Fr\u00fcher 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 grunds\u00e4tzliche Idee, die hinter dieser Vorstellung stand, war folgende: W\u00e4hrend wir Menschen in der Zukunft noch immer genauso sind wie heute, hat sich die Technik um uns herum rasend entwickelt. Daher k\u00f6nnen wir in der Zukunft Raumschiffe konstruieren, die nach Belieben die Folgen von irrer Beschleunigung und Bestrahlung f\u00fcr uns Menschen d\u00e4mpfen, k\u00fcnstliche Schwerkraft ohne Rotation erzeugen, minimalen Treibstoff ben\u00f6tigen und sogar k\u00fcnstliche Wurml\u00f6cher erzeugen oder durch die Zeit reisen k\u00f6nnen. Fakt ist jedoch, dass all diese fiktiven Technologien nur ersonnen wurden, um Seefahrergeschichten, Western und M\u00e4rchen von gestern in die Zukunft zu projizieren, damit die Menschen in der Gegenwart Anschluss daran finden.<\/p>\n
Der Hype um die bemannte Raumfahrt in den 60er und fr\u00fchen 70er Jahren wurde ausgel\u00f6st durch den kalten Krieg und den Wettlauf der beiden Superm\u00e4chte USA und UdSSR um die Vormachtstellung im All und auf der Erde. Die schnellen Fortschritte befl\u00fcgelten unsere Phantasie und verdr\u00e4ngten die fundamentalen Erkenntnisse \u00fcber 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 \u201eStar Trek\u201c nicht f\u00fcr Mumpitz halten, obwohl darin physikalische Erkenntnisse auf den Kopf gestellt werden. Den aktuellen Fifa-Film \u201eUnited Passions\u201c schaut sich schlie\u00dflich auch kein Schwein an. Dieser Film, der f\u00fcr 27 Millionen Euro produziert wurde, spielte am ersten Wochenende seiner Auff\u00fchrung in den USA 545 Euro ein, was ca. 70 Zuschauern entspricht. Der Grund liegt wohl im unterschiedlichen Allgemeinwissen \u00fcber die aktuellen Geschehnisse bei der Fifa und \u00fcber die Spezielle und Allgemeine Relativit\u00e4tstheorie sowie die Quantenmechanik.<\/p>\n
Science Fiction ist jedoch ein Genre, in dem gegenw\u00e4rtige, reale wissenschaftliche und technische M\u00f6glichkeiten mit erfundenen Inhalten angereichert werden. Wenn man realit\u00e4tsnahe Zukunftswelten entwerfen will, in denen Geschichten stattfinden sollen, dann muss man sich also auch mit der Wissenschaft der Gegenwart besch\u00e4ftigen.<\/p>\n
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 Licht\u00e4ther. In der Folge wurden bereits die relativistischen Ph\u00e4nomene L\u00e4ngenkontraktion, Zeitdilatation und Massenzunahme beschrieben, jedoch noch als Eigenschaften des Licht\u00e4thers angenommen. Erst Albert Einstein hatte mit der Ver\u00f6ffentlichung der Speziellen Relativit\u00e4tstheorie 1905 die K\u00fchnheit, die Theorie des Licht\u00e4thers zu verwerfen und Raum und Zeit als ver\u00e4nderliche Faktoren anzunehmen. Die K\u00fchnheit 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 N\u00e4he dieser Geschwindigkeit kommt? Dann m\u00fcssen eben Raum und Zeit variabel sein. Tats\u00e4chlich weichen Raum und Zeit, abh\u00e4ngig vom Beobachter, schon bei niedrigen Geschwindigkeiten ab. Jedoch sind die Effekte so gering, dass sie zwar von uns nicht wahrnehmbar, jedoch messbar sind. So w\u00fcrde die GPS-Navigation nicht funktionieren, wenn man die durch Gravitation und Geschwindigkeit erzeugten relativistischen Effekte nicht ber\u00fccksichtigen w\u00fcrde.<\/p>\n
Die Spezielle Relativit\u00e4tstheorie 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<\/a>.<\/p>\n Neben Raum und Zeit \u00e4ndert sich aufgrund der Impulserhaltung auch die relativistische Masse merklich bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Aus der Speziellen Relativit\u00e4tstheorie von Albert Einstein von 1905 kann man folgern:<\/p>\n Die relativistischen Effekte nehmen mit der Ann\u00e4herung an die Lichtgeschwindigkeit deutlich zu. Bei einer Geschwindigkeit von 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit w\u00e4re ein 500 Meter langes Raumschiff auf 7 Meter L\u00e4nge geschrumpft, seine Masse w\u00e4re auf das Siebzigfache angewachsen und die Zeit w\u00fcrde in Relation zu einem stillstehenden Beobachter siebzig Mal langsamer ablaufen. Von diesen relativistischen Ph\u00e4nomenen w\u00fcrde ein Reisender in einem Raumschiff wenig sp\u00fcren, au\u00dfer dass er relativ schnell am Ziel w\u00e4re.<\/p>\n Ein Beispiel: Wenn man genau nachrechnet und auch die relativistischen Effekte in der Beschleunigungs- und Bremsphase ber\u00fccksichtigt, dann dauern der Hin- und R\u00fcckflug f\u00fcr die Reisenden jeweils 8 Jahre und 7 Monate. Das bedeutet, dass man nach 17 Jahren und 2 Monaten wieder zur\u00fcck auf der Erde sein k\u00f6nnte. Das klingt ja erst einmal super und mit ein bisschen Geduld und ein paar guten Gesellschaftsspielen auch f\u00fcr Menschen machbar. Doch auf der Erde w\u00e4ren in dieser Zeit 976 Jahre vergangen. Gerade mal 17 Jahre \u00e4lter ist man auf der Erde eine Legende aus einem anderen Zeitalter. Da macht die R\u00fcckkehr keinen Sinn. Doch vielleicht wollen die Reisenden gar nicht zur\u00fcckkehren. Vielleicht wollen sie ja den fremden Planeten besiedeln. Wenn der Planet wirklich bewohnbar w\u00e4re, was noch herauszufinden ist, w\u00fcrde ich eine solche Reise jederzeit unternehmen.<\/p>\n W\u00e4re denn ein solcher Flug, und sei es nur der Hinflug, \u00fcberhaupt technisch machbar? Drei Faktoren m\u00fcssen wir hierbei beachten: Antrieb, Treibstoff und Strahlung.<\/p>\n Durch den Doppler-Effekt wird die entgegenkommende Strahlung in einen niedrigeren Wellenl\u00e4ngenbereich 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 w\u00e4re f\u00fcr ein Raumschiff kein Problem. Erst bei noch h\u00f6heren Geschwindigkeiten w\u00fcrde sich die Strahlung in den Bereich der R\u00f6ntgen- und Gammastrahlung verschieben. Um die Insassen davor zu sch\u00fctzen, m\u00fcsste ein Raumschiff mit schweren Materialien wie Blei als Panzerung ausgestattet sein. Die Masse des Raumschiffs und der einhergehende Energieaufwand f\u00fcr die Beschleunigung und das Abbremsen sind jedoch das eigentliche Problem, wie sich im n\u00e4chsten Abschnitt herausstellt.<\/p>\n 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 f\u00fcr das Gewicht des Tanks noch nicht eingerechnet. Eine Reise mit 0,01 % der Lichtgeschwindigkeit zu einem Planeten, der 490 Lichtjahre entfernt ist, dauert ungef\u00e4hr 4,9 Millionen Jahre. Diesen Antrieb k\u00f6nnen wir also f\u00fcr die interstellare Raumfahrt vergessen. N\u00e4hern wir uns also von der Seite des Treibstoffs. Der effizienteste Treibstoff, der physikalisch m\u00f6glich ist, ist durch die Spezielle Relativit\u00e4tstheorie und Einsteins ber\u00fchmte Gleichung E=mc2<\/sup> beschr\u00e4nkt. Der beste Treibstoff verwandelt also seine gesamte Masse in Energie. Diesen Treibstoff haben wir bereits gefunden und in ganz kleinen Mengen im LHC<\/a> bei Genf erzeugt: Antimaterie. Wenn Antimaterie mit normaler Materie in Kontakt kommt, wird die Masse beider Materien annihiliert, also vollkommen in Strahlung umgesetzt.<\/p>\n Nehmen wir einmal an, dass wir in der Lage sind, gro\u00dfe 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, m\u00fcssen wir diese Treibstoffmasse bereits beim Start mitf\u00fchren, so dass die Startmasse 575.791 Tonnen betr\u00e4gt. Um diese Masse auf 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist noch einmal eine zus\u00e4tzliche 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 bestm\u00f6glichen Antrieb auf Basis des bestm\u00f6glichen Treibstoffs die Konstruktion eines derartigen Raumschiffs unm\u00f6glich ist. Schlie\u00dflich muss man ja auch einen Tank bauen, der diese ungeheure Masse an Treibstoff speichert. Dieser Tank bringt wieder zus\u00e4tzliches Gewicht auf die Waage, was wiederum noch mehr Treibstoff ben\u00f6tigt. Wer einmal selber mit den Zahlen experimentieren m\u00f6chte, kann dies in beigef\u00fcgter Excel-Tabelle machen: Berechnung relativistische Rakete<\/a>. Auch mein Lieblings-Physikprofessor Harald Lesch thematisiert die Problematik des Sternenreisens des \u00d6fteren:<\/p>\n\n
\nSagen wir einmal, wir wollen den am erd\u00e4hnlichsten Planeten<\/a> besuchen, den wir bisher entdeckt haben. Dann m\u00fcssen wir zum sechsten Planeten des Sternensystems Kepler-186 reisen. Das System ist 490 Lichtjahre von der Erde entfernt. Zum Vergleich: Unsere Galaxie, die Milchstra\u00dfe, hat einen Durchmesser von 100.000 Lichtjahren. Das Beschleunigungs- und das Abbremsman\u00f6ver sollen jeweils mit einer konstanten Beschleunigung von 1 g, der Erdanziehungskraft von 9,81 m\/s2<\/sup>, durchgef\u00fchrt werden. Das hat den Vorteil, dass in Beschleunigungs- bzw. Bremsrichtung die irdische Schwerkraft k\u00fcnstlich erzeugt wird. Die maximale Geschwindigkeit soll bei 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit liegen. Wie lange w\u00fcrde nun der Flug hin und zur\u00fcck dauern \u2013 f\u00fcr die Reisenden und f\u00fcr diejenigen, die auf der Erde zur\u00fcckbleiben?<\/p>\n