TEIL C

Weltraum-Sonnensegel (1)

Im November 1577 beobachtet der sechsjährige Johannes Kepler den Großen Kometen, wird später zu einem Astronomen, bemerkt, daß Kometenschwänze von der Sonne wegführen, und schreibt 1610 an Galileo: „Besorgen Sie Schiffe oder Segel, die an die himmlische Brise angepaßt sind, und es wird einige geben, die auch diese Leere tapfer befahren werden.“ Den Grund für die Ausrichtung des Kometenschwanzes beschreibt er 1619 in seinem Buch Opera Omnia.

Erklären können dieses Phänomen allerdings erst die Arbeiten des schottischen Physikers James Clerk Maxwell zu elektromagnetischen Feldern und elektromagnetischer Strahlung von 1861 bis 1864, in denen er zeigt, daß Licht Impuls hat und somit Druck auf Objekte ausüben kann.

Als Jules Verne im Jahr 1865 sein Buch Von der Erde bis zum Mond veröffentlicht, ist darin zu lesen, daß auch Licht Schiffe durch den Raum bewegen könnte: „Es wird eines Tages Geschwindigkeiten geben, die weit größer sind als diese [der Planeten und des Geschosses], deren mechanischer Agent wahrscheinlich Licht oder Elektrizität sein wird… wir werden (damit) zum Mond, den Planeten und den Sternen reisen.“

Zwei französische Science-Fiction-Autoren, Henry de Graffigny und Georges le Faure, stellen in ihrem 1889 erschienenen Roman Aventures Extraordinaires d’un Savant Russe das Konzept eines Raumschiffs mit einem großen Spiegel vor, das zu seinem Antrieb den Druck des Sonnenlichts sammelt. Überhaupt reflektiert sich bei dieser Technologie die Verflechtung und gegenseitige Beeinflussung futuristischer Visionen und ingenieurtechnischer Umsetzungen höchst eindrucksvoll.

Der russische Physiker Pjotr Nikolajewitsch Lebedew ist 1899 oder 1900 der Erste, der den Strahlungsdruck experimentell nachweisen kann, was in einem unabhängigen Experiment 1901 oder 1903 auch Ernest Fox Nichols und Gordon Ferrie Hull am Dartmouth College in Hanover, New Hampshire, mit ihrem selbst erfundenen Nichols-Radiometer tun.

Im Jahr 1908 ist der schwedische Physiker und Chemiker Svante August Arrhenius der erste, der die Möglichkeit in Betracht zieht, daß der Druck der Sonnenstrahlung Lebenssporen über interstellare Distanzen verteilt, um das Konzept der Panspermie zu erklären.

Im Jahr 1915 werden in Russland die ersten ernsthaften Überlegungen zum photonischen Antrieb von Yakov Pelerman veröffentlicht, und der russische Raumfahrtpionier Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski, der von SF-Literatur und den Erzählungen Jules Vernes angeregt, selbst Geschichten über interplanetare Raumfahrt schreibt und schon 1895 einen Weltraumlift vorschlägt, gilt als der erste, der 1924 den Vorschlag macht, den Druck des Sonnenlichts zu verwenden, um Raumfahrzeuge anzutreiben.

Der deutschbaltisch-sowjetische Gelehrte, Erfinder und Raketenbauer Friedrich Arturowitsch Zander (Fridrickh Arturovich Tsander) wird von Ziolkowski inspiriert und veröffentlicht 1924 ein Buch über dessen Arbeiten. Zusammen mit Ziolkowski und dem ukrainischen und sowjetischen Raumfahrtingenieur Juri Wassiljewitsch Kondratjuk gründet Zander ebenfalls noch 1924 die ,Gesellschaft zum Studium der interplanetaren Reisen’. 1925 veröffentlicht er dann eine Studie mit detaillierten theoretischen und technischen Analysen eines Sonnensegels, um „mit großen Spiegeln aus sehr dünnen Blechen den Sonnendruck zu nutzen, um kosmische Geschwindigkeiten zu erreichen.“

Im Jahre 1927 spekuliert der britische Biologe und Genetiker John Burdon Sanderson Haldane über die Erfindung von röhrenförmigen Raumschiffen, welche die Menschheit in den Weltraum bringen würden und wie „Flügel aus einer metallischen Folie von einem Quadratkilometer oder mehr ausgebreitet werden, um den Druck der Sonnenstrahlen zu fangen.“ Und 1929 prognostiziert der britische Physiker John Desmond Bernal in einem philosophischen Buch das ,Raumsegeln’, das die abstoßende Wirkung der Sonnenstrahlen anstelle von Wind benutzt.

Weitere Spuren lassen sich erst wieder in den 1950er Jahren finden, so z.B. in einem wissenschaftlichen Artikel über die Raumfahrt mit Sonnensegeln von Carl Wiley bei der Firma Rockwell Engineering, der 1951 darüber schreibt, wie die Segel aus dünnem Metallfilm in der Umlaufbahn montiert werden. Aus Angst vor dem Verlust seiner Glaubwürdigkeit, veröffentlicht Wiley der Text über die ,Clipper Ships of Space’ im Magazin Astounding Science Fiction unter Pseudonym (Russell Saunders).

Mitte der 1950er Jahre stellt auch der französische Schriftsteller Pierre Boulle in seinem SF-Roman Der Planet der Affen Sonnensegler vor, die in der späteren Verfilmung leider nicht mehr vorkommen.

1955 entwickelt Hermann Oberth das Konzept von Spiegeln im All, das er in seinem Werk ,Menschen im Weltraum’ beschreibt. Mehr über diese Technologie findet sich im Kapitelteil der Solarsatelliten.

Der Ausdruck Sonnensegeln (solar sailing) erscheint erstmals 1958 in einem Artikel des US-Magazins Jet Propulsion, in welchem Richard Gamin, ein amerikanischer Ingenieur und Berater des Verteidigungsministeriums im Watson Laboratory von IBM, technische Berechnungen eines derartigen Antriebssystems veröffentlicht. Damit inspiriert er u.a. den SF-Autor Arthur C. Clarke (Space Oddity 2001) zu dessen 1964 erscheinenden Kurzgeschichte The Wind from the Sun, in welcher es um eine Sonnensegler-Regatta von der Erde zum Mond geht. Die ursprünglich ,Sunjammer’ genannte Story erscheint übrigens in der Märzausgabe des Magazins Boy’s Life, dem Periodikum der Boy Scouts of America.

Unter dem Titel The Wind from the Sun erscheint zudem 1972 eine Sammlung von SF-Kurzgeschichten von Clarke, zu dessen Ehren ein Teil des Buches auf einer CD an Bord des Sonnensegels Cosmos 1 der Planetary Society mitgeführt wird (s.u.).

Ebenfalls im Jahr 1958 schlägt Ted Cotter vom Los Alamos National Laboratory die Entwicklung eines rotierenden Solarsegels vor, was dem Time Magazine immerhin ein Editorial mit dem Titel ,Trade Winds in Space’ wert ist. Die Rotation wird als ein Mittel zur Stabilisierung eines Segels ohne Struktur betrachtet, die Mechanismen für die Kontrolle erweisen sich allerdings als sehr kompliziert.

Weitere SF-Geschichten und Romane, in denen Solarsegel vorkommen, sind u.a. The Lady Who Sailed The Soul (1960) und Think Blue, Count Two (1963) von Cordwainer Smith (Pseudonym von Paul M. A. Linebarger); Sail 25 von Jack Vance (1962); A Mote in God’s Eye von Larry Niven und Jerry Pournelle (1974, dt.: Der Splitter im Auge Gottes, 1977); Sunjammer von Poul Anderson (1964), Windhaven von George R. R. Martin und Lisa Tuttle (1981, dt.: Sturm über Windhaven, 1985); Flight of the Dragonfly von Robert L. Forward (1984, dt.: Der Flug der Libelle, 1985); The Children’s Hour von Jerry Pournelle und S. M. Stirling (1991); sowie The Wreck of the River of Stars von Michael Flynn (2003), in welchem es um den letzten Fluges eines Magnetsegel-Raumschiffs geht, da dessen Antriebstechnik nun durch Farnsworth-Hirsch-Fusoren abgelöst werden soll (die es übrigens tatsächlich gibt).

Bei Forward - der die Solarsegel-Idee auch in seiner Rolle als Physiker auf interstellare Flüge ausdehnt und erste Konzepte für Laser- und Mikrowellen-Segel aus Aluminium entwirft - kommt zudem eine Linse von der Größe des Staates Texas zwischen Saturn und Neptun vor (eine sogenannte Fresnel-Zone), die das Licht von mehreren Tausend um den Merkur kreisenden Sonnenkollektoren bündelt. Diese solargepumpten Laser haben eine Gesamtleistung von 65 GW.

In Nivens Tales of Known Space (1975) werden Lichtsegel wiederum verwendet, um Raumschiffe so stark zu beschleunigen, daß interstellare Staustrahltrichter genutzt werden können (s.u.). Nivens Lichtsegel werden fast immer von riesigen Lasern angetrieben, die entweder auf Schienen auf dem Merkur oder auf Asteroiden im Gürtel zwischen Erde und Mars plaziert sind.

Doch nun sind auch die ersten praktischen Arbeiten zu verzeichnen: Als die NASA im Jahr 1960 den ersten passiven Kommunikationssatelliten Echo 1A startet, einen 76 kg schweren, aluminiumbeschichteten Mylar-Ballon mit 30 m Durchmesser, an dem Mikrowellen abprallen, wird erstmals der Sonnendruck in die Berechnung der Trajektorie mit aufgenommen.

Der Sonnendruck bewegt den ,Satelloon’ tatsächlich, läßt ihn aber nicht kollabieren. Ein ähnlicher Ballonsatellit mit 41 m Durchmesser namens Echo 2 wird 1964 gestartet.

Zu den Aktivisten der Bewegung gehört auch Philippe Villers, der 1960 mit einer Arbeit über Solarsegel seinen Master am Massachusetts Institute of Technology (MIT) abschließt.

Dort wird im Rahmen des Projekts Needles im Jahr 1963 ein Experiment durchgeführt, bei dem etwa 500 Millionen haarähnliche Kupferdrähte in der Umlaufbahn plaziert werden, um zu sehen, ob sie als passiver Kommunikationsrelais-Satellit arbeiten würden. Tatsächlich gelingt es, Nachrichten von Küste zu Küste zu senden. Die Nadeln verbrennen anschließend harmlos in der Atmosphäre und bestätigen die Vorhersage, daß der Druck des Sonnenlichts ihre Umlaufbahn senken würde.

Im Jahr 1967 führt der Ingenieur Richard MacNeal von der Firma Astro Research Corp. ein neues Designkonzept ein: Sein Heliogyro besitzt lange, dünne Blätter, die sich im All - durch Zentrifugalkraft verfestigt - als ,Lichtmühle’ um eine zentrale Achse drehen, ähnlich wie Hubschrauberblätter.

Nachdem MacNeal zuerst ein System aus zwei Blättern konzipiert, die jeweils 250 kg wiegen, 5.700 m lang, 1,5 m breit und 6 µm dünn sind, entwickelt er später extrem große Konfigurationen mit einem Radius von 30 km und einem Gewicht von 45 Tonnen.

Daß das Heliogyro-Konzept prinzipiell realisierbar ist, belegt ein Experiment mit einem 2 m langen, 2 cm breiten und 80 µm dicken Versuchsblatt, mit dem erfolgreich Neigungmanöver in einem rotierenden Raum durchgeführt werden.

Sehr wichtig für die gesamte Entwicklung der photonischen Antriebe ist auch Carl Sagan, der das Konzept der Solarsegel bereits im September 1967 in Johnny Carsons US-Fernsehsendung The Tonight Show der Öffentlichkeit vorgestellt.

Eine Art Umsetzung erfolgt erstmals, als die Wirkung des Solar-Drucks zur Ausrichtung der im November 1973 gestarteten Sonde Mariner 10 während ihres Fluges zur Venus und zum Merkur (1974 - 1975) genutzt wird, wobei der Druck auf die Sonnenkollektoren, die wie Schaufeln in unterschiedlichen Winkeln zur Sonne geneigt sind, die Sonde in eine gewünschte Rotation versetzt.

Als die NASA und die Europäische Raumfahrtbehörde ESA im Jahr 1973 über das Rendezvous eines Raumfahrzeugs mit dem Halleyschen Kometen nachdenken, was im Jahr 1986 geschehen könnte, wird auf Vorschlag des Ingenieurs Jerome Wright vom Battelle Memorial Institute ein Forschungsprogramm für Sonnensegler initiiert.

Ein Designteam des Jet Propulsion Laboratory (JPL) unter der Leitung von Louis Friedman sowie Kollegen der NASA-Forschungszentren in Ames und Langley führen ab 1976 eine Heliogyro-Solarsegel-Designstudie durch, bei der sie einen Heliogyro mit zwölf 7,5 km langen Blättern in zwei Lagen konzipieren.

Zwar wird das Programm aus finanziellen Gründen schon 1977 wieder fallengelassen, doch die Designstudie beweist die Machbarkeit von Sonnensegeln, und insbesondere Heliogyro-Segeln. Für die Rendezvous-Mission mit Halley wird statt dessen ein solarbetriebenes Ionen-Triebwerk ins Auge gefaßt - und die NASA beendet die Sonnensegelforschung für mehr als 20 Jahre.

Mehrere Wissenschaftler und Techniker des JPL gründen daraufhin im Jahr 1979 die World Space Foundation (WSF) mit dem Ziel, die technische Durchführbarkeit von Sonnensegeln auch praktisch zu beweisen.

Im Jahr 1980 beantragt Kim Eric Drexler das Patent für einen Solarsegel-Entwurf unter Verwendung eines dünnen Metallfilms (US-Nr. 4.614.319, erteilt 1986), der in seiner Anmeldung auch die bisherige Entwicklung der Technik sehr detailliert darstellt. Drexler gilt u.a. als ein Pionier des Konzepts, abgebaute Materialien von Asteroiden in Richtung Erde zu transportieren.

Im Jahr 1981 schließen sich auch in Europa verschiedene Raumfahrt-Profis mit Interesse an Sonnensegeln zusammen, um die Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (U3P) zu gründen, mit ähnlichen Zielen wie die WSF.

Die Initiatoren stammen hauptsächlich aus den französischen staatlichen Forschungsunternehmen Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) und Centre National d’Études Spatiales (CNES).

1982 folgt dann die Gründung einer gleichartigen Institution in Japan. Hier wird die Solar Sail Union of Japan (SSUJ) von den Ingenieuren des Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) geschaffen.

Von 1985 stammt ein Comic von Olivier Boisard, einem Mitglied der U3P, der auf der o.e. Kurzgeschichte Der Wind von der Sonne von Clarke beruht. Boisard zeichnet auch eine Reihe von Solarsegelkonzepten und -designs, die ebenfalls auf der U3P-Seite zu finden sind.

Das Buch Starsailing: Solar Sails and Interstellar Travel von Louis Friedman erscheint 1988. Friedman ist Mitinitiator der 1980 von Carl Sagan und Bruce Murray gegründeten Planetary Society, einer gemeinnützigen Organisation zur Förderung der Erforschung des Sonnensystems und der Suche nach außerirdischem Leben (s.u.).

Bevor wir zu weiteren Projekten und Umsetzungen kommen, soll kurz der aktuelle Wissensstand zusammengefaßt werden: Tatsächlich können – ähnlich wie bei den durch irdische Winde angetriebenen Segelschiffen – im Weltall große Lichtsegel entfaltet werden, die mit ihrem extrem dünnen reflektierenden Material auf den sehr viel schwächeren, aber nie versiegenden Schub des Teilchenstroms der Sonne reagieren, der als Solarwind oder Sonnenwind bekannt ist.

Dieser besteht im Wesentlichen aus erhitzten Elektronen und Protonen sowie aus Heliumkernen, also einem Plasma, das mit einer mittleren Geschwindigkeit von 350 - 400 km/s von der Sonne weggeschleudert wird (andere Quellen: 500 - 800 km/s), wobei im interplanetaren Raum auf einen Kubikzentimeter etwa 10 ionisierte Atome kommen (andere Quellen: bis zu 100 Atome). Dabei haben die chemischen Elemente des Sonnenwindes unterschiedliche Geschwindigkeiten,  verschiedene Temperaturen, wobei sich diese seltsamerweise mit der Richtung ändern.

Wie Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA um Adam Szabo im März 2013 berichten, stammt die Quelle der Erwärmung des Sonnenwinds aus Ionen-Zyklotron-Wellen, die um das Magnetfeld der Sonne kreisen.

Mit einem genügend großen Segel lassen sich diese Teilchen einfangen und als treibende Kraft für ein Raumschiff oder eine Sonde verwenden. Nach Erreichen der höchstmöglichen Geschwindigkeit von 400 km/s kann diese durch den Sonnenwind nicht noch weiter beschleunigt werden - doch auf ein Sonnensegel wirkt ja auch noch der Strahlungsdruck der Photonen ein.

Dies erlaubt es einem Solarsegler, nahezu ohne Begrenzungen Kurs durch das Sonnensystem zu nehmen. In Erdentfernung übt das Licht der Sonne einen Schub von neun Mikronewton auf jeden Quadratmeter Segel aus, entsprechend 900 g Masse auf jeden Quadratkilometer. Die Energie wird hierbei ohne Zwischenspeicherung direkt umgesetzt.

Wegen des geringen Drucks der Lichtteilchen beschleunigt ein Solarsegel zuerst zwar nur mit 18 cm pro Stunde, doch je länger das Sonnenlicht auf das Segel wirkt, desto schneller wird es. Nach 100 Tagen liegt die Geschwindigkeit bei rund 16.000 km/h und nach drei Jahren sogar schon bei 160.000 km/h. Zumindest in der Theorie ist es also möglich, mit dieser Technologie nahe an die Lichtgeschwindigkeit heranzukommen.

Bevor es mit den möglichen Technologien weitergeht, soll noch die weitere Arbeit des GSFC betrachtet werden. So berichten dessen Wissenschaftler, die diesmal mit Craig E. DeForest vom Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder sowie mit Kollegen der University of Delaware (UD) und der University of Colorado (CU) zusammenarbeiten, im September 2016, wie sie den Rand der Sonnenatmosphäre, die Korona, untersucht und eine detaillierte Darstellung davon erarbeitet haben, wie sich der Sonnenwind bildet und wie er aus der Korona ausbricht.

Die in der im Netz einsehbaren Studie ,Fading Coronal Structure and the Onset of Turbulence in the Young Solar Wind’, zum ersten Mal veröffentlichten Fotos sind bearbeitete Versionen einer Reihe von Bildern, die von der NASA-Raumsonde STEREO gesammelt wurden, einem Paar weltraumgestützter Observatorien, das seit 2006 beobachtet, wie sich Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe auf der Oberfläche entwickeln, bevor sie in den Weltraum geschleudert werden.

Dem Team gelingt es, den schnellen Übergang des jungen Sonnenwindes von einer magnetisch strukturierten Reihe von Strahlenströmen zu einem böigen, turbulenten, hydrodynamisch dominierten Zustand zu beschreiben, da sich herausgestellt hat, daß die magnetische Kontrolle der Sonne über den Sonnenwind beim Verlassen der Korona schnell nachläßt, und zwar viel schneller als der Druck des Plasmamaterials selbst.

Aus ihrem magnetischen Einschluß befreit, brechen die scharf definierten Strahlen in der Übergangszone auf, die etwa 30 Mio. km vor dem Rand der Korona liegt, und fächern sich so auf, daß sie eher einer nebligen Gischt ähneln und sich mehr wie ein Gas und weniger wie ein magnetisch strukturiertes Plasma verhalten.

Kontextbezogen sei auf eine Publikation vom August 2023 hingewiesen, in der ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Göttinger Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) über die Ursache des Sonnenwinds berichtet. Unter dem Titel ,Picoflare jets power the solar wind emerging from a coronal hole on the Sun’ beschreiben sie, wie mittels der europäischen Raumsonde Solar Orbiter ein neuartiges Phänomen in der Sonnenkorona entdeckt haben: viele kleine Eruptionen, sogenannte Piko-Eruptionen, die kurzlebige Materiestrahlen auslösen und den Sonnenwind an treiben.

Die Raumsonde hatte die Partikeleruptionen aus der Sonnenatmosphäre erstmals im Februar 2021 gefilmt. Genau ein Jahr später veröffentlichte die Europäische Weltraumagentur (ESA) das Bild eines gewaltigen Massenauswurfs, dessen leuchtende Wirbel einige Millionen Kilometer weit ins All reichen. Nach Angaben der ESA ist es die größte derartige Eruption, die jemals fotografiert wurde.

Laut dem Erstautor der Studie, Lakshmi Pradeep Chitta, war aber noch immer unklar, wie genau es der Sonne gelingt, den Sonnenwind mit so hohen Geschwindigkeiten ins All zu schießen. Bekannt war lediglich, daß dieser Strom aus Elektronen und Protonen aus sogenannten koronalen Löchern stammt – Regionen geringerer Dichte und Temperatur in der heißen Sonnenatmosphäre. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Magnetfeld der Sonne: Während die magnetischen Feldlinien in der Korona jeweils geschlossene Bögen nahe des Gestirns bilden, reichen sie von den koronalen Löchern oft weit nach außen, weshalb die elektrisch geladenen Teilchen aus der Korona dort nach außen entweichen können.

Als die Raumsonde Ende März 2022 mit einer Entfernung von 50 Mio. km den sonnennächsten Punkt ihrer stark elliptischen Umlaufbahn erreichte, nahm sie ein koronales Loch mit einer Auflösung von 200 km unter die Lupe. Dabei stießen die Wissenschaftler überraschend auf viele kleine Materiestrahlen, Jets genannt, die Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde erreichen.

Die Forscher tauften das Phänomen Piko-Eruptionen oder Piko-Flare-Ströme, weil sie lediglich etwa ein Billionstel der Energie großer Sonneneruptionen freisetzen. Die Mini-Ströme sind ca. 100 km breit, von langgezogener oder Y-förmiger Gestalt und verblassen nach 20 - 100 Sekunden. In der Summe dürften sie dennoch einen Großteil der Energie bereitstellen, die erforderlich ist, die Sonnenwindteilchen auf ihre Überschallreise durchs All zu schicken.

Chitta und seine Kollegen vermuten, daß die Piko-Eruptionen durch Umstrukturierungen des Magnetfelds ausgelöst werden, denn wenn geschlossene und offene magnetische Feldlinien aufeinandertreffen, können sie sich neu anordnen und dabei große Mengen an Energie freisetzen.

Ende September 2024 ist die Solar Orbiter ein weiteres Mal Zeuge einer spektakulären Sonneneruption. Dabei bestätigt sich, daß Veränderungen in der Magnetfeld-Architektur der Sonne die nötige Energie liefern, um bei einem Ausbruch Strahlung und Teilchen ins All zu katapultieren. Stark verdrillte, sich kreuzende Magnetfeldlinien, in denen viel magnetische Energie gespeichert ist, brechen auf und fügen sich neu zusammen. Wie dieser Rekonnexion genannte Vorgang als Antrieb für Sonneneruptionen im Detail funktioniert, ist jedoch noch unklar. In ihrer aktuellen Publikation beschreiben Chitta und seine Kollegen, wie kleine Rekonnexionsprozesse weitere anstoßen, sich lawinenartig aufschaukeln und es so zum Ausbruch kommt.

Spätere Veröffentlichungen des MPS befassen sich mit der Frage, wie Protuberanzen entstehen und was das Geheimnis ihres Durchhaltevermögens ist. Außerdem erscheinen im Juli 2026 die Ergebnisse des sechseinhalb Tage währenden Stratosphärenflugs des solarbetriebenen, ballongetragenen Sonnenobservatoriums Sunrise III, das genau zwei Jahre zuvor gestartet war. Die dabei gewonnenen mehr als 200 Terabyte Daten enthalten u.a. neue Informationen zu Tornados im Sonnenplasma und zu den Vorgängen vor und während eines Strahlungsausbruchs.

Im August folgt ein Bericht über Aufnahmen des Daniel K. Inouye Solar Telescope der National Science Foundation (NSF) sowie Computersimulationen, die kleinste Wirbel an der Sonnenoberfläche enthüllen, die noch nie zuvor zu sehen waren. Die Forscher werten die wirbelartigen Plasmaströme als Anzeichen von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten, die auftreten, wenn zwei Fluide mit verschiedenen Geschwindigkeiten aneinander vorbeiströmen. Der Effekt kommt in unterschiedlichsten Bereichen und auf verschieden Größenskalen zum Tragen, so auch bei der Wechselwirkung des Sonnenwindes mit den Magnetosphären von Planeten.

Im August 2026 wird Chitta, der sich bereits in seiner Promotion mit der Korona der Sonne beschäftigte, für seine Beiträge zur Erforschung des Zentralgestirns mit dem diesjährigen Karen-Harvey-Preis ausgezeichnet, den die Amerikanische Astronomische Gesellschaft (AAS) verleiht.

Im Jahr 1988 schlägt der amerikanische Ökonom Klaus Heiss vor, zum 500. Jahrestag der Entdeckung Amerikas durch Christopher Kolumbus, dem sogenannten Kolumbus-Jahr 1992, eine Sonnensegel-Regatta von der Erde zum Mars zu organisieren, deren Wendeboje der Mond ist. Teilnehmen sollen drei Solar-Segler – weil Kolumbus ebenfalls mit drei Schiffen unterwegs gewesen war.

In diesem Zusammenhang werden auch erstmals einige technische Daten bekannt. Für die USA könnte das Solar Sail Race Vehicle der World Space Foundation ins Rennen gehen, das mit seinem silberbedampftem 3.000 m²-Kunststoffsegel an einen quadratischen Kinderdrachen erinnert, sowie der nur 20 kg wiegende Heliogyro-Segler des MIT mit acht Segelblättern von jeweils 170 m Länge.

Technisch führend scheint allerdings das Modell der englischen Firma Cambridge Consultants zu sein, dessen Segel sich scheibenförmig um die Nutzlastkapsel auffaltet und bei 276 m Durchmesser eine Rekordfläche von 60.000 m² erreicht. Dank verstellbarer Rippen kann das Segel außerdem eine Schüssel- oder eine Sattelform annehmen.

Enttäuschenderweise finden sich aber keine Sponsoren für den Columbus 500 Space Sail Cup, und der Bau der Weltraum-Clipper wird nicht realisiert.

Im Jahr 1991 tritt der U3P eine spanische Gruppe namens Comision Vela Solar bei, die den Plan hat, schon 1992 ein Solarsegel zu entwickeln und zu bauen. In Paris wird daraufhin das Earth Moon Race Committee gegründet, um die Idee einer Sonnensegler-Regatta zwischen Erde und Mond zu verwirklichen. Doch auch dieser Vorschlag wird bald darauf wieder gestrichen.

Dafür haben die Regatta-Initiativen ein ganz anderes Resultat. So werden an der russischen Raumstation MIR (1986 – 2001) die Entfaltungsmechanismen von Foliensegeln und deren Lagekontrolle getestet, wobei das Experiment dem Plan dient, später einmal mit viel größeren Reflektoren nordrussische Städte zu erhellen. Man erhofft sich dadurch eine Stromersparnis, stärkeres Wachstum von Pflanzen und eine geringere Kriminalität in den beleuchteten Städten. Darüber wurde bereits ausführlich im Kapitelteil Solarsatelliten berichtet (s.d.).

Die Sache wird hier erwähnt, weil der dabei verwendete Spiegel ursprünglich von Vladimir Syromyadnikov und dem Space Regatta Consortium des Raumfahrtkonzerns RKK Energija in Moskau als Prototyp eines Solarsegel-Antriebssystems für die Space Regatta zum Mars konstruiert worden war, an der auch Russland teilnehmen wollte.

Der erste Versuch namens Znamya 2 (Banner) findet im Februar 1993 statt, nachdem mit einem unbemannten Raumtransporter Progress M-15 bereits im Oktober 1992 ein Spiegelsegel in den Weltraum gebracht worden war. Bei dem Experiment wird der Transporter in 230 m Entfernung von der Raumstation zur Lagestabilisierung in Rotation versetzt, um dann an einer elektrisch angetriebenen Achse den 40 kg schweren Reflektor aus dünner Folie durch Zentrifugalkraft auf einen Durchmesser von 20 m aufzuspannen.

Eigentlich sollte bei dem Sonnenspiegel-Experiment ein mehrere Kilometer großer Lichtkegel auf die Erde reflektiert werden, etwa zehnmal so hell wie der Vollmond, doch die Kanten der acht am Umfang verbundenen Foliensegmente entfalteten sich nicht vollständig und das Ergebnis bleibt unbefriedigend. Der Lichtkegel streicht sieben Minuten lang über die Erde, dann ist der Test vorbei und das Segel verglüht in der Atmosphäre.

Andere Quellen berichten, daß der Spiegel erfolgreich eingesetzt wird und einen 5 km breiten Lichtpunkt produziert, der mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s Europa von Südfrankreich ins westliche Russland durchquert. Einige Stunden später wird der Spiegel aus dem Orbit gesteuert und verbrennt beim Wiedereintritt über Kanada.

Genau sechs Jahre später, im Februar 1999, wird mit Znamya 2.5 eine verbesserte Version in den Orbit gebracht, wiederum von der MIR aus. Die Neuerung besteht darin, daß die Spiegelfolie optimiert wurde und mit 25 m Durchmessern auch größer als ihr Vorgänger ist. Zudem verfügt die neue Version über eine Fernsteuerung, die es ermöglichen sollte, den erwarteten, im Vergleicht zum Vollmond 5 - 10 mal so hellen Lichtkegel von 7 km Durchmesser auf eine bestimmte Stelle auf der Erde auszurichten.

Doch auch dieser Versuch geht schief, als sich die empfindliche Folie an den Antennen der MIR verheddert und einreißt, so daß sich der Solarspiegel nicht entfalten kann. Nach mehreren vergeblichen Versuchen der Missionskontrolle, den Spiegel von der Antenne zu befreien, wird er schließlich ebenfalls aus dem Orbit gesteuert und verbrennt – was dann auch das Ende des Projekts der russischen Raumfahrtagentur darstellt. Eine zuvor vorgeschlagene Version Znamya 3 mit einem Durchmessern von 60 – 70 m wird nie realisiert.

Ebenfalls im Jahr 1999 zeigen Tests, die der Luft- und Raumfahrtingenieur Leik Myrabo in Zusammenarbeit mit der U.S. Army auf dem White Sands Übungs- und Testgelände in New Mexico durchführt, die grundlegende Verwendbarkeit von Boden-basierten Lasern, um Objekte fliegen zu lassen. Über das LightCraft genannte System berichte ich ausführlich in der Übersicht des Jahres 2006 bei dem Elektro- und Solarfluggeräten (s.d.).

Bei einem Advanced Propulsion Research Workshop der NASA im April 1999 schlägt Robert Zubrin die Entwicklung magnetischer Segel vor, die anstelle von Sonnenlicht den Sonnenwind als Antriebskraft nutzen. Außerdem existieren irdische, andere planetare, solare und übergeordnete galaktische Magnetfelder, von denen sich ggf. ebenfalls Gebrauch machen läßt.

Zubrin arbeitet zusammen mit Dana G. Andrews von der University of Washington bereits seit 1988 an dem magnetischen Segel, und ihr Aufsatz ,Magnetic Sails and Interplanetary Travel’ , den sie auf der 25. Joint Propulsion Conference im Juli 1989 vorlegen, gilt als früheste technische Beschreibung eines Magnetsegels (Magsail), das aus einem Konzept des Bussardkollektors (o. Bussard Ramjet, Staustrahl) weiterentwickelt wurde.

Dieses bislang hypothetische Gerät, das nach dem US-amerikanischen Physiker Robert W. Bussard benannt ist, der die Technik bereits 1960 zur Energieversorgung von Raumschiffen vorschlug, nutzt ein elektromagnetisches ,Schaufel-Feld’ im Weltall, um interstellaren Wasserstoff zum Betrieb eines Fusionsreaktors zu sammeln, der wiederum das Raumschiff antreibt.

Übrigens findet auch dieser ,Vorfahre’ des Magnetsegels Erwähnung in der Science-Fiction-Literatur, wie z.B. in einigen Romanen von Larry Niven und Jerry Pournelle.

Auch in Poul Andersons Roman Tau Zero (dt.: Universum ohne Ende) von 1970 wird die Reise an Bord eines solchen Raumschiffes beschrieben, nachdem der Autor die Technologie erstmals 1967 in seiner Kurzgeschichte To Outlive Eternity erwähnt hatte. Zudem wird in der Serie Star Trek ein Bussardkollektor zur Rohstoffversorgung der Warpkerne und der Fusionsreaktoren von Raumschiffen verwendet – und in dem Kinofilm Star Trek IX: Der Aufstand sogar zum Sammeln anderer Gase umkonfiguriert.

Doch zurück zur Praxis: Eine verspiegelte Folie ist für das Magnetsegel ungeeignet, denn diese würde von den Ionen einfach durchschlagen werden. Zubrin, der u.a. auch eine nukleare Salzwasserrakete und später das Mars Direct Concept vorgeschlagen hatte, beschreibt sein Magsail als Kabelschleife aus supraleitendem Material, z.B. Niob-Titan- oder Niob-Zinn-Legierungen, die von einem Raumschiff abgewickelt wird. Im interplantaren Raum wären aber Hochtemperatur-Supraleiter erforderlich, da es hier wärmer ist als die 2,7 Kelvin, die im interstellaren Raum herrschen.

Der vom Raumschiff aus in die Kabelschleife induzierte Strom kreist verlustlos im Kabel und verursacht ein Magnetfeld, das wiederum Zugkräfte erzeugt, die auf die Schleife wirken und zu einer stabilen Kreisform führen. Der Teilchenstrom des Sonnenwindes trifft wiederum auf das kreisförmig ausgedehnte Magnetfeld und erzeugt einen Druck, der sich über die Kabel auf das Raumschiff überträgt.

Als Rechenbeispiel nennt Zubrin eine Magnetschleife mit einem Radius von 31,6 km, deren Kabeldurchmesser 2,5 mm beträgt und die mit einer Stromstärke von 50.000 Ampere aktiviert wird. Und während die Masse der Schleife nur 5 Tonnen beträgt, läßt sich damit eine Fläche von rund 2.800 km² umfangen. Dabei kann der Strom von einer kleinen 10 kW Anlage innerhalb von zwei Stunden aufgebaut werden. Zwar ergibt sich bei der Sonnenwinddichte auf der Erdbahn nur eine Beschleunigung von 0,0172 m/s², aber der Aufwand ist viel geringer, als wenn man die Beschleunigung mit einem gleichgroßen Sonnensegel erzeugen wollte.

Und auch im mittleren Sonnensystem ist das Magnetsegel dem Lichtsegel überlegen, da die Leistungsdichte (also das Verhältnis von Schub zu Nutzlast) beim Magnetsegel zwischen 50 und 100 Mal so groß ist wie beim Sonnensegel. Und dies, obwohl der Lichtdruck pro Fläche mehr Kraft ausübt als der Sonnenwind. Der Grund liegt darin, daß das Equipment viel leichter ist als ein großes Lichtsegel. Außerdem ist es robuster und leichter zu handhaben als sein fragiles Gegenstück. Ein weiterer signifikanter Vorteil ist, daß sich die Nutzlast innerhalb des selbst erzeugten Magnetfeldes befindet, was den besten Schutz vor ionisierten Teilchen darstellt.

 

Weiter mit den Weltraum-Sonnensegeln...