Wie würde ein Raumschiff eigentlich aussehen?

  • 2019

Adrian Mann

Stellen Sie sich ein Sternenschiff vor- ein Schiff, das Menschen von einem Sonnensystem in ein anderes befördern kann. Hätte es Flügel und ein Cockpit? Oder würde es aussehen wie ein Flugzeugträger, der in die Leere geschleppt wurde und mit flammenden Raketen und glühenden Ionenantrieben ausgerüstet war?

Science-Fiction hat uns alle Arten von Visionen interstellarer Raumsonden angeboten, von klingonischen Raubvögeln bis hin zu gewaltigen Massen wie dem Borg-Würfel. Im Allgemeinen neigen sich Science-Fiction zu schlanken Designs mit Linien, die von Flugzeugen oder Autos entlehnt wurden, da dies die Art von Look ist, die wir als "schnell" empfinden. Aber wenn es keine Luft im Weltraum gibt, warum werden die Dinge aerodynamisch? Ist es wichtig, wie ein Raumfahrzeug aussieht?

Ja, es stellt sich heraus, und es hängt davon ab, welche Art von Weltraumfahrt Sie unternehmen möchten. Die Realität des Raumschiffdesigns ist komplexer als alles, was Hollywood sich in unserem kollektiven Unbewusstsein ausgedacht hat.

Während eine bemannte interstellare Mission nicht genau im Zeitplan der NASA steht, haben die Forscher das Thema nicht auf Science Fiction verzichtet. Tatsächlich beendete die 100-jährige Starship-Initiative, die als von DARPA finanzierter Wettbewerb begonnen hatte, die Grundlagen für einen Flug über die Sterne zu legen, Physiker, Unternehmer und alle ernsthaft an Langstreckenflugzeugen interessierten Menschen zu sammeln, gerade ihr jährliches Symposium letztes Wochenende.

Einer der Teilnehmer des 100-jährigen Starship-Projekts ist Marc G. Millis, Gründer der Tau Zero Foundation. Die Stiftung hat Kandidatentechnologien und -designs vorgeschlagen, darunter die unbemannte fusionsbetriebene Sonde von Icarus, die (theoretisch natürlich) die Lichtgeschwindigkeit auf ein Zehntel oder ein Fünftel beschleunigen würde. Ikarus ist, wie es derzeit angenommen wird, nicht die glatteste Weltraumfahrt. Das gigantische Wolkenkratzer besteht fast ausschließlich aus Reihen und Gruppen kugelförmiger Kraftstofftanks. Laut Millis ist Icarus jedoch keine endgültige Vorhersage, wie ein interstellares Fahrzeug aussehen könnte. Es ist einfach das Design, das als erstes sinnvoll ist.

Wir haben Millis, der einst das Breakthrough Propulsion Physics-Projekt der NASA leitete, gebeten, uns durch die Grundlagen des Raumschiffdesigns zu führen.

Raumschiffe sind keine Raumflugzeuge

Ein Blick auf das Ikarus-Design - oder seinen Vorgänger, den Daedalus - und es ist klar, was Raumschiffe nicht brauchen: Flügel. Das einzige wirkliche Weltraumfahrzeug, das mit Flügeln belästigt wird, sind Flugzeuge, die regelmäßig auf Landebahnen landen, wie das im Ruhestand befindliche Space Shuttle, der kommende Lynx (ein zwischensitziger Zweisitzer von XCOR) oder der Dream Chaser, ein in der Entwicklung befindliches Orbitalfahrzeug aus der Sierra Nevada. Und für Landungen werden keine Flügel benötigt. Wie die russische Sojus-Kapsel spritzt der SpaceX-Drache derzeit im Meer (obwohl SpaceX sich auf Raketenangriffe vorbereiten will).

Experten wie Millis glauben, dass interstellare Schiffe in naher und ferner Zukunft nicht viel Zeit in einer Atmosphäre verbringen werden. Vielleicht bleiben die kleinen Schiffe, die Menschen von der Oberfläche zum Sternenschiff befördern, geflügelt, aber wirklich interstellare Fahrzeuge können Aerodynamik und alle Konstruktionsprinzipien, die der Verringerung des Windwiderstands dienen, verschrotten. Ein Raumschiff muss nicht schlank sein oder eine spitze Nase haben - selbst die stämmige Battlestar Galactica ist zwecklos flugzeugförmig. Wenn überhaupt, sind die äquivalenten Cylon-Schiffe in der neu gestarteten TV-Serie eher rationelle interstellare Reisende, mit ihren spindeldürren Armen und eklatanten Missachtung der gesamten luftzentrierten Geschichte der Luft- und Raumfahrt.

Sublight überleben

Vorhersagen, wie die ersten unbemannten Raumschiffe aussehen könnten, ist relativ einfach. Im Fall von Icarus ist beispielsweise die gesamte Struktur dem Antrieb gewidmet. Es ist eine kolossale Rakete, wenn auch eine komische, von der Fusion angetriebene Rakete.

Millis sagt, die ersten Personentransporter werden jedoch von den Technologien beherrscht, die diese Passagiere am Leben halten. Betrachten Sie die Schwerkraft, eine Notwendigkeit für Langstreckenflüge. Bei längerem Zero-g erodiert der menschliche Körper und verliert Knochen- und Muskeldichte. "Mit der Physik, die wir kennen, erzeugt man mit einer riesigen Zentrifuge, einer rotierenden Kabine, im Grunde Schwerkraft", sagt Millis. Die sich drehende Scheibe des Jupiter-gebundenen Discovery One in 2001: Eine Weltraum-Odyssee illustrierte dieses Konzept gut, aber Millis sagt, um die Schwerkraft der Erde besser simulieren zu können, müsste die Realität tatsächlich viel größer sein. Je kleiner die Zentrifuge ist, desto weniger gleichmäßig wirkt sich die Zentrifugalkraft auf den Körper einer Besatzung aus - der Kopf wird sich also leichter anfühlen als die Füße. Abgesehen von der Desorientierung durch chronische Benommenheit ist die Konsistenz der Schlüssel, wenn das Ziel darin besteht, die Zirkulation des Blutes unter dem Einfluss der Schwerkraft wiederherzustellen.

Discovery One, aus dem Jahr 2001: Eine Weltraum-Odyssee

Natürlich kann die Menschheit nicht allein durch die Schwerkraft überleben. Ein Raumschiff, das die Insassen über Jahre, Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte am Leben erhalten sollte, würde Systeme erfordern, die in heutigen Raumfahrzeugen unbekannt sind. So könnten Abteilungen für den Anbau von Getreide oder Vieh traditionellere Kompartimente in den Schatten stellen. Geräumige Freizeiteinrichtungen, die über ausreichend Platz und Ressourcen verfügen, um ausgedehnte Parkanlagen zu beherbergen, könnten von entscheidender Bedeutung sein, um die existenzielle Krise zu bekämpfen, wenn sie ein Leben lang in einem Raumschiff verbringen. Was heute lächerlich erscheinen mag und eine gewaltige Massenverschwendung, könnte das prägendste Merkmal eines Schiffes sein, das nicht mit Astronauten gefüllt ist, sondern mit einem größeren Teil der Menschheit - und möglicherweise auch unterwegs geborenen Kindern. Plötzlich ist ein riesiger, sich drehender Spielplatz, der Ihr Schiff halbiert, keine so schlechte Idee.

Das Aussehen Ihres Raumschiffes hängt auch stark von Ihrer Transportmethode ab, und alle vorgeschlagenen interstellaren Antriebsmethoden haben ihre eigenen Probleme. Alles, was eine massive Oberfläche des Schiffs erfordert - beispielsweise ein Segel, das von Photonen der Sonne oder Lasern an Bord angetrieben wird - würde mit intergalaktischem Staub zu kämpfen haben. Es gibt nicht viel Material im Weltraum, aber selbst winzige Partikel stellen eine Gefahr für Gefäße dar, die sich mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Staubpartikel könnten ein Sonnensegel durchschneiden; Vielleicht muss die Besatzung das Segel ersetzen oder reparieren, wenn es zu perforiert ist.

Ikaros, Japans Sonnensegelprojekt. Bildnachweis: JAXA

Perforierte Segel sind zwar austauschbar, aber alle schnell fahrenden Raumschiffe müssen sich um Staub sorgen. Vergessen Sie die Layouts von Leuchtkäfer's Serenity oder das neuere gleichnamige Schiff aus Prometheus, mit ihren swooping vogelähnlichen Profilen und Cockpits im Flugzeugstil. Die Gefahr des Auftreffens von Staub bedeutet wahrscheinlich, dass die Mannschaftsräume in Bunker umgewandelt werden und Personen und wichtige Systeme hinter redundanten Schichten physischer Abschirmung stecken. Das Ergebnis würde nach Sci-Fi-Standards, die dem Icarus von 2007 näher kommen, hässlich erscheinen Sonnenschein (nicht zu verwechseln mit dem work-in-progress-Konzept): Mit seinem Sonnenschild wirkt er eher wie ein riesiger Regenschirm als wie ein Raubvogel.

Je mehr Sie darüber nachdenken, desto weniger sexy wird das Raumschiff. Sogar Star Trek's Enterprise ist ein Ferrari der Stars, verglichen mit den industriellen Monstrositäten, die die Reise überlebensfähig machen könnten, basierend auf unserem derzeitigen Verständnis der Physik. Die Beherrschung der Föderation in Bezug auf Zeit, Raum und alles dazwischen erlaubt es Schriftstellern, die Gefahren eines galaktischen Beschusses mit kosmischen Strahlen zu ignorieren, indem sie verschiedene Arten von Kraftfeldern zur Abwehr von Katastrophen verwenden, im Gegensatz zu den schwindelerregenden, mit Wasser gefüllten Rümpfen, die ein echtes Raumschiff wahrscheinlich wäre brauchen. Und während Impulsantriebe scheinbar 100 Prozent ihrer Energie in den Schub werfen, wird ein echtes, den Gesetzen der Thermodynamik untergeordnetes Schiff wahrscheinlich mit einer schwindelerregenden Anordnung von Platten bestückt sein, um die durch Antriebssysteme erzeugte überschüssige Wärme abzustrahlen.

Auch wenn es der Menschheit gelingt, die Physik zu verbessern, und er lernt, die Schwerkraft, die Materie und die Eigenschaften von Zeit und Raum direkt zu manipulieren, so Millis, "wird die Geometrie des Schiffes stark von diesen technologischen Durchbrüchen abhängen." Zum Beispiel könnten schwerkraftproduzierende Platten breite Hallen mit extrem niedrigen Decken erfordern, wohingegen ein Feld, das in einem langen Zylinder Schwerkraft erzeugt, zu einem wolkenkratzerförmigen Sternenschiff führen kann. Beide Konzepte, sagt Millis, "sind im Bereich der spielerischen Spekulation", aber was auch immer die Formen dieser Wundergeräte sein mögen, das Ergebnis ist wahrscheinlich merkwürdiger als die Fiktion.

Welche Farbe hat deine Zeitmaschine?

Das seltsamste von allen ist das schneller als das helle (FTL) Raumschiff. Sein ganzes Leben hat Millis die Anzahl verrückter Antriebstheorien geleitet, auch in seinem 2009 erschienenen Buch Die Grenzen der Antriebswissenschaft, die er durch ein Kickstarter-Projekt in eine Mainstream-Version umwandeln möchte. Seit den 1930er Jahren, sagt er, sei Sci-Fi auf Konzepte wie Warp-Antriebe und Hyperraum fixiert, wenn die verrücker klingenden Technologien tatsächlich FTL-Reisen realisieren könnten.

Nehmen Sie zum Beispiel das alte Seifenboot-Experiment: Legen Sie einen Tropfen Seife hinter ein Spielzeugboot und beobachten Sie, wie es über die Badoberfläche fährt. Im Jahr 1996 schlug der Physiker Miguel Alcubierre einen Warp-Antrieb vor, der auf ähnliche Weise funktioniert: Er konzentriert sich nicht auf das fiktive Schiff und seinen eigenen eingebauten Antrieb, sondern auf die Verzerrung der Raumzeit in eine Schiffsantriebswelle.

Millis sagt, die einzigen Gleichungen, die FTL unterstützen, beziehen sich auf die Raum-Zeit-Handfertigkeit wie Wurmlöcher oder Alcubierres Warp-Effekt. Und ein Schiff, das sich zwischen den Sternen schummeln kann, ist nicht gerade ein "Sternenschiff" in unserer Art, wie wir an sie denken. Es geht nicht schnell, also besteht keine Gefahr explosiver Staubeinwirkung. Von Natur aus reist es nicht für sehr lange Zeit, also machen Sie sich nichts aus den Wasserkraftbetrieben mit Wasserkraft.Es könnte sogar ein einstufiges Fahrzeug sein, das vor und nach seiner bizarren Abkürzung abgeschleppt werden soll und fast keinen eigenen traditionellen Antrieb besitzt.

Mit anderen Worten: Das Schiff sieht fast wie alles aus, also gibt es keinen Grund anzunehmen, dass es wie etwas aussieht, das fliegt. Das FTL-Raumschiff ist mehr eine Zeitmaschine als eine Rakete, ein Gerät, das in der Lage ist, eine unglaublich energiereiche Physik zu betreiben, von der keine thermodynamische Schubkraft erfordert. Wenn ein interstellares Sublight-Raumfahrzeug über die gesamte Anziehungskraft eines Atomkraftwerks verfügt, werden in der Warp-Klasse wahrscheinlich über 10 gewinkelte Large Hadron Colliders geworfen.

Fakten zur Wissenschaft

Millis ist kein Physiker, der dazu verleitet werden muss, über Warpantriebe und Wurmlöcher zu diskutieren, und in Anbetracht dessen, dass seine Stiftung nach dem Namen benannt ist Tau Null, Poul Andersons Roman aus dem Jahr 1970 über eine interstellare Kolonialisierungsmission, die schief gelaufen ist, er lässt die Rolle der Science Fiction in seinem Lebenswerk nicht ab. "Es gibt Ihnen Ansatzpunkte, um sich diese Fähigkeiten vorzustellen und sie alle vorzustellen und aufzulisten", sagt Millis. "Dann können Sie sie niederdampfen und herausfinden, welche Fragen praktikabel sind. Dort können Sie zur wissenschaftlichen Untersuchung übergehen."

Er sagt, das Beste, was Hollywood erreicht hat, um die Unpässlichkeit eines fiktiven FTL-Fahrzeugs zu erfassen, ist 1997 Kontakt. Wenn Sie den Film gesehen haben, wissen Sie, dass "Fahrzeug" nicht der richtige Begriff ist. Der Charakter nennt sein FTL-Gerät "Maschine". Es umfasst sowohl eine Kugelhülse mit einem Sitz als auch die Masse von sich drehenden, sich überlappenden Ringen, in die die Hülse (mit Jodi Foster im Inneren) fällt.

Millis war beeindruckt von dem Design, das zu Beginn von James Camerons (kurz) vorgestellt wurde BenutzerbildAufgrund der massiven Wärmestrahler größer als jedes Schiff, das er auf dem großen oder kleinen Bildschirm sieht. "Wenn Sie überschüssige Energie haben, die in der Regel in Form von minderwertiger Wärme vorliegt, benötigen Sie riesige Kühler, damit sich das Fahrzeug nicht selbst zerstört."

Millis erwartet nicht, dass Hollywood die Details der Weltraumfahrt festnagelt. Zu viel Realismus könnte das, was Science Fiction am besten kann, unterminieren - neue Generationen von Pionieren dazu anregen, Probleme zu lösen, die sich zu Lebzeiten nicht lösen lassen. "Wir brauchen diese Pioniere. Die Leute wollen kein Problem lösen, bis es so aussieht, als könne es gelöst werden", sagt Millis. "Aber wenn wir es mit dem Überleben der Menschheit zu tun haben, wollen wir wirklich zögern? Wenn es einige Jahrhunderte dauern wird, um es herauszufinden, sollten wir nicht jetzt anfangen, anstatt den Asteroiden zu entdecken, und wir Sie haben drei Jahre Zeit, um zu evakuieren? "

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