solche Waffen wie die „Pure Fusion Bomb“ damals in den Umlauf geraten sind und heute bereits in den Arsenalen aller politischen Lager existieren [58]. Wenn diese Waffen existierten, dann waere interstellare Raumfahrt heute definitiv in unserer Reichweite.
  3. Durch Laser gezuendete, gepulste Kernfusion. Viele Laserstrahlen komprimieren und zuenden kleine Kugeln aus fusionsfaehigem Brennstoff. Diese Minibomben werden in einer elektromagnetischen Brennkammer abgebrannt und ihre Millionen Grad heissen Verbrennungsprodukte (Plasma) mit Hilfe einer elektromagnetischen Duese zu einem Strahl gerichtet. Vorteil gegenueber Typ 1 waere wie bei Typ 2 die reine Fusionsenergiequelle ohne Kernspaltung zur Zuendung der Kernfusion. Der Nachteil waere die elektromagnetische Duese zur Buendelung, die Gegenueber den Typen 1 und 2, welche ohne Duese buendeln, einen Verlust mit sich braechte, und der grosse Energieverlust bei der aufwendigen elektrischen Laserzuendung. Der Zuendmechanismus waere hier leider eine gigantische Maschine, die durch ihre Masse die Effizienz des Antriebes unterm Strich erst einmal stark herabsetzen wuerde. Ausserdem ist dieser Antrieb heute noch nicht machbar, weil die Zuendung des Brennstoffs durch die Laserstrahlen, die Energiegewinnung aus dem Prozess heraus fuer die Laserstrahlen, und die Effizienz (Break Even Problematik) allesamt noch ungeloeste Probleme darstellen. Manche Physiker sind mittlerweile, nach 40 Jahren ergebnisloser Erforschung der Laserfusion, der festen Ueberzeugung, dass dieser Weg zur Kernfusion niemals zum Erfolg fuehren wird [58]. In einem Youtube-Trickfilm [20] wird die prinzipielle Funktionsweise dieses Antriebs schoen erklaert.
  4. Kontinuierliche Kernfusion mit einmaliger thermischer Zuendung durch Kernspaltung. Ein elektromagnetischer Gaskern-Spaltungsreaktor wird weiter und weiter durch die Zugabe von spaltfaehigem Brennstoff erhitzt, bis sein Plasma die notwendige Temperatur fuer eine Kernfusion erreicht, danach wird ihm fusionsfaehiger Brennstoff zugefuehrt. Diese Kernfusion haelt sich nun selber aufrecht. Ein kleiner Teil verlaesst die Brennkammer staendig ueber eine  elektromagnetische Duese und wird durch die Zufuhr neuen, unverbrannten Treibstoffs ersetzt. Vorteil gegenueber Typ 1 waere die reine Fusionsenergiequelle nach nur einer einmaligen Zuendung durch Kernspaltung. Vorteil gegenueber Typ 3 waere der Wegfall der aufwendigen Laserzuendung und damit eine wesentlich hoehere Effizienz. Der Nachteil waere die elektromagnetische Duese zur Buendelung, die wie bei Typ 3 einen Leistungsverlust mit sich braechte. Das groesste Problem diesese Ansatzes ist auch das groesste Problem der heutigen Tokamak- oder Stellarator-Forschungsreaktoren: wie soll der verbrannte vom unverbranntem Fusionsbrennstoff sauber getrennt werden? Dies ist ein seit 50 Jahren bis heute ungeloestes Problem der Fusionsforschung und viele Physiker glauben mittlerweile, dass der Ansatz einer kontinuierlichen Fusion in einer elektromagnetischen Kammer, ob Tokamak, Stellarator oder der hier erwaehnte Gaskernreaktor, grundsaetzlich nicht machbar ist [58].

Gehen wir einmal davon aus, dass jeder dieser moeglichen Fusionsantriebe irgendwann in der nahen bis fernen Zukunft einmal gebaut werden wird. Fuer alle erwaehnten Antriebe gilt: je groesser diese Antriebe ausgefuehrt wuerden, desto groesser waere ihre Effizienz und damit ihre Ausstroemgeschwindigkeit. Das liegt einfach daran, weil der Anteil an Impuls raubenden Zuendmechanismen im Verhaeltnis immer kleiner wuerde. Die hoechste Effektivitaet und Austroemgeschwindigkeit wird dann erreicht, wenn der notwendige Aufwand fuer eine bestimmte Fusionsenergiemenge am geringsten ist. Alles was nicht unmittelbar zur Fusionsenergie beitraegt, also kein Deuterium oder Tritium ist, jede notwendige Apparatur und jeder unterstuetzende Prozess verringert den theoretisch maximalen Wirkungsgrad und die theoretisch maximale Ausstroemgeschwindigkeit.

Die hoechsten Ausstroemgeschwindigkeiten wuerden wahrscheinlich die Antriebe Typ 1 und 2 erreichen, da sie ihre gesamte Energie durch die Naturgesetze der Quantenelektrodynamik im Blitz einer Kernexplosion – ohne den Einsatz einer aufwendigen und energiehungrigen elektromagnetischen Duese – gerichtet abgeben koennen. Und wie bereits erwaehnt: der Antrieb vom Typ 1 existiert heute bereits. Antrieb Typ 3 wird wohl aufgrund der aufwendigen Zuendung ueber den Umweg elektrisch induzierter Teilchen- oder Laserstrahlen immer der ineffektivste bleiben. Der Antrieb vom Typ 4 koennte interessant werden, wenn ein begnadeter Erfinder eines Tages das Problem der Trennung von frischem Brennstoff und Abbrand loesen wuerde. Bis dahin bleibt Typ 2 auf jeden Fall der interessanteste, denn seine technischen Probleme erscheinen aus heutiger Sicht viel weniger schwer zu loesen, als die der Typen 3 und 4.

Wenn wir einmal von der Geruechtekueche absehen, wird wohl allein die Zukunft zeigen, welche Fusionquelle neben der bereits existierenden Thermonuklearen Fusion (Typ 1) als zweite erscheinen wird: Typ 2, Typ 3 oder Typ 4? Oder anders ausgedrueckt: die „Pure Fusion Bomb“, die Laserfusion oder die Tokamak-Kernfusion?

Welcher der Antriebe die hoechste Endgeschwindigkeit ermoeglichen wuerde, ist schwer zu sagen, denn die entscheidende Frage dazu wird sein: welchen der Antriebe kann man ueberhaupt am groessten Bauen? Ich tippe auf Typ 2, denn ich denke, alles was keine umhuellende Brennkammer und Duese benoetigt, wird hier klar im Vorteil sein, auch glaube ich dass Typ 1 ab einer gewissen Groesse und Haeufigkeit wegen der wertvollen Zuendbrennstoffe (Plutonium oder Uran-235) zum Kostenproblem wird. Aber vielleicht spielt es auch ueberhaupt keine Rolle ob 1% oder 5% der Lichtgeschwindikeit mit einem Antrieb erreichbar waeren. Das oben erwaehnte Problem der hohen kinetischen Energie von auf das Raumschiff auftreffenden Atomen und Staubpartikeln machen es fraglich, ob der Aufwand, einen schnelleren Antrieb zu bauen, ueberhaupt lohnt. Das vor sich her zu schiebende Schild wird immer robuster und schwerer werden, so dass das Massenverhaeltnis des Raumschiffs immer schlechter wird. Es kann sogar sein, dass ein Optimum existiert, das weit unter 1% der Lichtgeschwindigkeit liegt.

Wir wollen bei unseren Gedankenspielen einmal annehmen, es waeren alle genannten Antriebstechniken physikalisch und technisch moeglich und irgendwann einmal verfuegbar (Typ 1 gibt es ja bereits). Wir wollen weiter annehmen, damit waeren zwischen 1% und 5% der Lichtgeschwindigkeit erreichbar, und das Optimum zwischen Schildmasse und Antrieb laege bei hoeheren Geschwindigkeiten groesser oder gleich 5% der Lichtgeschwindigkeit.

Projekt Orion

Aus dem Forschungsprojekt Orion heraus wurde 1968 der interstellare Antrieb Typ 1 – Gepulste Kernfusion mit thermonuklearer Zuendung durch Kernspaltung durch den Physiker Freeman Dyson erfunden. Bereits 1946 war im Atomwaffen-Forschungszentrum von Los Alamos USA der erste Vorschlag fuer ein Raumschiff mit einem Antrieb aus gepulsten atomaren Detonationen vorgeschlagen worden. Erste Auslegungsberechungen fanden 1947 statt, ein finanziertes Forschungsprojekt begann aber erst 1958. Leider kam es 1963 zu dem internationalen Vertrag zum Verbot von Nuklearwaffentests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser [22], den auch die USA ratifizierten und daraufhin wurden 1965 die weiteren Forschungen am Projekt Orion eingestellt. Bis dahin waren die Forschungen abwechselnd von der ARPA, der Air Force und NASA finanziert worden [22]. Der Verbotsvertrag haette natuerlich eine Ausnahme fuer Raumflugantriebe beinhalten muessen. Der Vertrag wird aber sicherlich bald nachgebessert werden, wenn das Interesse an interstellarer Raumfahrttechnik durch die neuen Entdeckungen erdaehnlicher extrasolarer Planeten weiter steigt. Und das wird es; spaetestens wenn wir Teleskope im Weltraum stationieren, die die genauen Athmosphaerenzusammensetzungen dieser Planeten spektrometrisch aufloesen koennen.

Urspruenglich war die Orion-Technologie fuer die interplanetare Raumfahrt gedacht gewesen und es wurden im Entwurf Kernspaltungs-Detonationen als Antriebsquelle genutzt. Diese Detonationen sollten gepulst kurz hintereinander erfolgen und das Raumschiff damit effektiv vorantreiben. Die BBC hat einen sehr guten Dokumentarfilm zum Projekt Orion und den Antrieb mit Hilfe von Atombombenexplosionen gemacht, er ist hier auf Youtube zu sehen [22a]. Der grosse Vorteil der nuklearen Detonationen gegenueber anderen Raumflugantrieben war der, das sie aufgrund ihrer immensen thermischen Leistung als einzige eine Kombination zwischen grosser Ausstroemgeschwindigkeit im Bereich von vielen Zehn Kilometern pro Sekunde und grossem Schub im Bereich von vielen Tonnen zuliessen, wozu alle anderen Antriebe aufgrund grundlegender physikalischer Zusammenhaenge nicht faehig sind. Man kann mit typischen gegebenen Leistungen entweder hohe Schuebe oder hohe Austroemgeschwindigkeiten erreichen, aber nie in der Kombination von beidem. Dies geht ausschliesslich und allein mit nuklearen Detonationen [23]. In der folgenden Abbildung ist einer der letzten Detailentwuerfe aus der Mitte der sechziger Jahre zu sehen.

Der Teilaufriss des Orion Raumschiffs mit nuklearem Pulsantrieb, Quelle [24]

Die naechste Abbildung zeigt, wie ein einzelner Detonator im Detail geplant war. Von diesen Treibladungen haette das Raumschiff einige Hundert besessen, die durch einen Kanal am Ende ausgestossen worden waeren, und dann kurz hinter dem Raumschiff gezuendet worden waeren. Da es sich um Hohlladungen handelte, waeren die meisten Verbrennungsprodukte in Form eines Millionen Grad heissen Plasmastrahls in die entgegengesetzte Richtung weggeschleudert worden. Damit wurde eine optimale Nutzung des Impulses der nuklearen Detonation gewaehrleistet. Der Plasmastrahl haette als Basis einen nach allen Seiten abgelenkten Feuerstrahl auf dem Pusher ausgebildet und so das Raumschiff vorangetrieben. Nach jeder Detonation haette man eine gewisse Zeit warten muessen, bis der Pusher fuer den naechsten Einsatz wieder genuegend abgekuehlt gewesen waere.

Aufriss der nuklearen Hohlladung. Das Nuclear Device ist die Atombombe, Propellant ist das Stuetzmittel, das beim interplanetaren Orion-Entwurf der Schuberhoehung und gleichzeitig der Kuehlung dient. Im interstellaren Entwurf entfaellt dieses Stuetzmittel, die Atombombe wird gegen eine Thermonuklearbombe getauscht und die Pulsfrequenz stark verringert, um eine Ueberhitzung des Raumschiffs zu vermeiden. Quelle: [24]

1968 erweiterte der Physiker Freeman Dyson, der Ende der Fuenfziger selbst fuer ein Jahr am Orion-Projekt beteiligt gewesen war, den Entwurf um thermonukleare Detonationen, also nuklearer Wasserstoffverbrennung, um damit die moegliche Ausstroemgeschwindigkeit des gerichteten Plasmaballs wesentlich zu erhoehen. Seine grundsaetzliche Idee war: was mit Kernspaltungs-Detonatoren ginge, koennte man natuerlich genauso mit thermonuklearen Detonatoren umsetzen. Hierbei wuerden theoretisch Ausstroemgeschwindigkeiten des Plasmastrahls von 750 km/s bis 15.000 km/s erreicht werden. Damit wurde 1968 das erste prinzipiell funktionsfaehige interstellare Raumschiff auf dem Papier erschaffen [27]. Dieses interstellare Raumschiff war mit der vorhandenen Technik von 1968 jederzeit baubar, nur brauchte es und wollte es niemand und somit verschwand es wieder in den Schubladen. Mit der Entdeckung neuer Erden koennte sich das bald aendern.

Ein neuerer Entwurf eines auf dem Orion-Projekt basierenden schnellen interplanetaren Abfangschiffs zur Kometenabwehr. Entwurf der EPPP Gruppe, Quelle: NASA 1999

Da man den interstellaren Pulsantrieb nach dem Orion-Dyson’schen Prinzip seit 1968 technisch umsetzen und produzieren kann, ist er natuerlich heute im Jahr 2012 noch einfacher und effektiver gestaltbar als damals. Daher gilt dieser Antrieb in eingeweihten Fachkreisen heutzutage als die „Standardtechnik“ fuer interstellare Antriebe [18].

Der Entwurf eines interplanetaren Forschungsschiffs auf dem Weg zu den Monden des Jupiter. Entwurf der EPPP Gruppe, Quelle: NASA 1999

Die NASA hat eine kleine Projektgruppe gegründet, die External Pulsed Plasma Propulsion (EPPP) Gruppe, die sich Ende der 90er Jahre wieder mit einem nuklearen Pulsantrieb beschäftigte. Der eigentliche Anlass fuer diese Forschungen war aber nicht die interstellare Raumfahrt sondern die Abwehr von Asteroideneinschlaegen auf der Erde. Hierzu waere ein Raumschiff mit thermonuklearem Pulsantrieb natuerlich ideal, da es erstens die einzig machbare Kombination von grossem Schub und hoher Ausstroemgeschwindigkeit zur Verfuegung stellt, und damit in der Lage ist, Asteroiden wie ein Schlepper zu bugsieren, zweitens ueber eine unvergleichlich grosse Reisegeschwindigkeit und Reichweite verfuegt und Asteroiden damit sehr frueh abfangen kann, und drittens – praktischerweise – die nuklearen Geraete zum eventuellen Sprengen von Asteroiden als letzte Chance (wenn es zum Wegbugsieren auf eine andere Bahn zu spaet ist) in sehr grosser Zahl sowieso immer mit an Bord fuehrt. Ein Nebenprodukt der Forschungen dieser Gruppe war der Vorschlag fuer ein interplanetares Forschungsraumschiff mit thermonuklearem Pulsantrieb (siehe Abbildung).

Daedalus, Ikarus und Longshot

Das Projekt Daedalus der British Interplanetary Society wurde zwischen 1973 und 1978 von einigen Freiwilligen in ihrer Freizeit durchgefuehrt und endete mit dem detaillierten Vorschlag fuer eine interstellare Sonde von 54.000 Tonnen Startmasse. Ihr Antrieb ist in meiner Liste die Typ 3 – Durch Laser gezuendete, gepulste Kernfusion. Im Fall von Daedalus waren die Laser jedoch Elektronenstrahlen, die kleine 2 cm bis 4 cm grosse Deuterium-Helium-3 Pellets in einer geschlossenen Brennkammer zur Traegheitsfusion bringen sollten. Das entstehende heisse Plasma sollte dann durch Magnetfeldduesen nach Aussen entspannt werden. Um einen bestimmten Schub zu erzeugen sollten 250 Pellets pro Sekunde in dem Raumschiff fusioniert werden. Rund 17% des Brennstoffs eines Pellets sollten dabei fusionieren, der Rest sollte als Stuetzmasse dienen. Das sich entspannende Plasma sollte in elektrischen Spulen um die Duesen durch den magnetohydrodynamischen (MHD) Effekt die Energie fuer das Raumschiff, vor allem die Elektronenstrahlen zur Zuendung der Fusion, liefern. Dabei erhoffte man sich gewaltige Ausstroemgeschwindigkeiten von 10.000 km/s und wollte in nur knapp vier Jahren Beschleunigungszeit auf 12% der Lichtgeschwindigkeit kommen [25]. Da man nicht beabsichtigte im Zielsystem (Barnards Stern) abzubremsen, entsprach dies einem ΔV von 36.000 km/s und einem Massenverhaeltnis von 37.

Projekt Daedalus in einer sehr einfachen Darstellung, Quelle [26]

Um die thermischen Probleme in den Griff zu bekommen und nicht aufgrund der Aufheizung des Raumschiffs langsam ueber Jahrhunderte beschleunigen zu muessen, wie dies voellig richtig in Freeman Dysons interstellaren Orion-Entwurf berechnet wurde [27], war man bei Daedalus bereit, in der Theorie einen grossen Teil des Treibstoffs als Stuetzmasse zum Kuehlen zu verschwenden, und erkaufte sich dies mit einem gigantischen Startgewicht von 54.000 Tonnen wovon 50.000 Tonnen aus den Treibstoffen Deuterium und Helium-3 bestanden. Aber hier liegt der entscheidende Denkfehler. Durch diese Stuetzmasse koennte der Treibstoff niemals nur annaehernd auf seine theoretische Ausstroemgeschwindigkeit gebracht werden, weil das Plasma vor allem mit dem Aufheizen und Beschleunigen der grossen Mengen an nichtfusionierter Stuetzmasse beschaeftigt waere, welche die noch groesseren Mengen an thermischer Energie abfuehren muessten, anstatt seine ganze thermische Plasmaenergie in Ausstroemgeschwindigkeit umzuwandeln, wie dies ein guter Raketenmotor tun sollte. Daedalus funktioniert nicht. Entweder man hat die hohe Ausstroemgeschwindigkeit und die thermischen, die Beschleunigung begrenzenden Probleme, oder man laesst eine gewisse Stuetzmasse zu, die die entstehende Waerme abfuehrt, den Schub erhoeht, aber die Ausstroemgeschwindigkeit stark verringert.

Dies hatte man im Prinzip an den Ueberlegungen zu Orion bereits in den 50er Jahren verstanden und durchexerziert, ich verstehe nicht, warum die Ingenieure 15 Jahre spaeter in ihrem Daedalus-Projekt, auch wenn es in ihrer Freizeit stattfand, diesen Aspekt einfach uebergangen haben. Wahrscheinlich waren sie wiederum in dem Wunschtraum verfangen, man muesse eine Sternenreise unbedingt um jeden Preis innerhalb eines produktiven Menschenlebens von 50 Jahren schaffen und haben deswegen bei ihren Annahmen ein ganz klein wenig gemogelt, um dies zu ermoeglichen.

Dieses Youtube-Video zeigt sehr schoen durch eine einfache physikalische Herleitung, warum ein Entwurf wie Daedalus aufgrund der durch die Kernreaktion immensen freiwerdenden Waerme unmoeglich ist: [27a]. Der Urheber drueckt es am Ende verstaendlich so aus: „Koennen Sie sich vorstellen, das es jemals einen Antrieb geben wird, der eine Waermeleistung von 96 Hiroshima-Bomben pro Sekunde aushalten wird?“ Das Raumschiff, das er durchrechnet ist 250 mal groesser als Daedalus und beschleunigt in einem Jahr, einem Viertel der Zeit von Daedalus. Fuer Daedalus koennte man dieses Ergebnis nun so umrechnen: Daedalus Brennkammer muesste pro Sekunde der Waermefreisetzung einer kleinen taktischen Atomwaffe standhalten oder in einer Stunde 3600 taktische Atombombenexplosionen waermetechnisch standhalten. Das ist natuerlich Quatsch und geht ueberhaupt nur mit einer hohen Stuetzmasse an Treibstoff zur Kuehlung, die wiederum die Ausstroemgeschwindigkeit radikal reduziert – also: Daedalus und wahrscheinlich auch sein Nachfolge-Entwurf Ikarus sind Unsinn. Die hohe Beschleunigung von Daedalus in nur vier Jahren ist physikalisch unmoeglich, wie eingangs schon erwaehnt. Daedalus wuerde nach dem Start entweder in wenigen Minuten vergluehen oder niemals die angestrebte Ausstroemgeschwindigkeit und Endgeschwindigkeit auch nur annaehernd erreichen. Wenn man die Leistung auf ein Hundertstel reduziert, waere man sicher immer noch nicht mit Sicherheit im Bereich der thermischen Materialgrenzen, aber Daedalus waere schon wesentlich realistischer und wuerde genau wie jeder realistische Entwurf im Bereich einer Flugzeit von Jahrhunderten liegen.

Es gibt vom Daedalus-Raumschiff schon seit seiner Veroeffentlichung in den Siebzigern einige sehr faszinierende Visualisierungen. In juengerer Zeit wurden zusaetzlich einige schoene Computer-Renderings erstellt. Zum Beispiel findet sich hier [28] ein Groessenvergleich des interstellaren Raumschiffs zu einigen bekannten Gebaeuden und zur Saturn 5 Mondrakete. Hier findet man ein schoenes animiertes, kleines Video von Daedalus auf Youtube [29].

Das Projekt Longshot der NASA von 1987 bis 1988 war ebenfalls ein Beispiel fuer einen Antrieb vom Typ 3. Im Unterschied zu Daedalus, sollte die Fusion der Deuterium-Helium-3 Pellets hier mit Lasern anstatt Elektronenstrahlen stattfinden. Ausserdem wollte man die elektrische Energie zum Betreiben der Laser nicht ueber den MHD-Prozess sondern ueber einen mitgefuehrten Kernspaltungs-Leistungsreaktor zur Verfuegung stellen [30], um die Machbarkeit zu erhoehen. Ausserdem sollte Longshot auf halbem Wege wenden und zumindest zum Teil abbremsen, wobei ich nicht ganz verstanden habe, was man mit einer teilweisen Abbremsung bezwecken wollte, weil man das Zielsystem so auch nur wie Daedalus durchfliegen koennte. Leider wurde bei der theoretischen Ausstroemgeschwindigkeit, zugunsten einer aktiven Kuehlung ueber eine Stuetzmasse, genau wie im Daedalus-Projekt physikalisch falsch gerechnet, um damit eine schnelle (unmoegliche) Reisezeit von etwa einhundert Jahren herbeizuwuenschen. Auch Longshot wuerde wie Daedalus kurz nach seiner Inbetriebnahme entweder vergluehen oder niemals die angestrebte Ausstroemgeschwindigkeit auch nur annaehernd erreichen, je nachdem ob man zur Kuehlung ein Stuetzmedium vorgesehen hat oder nicht.

Projekt Longshot mit 1. Anfangskonfiguration der Treibstofftanks, 2. nach 33 Jahren, 3. nach 67 Jahren, 4. nach 100 Jahren, Quelle [30]

Das Projekt Ikarus ist das direkte Nachfolgeprojekt von Daedalus. Es ist ebenso eine Freiwilligen-Gruppe der British Interplanetary Society zusammen mit der Tau Zero Foundation und hat sich im Jahr seiner Gruendung 2009 zum Ziel gesetzt, bis 2014 das mittlerweile historische Projekt Daedalus komplett mit dem heutigen Stand des Wissens zu ueberarbeiten [31]. Ich hoffe, dass sie die (berechtigte) thermodynamische Kritik annehmen werden, wenn sie von meinem Artikel ueber ihre Deutschen Kollegen erfahren sollten, und entweder ihre Ausstroemgeschwindigkeit um mindestens den Faktor Zehn verringern oder die Beschleunigungszeit um mindestens den Faktor Zehn vergroessern. Andernfalls wird auch das Ikarus-Projekt wie das Daedalus-Projekt im Gegensatz zu dem Orion-Projekt keinerlei wissenschaftlichen Wert besitzen und nur ein paar sehr schoene Zeichnungen und Renderings liefern, die im besten Falle die Traeumer auf der Welt inspirieren werden. Aber das ist ja auch schon eine Leistung. Hier ist ein Youtube-Video eines ausfuehrlichen Vortrags eines Mitglieds des Ikarus-Projekts [31a].

Auf Wikipedia heisst es: „The choice of mainly fusion fuel did not necessarily indicate the team were advocates of fusion propulsion, but was merely a vehicle for providing for a design study, within design constraints.“ [32]

Sollte dies von einem der Team-Mitglieder des Projekt Ikarus geschrieben worden sein, scheint es so, als waeren nicht gerade ausgesprochene Kernfusionsantriebsexperten mit am Start, und das laesst fuer den Realismus des Antriebs (und damit letztendlich der Reisezeit) eher nichts Gutes erhoffen. Sie werden die (falschen) Annahmen zur Ausstroemgeschwindigkeit und Leistungsdichte des Daedalus-Antriebs vielleicht einfach als Vorgabe nehmen – so klingt das zumindest im zweiten Halbsatz.

Sechs grundsaetzlich verschiedene Denkweisen

Um die im physikalischen Teil verdeutlichten riesigen stellaren Distanzen zu ueberwinden, gibt es sechs mir bekannte grundsaetzlich verschiedene Denkweisen:

  1. Fliege schnell genug.
  2. Verschlafe die Reise
  3. Starte selbst und lasse Deine Urenkel ankommen
  4. Schicke Saatgut
  5. Warte Deine evolutionaeren Nachfolger ab
  6. Lebe selbst lang genug

Im folgenden Text moechte ich einzeln auf diese unterschiedlichen Denkweisen eingehen und bewerten, inwieweit sie zur Ueberwindung stellarer Distanzen taugen.

Denkweise 1: Fliege schnell genug

Dies ist der naheliegendste Ansatz. Wenn man hoert, unsere heutigen Raumschiffe brauchen Jahrzehntausende, dann fordert man eben, sie muessten einfach tausend mal schneller sein und schon waere die Reise in Jahrzehnten zu machen und damit in einem Menschenleben, also schnell genug.

Hierbei wird die Laenge des Menschenlebens stillschweigend als begrenzende Groesse angenommen. Man sieht noch schnell einmal nach, ob man die Relativitaetstheorie nicht verletzt und glaubt, es sei eine Loesung. Die Macher des eingangs erwaehnten Fernsehfilms Alien Planet haben diesen Denkfehler begangen. Ich habe im physikalischen Teil bereits erwaehnt, dass dies dem Carnotschen Wirkungsgrad widerspricht und dem damit verbundenen Problem der Waermeabfuhr.

Denkweise 1 ist damit gestorben. Wenn unsere Physik stimmt – und davon ist auszugehen – werden Raumschiffe niemals schneller beschleunigen, als ihre Materialen, Betriebsstoffe, Computer, Insassen an maximaler Gleichgewichtstemperatur zwischen Antriebsabwaerme-Aufnahme und Strahlungswaerme-Abgabe aushalten koennen. Und diese Beschleunigung liegt in der Groessenordnung, dass man fuer wenige Prozente der Lichtgeschwindigkeit Jahrhunderte an Beschleunigungszeit benoetigt – auf jeden Fall laenger als ein Menschenleben.

Aber auch die Endgeschwindigkeit von Raumschiffen wird – wenn unsere Physik stimmt – niemals viel mehr als groessenordungsgemaess 5% der Lichtgeschwindigkeit betragen, aus den im physikalischen Teil gezeigten Ueberlegungen zu der Raketengrundgleichung, der Energiequelle und der kinetischen Energie. Spekulative neue Physik, die sich von Hirngespinsten und Wunschtraeumen nicht unterscheiden laesst, und absurde gigantische planetengrosse externe Energiequellen fuer interstellare Antriebe, sollen hier einmal ausser acht gelassen werden.

Eugen Saengers Photonenantrieb: nicht mehr als ein Gedankenspiel zur Relativitaetstheorie, thermodynamisch unmoeglich, Quelle [33]

Auch Eugen Saengers beruehmter Photonenantrieb ist nicht mehr als ein Gedankenspiel zur Relativitaetstheorie. In der Literatur gibt es zu diesem Antrieb einige schoene Geschichten, z.B. Pierre Boulles „Planet der Affen“ oder Joe Haldemanns „Der ewige Krieg“, die eine wahre Lust zu lesen sind.

Denkweise 2: Verschlafe die Reise

Autoren, die sich mit der Unmoeglichkeit von Denkweise 1 abgefunden hatten, kamen automatisch im naechsten Schritt zu einem Ansatz, man koenne ja die Insassen der Sternenschiffe einfach die Reise verschlafen lassen. Wenn sie sich in einer Art Stasis befaenden, die die vegetativen Funktionen des Koerpers genuegend verlangsamen wuerden, koennten sie die Jahrhunderte oder Jahrtausende langen Reisen trotzdem ueberleben.

Die eingangs erwaehnte Geschichte Arthur C. Clarkes „The Songs of Distant Earth“ ist hierin einzuordnen [5]. Er nimmt zwar in seiner Geschichte eine spekulative unendliche Energiequelle an, haelt sich aber ansonsten an die Regeln der Physik und damit die minimale Beschleunigungszeit im Bereich von Jahrhunderten. Damit muessen seine Helden in kryogenischen Kaeltekammern die Sternenreise ueberstehen.

Auf der Erde gibt es Lebewesen, die den ganzen Winter steif gefroren ueberleben koennen, wie der Kanadische Laubfrosch. In Versuchen hat man diese Froesche bis zu einer Koerpertemperatur von -7°C (minus sieben Grad) heruntergekuehlt und nach einer gewissen Zeit wieder aufgetaut, und sie ueberlebten dies problemlos. Es entspricht ihrer natuerlichen Lebensumgebung, an die sich ihr Organismus angepasst hat. Ihre Zellen besitzen anscheinend bestimmte Frostschutzmechanismen, die andere Tiere nicht haben, und die dazu fuehren, dass selbst Temperaturen weit unter Null Grad noch ueberlebt werden koennen [34].

Die Besatzung der Nostrome erwacht. Aus dem Film Alien von Ridley Scott, Brandywine Productions, 20th Century Fox. Gerade kommt der Film Prometheus in die Kinos, in dem Scott die Vorgeschichte zu Alien erzaehlt.

Ob es jemals gelingen wird, Menschen soweit herunterzukuehlen, dass ihre vegetativen Funktionen auf zellularer Ebene z.B. auf ein Zehntel reduziert werden, und sie damit zehnmal laenger schlafend ueberleben koennten als im wachen Zustand, das weiss heute niemand. Damit handelt es sich bei Denkweise 2 also aus heutiger Sicht um reine Spekulation.

Denkweise 3: Starte selbst und lasse Deine Urenkel ankommen

Hier lautet das grosse Stichwort Generationenschiffe, das vielen Lesern von Science Fiction Romanen und Konsumenten von Sci-Fi-Filmen und Computerspielen ein Begriff ist. Wenn man Raumschiffe baut, die sich an die Regeln der Physik halten muessen, und sagen wir mal zweitausend Jahre zum Ziel, einem erdaehnlichen Planeten, unterwegs sind, dann kann man diese gross genug bauen, dass sie Platz fuer ein grosses Dorf oder eine kleine Stadt beinhalten. Eine Dorfgesellschaft wird dort ihren Alltag leben und beispielsweise nach 60 Generationen und 2000 Jahren werden ihre Nachfahren das Dorf vom Inneren des Raumschiffs auf die Oberflaeche des Zielplaneten umsiedeln.

Dies ist ein alter Gedanke in der Science Fiction Literatur. Mein Lieblingsroman zu dieser Denkweise ist Brian W. Aldiss „Non-Stop“, Deutsch „Die unendliche Reise“ [35]. In dieser Geschichte beschreibt Aldiss, das ein solcher Ansatz durchaus eine evolutionaere Komponente haben koennte und diese nicht unbedingt in eine gewollte Richtung gehen muesste. Das Problem von solchen Gesellschaften waere natuerlich, dass sie komplett von der Erde getrennt waeren, sich nur selbst helfen koennten, und auf Gedeih und Verderb von ihrer Technik abhaengig waeren.

Der amerikanische Wissenschaftler Gerald K. O’Neil hat sich in den 70er Jahren fuer den Bau von Raumkolonien stark gemacht und mit seinem Buch „The high Frontier“ fuer internationales Aufsehen gesorgt [36]. Darin beschreibt er, wie eine Zukunft der Menschheit im Weltraum aussehen koennte, nicht indem sie die Planeten und Monde besiedelt, sondern indem sie sich kuenstlich neues Land in Form von riesigen staehlernen, filigranen Kugeln, Zylindern und Tori erschafft. Solche Raumkolonien in einer kleineren Bauart waeren natuerlich auch ideale Wohnorte fuer die Besatzung eines Generationenschiffs, wenn man sie mit einem entsprechenden Antrieb versehen wuerde.

O’Neil’sche Raumkolonie in Form eines Wagenrades, Quelle: [35]

Der interessanteste Aspekt an Denkweise 3 ist jedoch, dass eine solche Umsetzung auch heute schon machbar waere. Ja, wir koennen heute ein Raumschiff bauen, das mit thermonuklearem Pulsantrieb in den Bereich von 1% der Lichtgeschwindigkeit kaeme und eine zweite Erde, wenn sie innerhalb von 20 Lichtjahren laege in gut 2000 Jahren erreichen wuerde. Das ist sehr schnell, unsere bisherigen interstellaren Sonden Pioneer und Voyager bewegen sich z.B. wesentlich schneller als Kometen, den einzig bekannten natuerlichen interstellaren Transportmedien, und benoetigten dafuer trotzdem 360.000 Jahre.

Wenn man sich mit der MACHBAREN Denkweise 3 beschaeftigt, wird einem schnell klar, dass die Raumfahrer eigentlich (Bio-)Bauern werden muessen. Denn schon auf der Reise muessen sie fuer 60 Generationen Landwirtschaft betreiben und alles was sie herstellen und verbrauchen in einen geschlossenen Kreislauf recyclen, kompostieren, wiederverwenden. Sie benoetigen Saatgut, wenn sie ihren Zielplaneten erreichen. Ausser dem spezialisierten Saatgut, dass sie waehrend ihrer Reise im Einsatz hatten, benoetigen sie am Ziel angekommen eine grosse Varietaet an Saatgut von hunderttausenden von Pflanzen, die sie in der fremden Umwelt auf ihre Brauchbarkeit testen koennen. Es waere wahrscheinlich toedlich fuer die Menschen, ploetzlich in einer voellig fremden Natur mit unbekannten Organismen und Spezies auch noch ganz schnell Nahrungsquellen ausfindig machen zu muessen. Erst einmal muessten sie sich auf eine breite Auswahl an Saatgut verlassen koennen.

Hydroponische Landwirtschaft als Forschungsbereich der NASA, Quelle [37]

Diese Menschen, die Astronauten der Generationenschiffe, die Biobauern der Zukunft, werden ihr Wissen von Generation zu Generation weitergeben. Ausser der Landwirtschaft ist das technische Fachwissen um die Maschinen und Anlagen des Raumschiffs von ueberlebenswichtiger Bedeutung. Sie muessen ihre Kernreaktoren nicht nur bedienen koennen, sie muessen jederzeit technisch improvisieren und im Zweifel auch sofort neue Kernreaktoren aufbauen koennen, um defekte zu ersetzen, wenn sie ueber die Jahrhunderte mit Sicherheit ueberleben wollen. Nur ein paar Tage ohne waermende Kernenergie sind im interstellaren Raum absolut toedlich. Sie sind also eine Art Kernenergie-Bio-Landwirte. Sie muessen eine ganze Gesellschaft aufbauen, die im Grunde alles enthaelt, um sich komplett – auch geistig – von Generation zu Generation zu regenerieren. Und dazu gehoeren ganz entscheidend Schulen. Ein Stundenplan einer Grundschule eines Generationenschiffes wird in etwa so aussehen:

  • Lesen, Schreiben, Rechnen
  • Landwirtschaft
  • Technik
  • Erdgeschichte

In weiterfuehrenden Schulen werden die jungen Menschen Spezialisten fuer Saatgut, oekologische Duengung und Pflanzenschutz, Spezialisten fuer Kernreaktoren und elektromagnetische Plasmaraketen, Elektronik- und Softwarespezialisten und Lehrer, die das Wissen und die Kultur der Menschheit weitergeben muessen. Diese Menschen der nahen Zukunft sind also in anderen Worten Atomenergie-Bio-Bauern-Vollzeitlehrer-Praktiker und damit eine Fusion heutiger teilweise voellig ambivalenter politischer, gesellschaftlicher Richtungen der Menschheit. Dies erscheint mir voellig logisch: nur zusammen sind wir zu Grossem faehig. Und was wird es jemals groesseres geben als interstellare Raumfahrt? – wenn man die Geschichte der Menschheit und alle Wissenschaften und die Religionen und die Philosophie betrachtet –  nichts.. denn sie sind alle ganz winzig dagegen!

Trotzdem bleiben Fragen. Was sind das fuer Menschen, die nach 60 Generationen am Ziel ankommen? Welche Sprache werden sie Sprechen? Welche Kultur haben sie? Welche Religion? Wie werden sie aussehen? Haben sie ueberhaupt eine Chance, eine so lange Zeit auf sich allein gestellt in einer so kleinen Gesellschaft zu ueberleben? Wie haben es eigentlich unsere Vorfahren in der Steinzeit geschafft? Sind diese Raumfahrer nicht ebenfalls zur Steinzeit verdammt, spaetestens wenn sie am Ziel ankommen? Ist Steinzeit ueberhaupt eine Verdammnis?

Denkweise 4: Schicke Saatgut

a) Pflanzen, Fische, Amphibien, Echsen, Voegel

Wenn man sich mit Denkweise 3 beschaeftigt, kommt man schnell auf die Idee, man koennte dem Generationenschiff ein reines Saatschiff vorausschicken, was den Zielplaneten schon im Voraus robotisch mit Saatgut von der Erde urbar macht. Pflanzensamen koennen ohne weiteres in fluessiger Luft beliebig lange – zumindest 2000 Jahre – aufbewahrt werden und dann wieder zum Erbluehen gebracht werden. Das funktioniert sogar theoretisch mit den Eiern und Embryonen von Tieren und Menschen. Im Prinzip verfuegt jeder lebende Organismus ueber eine Form des Dauerstadiums, die bekannteste sind eben nur die Pflanzensamen.

Die Forschung hat herausgefunden, dass das eigentliche Problem bei der Lagerung von Saatgut die Strahlenbelastung ist. Vorausgesetzt ein Saemling ist trocken und kalt genug gelagert, so ist es vor allem die ueber die Jahrhunderte akkumulierte Strahlung, die ein Aufgehen und Erbluehen des Saemlings verhindert [37a]. Dabei gilt, um so kaelter er gelagert wird und um so weniger radioaktive Strahlung ihn erreicht, um so besser. In beiden Faellen wird die Entropiezunahme verlangsamt, umgekehrt beschleunigt. Entropie ist ein Mass fuer die molekulare Unordnung, in diesem Fall die Integritaet der DNS.

Wenn man im interstellaren Raum Saatgut in einer Hohlkugel aus Wassereis transportiert, deren Wandstaerke mit Sicherheit an jeder Stelle mindestens 3m betraegt, dann ist dieses Saatgut einer der Erdoberflaeche vergleichbaren Strahlenbelastung durch kosmische Strahlung ausgesetzt. Die Halbwertsdicke von Wasser ist 14 cm, wenn man also die Wandstaerke um 1,4 m auf 4,4 m erhoeht veringert man die Strahlungsbelastung damit weiter auf 1/1024 gegenueber der Strahlenbelastung der Erdoberflaeche. Wenn man das Saatgut nun auch noch im Hochvakuum voellig trocken in der Naehe des absoluten Nullpunktes von -273°C aufbewahrt, was im interstellaren Raum kein Problem darstellen sollte, dann kann man es ziemlich lange keimfaehig aufbewahren, wahrscheinlich Jahrhunderttausende, macht man das Wassereis dicker, noch viel laenger. Man hat ja auf der Erde schon Saatgut, dass voellig trocken bei Raumtemperatur gelagert war, nach zweitausend Jahren wieder zum wachsen gebracht, und Saatgut dass etwa 32.000 Jahre unter null Grad Celsius gelagert war sogar zum Bluehen gebracht [51].

Die eben beschriebenen technischen Massnahmen erinnern an ein natuerliches Phaenomen: die Kometen. Und in der Tat, eingeschlossen in hunderte Meter dicke Kometenkerne, koennten Samen und anderer Dauerstadien von Pflanzen und Tieren Milliarden Jahre schadlos ueberstehen. Ich habe vor Zeiten angefangen, eine Theorie zu entwickeln, die die Entstehung der Kometen, ihre Bedeutung als Transportmittel hoeherer Lebensformen und letztendlich die Bestimmung intelligenten Lebens aus oekologischer Sicht erklaert und nenne sie die Stellare Oekologie [51] [52].

Aber das ist ein anderes Thema, also zurueck zu den Saatschiffen. Unsere Saatschiffe koennen also Inkubatoren fuer Pflanzen, Obst, Gemuese, Getreide, Insekten, Wuermer, Fische und selbst hoehere eierlegende Tiere wie Lurche, Echsen und Voegel sein. Die Sporen, Samen und Eier werden nach 2000 Jahren Flugzeit am Ziel robotisch ausgebruetet, ueberwacht und dann ausgesetzt werden. Verteidigungssysteme werden die Anzucht gegen moegliche Pluenderung von ansaessigen Kreaturen so gut wie moeglich schuetzen. Aus botanischen und zoologischen Ueberlegungen heraus muessen sich statistisch einige der von der Erde mitgebrachten Organismen vor Ort etablieren koennen.

Bis hierhin ist alles aus heutiger Sicht zu 100% machbar. Wir koennen den Antrieb heute bauen, wir koennen das Raumschiff heute bauen, die Landefaehren, die Aufzuchtstation, die betreuenden Roboter, vollautomatischen Farmen und auch automatische Verteidigungssysteme fuer die erste empfindliche Uebergangszeit.

b) Saeugetiere und Menschen

Die grosse Herausforderung bei den Ueberlegungen zu den Saatschiffen liegt in der Aufzucht von Saeugetieren und letztendlich Menschen. Aber in welcher Mutter sollen die Embryoen heranwachsen? Dort ist ja niemand. Es muesste also eine Art kuenstliche Gebaermutter wie in Aldous Huxleys „Brave New World“ [37b] existieren, in der Saeugetiere und Menschen heranwachsen und geboren werden koennten. Und dann? Alle Saeugetiere benoetigen eine Mutter oder Eltern, die sie ernaehren und von denen sie lernen koennen, spaeter fuer sich selber zu sorgen. Ihre Verhaltensweisen sind nur zum Teil instinktiv, sie muessen das Meiste durch Nachahmen erlernen.

Beim Menschen ist diese Abhaengigkeit von der Mutter am staerksten ausgepraegt. Er ist im ersten Jahr nach seiner Geburt noch voellig hilflos. Die Natur hat beim Menschen diesen Kompromiss gewaehlt, damit er sein grosses Gehirn entwickeln konnte. Eigentlich muesste er mindestens 18 Monate ausgetragen werden, dann wuerde er aber aufgrund seines grossen Kopfes nicht mehr durch das Becken der Mutter passen, also hat die Natur die zweite Haelfte seines Austragens nach Aussen verlegt. Bei Beuteltieren findet man einen aehnlichen Mechanismus. Menschliche Muetter nutzen selbstgebaute Beutel, um ihre eigentlich zu frueh geborenen Babies mit sich herumzutragen.

Jack Williamsons Roman Manseed [38] erzaehlt von den Abenteuern, die ein kuenstliches Maschinenwesen beim Aufbau einer menschlichen Kolonie und der Geburt und Aufzucht menschlicher Kinder aus der Retorte auf einem fernen Planeten erlebt, Quelle [39], Published Sept. 12th 1983 by Del Rey

Vielleicht ist eine kuenstliche Huxley’sche Gebaermutter heute machbar, aber einen Roboter zu bauen, der Babys vollkommen autark ernaehrt und aufzieht, ihnen alles beibringt, bis sie als Erwachsene selbst fertige Bauern, Handwerker und Wissenschaftler sind, das ist heute absolut unmoeglich und auch noch in langer Zeit, wenn ueberhaupt jemals. Verhaltensforscher sprechen bei Kindern, deren fruehkindliche Entwicklung durch Entzug zwischenmenschlichen Kontakts in irgend einer Hinsicht zumindest leicht behindert wurde, vom Kaspar-Hauser-Effekt. Kinder, die von auch noch so intelligenten Maschinen aufgezogen wuerden, koennten dadurch schwere selische und auch neurologische Schaeden davon tragen.

Denkweise 5: Warte Deine evolutionaeren Nachfolger ab

Manche Menschen sind der festen Ueberzeugung, das die Raumfahrt zu den Sternen, aufgrund der Jahrtausende langen Reisen, einfach nicht fuer Menschen gedacht ist und auch nie war. Maschinen, besonders Roboter, die eines Tages sowieso lebenstuechtiger und intelligenter als ihre Schoepfer – wir, die humane Spezies – waeren, wuerden dann anstatt unser zu den Sternen fahren. Dies waere der naechste logische Schritt in der Evolution. Bekannte Vertreter dieser utopischen Computer-Philosophie heissen Ray Kurzweil, Marvin Minsky und Hans Moravec [53]. Sie sind Computerwissenschaftler und vergessen, das nicht nur die Computertechnik intelligente Maschinen bauen kann. Auch die genetische Biologie ist dazu prinzipiell in der Lage. Ideen aus dem Bereich der Gentechnik und Genmanipulation, um aus dem vorhanden Leben, neues Leben zu erschaffen, gab es schon lange. Die ethischen Probleme fuehrten schnell zu umfangreichen Verboten und das Monopol der Roboter als einzige hypothetische evolutionaere Nachfahren des Menschen blieb erhalten.

Dies hat sich nun grundlegend geaendert. Im Fruehjahr 2012 haben Forscher zum ersten Mal komplett kuenstliches Leben auf Basis kuenstlicher, der DNA aehnelnden Erbmolekuele hergestellt. Eine Erweiterung der Technik auf kuenstliche Transkriptionsmechanismen, kuenstliche Zellen und ganze kuenstliche Organismen ist realistisch vorstellbar. Diese Wesen stehen ausserhalb der Biologie. Es sind reine Maschinen, die aehnliche Mechanismen wie Lebewesen nutzen werden. Einige der Mechanismen wird man vom Leben abschauen und uebernehmen, andere werden verbessert oder vereinfacht werden, wieder andere wird man als unnoetigen Ballast weglassen. Man kann bei diesen vorstellbaren Kreaturen allenfalls von kuenstlichem Leben sprechen, aber nicht von Leben. Es handelt sich um keinen Eingriff in die Schoepfung. Es ist eine voellige Neuschoepfung, genau wie unsere elektromechanischen Maschinen. Die entstehenden Kreaturen sind weder Pflanzen noch Tiere. Neue Begriffe, neue Systematiken muessen gefunden werden. Damit entfaellt die gesamte ethische Problematik, die mit der Genmanipulation natuerlichen Lebens einhergeht. Oder anders ausgedrueckt: ethisch sind diese biologischen, kuenstlichen Maschinen so einzuordnen wie elektromechanische Maschinen, auch wenn sie aeusserlich dem natuerliche Leben gleichen werden. In meinem Artikel „Die Entdeckung kuenstlichen Lebens – und die Erschaffung der Monstermaschine“ [41] gehe ich detaillierter auf dieses Thema ein. Wichtig ist an dieser Stelle nur die fundamental wichtige Tatsache, das Moravec und Co. ihr Monopol verloren haben. Es gibt somit heute mindestens zwei hypothetische evolutionaere Nachfolger des Menschen:

  • Menschenaehnliche Roboter und
  • Menschenaehnliches kuenstliches Leben

Diese Wesen, ob mechanisch oder biologisch koennten von Anfang an mit dem Segen (oder dem Fluch) ewigen Lebens und einer Tieftemperaturvertraeglichkeit ausgestattet sein. So wuerden sie auf Eis gelegt ueber Jahrtausende in Hibernationskammern schlafend warten, bis sie am Ziel, dem zu besiedelnden Planeten, aufgeweckt wuerden und ihre speziellen Faehigkeiten gebrauchen koennten. Es waeren von uns geschaffene, kuenstliche Lebewesen, wie:

  • Piloten
  • Bauarbeiter
  • Landwirte
  • Ingenieure
  • Forscher
  • Eroberer

Ich habe ganz bewusst den letzten Begriff hinzugefuegt. Es besteht immer die Moeglichkeit, dass unsere Nachfolger, so perfekt sie auch sein moegen mit ihrer Staerke, Schoenheit, Kraft und Unsterblichkeit auf weniger perfekte aber rudimentaer intelligente Eingeborene stossen wuerden – Wesen wie wir! Was sollten sie dann tun, nachdem sie mehrere Tausend Jahre unterwegs waren. Eine Rueckreise ist bei Sternreisen technisch nicht moeglich, da man bei Ausnutzung aller physikalischer Moeglichkkeiten ja gerade so sein Ziel erreicht, und macht beim Betrachten der Zeitraeume wohl auch keinen Sinn. Also bliebe nur die Wahl zwischen dem Versuch, erstens mit den Eingeborenen in Frieden zu leben, wenn sie die Anwesenheit der Neuen dulden wuerden, oder zweitens wenn nicht, die Eingeborenen zu erobern und zu beherrschen, also zum Teil oder komplett zu toeten, oder als dritte Option, die freiwillige Selbstaufgabe des Besiedlungsprojekts und der damit verbundene Gruppensuizid der kuenstlichen Astronauten. Das klingt duester, aber andere Moeglichkeiten als diese drei Alternativen gibt es nicht. Besonders alternative zwei, die kriegerische Eroberung,  macht mir grosse Sorgen, denn diese kuenstlichen Wesen wuerden mit Sicherheit so wie ihre heutigen Vorlaeufer, die Kampfdrohnen unserer modernsten Armeen, kalt und berechnend ohne Mitleid und „ethisch neutral“ Kinder und Schwache, Alte und Junge, Maenner und Frauen ausnahmslos und nach Programm vernichten.

Ignorieren wir diesen dunklen Aspekt der heutigen Roboter und zukuenftigen kuenstlichen Lebensformen einmal. Es gibt noch eine weitere interessante, spezielle Rolle, die unsere evolutionaeren Nachfolger, ob Roboter oder ob kuenstliches Leben, verkoerpern koennten:

  • Menschenmuetter

Wenn die Missionen unserer evolutionaeren Nachfolger erfolgreich gelandet waeren und sich mit den vielleicht vorhandenen intelligenten Eingeborenen arrangiert haetten, und auch fuer Landwirtschaft, Wasserversorgung, Energie und medizinische Versorgung gesorgt haetten, koennten sie vielleicht uns Menschen austragen, aufziehen, erziehen und unterstuetzen. Ein wenig waeren unsere unsterblichen evolutionaeren Nachfahren wie die Goetter der Griechen, wenn sie uns auf unseren ersten Schritten begleiten wuerden, und uns die neue Erde allmaehlich mehr und mehr ueberlassen wuerden, bis sie selbst verschwunden sind. Ein fast schon romantischer Gedanke, wenn auch ein unrealistischer, wie ich weiter unten erklaeren werde.

Mama? Wenn Roboter wie Menschen aussehen, nennt man sie Androiden. Dieser Android kann nicht viel, ist aber huebsch anzusehen, Quelle [40]

Erst einmal ist Denkweise 4, das Aussenden von Saatschiffen, zusammen mit Denkweise 5, die evolutionaeren unsterblichen Nachfahren des Menschen auszusenden, eine geradezu perfekte Kombination zur Besiedlung extrasolarer Planeten. Trotzdem muessen wir uns im Klaren sein, dass Denkweise 5 zum heutigen Zeitpunkt natuerlich weit hergeholte, reine Spekulation ist.

Wir wissen nicht, ob unsere Roboter jemals eine dem Menschen vergleichbare Intelligenz entwickeln werden oder sollten. Es gibt hier einen heftigen Philosophenstreit. Ich z.B. als tief ueberzeugter Humanist, bin ein konsequenter Verfechter des nicht Sollens, selbst wenn es geht [54].

Kuenstliches Leben ist eben erst vor ein paar Monaten entdeckt worden. Es ist voellige Spekulation zu glauben, man koennte mit dieser kuenstlichen DNS auch kuenstliche Zellen und letztendlich kuenstliche Biomaschinen und am aeussersten Ende der Entwicklung kuenstliche, menschenaehnliche Lebewesen erschaffen. Ich bin wahrscheinlich der erste Mensch, der fest daran glaubt, dass dieses gerade entdeckte kuenstliche Leben die Entwicklung der mechanischen Maschinen innerhalb weniger Dekaden ueberholen wird, und auch die Roboter sinnlos werden lassen wird. Aber auch hier bin ich aus der selben philosophischen Gruenden der festen Ueberzeugung, dass der Humunkulus nicht erschaffen werden darf [41].

Eine Montagemaschine auf Basis kuenstlichen Lebens, Quelle [41]

Jedesmal, wenn ich darueber nachdenke, draengt sich mir bei dem Gedanken der Saatschiffe mit den unsterblichen gottgleichen Menschenmuettern die Frage auf: Warum sollten perfekte, unsterbliche Nachfolger uns schwaecheren, fehlerbehafteten Sterblichen all diese neuen Welten ueberlassen, nachdem sie sie muehsam besiedelt und erobert haetten? Sie muessten dazu weniger intelligent sein, als es fuer eine Sternenreise erforderlich ist, voellig verbloedet muessten sie sein! Es macht gar keinen Sinn.

Ich glaube, wenn wir unsere evolutionaeren Nachfolger erschaffen, ob auf Basis mechanischer Roboter oder auf Basis kuenstlichen Lebens, dann machen wir uns damit entbehrlich. Und was entbehrlich ist, wird in einem oekologischen und oekonomischen System ganz von selbst mit der Zeit abgeschafft – einfach aufgrund von energetischer Optimierung des Systems. Die Erschaffung unserer evolutionaeren Nachfahren kaeme damit einem universellen menschlichen Holocaust gleich. Ich bin dagegen, weil ich ein Mensch bin. Wer auch ein Mensch ist und nicht dagegen ist, ist in meinen Augen ein wahnsinniger Selbstmoerder. Abgesehen davon, dass es wissenschaftlich und technisch reine Spekulation ist, entfaellt fuer mich Denkweise 5 damit vor allem aus humanistischer Ueberzeugung.

Denkweise 6: Lebe selbst lang genug

Wenn eine Distanz sehr lang ist, man sie aber trotzdem ueberwinden moechte, ist es abgesehen von der Idee schneller zu reisen, um in der ueblichen oder gewohnten Zeitspanne am Ziel anzukommen, genau so logisch, die Zeit, die man sich fuer die Reise nimmt, einfach zu verlaengern. Dies entspricht natuerlich eher der Denkweise unserer Vorfahren, die noch mit Kutschen und Segelschiffen reisen mussten, als der Denkweise von heute, wo man gewohnt ist, jeden Ort der Welt mit Hilfe von Jetflugzeugen innerhalb eines Tages erreichen zu koennen. Sie ist aber nach wie vor absolut legitim.

Genauso ist es mit den Reisen zu den Sternen. Wir glauben, wir muessten diese Reisen unbedingt innerhalb von 50 Jahren machen. Warum? Weil wir nur rund 75 Jahre leben und die ersten 25 Jahre unseres Lebens fuer unsere Ausbildung benoetigen; da bleiben somit 50 Jahre um die Fruechte seiner Arbeit, die man als junger Mensch geleistet hat, noch selbst im Alter ernten zu koennen. Das ist natuerlich eine egoistische Sichtweise. Die Ideen der Generationenschiffe und Saatschiffe bieten zu dieser Sichtweise eine kollektive, evolutionaere Alternative.

Wenn man nun liest, das Raumschiffe aufgrund ihres Waermeproblems sowieso immer Jahrhunderte alleine fuer ihre Beschleunigungs- und Abbremsphasen benoetigen werden, und aus egoistischen Gruenden in Generationsschiffen und Saatschiffen keine Loesung sieht, dann wird man eines Tages vielleicht in den Abendhimmel sehen und seinem Kind sagen: Reisen zu den Sternen werden fuer uns Menschen immer unmoeglich sein.

Das ist so dumm, wie die Eintagsfliege, die am Rande des Ozeans sitzt und ihren Puppen erklaert: Die Ueberwindung der Ozeane wird fuer uns Eintagsfliegen immer unmoeglich sein. Warum soll das dumm sein? Es ist eine Eintagsfliege, sie lebt nur einen Tag, wenn sie losfliegt wird sie nie am anderen Ufer ankommen, denn sie ist zu langsam. Sehen wir mal davon ab, dass sie auf einem Passagierschiff in der Naehe der Speisekammer ueber mehrere Generationen den Ozean doch und sehr komfortabel ueberwinden kann (das entspraeche dem Generationenschiff), oder dass ihre Eier von einem anderen Tier, z.B. einer Seemoewe in ihrem Magen, ueber das Meer getragen werden koennten (das entspraeche dem Saatschiff). Es gibt eine weitere Loesung des Problems – die einfachste Loesung: die Eintagsfliege muss eine Einmonatsfliege werden.

Wer jetzt glaubt das sei Unsinn, denn diese Loesung des Problems widerspraeche den Naturgesetzen, der irrt komplett, und hat wahrscheinlich noch nie etwas von folgendem Teilgebiet der Biologie gehoert: der Evolutionstheorie des Alterns. In jeder Eintagsfliege schlummert eine unsterbliche Eintagsfliege. So wie jedes Lebewesen im Prinzip unsterblich sein kann – aber nur, wenn es von oekologischem Nutzen ist. Dies ist der entscheidende Punkt. Jede Art besitzt ihre oekologisch optimale Lebensspanne, sie koennte aber auch, wenn die Umweltbedingungen andere waeren, viel kuerzer, viel laenger, ja sogar im Prinzip unendlich lang sein. Es ist ohne weiteres moeglich Eintagsfliegen innerhalb einer Zeitspanne von groessenordnungsmaessig zehntausend Generationen in Einmonatsfliegen zu verwandeln, wenn man sich die Prinzipien der Populationsgenetik zu Nutze macht.

Das Prinzip entspricht ungefaehr folgender Ueberlegung: Solange Organismen sich jung fortpflanzen koennen, treten fuer die Reproduktion der Art Gendefekte, die erst in einem Alter nach der Reproduktion auftreten, nicht in Erscheinung. Wenn man jedoch die Zeit der Reproduktion kuenstlich nach hinten verschiebt, indem man Maennchen und Weibchen voneinander trennt, werden alle Organismen, die einen Gendefekt besitzen, der spaeter auftritt als das urspruengliche Reproduktionsalter, vor dem neuen Reproduktionsalter sterben und sich nicht mehr zum Zeitpunkt des neuen Reproduktionsalters vermehren koennen. Damit wird dieser Gendefekt im Erbgut allgemein verschwinden, weil die Organismen, die ihn in sich trugen, sich nicht mehr reproduzieren konnten. Das fuehrt wiederum dazu, dass das durchschnittliche Alter der Population zunimmt, da ein bestimmter Gendefekt, der sonst Lebewesen in einem Alter nach ihrem urspruenglichen Reproduktionsalter toetete, nicht mehr auftritt [42].

Wenn man diesen Mechanismus einmal verstanden hat, wird es klar, dass man so die Lebenswartung einer Art immer weiter mit der Zeit nach oben verschieben kann. Man darf die Spruenge des zugelassenen Fortpflanzungsalters nur nicht zu gross machen, weil sonst die Population zu klein wird und es laenger dauert, bis sie sich wieder erholt.

Im Prinzip kann man so auch die durchschnittliche Lebenserwartung der Menschen von Generation zu Generation erhoehen. Frauen koennen z.B. im Alter von 40 noch problemlos Kinder bekommen. Wenn nun aufgrund irgend einer Mode oder eines Zeitgeistes Paare erst mit 40 Jahren Kinder bekaemen und juengere Paare nicht mehr, dann wuerde dies dazu fuehren, dass alle Gene, die Menschen nur gerade 39 Jahre alt werden lassen, nach zwei, drei Generationen fast komplett verschwunden waeren und die Menschen im Durchschnitt schon viel aelter als 75 Jahre werden wuerden. Dann wuerde es als naechstes vielleicht ueblich, erst ab 45 Kinder zu bekommen. Nun gibt es einige Frauen, die mit 45 keine Kinder mehr bekommen koennen. Diese Gene, die es ermoeglichen, dass Frauen unter 45 nicht mehr reproduzierfaehig sind, wuerden ebenfalls verschwinden, weil diese Frauen sich nicht mehr reproduzieren koennten, nach zwei bis drei Generationen koennten also logischerweise ALLE Frauen noch mit 45 ein Kind bekommen. Nun koennte es sein, dass durch diesen Zeitgeist, die Gesamtpopulation der Menschheit z.B. um die Haelfte zurueckgegangen waere und sie muesste sich erst einmal wieder davon erholen, bevor man weitermachen und das Alter auf 46 anheben wuerde. Man koennte so die Jugendlichkeit und die Lebenserwartung der Population immer weiter nach oben verschieben. Fuer Maenner muesste man natuerlich ein anderes Mass als das Reproduktionsalter ansetzen. Da jeder Mann zur Haelfte aus einer Frau besteht (seiner Mutter), koennte es aber durchaus ausreichen nur das Geburtsalter der Frauen zu erhoehen, um damit merklich eine Verjuengung im Alter und eine laengere Lebenserwartung sowohl bei Frauen wie bei Maennern zu erreichen.

Wenn man sich genuegend Zeit liesse, wuerde die Menschheit so nach ein paar hundert Generationen im Alter von 100 noch jugendlich und fortpflanzungsfaehig sein. Auch waere die Gesamtpopulation eher klein, aus dem erwaehnten Problem des Rueckgangs der Population heraus aufgrund des allmaehlichen Aussterbens vieler Gendefekte tragender Individuen. Aber Einhundert waere gar kein Ziel, das Ziel sollte 2000 oder 3000 Jahre sein. In ein paar tausend Generationen waere dies ganz sicher erreicht, und zwar ohne jede genetische Manipulation oder irgend eine Methode der Gentechnik, einfach nur mit den Mitteln der Populationsgenetik.

Ich bin mir natuerlich bewusst, das solche Gedanken jederzeit in Eugenik und Missbrauch von Genetik beim Menschen enden koennen. Es ist mir aber wichtig, einmal klarzustellen, dass die Natur hier Loesungsmoeglichkeiten zur beliebigen Verlaengerung der Lebenszeit einer Art zur Verfuegung stellt, und wir nicht auf spekulative Techniken aus dem Bereich der geriatrischen Medizin angewiesen sind, wenn wir uns dazu entscheiden wollen Jahrhunderte und Jahrtausende zu leben.

Lehne ich mich hier zu weit aus dem Fenster, bin ich viel zu optimistisch? Was ist diese Evolutionstheorie des Alterns ueberhaupt?

„Im Gegensatz zu proximaten Theorien, wie beispielsweise den Schadenstheorien, die Erklärungsmodelle darüber liefern, wie ein Organismus altert, versuchen die auf der Evolution basierenden Theorien des Alterns die Frage nach dem warum zu beantworten. Das Altern ist – diesen Theorien zur Folge – ein Ergebnis des Evolutionsprozesses. Die ersten Lebewesen, die auf der Erde entstanden, alterten nicht. Das Altern entstand im Laufe der Evolution als eine Eigenschaft höherer Lebewesen. Diese Theorien können eine Reihe von Phänomenen, die im Zusammenhang mit dem Altern stehen, erklären. Auch in verschiedenen Modellorganismen konnten Übereinstimmungen zwischen Theorie und Experiment erhalten werden. Die biologische Evolution ist derzeit die einzige überzeugende, formal entwickelte und experimentell bekräftigte Theorie über das biologische Altern [43].“

Das Altern und das Sterben der Organismen sind evolutionsbedingte Mechanismen, die einzig und allein dem Fortbestand der Art dienen. Die meisten Arten haben eine hohe Lebenserwartung gegen eine hohe Reproduktionsrate in jungen Jahren eingetauscht, weil dies dem Gesamterfolg der Art zutraeglicher war. Was haetten die Maeuse von einem langen Leben, wo sie in der Natur meist nach ein paar Monaten von einem Predator gefressen werden? Ihre einzige gut funktionierende Ueberlebensstrategie ist eine hohe Reproduktionsrate in moeglichst jungem Lebensalter.

Der Groenlandwal ist das genaue Gegenteil: er braucht zum Ueberleben, um seinen riesigen Appetit an Krill zu stillen, grosse Meeresgebiete fuer sich allein, er hat keine natuerlichen Feinde ausser neuerdings den Mensch. Er hat ein sonaraehnliches Verstaendigungssystem entwickelt, mit dem er einen Sexualpartner ueber hunderte von Kilometern finden kann und trotzdem ist ein Zusammentreffen immer noch so selten, dass die Natur die Wahrscheinlichkeit einfach ueber die Lebenszeit erhoeht hat und laesst den Wal ueber zweihundert Jahre alt werden, und so kann sich seine Art von Generation zu Generation reproduzieren [44].

Groenlandwal Kuh mit Kalb, Quelle [45]

Es gibt Baeume, die werden ueber 9500 Jahre alt [46], es gibt einfache Tiere, die Schwaemme, die zehntausend Jahre leben [47]. Neulich hat man eine Bakterienkultur entdeckt, deren Bewohner teilweise 86 Millionen Jahre alt waren [48]. Einzelne Organismen, die seit 86 Millionen Jahren leben! Baeume, die 9500 Jahre alt werden, grosse, kompliziert aufgebaute Saeugetiere, die 200 Jahre lang leben! Warum sollten Menschen da nicht einmal biblische 700 Jahre alt werden koennen? Stellen wir uns einfach der Wahrheit und vergessen wir fuer einen Augenblick unser Gefuehl des Unnatuerlichen, des Anmassenden, denn wir fuehlen hierbei genauso wie der mittelalterliche Mensch, dem gesagt wir, Menschen koennten eines Tages fliegen.

Man spricht heute von programmiertem Altern. Jeder Organismus besitzt also Gensequenzen, die ihm genau vorschreiben, ob und ab wann er wie zerfallen soll. Man hat zumindest einen Mechanismus des programmierten Alterns bereits identifiziert: die Telomere, Molekuelketten an den Chromosomenenden, die sich von Zellteilung zu Zellteilung verkuerzen, bis sie der Zelle signalisieren, dass sie sich nicht mehr teilen soll; eine Art innerer Sanduhr der Zelle [49].

Ein weiterer Beweis fuer das programmierte Altern sind einige unter dem Oberbegriff Progerie zusammengefasste Erbkrankheiten, die durch den Faktor fuenf bis zehn beschleunigten Alterns bei den betroffenen Patienten gekennzeichnet sind. Bei dem sogenannten Hutchinson-Gilford-Syndrom hat man mittlerweile auf molekularer Ebene Parallelen des beschleunigten Alterns zum beschleunigten Telomer-Abbau gefunden [50].

Ich fasse zusammen: hypothetische Wunschvorstellungen aus dem Bereich der geriatrischen Medizin, die man hier und da in der Literatur liest, und meist unter der Rubrik der „Suche nach dem Jungbrunnen“ zusammengefasst werden, lassen ein (falsches) Bild entstehen, eine Lebensverlaengerung des Menschen waere eine reine Wunschvorstellung und ein unrealistischer, unnatuerlicher und anmassender Verstoss gegen die Naturgesetze. Das ist falsch.

Man kann keine Pillen gegen das Altern entwickeln. Das ist richtig. Auf der anderen Seite zeigt uns die Evolutionstheorie des Alterns in Verbindung mit der Populationsgenetik und den Erkenntnissen der juengsten biochemischen Altersforschung, dass eine bewusste Auswahl in Richtung langen Lebens bei jeder Lebensform problemlos machbar und auch erfolgreich ist. Jedes Leben ist von Natur aus unsterblich. Ein evolutionaerer, oekologischer Druck auf die Art erzeugt mit der Zeit von Art zu Art verschiedene in der DNS programmierte ideale Lebenserwartungen um den Erfolg der jeweiligen Art zu optimieren. Bei einigen Arten ist dies eine Lebensspanne von Tagen, um moeglichst schnell einer neuen Generation Platz zu machen, bei anderen eine Lebenspanne von zehntausend Jahren um die Fortpflanzungswahrscheinlichkeit zu erhoehen, obwohl beide gleich kompliziert und anspruchsvoll an ihre Lebensbedingungen sind. Man kann kein hohes Alter durch Pillen erreichen aber ganz sicher durch Zucht. Wenn wir zu den Sternen reisen wollen, muessen wir das einfach nur wollen und uns selbst ueber Jahrtausende zu Methusalems transformieren. Aber Vorsicht! Ich meine keine Eugenik, ich meine medizinische STERNENFLUGTAUGLICHKEIT, und trotzdem lauert die Gefahr des Missbrauchs bei diesem Thema an jeder Ecke [51a].

Realistische Methoden zur Ueberwindung stellarer Distanzen

Nach der Abhandlung der obigen 6 Denkweisen zur Ueberwindung stellarer Distanzen wurde Denkweise 1 „Fliege schnell genug“ als unphysikalisch identifiziert. Denkweise 2 „Verschlafe die Reise“ wurde als hypothetisch eingestuft, ebenso wurde Denkweise 4 „Schicke Saatgut – b) Saeugetiere und Menschen“ als hypothetisch eingestuft. Denkweise 5 „Warte Deine evolutionaeren Nachfolger ab“ wurde sowohl als hypothetisch als auch aus humanistischer Sicht nicht wuenschenswert eingestuft. Damit bleiben die folgenden Denkweisen als realistische Methoden uebrig:

  • Denkweise 3: Starte selbst und lasse Deine Urenkel ankommen
  • Denkweise 4: Schicke Saatgut – a) Pflanzen, Fische, Amphibien, Echsen, Voegel
  • Denkweise 6: Lebe selbst lang genug

Damit zeichnet sich das folgende Bild ab: Wenn wir uns heute schon dazu entscheiden, zu den Sternen zu reisen, werden wir ein Raumschiff mit einem thermonuklearen Pulsantrieb (Typ 1) bauen und dieses mit Robotern ausgestattet zu einem Flug zu dem vielversprechendsten extrasolaren, erdaehnlichen Planeten schicken. Sollte sich dieser Planet innerhalb von 20 Lichtjahren befinden, kann das Raumschiff ihn innerhalb von 2000 Jahren im Jahr 4000 erreichen. Das Raumschiff wird vor Ort Landefaehren absetzen, die auf dem Planeten robotische agrarische Stationen installieren werden. In diesen Stationen werden die Roboter sofort damit beginnen, das Saatgut, die Sporen und die Eier von Hunderttausenden von irdischen Organismen nach und nach aufzutauen und zu versuchen, diese in der Oekologie des neuen Planeten Fuss fassen zu lassen.

In der Zwischenzeit wird man auf der Erde, durch erste grosse Erfolge mit der allgemeinen Verbesserung des Genmaterials durch einfaches Anheben des Fortpflanzungsalters, das durchschnittliche Lebensalter auf deutlich ueber 150 Jahre verlaengert haben.

Ungefaehr 2000 Jahre lang wird man auf der Erde die Fusionsantriebe Typ 2 bis 4 bis zu einer raumfahrttauglichen Leichtbauweise entwickeln, und im Jahr 4020, sobald man eine erste Erfolgsmeldung von den Agrar-Robotern des Saatschiffes empfangen hat, ein Generationenschiff dem Saatschiff hinterherschicken, das aufgrund seines verbesserten Antriebs mit 2% der Lichtgeschwindigkeit schon nach etwa 1000 Jahren im Jahr 5000 am Ziel ankommen wird und dort einige irdische Organismen zur Ernaehrung der Siedler vorfinden wird. Da das durchschnittliche Lebensalter mittlerweile bei deutlich ueber 150 Jahren liegen wird, werden in dem Generationenschiff nur etwa 20 Generationen ihren tausendjaehrigen Flug durchleben. Die 18., 19. und 20. Generation kommen gemeinsam als Grosseltern, Eltern und Kinder am Zielplaneten an und finden dort Ueberreste alter robotischer Agrarstationen vor, und sie finden auch irdisches Leben vor, das sich auf dem Planeten etablieren konnte, und von dem sie sich nun sicher ernaehren koennen, waehrend sie anfangen nach neuen Nahrungsquellen auf dem fremden Planeten zu suchen.

Nach weiteren 8000 Jahren im Jahr 12.000 hat man den Fusionsantrieb soweit in seiner Effektivitaet und Ausstroemgeschwindigkeit verbessert, dass man die Grenzen des physikalisch Machbaren mit einer erreichbaren Endgeschwindigkeit von etwa 5% der Lichtgeschwindigkeit allmaehlich erreicht. Damit ist der Zielplanet in einer Rekordzeit von nur 500 Jahren zu erreichen. In den vergangenen 8000 Jahren hat man das Lebensalter der Menschen durch weitere natuerliche Massnahmen allmaehlich von 150 Jahren auf ueber 500 Jahre erhoeht, so dass die Besatzung, wenn sie in ihrer Jugend startet, das Ziel in drei Generation lebend als alte Menschen mit ihren Kindern und Enkeln erreicht. Somit werden im Jahr 12.000 Sternenfluege zu guter Letzt auch fuer Egoisten interessant. Die Besatzung wird 12500 a.d. am Ziel eine nun 7500 Jahre alte Zivilisation antreffen, die 5000 a.d. von ihren Vorfahren gegruendet wurde, und nun, ausgehend von der anfaenglichen geringen Population der Siedler, nach einer langen primitiven Phase ueber Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit, allmaehlich eine hoehere Population und Entwicklungsstufe erreicht.

Etwa alle 2000 Jahre werden von nun an bemannte Raumschiffe in einer 500 jaehrigen Reise von der Erde geschickt werden, um den Kontakt nicht abbrechen zu lassen. Irgendwann wird die Kolonie in der neuen Welt technologisch in der Lage sein, selbst nukleare Sprengsaetze und damit Sternenschiffe nach den Vorgaben dieses Textes (Denkweise 3 mit einem thermonuklearen Antrieb vom Typ 1) zu bauen, und man wird sich nun gegenseitig besuchen koennen, falls die Siedler noch wissen, von welchem Stern sie abstammen, oder falls sie von Besuchern daran erinnert wurden.

Die Verlaengerung der menschlichen Lebenszeit durch populationsgenetische Massnahmen wird langsam weiter gehen und die Menschen der dritten Mission von der alten zur neuen Erde werden daher nach weiteren zweitausend Jahren bereits 600 Jahre alt werden, die Menschen der vierten Mission nach weiteren zweitausend Jahren 700 Jahre, usw. Einige dieser immer aelter werdenden Menschen werden sich aufgrund ihrer zunehmenden Lebensspanne immer weiter entfernt liegenden, extrasolaren Planeten zuwenden, in 30 Lichtjahren Entfernung, in 40 Lichtjahren Entfernung – immer weiter. Jedes Ziel, jeden neuen, bewohnbaren Exoplaneten, werden sie zusammen mit ihren Kindern und Kindeskindern erreichen und dort menschliche Kolonien aufbauen. Diese neuen menschlichen Siedlungen werden in ihren eigenen, Jahrtausende alten Legenden Blitz und Donner, Feuer und Licht besingen, das hohe Alter ihrer Vorfahren preisen, und Besucher aus dem Himmel sehnsuechtig erwarten, selbst wenn sie einst vergessen haben werden warum.

Kontext

Aus der juengsten Entdeckung von Saatgut, das Jahrzehntausende ueberdauert hat [51], und aus oekologischen Ueberlegungen heraus, die ich erst auf die glaziale Erdgeschichte und dann konsequenterweise auf ein dynamisches Zusammenspiel zwischen der irdischen Biosphaere mit den Biosphaeren anderer Sternsysteme erweiterte [52], kam ich auf den logischen Schluss, dass Kometen die Transportmittel sein muessen, mit denen solche mehrere Sternsysteme umfassenden stellaren Oekosysteme DNA-Information in Form von Dauerstadien niedriger und auch hoeherer Lebensformen austauschen, um ihr gesamtes Energienieveau zu nivellieren und zu optimieren. Dadurch ergab sich durch weitere Ueberlegung die Antwort auf den oekologischen Sinn des menschlichen Lebens: dazu beizutragen, den von den Kometen schmalbandig durchgefuehrten DNA-Informationstransport zwischen den Biosphaeren durch die menschlichen intellektuellen Moeglichkeiten auf ein breitbandiges, viel effektiveres, weil weniger dem Zufall ueberlassenes, Niveau zu bringen. Wie dieser schnelle Austausch von Lebensformen in Form von Saatgut, Sporen, Eiern, Generationen von kosmischen Bauersleuten und immer laenger lebenden Sternenfahrern zwischen den stellaren Biosphaeren stattfinden kann, habe ich soeben gezeigt.

Der Kern des Kometen Wild-2 von der Sonde Stardust aufgenommen. Woher kommt Wild-2? War er eins ein Stueck Permafrostboden eines fremden Planeten? Berherbergt er Dauerstadien hoeherer Lebensformen?, Foto: NSSDC Master Catalog, NASA

Alle Ueberlegungen zur interstellaren Raumfahrt, die im Schlusskapitel „Realistische Methoden zur Ueberwindung stellarer Distanzen“ muenden, sind von heute an technisch machbar und physikalisch und biologisch abgesichert. Insbesondere die Erkenntnisse aus der Populationsgenetik moegen den einen oder anderen Techniker oder Physiker ohne biologischen Hintergrund verwirren. Nichts desto trotz handelt es sich um wissenschaftliche Fakten. Auch das universell nicht antastbare Carnotsche Gesetz, das noch haerter als die Lichtgeschwindigkeit die Reisezeiten nach unten hin begrenzt, und in allen Teilgebieten der Physik bestaetigt wurde, mag dem einen oder anderen missfallen.

Nehmen wir diese theoretisch ermittelten und in Versuchen immer wieder bestaetigten wissenschaftlichen Fakten hin, und akzeptieren wir, das interstellare Raumfahrt voellig anders funktionieren wird, als es sich heute manch einer in seiner Fernseh- und Film-gepraegten Phantasie wuenscht. Aber wir sehen nun klar: die lebende Natur hat von je her einige Wege vorgesehen, dass von Lebewesen durchgefuehrte interstellare Raumfahrt funktioniert – trotz der streng limitierenden Physik. Die wichtigste Erkenntnis fuer uns Menschen ist aber: evolutionaere Nachfolger der Menschheit sind im Kosmos nicht vorgesehen, denn sie werden in der Zukunft der Menschheit (und allgemein in der Zukunft des Lebens von der Erde) ueberhaupt nicht gebraucht [53]. Das ist wahrscheinlich das wichtigste Ergebnis dieses Textes: der Mensch ist selbst schon von Natur aus der perfekte Raumfahrer, wenn er das will, er muss dafuer kein kuenstliches Leben erschaffen.

Quellen und Anmerkungen

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Alien_Planet

[2] Wayne Douglas Barlow: Expedition: Being an Account in Words and Artwork of the A.D. 2358 Voyage to Darwin IV, Workman Pub. Co., 1990

[3] Ich empfinde die Namensgebung des Raumschiffs aufgrund der politischen Vergangenheit Von Brauns uebrigends als nicht gelungen. Man moege den amerikanischen Machern des Films diese Unwissenheit verzeihen. Auch hier in Deutschland ist vielen diese aeusserst unangenehme Tatsache unbekannt. Von Braun war Mitglied der paramilitaerischen, germanisch-heidnischen, sektenaehnlichen, abstossenden Kulten verpflichteten, nationalsozialistischen Elitevereinigung SS. Auch er trug die schwarze Uniform und den Totenkopfring, und war Heinrich Himmler und Adolf Hitler durch einen freiwilligen (!) Schwur mit Leib und Leben verpflichtet, der ihm die Karriere zu jener Zeit in opportunistischer Manier erleichterte. Was ist die faszinierendste Maschine denn wert, wenn sie mit dem Blut und Massentod von Sklavenarbeitern erbaut wird? Das er einmal selbst fast das Todesopfer einer der vielen internen SS-Intrigen geworden waere, und sich so fast ein Anderer an seine Position als leitender Raketenentwickler der Armee gebracht haette, aendert nichts daran – auch wenn diese Episode gerne zu seiner Verteidigung hervorgebracht wird. Es stellt sich die Frage: Wollen wir in absehbarer Zeit Raumschiffe zu fernen Planeten aussenden, ausgestattet mit von sogenannten Transhumanisten angebeteten, uns Menschen ersetzenden intelligenten Maschinen, benannt nach beruehmten Ingenieuren aus einer Historie der die Vielfalt des Lebens verachtenden, durch und durch perfektionistischen SS-Maschinerie? Ich moechte betonen, das es keinen relevanten Unterschied zwischen der Maschinenwelt der Transhumanisten und der Maschinenwelt der Nationalsozialisten gibt – denn beide verachten das Leben in seiner Vielfalt aus dem selben Grund: aufgrund seiner Unperfektheit, die sie beide in ihrer Hybris als Minderwertigkeit bezeichnen. Es ist von fundamentaler Wichtigkeit, welcher Geist, welche Philosophie diese Sternenreisen begleiten wird und wen wir als unsere Vertreter aussenden werden. Genau dies wird ueber die Zukunft dieser neuen Welten entscheiden und nichts anderes.

[3a] mg steht hier nicht fuer Milligramm sonder Milli-g, ein g entspricht einer Beschleunigung von 9,81 m/s², der mittleren Erdbeschleunigung

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Aurelia_and_Blue_Moon

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/The_Songs_of_Distant_Earth

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/The_Songs_of_Distant_Earth_%28album%29

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/51_Pegasi_b

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Discoveries_of_extrasolar_planets

[9] Schneider: Planetenjaeger, Birkhäuser Verlag, Basel 1997

[10] http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16040655

[11] http://en.wikipedia.org/wiki/Gliese_581_d

[12] http://en.wikipedia.org/wiki/HD_85512_b

[13] http://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_10

[14] http://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_11

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1

[16] http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_2

[17] http://de.wikipedia.org/wiki/Voyager_2

[18] http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_nearest_stars

[19] http://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffentechnik

[19a] http://www.youtube.com/watch?v=FRp3S8OOeZc&feature=related

[20] http://www.youtube.com/watch?v=LTL9nZmPT3s&feature=related

[21] http://en.wikipedia.org/wiki/Partial_Nuclear_Test_Ban_Treaty

[22] http://de.wikipedia.org/wiki/Orion-Projekt

[22a] http://www.youtube.com/watch?v=v4k_YZAXSEI&feature=related

[23] http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_%28nuclear_propulsion%29

[24] Nuclear Pulse Space Vehicle Study Vol III – Conceptual Vehicle Designs and Operational Systems

[25] Harry O. Ruppe: Raumfahrt – die grenzenlose Dimension, Band 1 – Chancen und Probleme, Econ 1980

[26] http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Daedalus

[27] http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109.jvn.spring00/nuc_rocket/Dyson.pdf

[27a] http://www.youtube.com/watch?v=0wjhzeMS27M&feature=related

[28] http://news.discovery.com/space/project-daedalus-size-comparison-110119.html

[29] http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=RfsKxnPK6ls#!

[30] http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Longshot

[31] http://www.icarusinterstellar.org/

[31a] http://www.youtube.com/watch?v=A2rvpvrjfi0

[32] http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Icarus_%28Interstellar_Probe_Design_Study%29

[33] http://www.fantastik-online.de/st/p/bilder/st_p0004b03.htm

[34] http://en.wikipedia.org/wiki/Cryobiology

[35] Brian W. Aldiss: Non-Stop (US: Starship), Faber and Faber 1958

[36] http://en.wikipedia.org/wiki/The_High_Frontier:_Human_Colonies_in_Space

[37] http://en.wikipedia.org/wiki/Hydroponics

[37a] http://www.amjbot.org/content/89/2/236.abstract

[37b] Aldous Huxley: Brave New World, Chatto & Windus Ltd., 1932

[38] Jack Williamson: Manseed, Ballantine Books, New York 1982

[39] http://www.chris-winter.com/Erudition/Reviews/J_Williamson/Manseed.html

[40] http://en.wikipedia.org/wiki/Robot

[41] https://monstermaschine.wordpress.com/2012/05/10/die-entdeckung-kuenstlichen-lebens/

[42] Diether Sperlich: Populationsgenetik, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1988

[43] M. R. Rose u. a.: Evolution of ageing since Darwin. In: J Genet. 87, 2008, S. 363–371

[44] http://www.welt.de/wissenschaft/article896784/Groenlandwal-mit-211-Jahren-von-Walfaengern-getoetet.html

[45] http://en.wikipedia.org/wiki/Bowhead_whale

[46] http://www.scienceticker.info/2008/04/16/aeltester-lebender-baum-ist-9550-jahre-alt/

[47] http://de.wikipedia.org/wiki/Scolymastra_joubini

[48] http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/bakterien-ueberleben-seit-zeit-der-saurier-a-833865.html

[49] http://de.wikipedia.org/wiki/Altern

[50] C. R. Burtner, B. K. Kennedy: Progeria syndromes and ageing: what is the connection? In: Nature Reviews Molecular Cell Biology. 11, 2010, S. 567–578. doi:10.1038/nrm2944

[51] https://monstermaschine.wordpress.com/2012/05/03/32-000-jahre-alte-pflanze-erblueht/

[51a] Es gibt sogar einen Kinofilm, der das Thema Missbrauch von Eugenik fuer die Zucht von Astronauten-Uebermenschen zum Thema hat: Andrew Niccols ‚Gattaca‘ von 1997

[52] https://monstermaschine.wordpress.com/2012/04/23/5/

[53] Ich wuerde mich ueber Meinungen zu meinem Artikel, besonder von Anhaengern der Antihumanisten Ray Kurzweil, Marvin Minsky und Hans Moravec sehr freuen. Und natuerlich freue ich mich auch ueber die Meinung von Philosophen und philosophisch Interessierten anderer Richtungen.

[54] Keine Regel ohne Ausnahme: die Gezeitenkraftwerke gewinnen Energie, die aus der Gravitationsenergie stammt, die unser Sonnensystem einst geformt hat und in die Bewegung der Himmelskoerper, wie des Mondes, und darueber in den Tidenhub des Erdozeans ueberging. Natuerlich ist ein solcher gigantischer Mechanismus ueber Himmelskoerper und Ozeane fuer einen nutzbaren Raumfahrtantrieb auf absehbare Zeit unbrauchbar. Eine weitere Ausnahme, nach der auch aus Elektromagnetismus Energie gewonnen werden kann, ist mir (ausser aus diversen mehr oder weniger amuesanten esoterischen Publikationen im Zeitschriftenhandel) nicht bekannt.

[55] SDI – Strategic Defense Initiative: ein umfangreiches, militaerisches Forschungsprogramm der Achtzigerjahre, das urspruenglich die Entwicklung weltraumgestuetzer Waffen zum Abfangen startender und kreuzender Interkontinentalraketen hatte. Unter anderem wurde eine Laserwaffe umfassend erforscht, die auch manchmal ‚Casaba Howitzer‘ genannt wird, bei der es sich um eine sogenannte Nukleare Hohlladung handelt, also einem gerichteten elektromagnetischen Dipol anstatt einer Kugelfoermigen Ausbreitung. Da bei der Zuendung einer Nuklearen Ladung die Gesetze der Quantenmechanik gelten, ist es mit Hilfe der Quantenelektrodynamik moeglich, durch gewisse geometrische Anordnung der Nuklearladung einen gebuendelten Strahl zu erzeugen.

[56] Am 15. Dez. 2014 wurde bereits zum zweiten Mal bestaetigt, dass Voyager-1 sich mittlerweile im interstellaren Raum ausserhalb des Sonnensystems befindet. https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1

[57] Mittlerweile sind es bereits 130 Astronomische Einheiten (Stand Dezember 2014)

[58] https://monstermaschine.wordpress.com/2012/09/25/why-mankind-must-not-fear-the-pure-fusion-bomb/

[59] https://monstermaschine.wordpress.com/2012/10/11/flying-platforms-with-nuclear-pulse-propulsion/

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Blogger, Diplom-Ingenieur, TU, Raumfahrttechnik, Embedded Systems, Mitglied VDI, DGLR

5 Antworten zu “Methoden zur Ueberwindung stellarer Distanzen

  1. Heinrich Zimmermann ⋅

    Gratuliere, extrem profunder Artikel, Dank. Man sollte viele solcher Kollegen um sich haben, um dieses und jenes zu diskutieren.

  2. Joachim Wagner ⋅

    Vielen Dank. Ein kleiner Fehler ist mir aufgefallen: Saegetiere sollte vermutlich Saeugetiere heissen.

  3. Andreas Resch ⋅

    Wow – habe den Text gerade von der ersten bis zur letzten Zeile in einem Rutsch verschlungen. Ein so vielschichtiger, realitätsnaher und fesselnder Artikel zum Thema ist mir bis jetzt noch nicht untergekommen, mein Kompliment und auch mein herzliches Dank dafür!

    Eine Frage/Anmerkung hätte ich dabei noch zum Thema „Carnot-Wirkungsgrad“ in Verbindung mit dem „Fusionsantrieb Nr. 4“ (Kontinuierliche Kernfusion):

    Versuchsanlagen, die einen solchen, (teil)kontinuierlichen Betrieb erlauben sollen, werden ja heute schon gebaut (ITER, Wendelstein 7-X). Dabei wird versucht, das Fusionsplasma mithilfe von supraleitenden Magneten in einem Hochvakuum einzuschließen und es auf diese Weise von allen mechanischen Bauteilen der Anlage fernzuhalten, um deren Zerstörung (bzw eine Abkühlung des Plasmas) zu verhindern.

    Diese supraleitenden Magneten – und das ist der entscheidende Punkt – müssen dabei das torusförmige Plasma jedoch nicht irgendwie vollständig „luftdicht“ umschließen, vielmehr handelt es sich um einzelne, mehr oder weniger „lose aneinandergereihte“ Magnetsegemente, zwischen denen nicht zwangsläufig eine gasdichte Verbindung bestehen muss. Das ist zwar bei bisherigen Anlagen überall so ausgeführt (ganz einfach, weil man die Umgebung nicht verstrahlen und die Abwärme ja eigentlich irgendwann thermisch nutzen will) aber prinzipiell müsste es möglich sein, zwischen den Magneten große Öffnungen in den Reaktor einzulassen. Über diese Öffnungen könnte ein beträchtlicher Teil der entstehenden Abwärme einfach in den freien Weltraum abstrahlen, ohne dabei die Schiffswand auch nur zu berühren, geschweige denn, diese aufzuheizen.

    Wenn es gelingen würde, einen solchen „offenen“ Fusionsantrieb zu realisieren, bei dem (Hausnummer) 90% der Reaktorquerschnittsfläche frei ausgeführt ist und somit nur 10% der anfallenden Abwärme vom Schiff absorbiert wird, würde das (nach meinem Verständnis) den limitierenden Einfluss des Carnot-Wirkungsgrades um den Faktor 10 entschärfen, was wiederum eine 10 fach stärkere Beschleunigung des Schiffes zulassen würde, ohne dass selbiges zwangsläufig gleich wie eine Sternschnuppe verglühen muss.

    Mir ist durchaus klar, dass bisher noch kein Fusionsraktor in Betrieb ist, der eine positive Energiebilanz aufweist (also mehr Energie freisetzt, als für die Zündung erforderlich ist), und dass die technischen Probleme gewaltig sind, aber das ist ein anderes Thema: Mir geht es einzig und allein darum, ob es mit einem solchen, hypothetischen, offenen Antrieb möglich wäre, die extremen Limitierungen, die uns der Carnot-Faktor setzt, zu umgehen, oder nicht …

    Ihre Meinung zu dieser Überlegung würde mich sehr interessieren🙂

    • Hallo Herr Resch, vielen Dank fuer das Kompliment und die Darstellung ihrer interessanten Idee. Darueber muss ich aber erst einmal in Ruhe nachdenken, bevor ich antworten kann. Wenn Sie an Kernfusion interessiert sind, dann lesen sie unbedingt noch meinen Artikel „Why mankind must not fear the pure fusion bomb“, der recht tief in die Thematik einsteigt.

    • Hallo Herr Resch, da gibt es leider einen Denkfehler: was sie an Treibstoff in die Umgebung ungenutzt ablassen, das verlieren sie an der Effizienz des Antriebs, in unserem Fall spezifischen Impuls. Beispiel Fluessigtriebwerke: Nur dann, wenn sie das Kuehlmedium (einen Teil des Treibstoffs) geschickt nutzen, um damit zum Beispiel über einen Gasgenerator die Turbopumpen anzutreiben, oder wenigstens Treibstoff vorzuheizen, das heisst die Waermeenergie irgendwie dem Antrieb wieder zuzufuehren, erreichen sie hohen spezifischen Impuls. Genauso waere es auch mit dem Kernfusionsantrieb. Also ein Antrieb geringen Schubes, der die entstehende Abwaerme so weit es geht fuer den Antrieb verwertet, waere einem hochschubigen Antrieb, der viel Waerme nutzlos in die Umgebung abstrahlt, in Sachen Isp weit ueberlegen. Und der spezifische Impuls ist das Wichtigste, worauf es letztendlich bei einem Raumfahrtantrieb ankommt. Also: Waerme in die Umgebung abzustrahlen, um die Aufheizung des Raumschiffs zu limitieren, ist leider keine gute Idee.

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