Das Problem mit Science Fiction und dem Sternenreisen

Früher war Sternenreisen noch sehr einfach. Man stieg in sein Raumschiff, schaltete den Hyperraum- oder Warpantrieb ein und war in Nullkommanix tausende von Lichtjahren weiter. Die grundsätzliche Idee, die hinter dieser Vorstellung stand, war folgende: Während wir Menschen in der Zukunft noch immer genauso sind wie heute, hat sich die Technik um uns herum rasend entwickelt. Daher können wir in der Zukunft Raumschiffe konstruieren, die nach Belieben die Folgen von irrer Beschleunigung und Bestrahlung für uns Menschen dämpfen, künstliche Schwerkraft ohne Rotation erzeugen, minimalen Treibstoff benötigen und sogar künstliche Wurmlöcher erzeugen oder durch die Zeit reisen können. Fakt ist jedoch, dass all diese fiktiven Technologien nur ersonnen wurden, um Seefahrergeschichten, Western und Märchen von gestern in die Zukunft zu projizieren, damit die Menschen in der Gegenwart Anschluss daran finden.

Der Hype um die bemannte Raumfahrt in den 60er und frühen 70er Jahren wurde ausgelöst durch den kalten Krieg und den Wettlauf der beiden Supermächte USA und UdSSR um die Vormachtstellung im All und auf der Erde. Die schnellen Fortschritte beflügelten unsere Phantasie und verdrängten die fundamentalen Erkenntnisse über die Beschaffenheit des Universums, die bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt waren. Es ist schon sehr seltsam, dass wir Filme und Serien wie zum Beispiel „Star Trek“ nicht für Mumpitz halten, obwohl darin physikalische Erkenntnisse auf den Kopf gestellt werden. Den aktuellen Fifa-Film „United Passions“ schaut sich schließlich auch kein Schwein an. Dieser Film, der für 27 Millionen Euro produziert wurde, spielte am ersten Wochenende seiner Aufführung in den USA 545 Euro ein, was ca. 70 Zuschauern entspricht. Der Grund liegt wohl im unterschiedlichen Allgemeinwissen über die aktuellen Geschehnisse bei der Fifa und über die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie sowie die Quantenmechanik.

Science Fiction ist jedoch ein Genre, in dem gegenwärtige, reale wissenschaftliche und technische Möglichkeiten mit erfundenen Inhalten angereichert werden. Wenn man realitätsnahe Zukunftswelten entwerfen will, in denen Geschichten stattfinden sollen, dann muss man sich also auch mit der Wissenschaft der Gegenwart beschäftigen.

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts stellten Wissenschaftler fest, dass sich das Licht immer mit derselben Geschwindigkeit von ca. 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet. Allerdings ging man in dieser Zeit noch davon aus, dass sich das Licht in einem speziellen Medium ausbreitet: dem Lichtäther. In der Folge wurden bereits die relativistischen Phänomene Längenkontraktion, Zeitdilatation und Massenzunahme beschrieben, jedoch noch als Eigenschaften des Lichtäthers angenommen. Erst Albert Einstein hatte mit der Veröffentlichung der Speziellen Relativitätstheorie 1905 die Kühnheit, die Theorie des Lichtäthers zu verwerfen und Raum und Zeit als veränderliche Faktoren anzunehmen. Die Kühnheit seines Denkens besteht darin, nicht der menschlichen Wahrnehmung zu folgen und Raum und Zeit als Konstanten anzunehmen, sondern die Geschwindigkeit des Lichtes. Seine Grundannahmen und seine Schlussfolgerungen sind eigentlich ganz einfach: Wenn die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist und sich nichts schneller als Licht bewegen kann, was passiert dann, wenn man in die Nähe dieser Geschwindigkeit kommt? Dann müssen eben Raum und Zeit variabel sein. Tatsächlich weichen Raum und Zeit, abhängig vom Beobachter, schon bei niedrigen Geschwindigkeiten ab. Jedoch sind die Effekte so gering, dass sie zwar von uns nicht wahrnehmbar, jedoch messbar sind. So würde die GPS-Navigation nicht funktionieren, wenn man die durch Gravitation und Geschwindigkeit erzeugten relativistischen Effekte nicht berücksichtigen würde.

Die Spezielle Relativitätstheorie zu verstehen, ist gar nicht so schwer. Letztendlich braucht man nur Grundkenntnisse in der Geometrie, um den Lorentzfaktor zu ermitteln, mit dem man die relativistischen Effekte berechnen kann. Besonders gut ist das hier beschrieben: http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/SRT/Zeitdilatation.html.

Neben Raum und Zeit ändert sich aufgrund der Impulserhaltung auch die relativistische Masse merklich bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Aus der Speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein von 1905 kann man folgern:

  • Nichts ist schneller als das Licht.
  • Nur elektromagnetische Wellen wie das Licht können im Vakuum Lichtgeschwindigkeit erreichen. Massebehaftete Körper hätten bei Lichtgeschwindigkeit eine unendliche relativistische Masse (Massenzunahme).
  • Je näher man sich der Lichtgeschwindigkeit annähert, desto langsamer vergeht die Zeit (Zeitdilatation) und desto kürzer werden die Entfernungen im Raum (Längenkontraktion) in Relation zu einem stillstehenden Beobachter. Bei Lichtgeschwindigkeit vergeht keine Zeit. Die Entfernung im Raum ist gleich null. Ein Beispiel: Obwohl das Licht von der Andromedagalaxie, einer Galaxie, welche der Milchstraße am nächsten ist, ca. 2,5 Millionen Lichtjahre benötigt, um bis zu uns zu gelangen, vergeht für das Licht selbst keine Zeit. In dem Augenblick, als das Licht losgeschickt wird, ist es auch schon da. Wenn ich Gott wäre, dann wäre ich Licht. Ich wäre zur selben Zeit überall im Universum.

Die relativistischen Effekte nehmen mit der Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit deutlich zu. Bei einer Geschwindigkeit von 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit wäre ein 500 Meter langes Raumschiff auf 7 Meter Länge geschrumpft, seine Masse wäre auf das Siebzigfache angewachsen und die Zeit würde in Relation zu einem stillstehenden Beobachter siebzig Mal langsamer ablaufen. Von diesen relativistischen Phänomenen würde ein Reisender in einem Raumschiff wenig spüren, außer dass er relativ schnell am Ziel wäre.

Ein Beispiel:
Sagen wir einmal, wir wollen den am erdähnlichsten Planeten besuchen, den wir bisher entdeckt haben. Dann müssen wir zum sechsten Planeten des Sternensystems Kepler-186 reisen. Das System ist 490 Lichtjahre von der Erde entfernt. Zum Vergleich: Unsere Galaxie, die Milchstraße, hat einen Durchmesser von 100.000 Lichtjahren. Das Beschleunigungs- und das Abbremsmanöver sollen jeweils mit einer konstanten Beschleunigung von 1 g, der Erdanziehungskraft von 9,81 m/s2, durchgeführt werden. Das hat den Vorteil, dass in Beschleunigungs- bzw. Bremsrichtung die irdische Schwerkraft künstlich erzeugt wird. Die maximale Geschwindigkeit soll bei 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit liegen. Wie lange würde nun der Flug hin und zurück dauern – für die Reisenden und für diejenigen, die auf der Erde zurückbleiben?

Wenn man genau nachrechnet und auch die relativistischen Effekte in der Beschleunigungs- und Bremsphase berücksichtigt, dann dauern der Hin- und Rückflug für die Reisenden jeweils 8 Jahre und 7 Monate. Das bedeutet, dass man nach 17 Jahren und 2 Monaten wieder zurück auf der Erde sein könnte. Das klingt ja erst einmal super und mit ein bisschen Geduld und ein paar guten Gesellschaftsspielen auch für Menschen machbar. Doch auf der Erde wären in dieser Zeit 976 Jahre vergangen. Gerade mal 17 Jahre älter ist man auf der Erde eine Legende aus einem anderen Zeitalter. Da macht die Rückkehr keinen Sinn. Doch vielleicht wollen die Reisenden gar nicht zurückkehren. Vielleicht wollen sie ja den fremden Planeten besiedeln. Wenn der Planet wirklich bewohnbar wäre, was noch herauszufinden ist, würde ich eine solche Reise jederzeit unternehmen.

Wäre denn ein solcher Flug, und sei es nur der Hinflug, überhaupt technisch machbar? Drei Faktoren müssen wir hierbei beachten: Antrieb, Treibstoff und Strahlung.

Durch den Doppler-Effekt wird die entgegenkommende Strahlung in einen niedrigeren Wellenlängenbereich verschoben. Bei 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit werden das Infrarot der kosmischen Hintergrundstrahlung sowie das sichtbare Licht von den Sternen in den Bereich des UV-Lichts verschoben. Das wäre für ein Raumschiff kein Problem. Erst bei noch höheren Geschwindigkeiten würde sich die Strahlung in den Bereich der Röntgen- und Gammastrahlung verschieben. Um die Insassen davor zu schützen, müsste ein Raumschiff mit schweren Materialien wie Blei als Panzerung ausgestattet sein. Die Masse des Raumschiffs und der einhergehende Energieaufwand für die Beschleunigung und das Abbremsen sind jedoch das eigentliche Problem, wie sich im nächsten Abschnitt herausstellt.

Um ein Raumschiff, das eine Masse von 150 Tonnen hat, mit einem Raketentriebwerk, das zum Beispiel das Space Shuttle verwendet, auf nur 0,01 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und wieder abzubremsen ist die unglaubliche Masse an Treibstoff aus Wasserstoff und Sauerstoff von 92.615.498 Tonnen notwendig. Dabei ist die Treibstoffmenge für das Gewicht des Tanks noch nicht eingerechnet. Eine Reise mit 0,01 % der Lichtgeschwindigkeit zu einem Planeten, der 490 Lichtjahre entfernt ist, dauert ungefähr 4,9 Millionen Jahre. Diesen Antrieb können wir also für die interstellare Raumfahrt vergessen. Nähern wir uns also von der Seite des Treibstoffs. Der effizienteste Treibstoff, der physikalisch möglich ist, ist durch die Spezielle Relativitätstheorie und Einsteins berühmte Gleichung E=mc2 beschränkt. Der beste Treibstoff verwandelt also seine gesamte Masse in Energie. Diesen Treibstoff haben wir bereits gefunden und in ganz kleinen Mengen im LHC bei Genf erzeugt: Antimaterie. Wenn Antimaterie mit normaler Materie in Kontakt kommt, wird die Masse beider Materien annihiliert, also vollkommen in Strahlung umgesetzt.

Nehmen wir einmal an, dass wir in der Lage sind, große Mengen von Antimaterie zu erzeugen und zu speichern sowie einen Antrieb auf Basis der Annihilation von Materie und Antimaterie zu konstruieren, der einen Effizienzgrad von 60 % aufweist. Um unser Raumschiff mit einer Masse von 150 Tonnen auf eine Geschwindigkeit von 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist eine Treibstoffmasse von 575.641Tonnen notwendig. Wollen wir das Raumschiff auch wieder bremsen, müssen wir diese Treibstoffmasse bereits beim Start mitführen, so dass die Startmasse 575.791 Tonnen beträgt. Um diese Masse auf 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist noch einmal eine zusätzliche Treibstoffmasse von 2.209.658.910 Tonnen notwendig, so dass unser Raumschiff beim Start knapp 2,21 Millionen Tonnen wiegen muss, damit ein 150 Tonnen schweres Raumschiff am Ziel ankommen. Das bedeutet, dass selbst mit dem bestmöglichen Antrieb auf Basis des bestmöglichen Treibstoffs die Konstruktion eines derartigen Raumschiffs unmöglich ist. Schließlich muss man ja auch einen Tank bauen, der diese ungeheure Masse an Treibstoff speichert. Dieser Tank bringt wieder zusätzliches Gewicht auf die Waage, was wiederum noch mehr Treibstoff benötigt. Wer einmal selber mit den Zahlen experimentieren möchte, kann dies in beigefügter Excel-Tabelle machen: Berechnung relativistische Rakete. Auch mein Lieblings-Physikprofessor Harald Lesch thematisiert die Problematik des Sternenreisens des Öfteren:

Wenden wir uns wieder halbwegs realistischen Möglichkeiten zu und reduzieren unsere Ansprüche hinsichtlich der maximalen Geschwindigkeit. Bei einer Raumschiffmasse von 150 Tonnen und einer maximalen Geschwindigkeit von 50 % der Lichtgeschwindigkeit ist eine Treibstoffmasse von 786 Tonnen notwendig, um das Raumschiff zu beschleunigen und abzubremsen. Ein runder Tank hätte einen Durchmesser von 28 Metern und würde bei einer Wanddicke von 1 cm und Aluminium als Material 65 Tonnen wiegen. Diese Zahlen sind geschönt, da Antimaterie bei der Lagerung nicht mit Materie in Kontakt kommen darf. Das heißt, die Antimaterie muss mit Magneten eingedämmt werden. Ein derartiger Tank ist wahrscheinlich deutlich schwerer. Auch unberücksichtigt ist geblieben, dass bei der Annihilation von Materie und Antimaterie 40 % der Energie sofort in Gammastrahlung zerfällt. Gegen diese Strahlung müssen das Raumschiff und die Insassen mit schweren Materialien geschützt werden, was die Masse des Raumschiffs in die Höhe treibt.

Die Antimaterie macht die Hälfte der Treibstoffmasse aus, die andere Hälfte ist Materie. Der Treibstoff besteht also aus Antiprotonen und Protonen. Die Energie, die bei der Annihilation von Materie und Antimaterie freigesetzt wird, errechnet sich aus E=mc2. Annihiliert man eine Masse aus Protonen und Antiprotonen von 786 Tonnen, dann entspricht dies einer Energie von ungefähr 20 Milliarden GWh (Gigawattstunden). Mindestens die Hälfte dieser Energie müssten wir aufwenden, um die Antimaterie künstlich zu erzeugen, da sie im Universum nicht natürlich vorkommt. 10 Milliarden GWh entsprechen jedoch 66.000-mal dem gesamten aktuellen Energieverbrauch auf der Erde pro Jahr.

Bei diesen Zahlen wird einem fürchterlich schwindelig. Und dieser ganze Aufwand resultiert dann in eine Flugdauer von 850 Jahren für die Entfernung von 490 Lichtjahren. Spätestens jetzt sollte klar werden, dass wir Menschen, so, wie wir derzeit beschaffen sind, nicht zu den Sternen reisen werden. Wir leben einfach nicht lange genug, und die Lebensumstände, die wir benötigen, sind nicht kompatibel zu den Anforderungen der Raumfahrt.

Die Grundlagen meiner Berechnungen sind im Prinzip seit der Veröffentlichung der Speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein im Jahre 1905 bekannt. Sämtliche Science Fiction, die seither veröffentlicht wurde und die Reise von Menschen in einer Lebensspanne zu einem anderen Sternensystem darstellt, ist also reine Fiction und hat mit Science nicht viel am Hut. Das ist für jemanden wie mich, der im Zeitalter der bemannten Raumfahrt geboren wurde und fasziniert von der Idee des Sternenreisens ist, sehr ernüchternd.

Nein, nein, wird der Trekkie jetzt sagen. Die Enterprise fliegt ja im Prinzip gar nicht mit Überlichtgeschwindigkeit. Die vorbeihuschenden Sterne sind nur Animation für die Insassen, damit das Reisen im so genannten Subraum schöner aussieht. In Wirklichkeit erzeugt der Warp-Antrieb ein künstliches Wurmloch, durch das man eine Abkürzung von einem Punkt der Raumzeit zu einem anderen nehmen kann. Die Bezeichnung „Wurmloch“ ist von der Analogie eines Wurmes hergeleitet, der sich durch einen Apfel frisst. Der Weg durch ein Wurmloch, das quer durch den Apfel geht, zu einem Punkt auf der anderen Seite des Apfels ist kürzer als der Weg über die Oberfläche. Wurmlöcher sind theoretische Gebilde, die bisher nicht nachgewiesen worden sind. Sollten sie tatsächlich existieren, sagt die Theorie jedoch in deren Nähe Gravitationskräfte wie bei einem schwarzen Loch voraus. Schwarze Löcher bestehen aus extrem verdichteter Materie und krümmen die Raumzeit in einen unendlichen Trichter. Würde man die gesamte Masse der Erde auf einen Durchmesser von 9 Millimetern verdichten, entstünde ein schwarzes Loch. Dumm nur, dass die Gravitationskräfte in der Nähe von schwarzen Löchern jede Materie zerfetzt und verstrahlt und eine Rückkehr aus einem schwarzen Loch unmöglich ist, da selbst Licht der Anziehungskraft nicht mehr entkommt.

Der Grund, warum wir die physikalischen Grenzen so konsequent ignorieren, kann nur darin liegen, dass wir einen intensiven Drang in uns verspüren, unseren Lebensraum zu erweitern. Darin sind wir gleich mit all dem anderen Leben um uns herum. Ob Amöbe, Blume, Krabbelkäfer oder Mensch: Alle wollen ihren Lebensraum erweitern. Wir sind die ersten Wesen, die dieser Planet hervorgebracht hat, die erkennen, dass der Lebensraum auf der Erde begrenzt ist. Die Sterne, und damit weiterer potentieller Lebensraum, sind bei klarem Himmel jede Nacht zu sehen und erscheinen uns dabei so nah. Mit Teleskopen können wir ihnen scheinbar noch näher kommen. Wir wollen uns einfach nicht vorstellen, dass wir nicht dorthin reisen können.

Dass der Massentransport von organischem Leben oder anderen Gütern aufgrund der langen Flugdauern und des immensen Energieaufwands unmöglich bzw. unökologisch ist, ist zwar eine traurige Erkenntnis, hat aber auch seine Vorteile. Wir brauchen keine Angst vor Außerirdischen zu haben, die Rohstoffe von unserem Planeten abbauen oder uns unseren Planeten wegnehmen wollen, weil zum Beispiel ihr Planet zu klein geworden ist oder ihnen nicht mehr eine ausreichende Lebensgrundlage bietet.

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4 Gedanken zu „Das Problem mit Science Fiction und dem Sternenreisen

  1. Pingback: Die Welt von morgen | Segunda-Feira

  2. Hi,
    ganz nett und erscheint auch soweit stimmtig.
    Eine Ergänzung: Nicht nur Licht kann Lichtbgeschwindigkeit haben. Prinzipiell sind alle masselosen Teilchen (also auch Gluonen) immer mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs.
    Aber wer braucht schon Gluonen? Die sind auch noch bunt (jeweils eine Kombination von rot, grün, blau und deren Antifarben) und treten außerhalb von gebundenen Zuständen nur virtuell auf. *gg
    Ich wünsche Dir weiterhin viel Spaß in Brasilia
    DGCO

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