Seit Beginn des Weltraumzeitalters verlassen sich Menschen auf chemische Raketen, um in den Weltraum zu gelangen. Diese Methode ist sicherlich effektiv, aber auch sehr teuer und erfordert eine beträchtliche Menge an Ressourcen. Wenn wir nach effizienteren Mitteln suchen, um in den Weltraum zu gelangen, muss man sich fragen, ob ähnlich fortgeschrittene Arten auf anderen Planeten (wo die Bedingungen anders wären) auf ähnlichen Methoden beruhen würden.
Harvard-Professor Abraham Loeb und Michael Hippke, ein unabhängiger Forscher des Sonneberg-Observatoriums, haben diese Frage in zwei kürzlich veröffentlichten Artikeln behandelt. Während Prof. Loeb die Herausforderungen untersucht, denen sich Außerirdische beim Abschuss von Raketen aus Proxima b gegenübersehen würden, überlegt Hippke, ob Aliens, die auf einer Supererde leben, in den Weltraum gelangen können.
Die kürzlich gekachelten Artikel „Interstellare Flucht aus Proxima b ist mit chemischen Raketen kaum möglich“ und „Raumfahrt von Supererden ist schwierig“ wurden kürzlich online veröffentlicht und von Prof. Loeb bzw. Hippke verfasst. Während Loeb die Herausforderungen chemischer Raketen angeht, die Proxima b entkommen, überlegt Hippke, ob dieselben Raketen überhaupt eine Fluchtgeschwindigkeit erreichen könnten oder nicht.
Für seine Studie überlegte Loeb, wie wir Menschen das Glück haben, auf einem Planeten zu leben, der für Weltraumstarts gut geeignet ist. Wenn eine Rakete von der Erdoberfläche entkommen und den Weltraum erreichen soll, muss sie im Wesentlichen eine Fluchtgeschwindigkeit von 11,186 km / s (40.270 km / h) erreichen. In ähnlicher Weise beträgt die Fluchtgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um vom Ort der Erde um die Sonne wegzukommen, etwa 42 km / s (151.200 km / h; 93.951 mph).
Wie Prof. Loeb dem Space Magazine per E-Mail sagte:
„Chemischer Antrieb erfordert eine Kraftstoffmasse, die mit der Endgeschwindigkeit exponentiell wächst. Durch einen glücklichen Zufall ist die Fluchtgeschwindigkeit aus der Erdumlaufbahn um die Sonne an der Grenze der mit chemischen Raketen erreichbaren Geschwindigkeit. Die bewohnbare Zone um schwächere Sterne liegt jedoch näher, was es für chemische Raketen viel schwieriger macht, aus der tieferen Gravitationsgrube dort zu entkommen. “
Wie Loeb in seinem Aufsatz angibt, skaliert die Fluchtgeschwindigkeit als Quadratwurzel der Sternmasse über die Entfernung vom Stern, was impliziert, dass die Fluchtgeschwindigkeit aus der bewohnbaren Zone umgekehrt mit der Sternmasse auf die Potenz eines Viertels skaliert. Für Planeten wie die Erde, die in der bewohnbaren Zone eines Sterns vom Typ G (gelber Zwerg) wie unserer Sonne umkreisen, funktioniert dies ziemlich lange.
Leider funktioniert dies nicht gut für terrestrische Planeten, die M-Typ-Sterne (Roter Zwerg) mit geringerer Masse umkreisen. Diese Sterne sind der häufigste Typ im Universum und machen 75% der Sterne allein in der Milchstraße aus. Darüber hinaus haben kürzlich durchgeführte Exoplanetenuntersuchungen eine Vielzahl von felsigen Planeten entdeckt, die Systeme roter Zwergsterne umkreisen. Einige Wissenschaftler wagen, dass sie der wahrscheinlichste Ort sind, um potenziell bewohnbare felsige Planeten zu finden.
Am Beispiel des nächstgelegenen Sterns (Proxima Centauri) erklärt Loeb, wie es einer Rakete mit chemischem Treibmittel viel schwerer fallen würde, die Fluchtgeschwindigkeit von einem Planeten in ihrer bewohnbaren Zone zu erreichen.
"Der der Sonne am nächsten gelegene Stern, Proxima Centauri, ist ein Beispiel für einen schwachen Stern mit nur 12% der Sonnenmasse", sagte er. „Vor ein paar Jahren wurde entdeckt, dass dieser Stern einen erdgroßen Planeten, Proxima b, in seiner bewohnbaren Zone hat, die 20 Mal näher ist als die Trennung der Erde von der Sonne. An diesem Ort ist die Fluchtgeschwindigkeit 50% höher als auf der Erdumlaufbahn um die Sonne. Eine Zivilisation auf Proxima b wird es schwierig finden, mit chemischen Raketen von ihrem Standort in den interstellaren Raum zu fliehen. “
Hippkes Artikel beginnt damit, dass die Erde tatsächlich nicht der bewohnbarste Planetentyp in unserem Universum ist. Zum Beispiel hätten Planeten, die massereicher als die Erde sind, eine höhere Oberflächengravitation, was bedeutet, dass sie in der Lage wären, eine dickere Atmosphäre zu halten, was eine bessere Abschirmung gegen schädliche kosmische Strahlung und Sonnenstrahlung bieten würde.
Darüber hinaus hätte ein Planet mit höherer Schwerkraft eine flachere Topographie, was zu Archipelen anstelle von Kontinenten und flacheren Ozeanen führen würde - eine ideale Situation, wenn es um die biologische Vielfalt geht. Wenn es um Raketenstarts geht, würde eine erhöhte Oberflächengravitation jedoch auch eine höhere Fluchtgeschwindigkeit bedeuten. Wie Hippke in seiner Studie angedeutet hat:
"Raketen leiden unter der Tsiolkovsky-Gleichung (1903): Wenn eine Rakete ihren eigenen Treibstoff trägt, ist das Verhältnis der gesamten Raketenmasse zur Endgeschwindigkeit eine Exponentialfunktion, wodurch hohe Geschwindigkeiten (oder schwere Nutzlasten) immer teurer werden."
Zum Vergleich verwendet Hippke Kepler-20 b, eine 950 Lichtjahre entfernte Supererde, die dem 1,6-fachen Erdradius und der 9,7-fachen Masse entspricht. Während die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde ungefähr 11 km / s beträgt, müsste eine Rakete, die versucht, eine Super-Erde ähnlich wie Kepler-20 b zu verlassen, eine Fluchtgeschwindigkeit von ~ 27,1 km / s erreichen. Infolgedessen müsste eine einstufige Rakete auf Kepler-20 b 104-mal so viel Treibstoff verbrennen wie eine Rakete auf der Erde, um in die Umlaufbahn zu gelangen.
Um es ins rechte Licht zu rücken, betrachtet Hippke bestimmte Nutzlasten, die von der Erde aus gestartet werden. "Um eine nützlichere Nutzlast von 6,2 t zu heben, wie sie für das James Webb-Weltraumteleskop auf Kepler-20 b erforderlich ist, würde sich die Treibstoffmasse auf 55.000 t erhöhen, was ungefähr der Masse der größten Seeschlachtschiffe entspricht", schreibt er. "Für eine klassische Apollo-Mondmission (45 t) müsste die Rakete mit ca. 400.000 t erheblich größer sein."
Während Hippkes Analyse zu dem Schluss kommt, dass chemische Raketen immer noch Fluchtgeschwindigkeiten auf Super-Erden bis zu 10 Erdmassen ermöglichen würden, macht die benötigte Menge an Treibmittel diese Methode unpraktisch. Wie Hippke betonte, könnte dies schwerwiegende Auswirkungen auf die Entwicklung einer fremden Zivilisation haben.
"Ich bin überrascht zu sehen, wie nahe wir Menschen uns auf einem Planeten befinden, der für die Durchführung der Raumfahrt noch recht leicht ist", sagte er. „Andere Zivilisationen, wenn sie existieren, haben möglicherweise nicht so viel Glück. Auf massereicheren Planeten wäre die Raumfahrt exponentiell teurer. Solche Zivilisationen hätten kein Satellitenfernsehen, keine Mondmission oder kein Hubble-Weltraumteleskop. Dies sollte ihre Entwicklungsweise in gewisser Weise verändern, die wir jetzt genauer analysieren können. “
Beide Artikel bieten einige klare Implikationen für die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI). Für den Anfang bedeutet dies, dass Zivilisationen auf Planeten, die rote Zwergsterne oder Supererden umkreisen, weniger wahrscheinlich weltraumtauglich sind, was ihre Entdeckung schwieriger machen würde. Es zeigt auch, dass wir in der Minderheit sein können, wenn es um die Arten von Antrieben geht, mit denen die Menschheit vertraut ist.
"Diese obigen Ergebnisse implizieren, dass chemischer Antrieb nur einen begrenzten Nutzen hat. Daher wäre es sinnvoll, nach Signalen zu suchen, die mit Lichtsegeln oder Kernmotoren verbunden sind, insbesondere in der Nähe von Zwergsternen", sagte Loeb. "Aber es gibt auch interessante Implikationen für die Zukunft unserer eigenen Zivilisation."
"Eine Konsequenz des Papiers ist die Besiedlung des Weltraums und SETI", fügte Hippke hinzu. „Zivilisationen von Super-Erden erforschen die Sterne viel seltener. Stattdessen würden sie (bis zu einem gewissen Grad) auf ihrem Heimatplaneten "verhaftet", und z. Verwenden Sie mehr Laser oder Radioteleskope für die interstellare Kommunikation, anstatt Sonden oder Raumschiffe zu senden. “
Sowohl Loeb als auch Hippke stellen jedoch auch fest, dass außerirdische Zivilisationen diesen Herausforderungen begegnen könnten, indem sie andere Antriebsmethoden anwenden. Am Ende könnte der chemische Antrieb etwas sein, das nur wenige technologisch fortgeschrittene Arten annehmen würden, weil er für sie einfach nicht praktikabel ist. Wie Loeb erklärte:
„Eine fortschrittliche außerirdische Zivilisation könnte andere Antriebsmethoden verwenden, wie z. B. Kernmotoren oder Lichtsegel, die nicht den gleichen Einschränkungen unterliegen wie der chemische Antrieb und Geschwindigkeiten von bis zu einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Unsere Zivilisation entwickelt derzeit diese alternativen Antriebstechnologien, aber diese Bemühungen stecken noch in den Kinderschuhen. “
Ein solches Beispiel ist Breakthrough Starshot, das derzeit von der Breakthrough Prize Foundation (deren Vorsitzender Loeb der Vorsitzende des Beratenden Ausschusses ist) entwickelt wird. Diese Initiative zielt darauf ab, mit einem lasergesteuerten Lichtsegel ein Nanotransplantat auf eine Geschwindigkeit von 20% der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, sodass es in nur 20 Jahren nach Proxima Centauri reisen kann.
Hippke betrachtet Nuklearraketen ebenfalls als eine realisierbare Möglichkeit, da eine erhöhte Schwerkraft der Oberfläche auch bedeuten würde, dass Weltraumaufzüge unpraktisch wären. Loeb wies auch darauf hin, dass die Einschränkungen, die Planeten um Sterne mit geringer Masse auferlegen, Auswirkungen haben könnten, wenn Menschen versuchen, das bekannte Universum zu kolonisieren:
„Wenn sich die Sonne genug erwärmt, um das gesamte Wasser vom Erdboden zu kochen, könnten wir bis dahin in ein neues Zuhause umziehen. Einige der wünschenswertesten Ziele wären Systeme mehrerer Planeten um Sterne mit geringer Masse, wie der nahe gelegene Zwergstern TRAPPIST-1, der 9% einer Sonnenmasse wiegt und sieben erdgroße Planeten beherbergt. Sobald wir jedoch die bewohnbare Zone von TRAPPIST-1 erreicht haben, würde es keine Eile mehr geben, zu entkommen. Solche Sterne verbrennen Wasserstoff so langsam, dass sie uns zehn Billionen Jahre lang warm halten könnten, ungefähr tausendmal länger als die Lebensdauer der Sonne. “
In der Zwischenzeit können wir uns jedoch auf das Wissen verlassen, dass wir auf einem bewohnbaren Planeten um einen gelben Zwergstern leben, der uns nicht nur Leben bietet, sondern auch die Möglichkeit bietet, in den Weltraum hinauszugehen und zu erkunden. Wie immer sind wir Menschen gezwungen, bei der Suche nach Anzeichen für außerirdisches Leben in unserem Universum den „Ansatz niedrig hängender Früchte“ zu wählen.
Grundsätzlich ist der einzige Planet, von dem wir wissen, dass er das Leben unterstützt, die Erde, und das einzige Mittel zur Erforschung des Weltraums, nach dem wir suchen können, sind diejenigen, die wir selbst erprobt und getestet haben. Infolgedessen sind wir etwas eingeschränkt, wenn es um die Suche nach Biosignaturen (d. H. Planeten mit flüssiger Wasser-, Sauerstoff- und Stickstoffatmosphäre usw.) oder Technosignaturen (d. H. Funkübertragungen, chemische Raketen usw.) geht.
Wenn unser Verständnis darüber, unter welchen Bedingungen das Leben entstehen kann, zunimmt und unsere eigene Technologie Fortschritte macht, müssen wir mehr Ausschau halten. Und hoffentlich wird uns das außerirdische Leben trotz der zusätzlichen Herausforderungen, denen es möglicherweise gegenübersteht, suchen!
Der Aufsatz von Professor Loeb wurde kürzlich auch in Scientific American veröffentlicht.
