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RAUMFAHRT SCHUSS INS BLAUE


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 12/2019 vom 16.11.2019

Traditionelle Antriebstechniken befördern Raumsonden weder besonders schnell noch sehr weit ins All. Einige Wissenschaftler hoffen auf eine Revolution – und verfolgen dafür exotische Ideen an den Grenzen der bekannten Physik.

Artikelbild für den Artikel "RAUMFAHRT SCHUSS INS BLAUE" aus der Ausgabe 12/2019 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 12/2019

Sarah Scoles ist Wissenschaftsjournalistin. Sie schreibt regelmäßig über Raumfahrtthemen und lebt in Denver.

►spektrum.de/artikel/1681240

2012 kehrte Heidi Fearn, Physikprofessorin an der California State University im US-amerikanischen Fullerton, nach einem Sabbatical an ihren Arbeitsplatz zurück. Zu ihrer Überraschung war zwischenzeitlich im benachbarten Labor ein Mann ...

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... untergebracht worden, den sie bereits flüchtig kannte: James F. Woodward, Professor für Wissenschaftsgeschichte und außerordentlicher Professor für Physik. Die Universität hatte sein bisheriges Büro für eine neue Abteilung gebraucht und ihn an diesen bis dahin kaum genutzten Ort versetzt.

Anfangs betrachtete Fearn den alten Mann eher als Eindringling, aber bald änderte sich ihre Einstellung ihm gegenüber. Die Theoretikerin hat sich auf die Quantenoptik spezialisiert, also darauf, wie Licht mit Materie wechselwirkt. Woodwards Interesse hingegen gilt einem Außenseiterthema, nämlich einem hypothetischen Antrieb, mit dem die Menschheit dereinst den interstellaren Raum und die nächsten Sterne erkunden könnte.

»Ich war nicht wirklich davon überzeugt, dass seine Arbeit etwas taugt«, erinnert sich Fearn. Beim täglichen Vorbeigehen an Woodwards Labor erschien ihr der dort installierte Versuch eher wie das Demonstrationsexperiment in einer Vorlesung für Erstsemester denn wie ein futuristisches Antriebssystem. Der Aufbau enthielt eine schwingende Masse in einem Metallkäfig auf der einen Seite, Gegengewichte auf der anderen Seite und etliche hin-und herlaufende Drähte. Woodward behauptete, er könne die Masse eines Objekts ein kleines bisschen beeinflussen, indem er dagegen stößt. Während sie sich ändert, entstünde durch geschicktes Ziehen und Schieben zu genau den richtigen Zeitpunkten unter dem Strich Schub.

Woodward zeigte Fearn kleine Ausschläge auf einem Diagramm, die einem solchen Nettoimpuls entsprechen sollten. Fearn hielt zunächst nichts davon. Das änderte sich, während sie täglich am Diagramm vorbeilief. »Mit jedem Mal erschienen mir die Ausschläge klarer zu erkennen«, erinnert sie sich. Schließlich fragte Woodward, ob sie ihm helfen wolle. Sie sagte zu. Seitdem entwickelt das ungleiche Paar gemeinsam den Mach-Effekt-Gravitationsantrieb (MEGA). Dabei bewegen sie sich am äußeren Rand der etablierten Wissenschaft. Trotzdem haben sie inzwischen an Glaubwürdigkeit gewonnen: Drei weitere Labore haben das Experiment nachvollzogen und teilweise ähnliche Effekte gemessen, und MEGA konnte sich zwei heiß umkämpfte Fördertöpfe der NASA sichern.

Die Zuschüsse stammen aus dem NASA Innovative Advanced Concepts Program (NIAC), einer speziellen Abteilung der US-Raumfahrtagentur. Das NIAC unterstützt spekulative Forschungsansätze, die im Erfolgsfall dramati sche Konsequenzen hätten. 2017 und 2018 entfielen rund ein Fünftel der 47 Auszeichnungen auf neuartige Antriebe, die im Vergleich zu herkömmlichen Raketenkonzepten mit weniger Treibstoff in kürzerer Zeit mehr Masse über größere Distanzen befördern sollen. Die Spanne reicht von leicht ungewöhnlichen bis zu höchst exotischen Projekten. Gemeinsam ist allen, dass sie neue Wege gehen.

Bisher sind interstellare Reisen reine Sciencefiction, doch manche Forscher hoffen: nicht mehr lange.


DANI3315 / GETTY IMAGES / ISTOCK

Antriebe aus dem letzten Jahrhundert
Die NIAC-Förderungen sollen Abhilfe angesichts der Tatsache schaffen, dass sich seit Mitte des 20. Jahrhunderts bei der Antriebstechnik im Grundsatz relativ wenig getan hat. Die meisten Raumflugkörper verwenden chemische Treibstoffe, gewissermaßen die Weltraumvariante von Benzin. Verschiedene Chemikalien reagieren miteinander und erzeugen heiße Reaktionsprodukte, die sich ausdehnen und mit hoher Geschwindigkeit aus der Brennkammer schießen – Schub entsteht. Das ist die Kraft, mit der sich eine Rakete beim Start nach oben drückt.

Doch dieser Treibstoff allein eignet sich nicht für Reisen zu anderen Sternen oder auch nur für eine schnellere Fortbewegung innerhalb unseres Sonnensystems. Er ist relativ schwer, muss in großen Mengen mitgeführt und bei jeder Bewegung mitbeschleunigt werden. Bei einigen Missionen, wie der Dawn-Raumsonde der NASA, kam stattdessen bereits eine Alternative zum Einsatz: ein so genannter Ionenantrieb. Dabei ist die Energie zur Beschleunigung nicht chemisch im Treibstoff gebunden, sondern stammt aus einem elektromagnetischen Feld, das mit Hilfe von Solarzellen erzeugt wird. Es schießt geladene Teilchen (im Fall von Dawn aus einem Tank mit Xenongas an Bord) mit viel größeren Geschwindigkeiten ins All, als sie bei herkömmlichen Kraftstoffen möglich sind. Aber auch dieses Konzept hat seine Grenzen. »Das Prinzip der elektrischen Antriebe stammt aus den 1950er und 1960er Jahren«, sagt Dan M. Goebel vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. »Es ist, als hätte es seitdem praktisch keine grundlegend neuen Ideen mehr gegeben.«

Mit dem NIAC kann die NASA Risikokapital verteilen, um – mit den Worten des NIAC-Programmleiters Jason Derleth – »verrückte« Dinge zu fördern: »Damit meine ich etwas, woran sonst niemand denkt.« Etwas, das um Größenordnungen besser ist als der aktuelle Stand der Technik und das man im heutigen Vokabular der Start-up-Szene »disruptiv« nennen würde. Als Beispiel nennt Derleth die Arbeit von Philip Lubin von der University of California in Santa Barbara. 2015 schlug Lubin vor, einen winzigen Satelliten mit einem »Lichtsegel« auszustatten (das wiederum basiert auf einer älteren Idee). Von der Erde aus sollten leistungsfähige Laser Licht auf das Segel fokussieren. Beim Auftreffen würden die Photonen ihren Impuls darauf übertragen und das Raumschiff beschleunigen.

AUF EINEN BLICK MIT UNVERNUNFT ZU DEN STERNEN

1 Antriebe für Raketen und Raumsonden sind bislang auf mitgeführte Treibstoffe angewiesen. Deren Eigengewicht schmälert die mögliche Nutzlast und begrenzt außerdem die Reichweite.

2 Ein Förderprogramm ermuntert Forscher zur Suche nach völlig neuen Methoden der Fortbewegung. Damit soll die Menschheit das All schneller und über das Sonnensystem hinaus erkunden.

3 Die Ideen reichen von Antimaterie-und Kernreaktionen über Hochleistungslaser bis hin zu einem besonders spekulativen Konzept, das Schub allein aus einer relativistisch schwankenden Masse gewinnen soll.

James F. Woodward (sitzend) und Heidi Fearn spüren in ihrem Labor einem spekulativen Fortbewegungsprinzip für Raumschiffe nach. Das Foto oben zeigt das Herzstück des Mach-Effekt-Gravitationsantriebs. Es handelt sich um piezoelektrische Elemente, die sich periodisch strecken und stauchen. Sie befin-den sich mitsamt empfindlichen Messgeräten in einem evakuierten und mit Bleiblöcken beschwerten, schützenden Acrylglaszylinder.


2015 und 2016 gewährte das NIAC Lubin Fördergelder, und er arbeitet inzwischen mit finanzkräftigen Partnern zusammen, um irgendwann solche Raumsonden zum nächsten Sternsystem zu schicken (siehe » Aufbruch nach Alpha-Centauri«,Spektrum Juli 2017, S. 62). Das ist ganz im Sinn von Derleth: »Es ist gerade so verrückt, dass es tatsächlich funktionieren könnte«, kommentiert er. »NIAC will sich bis an die Grenze zur Sciencefiction vorwagen, sie aber nicht übertreten.«

Um die Schritte zwischen Wissenschaft und Fiktion zu vermessen, verwendet die NASA ein Bewertungssystem namens Technology Readiness Level (TRL). Der TRL-Wert gibt an, wie ausgereift eine Innovation schon ist. Die Solarmodule auf der Marssonde InSight beispielsweise befinden sich beim höchsten TRL von 9 – sie werden bereits im Weltraum eingesetzt und funktionieren. NIAC hält Ausschau nach den niedrigsten Werten 1 und 2, bei denen gerade einmal die Grundprinzipien untersucht und in hypothetische Anwendungen übersetzt worden sind. Manchmal eignet sich auch ein TRL 3, bei dem die Funktionstüchtigkeit nachgewiesen ist, aber der Weg aus den Laboren bis zum ersten echten Einsatz noch lang ist. In der Regel reichen jedes Jahr etwa 200 Arbeitsgruppen bei der NIAC Vorschläge für die erste Förderphase ein, von denen nur 15 bis 18 eine Zusage bekommen. Dann erhalten die Wissen-schaftler 125 000 US-Dollar und neun Monate Zeit, um zu demonstrieren, ob ihre Idee wirklich umsetzbar ist. Wenn das gelingt, können die Forscher Gelder in Höhe von 500 000 Dollar für Phase II beantragen. »Das ist einer der schwierigsten Bewerbungsschritte mit der niedrigsten Erfolgsquote in der Luft-und Raumfahrt«, kommentiert Derleth. »Ich halte diese Leute für die Crème de la Crème.«

In einer Videokonferenz wirkt Woodward hingegen bescheiden: »Der Ansatz verdankt sich nicht Genialität oder tief gehender Einsicht.« Woodward und Fearn sitzen dabei in seinem Büro, das zu ihrem gemeinsamen geworden ist und beschreiben, wie MEGA funktionieren könnte.

Am Anfang steht die Trägheit. Das Wort bezeichnet die Tendenz der Dinge, ihre einmal eingeschlagene Bewegung beizubehalten beziehungsweise in Ruhe zu bleiben, falls sie stillstehen. Aber den Wissenschaftlern fehlt eine fundamentale Erklärung dafür, warum Massen dieses Beharrungsvermögen überhaupt zeigen. Ende der 1880er Jahre formulierte der österreichische Physiker Ernst Mach die Idee, Trägheit sei das Ergebnis der Gravitation der gesamten Materie im Universum. Jedes Teilchen in einem Raumschiffantrieb spürt also eine Anziehungskraft von nahe gelegenem Material ebenso wie den kollektiven Einfluss von Milliarden von Lichtjahren entfernten Objekten. Und jedes Mal, wenn ein Gegenstand relativ zu alldem beschleunigt wird, ändert sich seine Masse ein wenig. Andere Physiker zu jener Zeit hatten ähnliche Ideen. Erst Albert Einstein prägte dafür die Bezeichnung Machsches Prinzip, nachdem er sich mit Ernst Machs Ausführungen dazu beschäftigt hatte.

Auch modernere Gelehrte – darunter der 2018 verstorbene Donald Lynden-Bell, der 1969 erstmals die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren der Galaxien vorschlug – haben sich der Ursachen der Trägheit angenommen. Die Idee faszinierte Lynden-Bell bereits als Student. 1953 wurde er auf Arbeiten des Physikers Dennis Sciama aufmerksam, der zu dieser Zeit Machs Idee weiterentwickelt hatte. Obwohl Lynden-Bell während seiner gesamten Karriere das Interesse am Thema aufrechterhielt, blieb es für ihn ein Nebenprojekt; seine Forschungsphilosophie war grundsätzlich anders gelagert. »Brot-und-Butter-Wissenschaften sollten die Hauptaufgabe sein, also einfache Erweiterungen des Bekannten zu formulieren, um damit neue Phänomene zu ergründen«, schrieb er 2010. Und weiter: »Wir sollten nicht unsere ganze Zeit damit zubringen, große Probleme anzupacken, die womöglich außerhalb unserer Kapazität liegen.« Woodward, der sich ebenfalls von Sciama inspirieren ließ, hat ein völlig anderes Arbeitsethos, das sich eher mit »ganz oder gar nicht« zusammenfassen ließe. Entsprechend hartnäckig versucht er, das Machsche Prinzip auf Triebwerke zu übertragen.

Schnell schwankende Massen, zur rechten Zeit gestoßen und gezogen
Theoretisch funktioniert das folgendermaßen: Die Verformung eines Objekts beschleunigt sein Inneres, so wie das Zerknüllen eines Blatts Papier dessen Bestandteile in Bewegung bringt. Wenn etwas beschleunigt wird, ändert sich seine Energie. Das wiederum beeinflusst gemäß Einsteins berühmter FormelE = m c 2 die Masse, was sich auf die Trägheit auswirkt.

Aber was bedeutet das in der Praxis? Woodward und Fearn gehen der Frage mit ihrem Experiment nach. Herz des Versuchsaufbaus ist ein Stapel so genannter piezoelektrischer Elemente. Diese Scheiben bestehen aus speziellen Keramiken, die sich zusammenziehen und ausdehnen, wenn man eine Spannung anlegt – wie Papier, das sich zer-und entknittert. Ein Teil der Beschleunigung verändert die innere Energie der Scheiben und damit, so lautet die Hypothese, ihre Masse. Sie werden also abwechselnd schwerer und wieder leichter. Wenn man zusätzlich an ihnen zieht, während sie leicht sind, und auf sie drückt, während sie schwer sind, erhält man netto eine Schubkraft, ohne dabei Treibstoff ins All blasen zu müssen.

Das klingt skizzenhaft, und tatsächlich sehen einige Wissenschaftler dabei das Prinzip der Impulserhaltung verletzt. Andere Untersuchungen hingegen halten es für möglich. Jedenfalls erregte die Idee die Aufmerksamkeit von Gary Hudson, dem Präsidenten des Space Studies Institute in Kalifornien, das einst der angesehene Theoretiker Freeman Dyson leitete. Die dort 2013 gegründete Exotic Propulsion Initiative stellte die ersten Mittel für Woodward und Fearn bereit.

Woodward fertigte Nachbauten seines Experiments an und schickte sie an Forscher in anderen Labors, damit sie versuchen konnten, die Messungen zu reproduzieren. Zusammen mit Lance Williams, damals Wissenschaftler bei der Aerospace Corporation, einem staatlich finanzierten Forschungs-und Entwicklungszentrum im kalifornischen El Segundo, schlug Fearn dem Space Studies Institute vor, einen Workshop für neuartige Antriebe zu veranstalten. Dieser fand im Herbst 2016 in Estes Park in Colorado statt. Am ersten Tag erklärte Hudson vor den versammelten Teilnehmern: »In der Vergangenheit stand unsere Arbeit auf den soliden Fundamenten der Technik und Physik, und mir ist bewusst, dass exotische Antriebstechniken heftig umstritten sind.« Aber, so fuhr er fort, dieses Gebiet fasziniere ihn schon lange. Der Sciencefiction-Autor Arthur C. Clarke äußerte ihm gegenüber einmal, wer sich weit von der Erde entfernen und zurückkehren wolle, brauche eines: einen Physiker, der ohne Umschweife eine Antwort auf die Frage hätte, was Trägheit ist. »Der Erste, der mir eine klare Antwort gab, war Jim Woodward«, erinnert sich Hudson.

Die im Verlauf der Konferenz diskutierten Ergebnisse der übrigen Teilnehmer schienen die Messungen von Woodward und Fearn zumindest zu einem gewissen Grad zu bestätigen. Sie zeigten Schub, wenn der MEGA-Aufbau in Betrieb genommen wurde und keinen im ausgeschalteten Zustand. Am dritten Tag trat Nembo Buldrini vom österreichischen Ingenieurbüro FOTEC vor. Er untersucht normalerweise elektrische Triebwerke, aber ein paar Jahre zuvor hatte Woodward ihm eines seiner Geräte geschickt. Buldrini verglich sein Diagramm mit dem von Woodward und Fearn. Beide zeigten einen Ausschlag beim Einschalten, danach einen recht gleichmäßigen Schub und einen Ausschlag beim Ausschalten. Die Größenordnungen des Schubs unterschieden sich allerdings. Buldrini vermutete ein Problem der Kalibrierung; Woodward hielt auch Abweichungen bei den Ausgleichsmassen für eine mögliche Ursache. Zwei weitere Gruppen hatten ähnliche Muster gefunden. Martin Tajmar von der Technischen Universität Dresden konnte nur auf vorläufige Ergebnisse verweisen, aber der Elektroingenieur George Hathaway hatte ebenfalls einen Schub gemessen. Er hatte dafür nach eigenem Bekunden schwingungsgedämpfte Tische gegen kleine Erschütterungen der Erde verwendet.

Angesichts dieser ersten Überprüfungen gewährte das NIAC Woodward und Fearn 2017 die Phase-I-Förderung. Das heißt freilich nicht, dass die Kraft definitiv real und nicht irgendein systematischer Fehler ist – oder dass der Mach-Effekt sie verursacht.

2018 veröffentlichte Tajmar eine eingehendere Untersuchung im Rahmen seiner Initiative namens SpaceDrive, die darauf abzielt, exotische Antriebskonzepte zu überprüfen. Hier zeigte sich ein unrealistisch hoher Schub, was darauf deutet, dass es sich nicht um eine echte Kraft handelt, sondern um irgendeinen Fehler oder einen anderen Effekt, der lediglich so wirkt. 2018 präsentierte der Softwareentwickler Jamie Ciomperlik beim Workshop des Space Studies Institute eine Simulation, die Vibrationen im System als mögliche Ursache ausmachte. Im Mai 2019 stellte Tajmar eine weitere SpaceDrive-Studie online, in der unter Berücksichtigung derartiger Einflussfaktoren kein Schub übrig blieb. Woodward glaubt allerdings, dass der Aufbau nicht korrekt eingestellt wurde. Tajmar will mit seinem Team die Tests fortsetzen, zweifelt aber zugleich an der zu Grunde liegenden Theorie.

Ingenieur Marc Millis, der früher das Breakthrough Propulsion Physics Program der NASA leitete, hält es für durchaus möglich, dass die Teams fälschlicherweise Effekte feststellen. Er betont, wie wichtig Skepsis sei: »Der einzige Weg, Bedenken zu beseitigen, sind nun einmal Beweise.« Auf der Suche danach verbrachte Millis drei Monate in Tajmars Labor. »Ungeachtet der ersten Replikationen könnte sich alles immer noch als Messartefakt herausstellen. Oder es ist eben wirklich ein neues Phänomen.« Trotz der weiterhin unklaren Situation hielt die NASA die Ergebnisse der Phase I für so viel versprechend, dass sie 2018 eine Phase-II-Förderung gewährte.

Laser, Antimaterie und Fusionsbomben
Woodward und Fearns Experiment ist das exotischste unter den NIAC-unterstützten Antriebskonzepten. Nicht alle Forscher, die über NIAC-Mittel verfügen, halten »exotisch« für den richtigen Weg. John Brophy vom Jet Propulsion Laboratory setzt auf Laser. Das klingt zunächst ähnlich wie bei Lubins Lichtsegel, aber Brophy will das Licht nicht von der Erde aus, sondern aus deren Umlaufbahn abstrahlen. Es zielt zudem auf Module, die es in elektrischen Strom umwandeln.

Dieser fließt in ein Antriebssystem, das mit Lithium gefüllt ist. Die Spannung trennt Elektronen von den Hüllen der Atome und hinterlässt positiv geladene Ionen, die von einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Das soll etwa 200 Kilometer pro Sekunde ermöglichen, die 20-fache Geschwindigkeit der Dawn-Sonde. Brophy hatte seinerzeit die Entwicklung von dessen Ionenantrieb geleitet. Das Team ist sich aber nicht sicher, ob es die Strahlen exakt genug ausrichten kann, wie sich im Weltraum überhaupt eine solche Anordnung von Lasern umsetzen ließe und wie die Licht konvertierenden Module beschaffen sein müssten, um die notwendigen 6000 Volt zu erzeugen. »Doch genau dieser Grenzgang zum Unmöglichen macht es zu einer perfekten NIAC-Studie«, sagt Brophy.

Einige weitere Teams versuchen es ganz ohne elektrische Energie. Ein NIAC-Projekt zielt auf einen Motor mit Positronen ab. Dabei handelt es sich um Teilchen mit der gleichen Masse wie Elektronen, aber der entgegengesetzten Ladung. Normalerweise ist solche Antimaterie nach ihrer Erzeugung heiß und somit schwer zu kontrollieren und zu lagern. Wenn man sie allerdings abkühlt, lassen sich die Teilchen festhalten und – wie bei diesem Projekt angedacht – gezielt mit Elektronen zusammenbringen. Dabei entsteht energiereiche Strahlung. Diese soll wiederum eine Fusionsreaktion auslösen, welche letztlich die Raumsonde antreibt.

Der Mach-Effekt

Herkömmliche Raketen und Raumsonden müssen mitgeführten Treibstoff ausstoßen, um voranzukommen. Ließe sich Schub erzeugen, ohne auf solche begrenzten Ressourcen zurückzugreifen? Eine Idee ist der hypothetische Mach-Effekt: Beim Beschleunigen eines Objekts verändert sich dessen Masse leicht, was – geschickt ausgenutzt –unter dem Strich eine Kraft erzeugt.

Schritt 1
Zwischen zwei Massen befindet sich ein Stapel piezoelektrischer Scheiben. Dabei handelt es sich um Keramiken, die sich unter Einfluss einer elektrischen Spannung ausdehnen und zusammenziehen. Die Masse auf der rechten Seite fluktuiert: Bei Ausdehnung des Stapels ist sie leichter und kann mit weniger Kraftaufwand bewegt werden.

Schritt 2
Während der Stapel wieder kontrahiert, ist die Mas-se auf der rechten Seite größer. Das erhöht ihre Trägheit und erschwert es, sie zurückzubewegen. Die konstante Masse auf der linken Seite wird stärker nach rechts gezogen, und der Gesamtschwerpunkt verschiebt sich.

Schritt 3
Indem sich diese Abfolge wiederholt, be-wegt sich das Gesamtsystem nach rechts.

Eine andere Idee nutzt zwei Strahlen: einen aus Neutronen und einen aus einem Laser. Beide werden so miteinander verflochten, dass sie sich auf ihrem Weg durch den Weltraum gegenseitig bündeln: Der Neutronenstrahl hält die Photonen auf ihrer Bahn, indem er sie auf ihrem Weg beugt, und das Feld des Laserstrahls fängt seinerseits die Neutronen ein. Die Forscher sind der Auffassung, ein extrem energiereicher 50-Gigawatt-Laser könne eine Sonde mit einer Masse von einem Kilogramm innerhalb von 42 Jahren zum nächstgelegenen Sternensystem beschleunigen. Ähnlich wie bei Lubins Konzept wäre auch hier ein Lichtsegel nötig.

Bei einigen Ansätzen spielen sogar Atombomben eine Rolle. Robert Adams vom Marshall Space Flight Center der NASA leitet ein NIAC-gefördertes Projekt namens Pulsed Fission-Fusion (PuFF), das zwei nukleare Strategien kombiniert. Die Energie aus einer Kernspaltung soll die extremen Bedingungen für eine anschließende Kernfusion schaffen. Was zunächst nach dem Prinzip einer Wasserstoffbombe klingt, entfaltet in Form von Adams’ System »Z-Pinch« deutlich weniger zerstörerisches Potenzial. In einem Plasma (in dem Fall besteht es aus einer heißen Wolke aus Lithiumkernen) induziert ein elektrischer Strom ein Magnetfeld. Dieses ist stark genug, um ein so genanntes Target aus Uran sowie Deuterium und Tritium (die an Neutronen reichen Varianten des Wasserstoffs) zusammenzudrücken. Das zerquetschte Uran wird kritisch, es kommt also zur Kettenreaktion, und seine Spaltung regt das Deuterium-Tritium-Gemisch zur Kernfusion an. Dabei werden Neutronen frei, die zur Spaltung beitragen, was wiederum die Fusionsrate erhöht. Die zweistufige Explosion hat die Energie von einigen Kilogramm TNT.

Ein riskantes Unterfangen mit viel Sprengkraft – und jähem Ende
Wenn sehr viele solcher Minibomben nacheinander Impuls auf ein Raumschiff übertragen, könnten sie dieses wesentlich schneller vorwärtsbringen als jeder chemische Antrieb. Nach fünfmaligem Antrag erhielt Adams 2018 schließlich eine Phase-II-Förderung. Das größte Problem bei der Umsetzung eines derartigen Fusionsmotors für Raumschiffe lässt sich mit dem Zusammendrücken eines cremegefüllten Kuchens veranschaulichen. Wenn man versucht, ihn gleichmäßig zu komprimieren und die schaumige Masse gezielt in eine Richtung zu drücken, quillt sie stattdessen zu allen Seiten heraus. Ein Teil der Energie geht verloren.

In der Vergangenheit gab es ähnliche Projekte: Von 1958 bis 1964 unterstützten das US-Militär und die NASA eine von Freeman Dyson angeführte Initiative mit 11 Millionen Dollar (das entspricht heute 93 Millionen Dollar). Das Ziel war ein nukleares Antriebssystem namens Orion mit dem Motto »Mars bis 1965, Saturn bis 1970«. Das Projekt war zu zivil für das Militär und zu explosiv für die NASA, so dass beide Organisationen sich nur zurückhaltend einbrachten. Schließlich wurde eine Weiterentwicklung unmöglich, als die USA 1963 ein Atomteststoppabkommen unterzeichneten. Dyson kommentierte damals, das sei »das erste Mal in der modernen Geschichte, dass eine bedeutende Erweiterung der menschlichen Technologie aus politischen Gründen unterdrückt wurde«. Das zeigt: Die Leistungsfähigkeit ist nicht der einzige Faktor, der bestimmt, welche Konzepte zur Realität werden. Alles, was wir in den Weltraum entsenden, startet auf der Erde – wo es Gesetze, Konflikte, schlecht verstandene Physik und sonstige Unwägbarkeiten gibt, die Projekte zu riskant erscheinen lassen. Das erzeugt im übertragenen Sinn eine andere Form von Trägheit – die Tendenz, mit den immer gleichen Technologien den einmal eingeschlagenen Weg immer weiter zu gehen.

NASA / STS-130 CREW MEMBER

Mehr Wissen aufSpektrum.de Unser Online-Dossier zum Thema finden Sie unterspektrum.de/t/raumfahrt

Ein endgültiges Urteil über Woodwards und Fearns Antrieb steht bislang aus, und selbst im Erfolgsfall ist offen, wie nützlich er überhaupt sein kann. Die aktuellen Geräte liefern nur einen Schub im Bereich von Mikronewton. Das entspricht dem Gewicht einer Taufliege. Eine Taufliege bringt noch keine Raumsonde nach Alpha Centauri, aber jede Reise muss irgendwie beginnen. Mit den Phase-II-Mitteln hoffen die beiden Forscher auf deutlichere Effekte durch mehrere, parallel angeordnete Bauteile. Anschließend ist ihr Ziel – sofern sie die Gelder dafür auftreiben können – ein Minisatellit, bei dem sich anhand von Veränderungen in der Umlaufbahn unzweifelhaft überprüfen ließe, ob der Mach-Effekt unter realen Einsatzbedingungen auftritt.

2019 lobte das NIAC eine zusätzliche Finanzierungslinie aus: Phase-III-Auszeichnungen mit einer Höhe von insgesamt zwei Millionen US-Dollar. Die ersten Gelder daraus fließen an zwei Projekte, die Rohstoffquellen im nahen Weltraum erschließen sollen. In Zukunft könnten weitere dieser Finanzierungsrunden auch alternative Antriebskonzepte unterstützen. Zunächst jedoch, konstatiert Fearn, »will die NASA sicherstellen, dass es sich dabei nicht um etwas handelt, bei dem ein paar Leute ihre Zeit auf eine abwegige Sache verschwenden« – sondern dass die Idee tatsächlich auf eine gute Art verrückt ist.

QUELLEN

Fearn, H., Woodward, J.: Experimental null test of a Mach effect thruster. Journal of Space Exploration 2, 2013

Sciama, D. W.: On the origin of inertia. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 113, 1953


SPENCER LOWELL (SPENCERLOWELL.COM)

JEN CHRISTIANSEN / SCIENTIFIC AMERICAN AUGUST 2019; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT