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Eine kurze Geschichte der Sonnensegel

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Vor langer Zeit stand jemand allein an einem sandigen Strand und blickte lange auf den sich scheinbar unendlich ausdehnenden Ozean, auf einen Horizont, der in einem leichten Nebel lag und grübelte, "ich frage mich, was dort draußen ist?" Dann bauten sie ein Boot, behängten es mit einem großen Segel, um den Wind einzufangen und stachen in See.

Vor nicht ganz so langer Zeit, stand jemand an einem sandigen Strand und schaute in den sich scheinbar unendlich ausdehnenden Himmel, der mit funkelnden Sternen gefüllt war und grübelte, "ich frage mich, was dort draußen ist?" Dann bauten sie ein Raumschiff, behängten es mit einem großen Segel, um die Sonne einzufangen und traten die Reise an. 

Der erste Absatz: Schon Geschichte. Der zweite Absatz: Ist bald fällig...

In der nahen Zukunft sind zwei sehr spezielle Missionen geplant; beide haben das Ziel, ein Sonnensegel zu nutzen, um die Sonnenenergie einzufangen. NASAs NanoSail-D ist ein kleines Sonnensegel, dass vielleicht schon im August 2008 starten wird. Cosmos 2, der Planetary Society, hat noch kein festgesetztes Startdatum. Sein Ziel ist es, "einen kontrollierten Flug, unter dem Druck des Sonnenlichts durchzuführen."1

Um diese beiden Missionen wertschätzen zu können, lassen Sie uns eine Reise durch die kurze Geschichte des Sonnensegelns unternehmen: 

Vor fast 400 Jahren beobachtete der deutsche Astronom Johannes Kepler, dass Kometenschweife durch etwas weggeblasen wurden, von dem er annahm, dass es eine Sonnen-"Brise" war.2 Diese Beobachtung inspirierte ihn dazu vorzuschlagen, dass "Schiffe und Segel, welche für die Luft im All geeignet sind, gebaut werden sollten", um durch den Weltraum zu gleiten.

Kepler wusste damals nicht, das der beste Weg ein Sonnensegel anzutreiben, nicht der Sonnenwind, sondern die Kraft des Sonnenlichts selber ist. Im Jahr 1873 zeigte James Clerk Maxwell, das Sonnenlicht, durch abprallende Photonen von einer reflektierenden Oberfläche, einen kleinen Druck ausübt. Diese Art Druck ist die Basis aller modernen Sonnensegel Designs.

Im Jahr 1960 fühlte Echo-1 diesen Druck der Sonne laut und klar. "Der Druck der Photonen spielte mit dem dünnwandigen Film in der Umlaufbahn Fußball ... die Scherben wurden durch das Sonnenlicht weit zerstreut."3

Die NASA hatte im Jahr 1974 ein positiveres Erlebnis, als dem Mariner 10 Raumschiff das Gas zur Höhenkontrolle ausging. Da sich Mariner 10 auf einer Mission zum Merkur befand, war reichlich Sonnenlicht vorhanden und dies brachte die Missionskontroller auf eine Idee: Sie brachten Mariner 10s Solar Arrays in Richtung Sonne und nutzten den Strahlungsdruck der Sonne für die Höhenkontrolle. Es funktionierte. Obwohl Mariner 10 keine Sonnensegel-Mission war und obwohl der Strahlungsdruck unglaublich klein war, demonstrierte die geniale Nutzung von Mariners Solar Arrays, das Prinzip des Sonnensegelns.

Ebenfalls in den 1970ern hat Dr. Louis Friedman, damals an NASAs Jet Propulsion Laboratory, ein Projekt geleitet, um den ersten Sonnensegel-Flug auszuprobieren. Der Halleysche Komet würde im Jahr 1986 seine größte Annäherung an die Erde haben, und die NASA verfolgte die aufregende Idee, eine Sonde mithilfe eines Sonnensegels anzutreiben und sie so mit dem Kometen zusammentreffen zu lassen. Letzten Endes wurde das Projekt verworfen. "Die jahrelange Arbeit am Design demonstrierte jedoch, dass Sonnensegeln eine mögliche Antriebstechnik für Raumschiffe war."4

Im Jahr 1993 startete die russische Raumfahrtagentur einen sich drehenden Spiegel, mit einem Durchmesser von 20 Metern, der Znamya 2 genannt wurde und wollte so die Sonnenenergie zur Erde senden um sie zu nutzen.

"Einige nannten Znamya 2 ein Segel, weil es aus einem leichten Reflektor bestand, und sich entfaltete, wie sich vielleicht auch ein Segel entfalten würde", sagt Les Johnson vom NASA Marshall Space Flight Center, Co-Autor eines bald erscheinenden Buchs mit dem Titel Solar Sails: A Novel Approach to Interplanetary Travel. "Wenn wir die Sonnensegel Technologie demonstrieren sollten und sie mit einem großen Raumschiff ins All bringen müssten, würde ich vielleicht ein 'Segel', wie Znamya, konstruieren." 

Der Reflektor aus Folie entfaltete sich und produzierte einen Lichtpunkt, der Europa, von Russland bis Frankreich, durchquerte. Da der Spiegel jedoch seine eigene Flugbahn nicht kontrollieren konnte, verglühte er über Kanada in der Atmosphäre. Russlands Proto-Segel Programm wurde 1999 eingestellt, nachdem eine größere Nachfolgemission (Znymya 2.5) nicht richtig in Betrieb genommen werden konnte.

Sonnensegel waren ein Zubehör an Bord von Indiens INSAT 2A und 3A Kommunikationssatelliten, in den Jahren 1992 und 2003. Die Satelliten wurden durch ein 4-reihiges Solar Array mit Energie versorgt. Ein Sonnensegel war auf der Nordseite jedes Satelliten angebracht, um das Drehmoment auszugleichen, das durch den Druck der Sonne auf die Arrays zustande kam. 

Im Jahr 2004 brachten die Japaner Materialien für ein Sonnensegel mit einer Rakete in einen Sub-Orbit. Obwohl dies keine Demonstration eines frei fliegenden Sonnensegels war, das für die Erforschung des Weltraums benutzt werden konnte, war die Ausbringung trotzdem "ein wichtiger Meilenstein", merkt Friedmann an, der die Herausforderungen mag, welche die Ausbringung von dünnen Folien, von einem schnellen Raumschiff aus, mit sich bringen.

Bis heute wurde noch kein Sonnensegel erfolgreich im All ausgebracht und als Hauptantrieb genutzt. 

Die Planetary Society hoffte die Technologie, mit seiner Cosmos 1 Mission im Jahr 2005 zu demonstrieren. Es war ein vollständig entwickeltes Sonnensegel Raumschiff, das nur unter Einfluss des Drucks von der Sonne in seiner Umlaufbahn gehalten werden sollte", sagt Friedmann, jetzt der Direktor der Planetary Society.

"Wenn alles nach Plan gelaufen wäre, wäre die in Amerika beheimatete Planetary Society, die mit Russland zusammenarbeitet, die Erste gewesen, die ein voll funktionstüchtiges, allerdings in der Leistung beschränktes, Sonnensegel im All geflogen wären", sagt Johnson. "Es wäre das erste, gegen Drehung stabilisierte, frei fliegende Sonnensegel im All gewesen."5

Cosmos 1 ging jedoch bei einem Fehlstart der Trägerrakete verloren.

In der Zwischenzeit versuchte sich die NASA weiterhin mit den Sonnensegeln. Zwischen 2001 und 2005 entwickelte die NASA zwei verschiedene 20 Meter Sonnensegel (gebaut jeweils von ATK Space Systems und L'Garde, Inc.), und testete sie im Vakuum auf dem Boden. "Diese Segel sind robust gebaut, um in einer Umgebung mit niedriger Gravitation und geringem Druck ausgebracht zu werden, und sind nach oben skalierbar -- vielleicht bis zu 150 Metern Seitenlänge." "Ein NASA Flugtest ist bis zum Jahr 2010 möglich."6

In der Zwischenzeit zielt NanoSail-D auf diesen Sommer und in den Weltraum.

Edward E. Montgomerys Team vom Marshall Space Flight Center arbeitet mit Elwood Agasids Ames Team bei der Entwicklung des NanoSail-D Sonnensegels zusammen. Es wird an Bord der SpaceX Falcon 1 in den Orbit gebracht, die von Omelek Island im Pazifischen Ozean gestartet wird.

"Unser Hauptziel ist es, die Ausbringung eines leichten Sonnensegels, in einer niedrigen Umlaufbahn um die Erde zu demonstrieren", sagt Montgomery. NanoSail-D wird zwei Arten Druck spüren: (1) aerodynamischen Zug von der oberen Erdatmosphäre und (2) den Druck des Sonnenlichts. Montgomerys Team hofft beide Arten von Druck messen zu können, während das Segel die Erde umkreist.

Johnson warnt, "Wenn -- und dies ist ein großes Wenn -- sie den Druck des Sonnenlichts messen können, haben sie demonstriert, dass der Druck hauptsächlich für Manöver in der Umlaufbahn nutzbar ist. Sie werden dann die Effekte des Sonnendrucks, durch einen überzeugend hohen Signal-zu-Störungs Quotienten (über den Kräften, die durch den Atmosphärendruck wirken), schlüssig aufzeigen müssen."

Montgomery gibt zu, dass dies eine Herausforderung ist: "die Umlaufbahn, die uns durch die Startmöglichkeit zur Verfügung steht, ist so niedrig, dass wir vielleicht nicht lange genug im Orbit sind, um die Effekte des Sonnendrucks ausreichend zu messen. Wir werden sehr genau auf die Flugdaten schauen müssen, um diese Bestimmung durchzuführen."

Und was ist mit Cosmos 2? Die Mission ist ein privat finanziertes Projekt, eine Partnerschaft der Planetary Society und den Cosmos Studios. Die Arbeit an Teilen der Cosmos 2 Hardware hat am russischen Forschungslaboratorium begonnen. Sie untersuchen ebenfalls mögliche Starkonfigurationen auf einer verlässlichen Trägerrakete.7

Wären sie erfolgreich, könnten NanoSail-D und Cosmos 2 die Zukunft von Wissenschaft und Forschungsmissionen entscheidend beeinflussen. 

"Der Erfolg wäre für die Zukunft der Weltraumforschung riesig", sagt Montgomery.

"Sonnensegeln ist die einzige bekannte Möglichkeit, interstellare Flüge zu verwirklichen", sagt Friedman. "Es ist unsere Hoffnung, dass der erste Flug mit Sonnensegeln, die Entwicklung dieser Technologie beschleunigen, und so diesen Traum wahr machen wird."

Jeder Aufwand ist ein Sprungbrett, mit den Worten des großen Visionärs Carl Sagan, entlang "der Küste des kosmischen Ozeans",8 der uns näher an das Segeln zwischen den Sternen bringt. Zukünftige Anstrengungen werden uns sicher den Rest des Weges ermöglichen.

"'Twas all so pretty a sail it seemed
As if it could not be,
And some folks thought 'twas a dream they'd dreamed
Of sailing that beautiful sea."
9

1,7New developments on the road to Cosmos 2 by Dr. L. Friedman

2Measuring Up to a Solar Sail -- NASA feature story

3Solar-sail mission reflects past and future -- MSNBC

4The History of Solar Sailing by Dr. L. Friedman

5,6From Solar Sails: A Novel Approach to Interplanetary Travel, by Giovanni Vulpetti, Les Johnson (Author), Gregory L. Matloff, to be published in 2008.

8From Cosmos, by Carl Sagan, page 5.

9Excerpt from Winken, Blinken, and Nod, by Eugene Field, 19th century poet

Quelle: Science(at)NASA

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