Der wohl ungewöhnlichste Segler aller Zeiten

von Dr. Harald Zaun

DLR-Missionschef Dr. Manfred Leipold im Gespräch über den DLR-Sonnensegler

Das schnellste "Segelschiff" der Welt wird seine Jungfernfahrt nicht im irdisch-maritimen, sondern im kosmischen Ozean feiern. Bereits auf der ILA Berlin 2000, der diesjährigen Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung stellten die Europäische Weltraumagentur (ESA) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit den Industriepartnern Kayser-Threde GmbH und Invent GmbH der Öffentlichkeit erstmals den wohl ungewöhnlichsten Segler aller Zeiten vor: den DLR-Sonnensegler Solar Sail.

Wenn alsbald das schnellste Segelschiff der Welt im kosmischen Ozean seine Jungfernfahrt feiert, dürften seine irdisch-maritimen Kollegen vor Neid glatt erblassen. Denn im Unterschied zu den historisch hölzernen Bezwingern der sieben Weltmeere und seinen Nachfolgern muss das neue Weltraumgefährt nicht gegen Wellen, Wind und Wetter ankämpfen. Statt dessen driftet es in stets gleichbleibend ruhigen Gewässern - und dies entschieden schneller. Auf diesem Kurs wird dereinst der DLR-Sonnensegler Solar Sail steuern.

Angetrieben wird Solar Sail - wie im übrigen all seine Nachfolgemodelle - durch den Lichtdruck der Sonne. Treffen die von der Sonne ausgesandten Photonen auf die Bespannung des Seglers, erreicht das Leichtbauraumschiff durch den Rückstoß und infolge der Impulsübertragung der Photonen eine überraschend hohe Geschwindigkeit. Ähnlich wie bei einem Segelschiff, das mit dem Wind fährt, muss sich eine segelnde Raumsonde am Stand der Sonne orientieren, von der die antreibenden Lichtstrahlen ausgehen. Wird dabei die Intensität des Lichtdrucks der Sonne vollends genutzt, sind Geschwindigkeiten bis zu 360.000 Kilometer in der Stunde realistisch. Am schnellsten fliegt der Sonnensegler, wenn er relativ nahe an der Sonne vorbeifliegt. Theoretisch wäre es auch möglich, mit speziellen Satelliten in der Erdumlaufbahn, die mit Hilfe von Solarenergie fokussierte Laser in Richtung Solarsegel schießen, einen künstlichen Sonnenwind zu erzeugen und somit Raumsonden auch in großer Entfernung weiter zu beschleunigen.

Die visionäre Idee des Sonnensegelns im Weltraum wurde schon von dem russischen Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski sowie vom deutschen Ingenieur Hermann Oberth in den zwanziger Jahren angedacht. Doch für den damals höchst exotischen Vorschlag fehlte seinerzeit noch das technische Know-how. Dieses steht heute indes in Gestalt modernster High-Tech zur Verfügung. So verwundert es nicht, dass auch andere Raumfahrtnationen an der Entwicklung eines Sonnenseglers engagiert arbeiten, allen voran die NASA, die den innovativen Charakter eines solchen Fortbewegungsmittels nicht verkennt.

Über das zukunftsträchtige Vorhaben gab der Projektleiter Dr. Manfred Leipold vom DLR-Institut für Planetenerkundung in Köln-Porz Auskunft.

H. Zaun: Ist es korrekt, dass in Erdentfernung das Licht der Sonne einen Schub von 9 Mikro-Newton auf jeden Quadratmeter Segel ausübt, was in etwa dem Gewicht einer Münze entspräche?

Manfred Leipold: Bei einer astronomischen Einheit, also der Entfernung Erde-Sonne (zirka 150 Millionen Kilometer), sind es genau 0,9 Mikro-Newton pro Quadratmeter. Das variiert quadratisch mit dem Abstand zur Sonne."

H. Zaun: Ein ultradünner Sonnensegler von mehreren hundert Meter Durchmesser soll angeblich in der Lage sein, kleinmassige Nutzlasten, wie etwa eine Miniatursonde mit einer Masse von wenigen hundert Gramm, innerhalb weniger Wochen zum Jupiter zu befördern. Dies klingt unglaublich.

Manfred Leipold: Diese Annahme halte ich für extrem optimistisch. Dies wären unglaubliche Beschleunigungen, die erreicht werden müssten. Allerdings sind Beschleunigungen bis auf 360.000 Kilometer in der Stunde, was ungefähr 100 Kilometer in der Sekunde entspräche, im Optimalfall denkbar. Dieser von uns berechnete Wert kommt aber erst dann zum Tragen, wenn man einen Sonnensegler relativ nahe an der Sonne vorbeiführt, um die dortige Intensität des Lichtdrucks vollends zu nutzen. Von hier und auf diese Weise kann eine Raumsonde mit einer Geschwindigkeit von 100 Kilometern in der Sekunde unserem Sonnensystem entweichen.

H. Zaun: Aber diese Prognose ist doch rein mathematischer Natur?

Manfred Leipold: Ja. Allerdings basiert sie auf entsprechende Bahnensimulationen, die via Computer berechnet wurden. Bei der Simulation flog der Sonnensegler sehr nahe an der Sonne vorbei. Bei solchen Manövern müssen in der Praxis Technologie und Materialien noch anspruchsvoller werden, damit der Segler den extrem thermalen Bedingungen in Sonnennähe standhält. Sonnennähe heißt in diesem Zusammenhang: Die Raumsonde muss bis auf Merkurnähe (Entfernung zur Sonne: zirka 58 Millionen Kilometer) heranfliegen, um ihre potentielle Höchstgeschwindigkeit zu erreichen.

H. Zaun: Einige Konzepte sehen Segel mit Abmessungen von mehreren Kilometern und einer Stärke von nur wenigen Mikrometern vor. Welche Vorteile und Nachteile bringt eine noch größere Segelfläche mit sich?

Manfred Leipold: Beim Sonnensegler besteht das Hauptproblem darin, die Segelflächen mit entfaltbaren leichten Strukturen so aufzuspannen, dass es trotz filigraner Technik zu einer guten Stabilität kommt, Die Größe ist schon von einer gewissen Bedeutung. Gemäss der Prämisse 'Je größer die Fläche, desto schwerer das Aufspannen' muss bei einem kilometergroßen Sonnensegler die Entfaltungsmechanik schon sehr ausgeklügelt sein. Im einfachsten Fall kann es ein kreisrundes Segel sein, das durch Zentrifugalkraft entfaltet wird, eben ganz ohne steife Maststrukturen. Dies spart Masse. Das zweite Problem besteht in der Lageregelung und Ausrichtung eines derart großen Segels.

H. Zaun: Aber je größer die Segelfläche, desto größer die Gefahr durch Mikrometeoriten.

Manfred Leipold: Das ist in der Tat das dritte große Problem. Mikrometeoriten sind eine ständige Gefahr. Wir haben Untersuchungen durchgeführt, mit wievielen Einschlägen man pro Quadratmeter über die Dauer von einem Jahr rechnen muss. Gerade im Teilchenbereich von 10 bis 100 Mikrometern, wo im Weltraum die höchste Konzentration von Staubteilchen vorhanden ist, müssen wir mit bis zu 10.000 Einschlägen pro Jahr pro Quadratmetern rechnen. Dies haben wir an der TU München mit Hochgeschwindigkeitseinschlagstests durchführen lassen; dort wurden unter realistischen Bedingungen kleine Glaskügelchen von einer maximalen Größe von 0,1 Millimeter auf Folienproben geschossen. Die Untersuchung des Einschlagverhaltens führte zu dem Ergebnis, dass die Teilchen bei diesen Hochgeschwindigkeiten das sehr dünne Segel einfach durchsiebt haben. Aber interessanterweise schmelzen durch die entstehende Reibungswärme die Ränder dieser Einschusslöcher auf. Und das ist ein gewisser selbstheilender Effekt der Folie; denn durch die Aufschmelzung versiegelt sich die Einschussstelle quasi von selbst. Bei den Tests kam es zumindest zu keiner Rissbildung. Entsteht indes ein Riss, ist sein Fortschritt sehr wahrscheinlich; dann reichen schon sehr geringe Spannkräfte aus, um ein größeres Segel nachteilig zu beschädigen."

H. Zaun: Machen wir doch mal folgendes Gedankenexperiment. Ein Sonnensegler mit einer Mikrosonde an Bord wandelt auf den Spuren der Voyager-Sonden, hat desgleichen das Sonnensystem längst verlassen und befindet sich schon ein Lichtjahr von Mutter Erde und damit auch von unserem Heimatstern entfernt. Wie beeinflusst der sehr schwache Sonnenwind seine Geschwindigkeit - langfristig gesehen?

Manfred Leipold: Es ist nicht der Sonnenwind, der das Segel antreibt. Dies wird sehr oft verwechselt. Entscheidend ist vielmehr der Effekt des Lichtdrucks. Durch die Reflexion der solaren Photonen bzw. des Sonnenlichts und infolge der Impulsübertragung der Photonen gewinnt der Sonnensegler an Fahrt. Demgegenüber beträgt der Einfluss des Sonnenwindes auf den Antrieb gerade mal 0,1 Prozent. Der faktische Abfall des Lichtdruckeffekts macht sich recht deutlich nach einer astronomischen Einheit bemerkbar. Wenn zum Beispiel ein Sonnensegler auf eine extrasolare Langzeitmission geschickt wird, schwenkt er nach seinem Nahe-Vorbeiflug an der Sonne auf eine hyperbolische Bahn, also eine Entweichbahn, die ihn aus unserem Sonnensystem rausführt. Auf Jupiterhöhe kann er dann sein Segel im Prinzip schon abwerfen. Die Geschwindigkeit, die er dann noch hat, ist aber immer noch relativ hoch: in der Größenordnung von 100 Kilometer pro Sekunde. Das Raumgefährt bewegt sich demnach fünf bis sechs mal schneller als die Voyager Sonden."

H. Zaun: Können Sie sich auch überdimensionale riesige Sonnensegler vorstellen, deren Frachtkapazität sogar für eine bemannte Raumfahrt reichen würde?

Manfred Leipold: Dies ist momentan noch pure Science Fiction. In der bemannten Raumfahrt müsste eine tonnenschwere Raumkapsel mitsamt Lebenserhaltungssystem und technischem Equipment etc. transportiert werden. In Anbetracht dieses Masse-Flächen-Verhältnisses bräuchte man gigantisch große Segel, die in den Kilometerbereich gehen. Dies ist heute nicht realisierbar."

H. Zaun: Inwieweit wäre der Einsatz eines Sonnenseglers zwischen Erde und Mars zur Unterstützung bemannter Missionen zum Roten Planeten sinnvoll?

Manfred Leipold: Es gibt seit geraumer Zeit Überlegungen, einen Sonnensegler in Zukunft als eine Art Hilfs-Shuttle einzusetzen, um Nutzlasten, zum Beispiel technisches Gerät, zwischen Erde und Mars zu transportieren. Aber auch dies ist letzten Endes reine Zukunftsmusik.

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