Ein Forscherteam am California Institute of Technology (Caltech) hat eine Methode entwickelt, um die dünnen Membranen eines Lichtsegels zu messen – ein entscheidender Schritt, um ein futuristisches Reisekonzept zu verwirklichen, das bereits vor über 400 Jahren von Johannes Kepler erdacht wurde.
Die Ergebnisse der Studie, die diesen Monat in Nature Photonics veröffentlicht wurden, beschreiben ein miniaturisiertes Lichtsegel im Laborexperiment. Die Wissenschaftler untersuchten den Strahlungsdruck eines Laserstrahls auf das Segel und analysierten, wie das Material darauf reagierte. Diese Erkenntnisse sind essenziell für die Entwicklung weltraumtauglicher Lichtsegel – eine der vielversprechendsten Technologien für interstellare Reisen, da sie eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle nutzen: Licht.
Herausforderungen bei der Entwicklung eines funktionalen Lichtsegels
„Es gibt zahlreiche Herausforderungen bei der Entwicklung einer Membran, die letztendlich als Lichtsegel eingesetzt werden kann. Sie muss Hitze standhalten, ihre Form unter Druck bewahren und stabil entlang der Achse eines Laserstrahls gleiten“, erklärte Harry Atwater, Physiker am Caltech und Hauptautor der Studie, in einer Pressemitteilung des Instituts.
„Wir wollten herausfinden, ob wir die auf eine Membran wirkende Kraft allein durch die Messung ihrer Bewegungen bestimmen können“, fügte Atwater hinzu. „Es hat sich herausgestellt: Ja, das können wir.“
Im Experiment testete das Team ein winziges Lichtsegel mit einer Fläche von nur 40 x 40 Mikrometern, das aus Siliziumnitrid gefertigt war. Ein Argonlaser mit sichtbarer Wellenlänge wurde auf das befestigte Segel gerichtet, um seine Schwingungen und Reaktionen auf die durch den Laser erzeugte Wärme zu untersuchen. Die Forscher konnten Bewegungen auf einer extrem kleinen Skala messen – im Bereich von Pikometern, also Billionstel eines Meters.
Lichtsegel: Eine Revolution in der Raumfahrt?
„Wir haben nicht nur unerwünschte Erwärmungseffekte vermieden, sondern konnten auch die gewonnenen Erkenntnisse nutzen, um eine neue Methode zur Messung der Lichtkraft zu entwickeln“, sagte Koautor Lior Michaeli, ebenfalls Physiker am Caltech.
Das Team dokumentierte Bewegungen des Lichtsegels sowohl seitlich als auch in der Rotation – ein entscheidender Faktor für künftige Anwendungen. Denn obwohl der Weltraum ein Vakuum ist, gibt es dort viele Partikel und Ströme, die die Performance eines Lichtsegels beeinflussen können – von Mikrometeoriten bis hin zu Sonnenwinden.
Lichtsegel könnten die Zukunft der Raumfahrt sein. Letztes Jahr zeichnete Gizmodo die Planetary Society’s Mission LightSail 2 auf der Gizmodo Science Fair aus, da das Experiment die Machbarkeit von Photonen als Antriebsmethode für Satelliten testete. Das 32 Quadratmeter große Segel beforderte eine kleine Raumsonde auf eine insgesamt 8 Millionen Kilometer lange Reise, die 18.000 Umläufe um die Erde umfasste.
2016 schlug die Initiative Breakthrough Starshot eine Flotte von Lichtsegel-betriebenen Raumsonden vor, die auf bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden könnten – eine spektakuläre Geschwindigkeit. Damit wäre es möglich, Alpha Centauri, das nächstgelegene Sternensystem nach unserer Sonne, innerhalb weniger Jahrzehnte zu erreichen.
Auch wenn das aktuelle Experiment nur im Labor stattfand, markiert es einen kleinen, aber entscheidenden Schritt in Richtung eines funktionalen Lichtsegels, das eines Tages interstellare Reisen Realität werden lassen könnte.
