mini|Schematische Darstellung des Milchstraßensystems mini|Die interstellare Nachbarschaft
Interstellare Raumfahrt umfasst alle Raumfahrten in den interstellaren Raum, u. a. mit dem Ziel, ein anderes Sternsystem zu erreichen. Die Herausforderungen liegen dabei in der Überwindung der großen Distanzen, der daraus folgenden langen Reisezeit sowie der Mitführung einer eigenen Energiequelle. Für eine bemannte interstellare Raumfahrt existieren bisher nur theoretische Konzepte.
Anforderungen mini|Der Weg von der Sonne zu Alpha Centauri (Entfernungen in logarithmischer Skala)
Das Haupthindernis für interstellare Raumfahrt liegt in den immensen Entfernungen, die zu überwinden sind. Neptun umkreist als äußerster Planet die Sonne im Abstand von 30 Astronomischen Einheiten (AE), bis zum Beginn des interstellaren Raums an der Heliopause sind es aber 120 AE und bis zum nächsten Stern 4,2 Lichtjahre (268.000 AE).
Die Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2 haben als bislang einzige irdische Raumfahrzeuge funktionstüchtig die Heliopause erreicht und brauchten dafür 35 bzw. 41 Jahre. Zu den nächstgelegenen Sternen würden sie mit dieser Geschwindigkeit hunderttausend Jahre brauchen.
Geschwindigkeit Um innerhalb einer annehmbaren Zeit (d. h. innerhalb von Jahrzehnten oder Jahrhunderten) das Ziel erreichen zu können, müsste der Raumflugkörper mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fliegen. Zudem besteht das Problem, die Geschwindigkeit in relativ kurzer Zeit auch wieder abbremsen zu können, um ausreichend Zeit zur Beobachtung des Zielobjektes zu erhalten oder gar den Rückflug anzutreten.
Abschirmung Der Raum zwischen den Sternen ist erfüllt mit dem interstellaren Medium – Gas, Staub und Strahlung. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten können schon Kollisionen mit kleinsten Staubteilchen große Schäden verursachen, ebenso die Strahlung. Dies erfordert Schutzsysteme. Zudem kann das interstellare Gas einen bremsenden Einfluss haben.
Energiequelle Interstellare Raumflugkörper benötigen eigene Energiequellen. Schon ab ca. 10 AE ist das Sonnenlicht so schwach, dass Solarmodule für die Energieerzeugung ungeeignet sind. Bisherige Sonden ins äußere Sonnensystem verwendeten Radionuklidbatterien.
Autonomie Ein interstellarer Raumflugkörper müsste autonom funktionieren, um den Zielort ohne Hilfe von der Erde aus ansteuern und untersuchen zu können, da Signale von der Erde zum Raumschiff mehrere Jahre benötigen würden.
Langlebigkeit Ein weiteres Problem ist die Lebensdauer der Systeme. Vor allem die Elektronik ist hiervon betroffen. Aufgrund des noch jungen Technologiezweiges (Beginn etwa in den 1960er Jahren) existieren noch zahlreiche offene Fragen zur Lebensdauer von elektronischen Komponenten/Systemen.
Mögliche Antriebe
Soll das Objekt den nächstgelegenen Stern innerhalb eines überschaubaren Zeitraums (~ ein halbes Jahrhundert) erreichen, muss das Objekt innerhalb eines kurzen Zeitraums auf eine annähernd relativistische Geschwindigkeit (z. B. ~ 0,1 c) beschleunigen und davon sinnvollerweise auch wieder abbremsen. Die Herausforderung hierbei kann mit der Ziolkowski-Gleichung verdeutlicht werden:
mit Startmasse und Nutzlast .
Um eine hohe Geschwindigkeitsänderung zu erhalten, wird also eine hohe effektive Ausströmgeschwindigkeit des Reaktionsgases (die gleich der Triebwerkskennzahl spezifischer Impuls ist) benötigt. Des Weiteren muss viel Treibstoff umgewandelt werden (), um die benötigte Energie zu erzeugen. Deshalb ist eine hohe Schubkraft notwendig, die die notwendige Beschleunigungsenergie innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums erzeugt.
Aus dieser Überlegung heraus können deshalb zwei Triebwerkskategorien ausgeschlossen werden: Chemische Triebwerke besitzen zwar eine hohe Schubkraft, aber aufgrund der Verwendung von chemischer Energie ist die Effizienz () dieser Triebwerke sehr gering. Elektrische Antriebe weisen eine hohe Effizienz auf, jedoch ist der Treibstoffausstoß aufgrund der Verwendung elektrischer Ladungen und deren Abstoßung untereinander eher gering.
In einigen Konzepten wird deshalb hauptsächlich der nukleare Pulsantrieb favorisiert, der aus heutiger Sicht realisierbar wäre. Auch der Antimaterie-Antrieb könnte in ferner Zukunft vielversprechend sein. Wegen des Energieaufwands zur Beschleunigung der Treibstoffmassen bevorzugen einige Wissenschaftler den treibstofflosen Antrieb, der mittels Krafteinwirkung durch äußere Felder das Objekt beschleunigt (siehe u. a. Breakthrough Propulsion Physics Project). Eine mögliche Fragestellung hierbei ist auch, ob die Gravitationsfelder der benachbarten Sternsysteme einen Einfluss auf den Flugweg eines Objektes haben könnten. In einer ESA-Studie konnte gezeigt werden, dass ein Mehrkörperproblem im interstellaren Raum vernachlässigbar ist, was bedeutet, dass nur die Einfluss-Sphäre eines Sternsystems von Bedeutung ist. D. h. ein Objekt kann im interstellaren Raum, außerhalb der Einfluss-Sphären, eine Position einnehmen, ohne durch die Gravitationskräfte der Sternsysteme wesentlich von der Position abgebracht zu werden.
Konzepte für eine unbemannte interstellare Raumfahrt Das Wissen bezüglich des interstellaren Raums und der Heliosphäre ist derzeit noch gering, sodass erste interstellare Missionen zuerst der Erforschung dieser Bereiche dienen. Einige Missionen, wie die der IBEX-Sonde, können von der Erde aus erste Erkenntnisse liefern, jedoch könnte nur eine Sonde vor Ort die Beschaffenheit des Raumes (Materieverteilung, magnetische Felder etc.) analysieren und die derzeitigen Modelle bestätigen oder widerlegen.
Stufe I: Erforschung des interstellaren Raumes Einer der ersten Entwürfe, neben dem einer ersten interstellaren Erkundungsmission (precursor mission) (1977),L. D. Jaffe et al.: . In: ntrs.nasa.gov. JPL Publication 77–70, 1977. die nur das Vordringen in den interstellaren Raum vorsah, um Experimente durchführen zu können, war die TAU-Mission (Thousand Astronomical Units). Dieser Entwurf der NASA/JPL (1980er Jahre) sollte mit bereits getesteter Technologie bis zu 1000 AE zurücklegen. Als Antriebssystem wurde ein Ionenantrieb vorgesehen mit Xenon als Treibstoff und einer Radionuklidbatterie als Energiequelle. Die Missionsdauer sollte 50 Jahre betragen.K. T. Nock: . In: pdf.aiaa.org. Abgerufen am 15. März 2024. 19th AIAA/DGLR/JSASS International Electric Propulsion Conference, Colorado Springs, CO, AIAA-87-1049, May 11–13, 1987. Ein ähnliches Konzept, jedoch für interplanetare Forschungsmissionen, führte die NASA 2003 mit dem Projekt Prometheus und dem mittlerweile gestrichenen JIMO weiter. Die Energiequelle RTG in Kombination mit einem Ionenantrieb ist ein gängiges Konzept, jedoch existieren auch andere Vorschläge.
Diese beruhen auf der fortschreitenden Entwicklung im Bereich des Satelliten-Leichtbaus und der Sonnensegel-Technologie. Einer dieser Vorschläge beinhaltet eine 250 kg leichte Sonde, die mittels eines Sonnensegels mit einem Radius von ungefähr 200 m und einigen Gravity-Assist-Manövern eine Entfernung von 200 AE innerhalb von 15 Jahren erreichen soll. Das Sonnensegel soll nach der Beschleunigungsphase von ca. 5 AE abgestoßen werden.
Die Ziele einer solchen Mission liegen in der Erforschung des interstellaren Mediums, dessen Ursprung und der Materieentstehung in der Galaxie, Erforschung der Heliosphäre und deren Interaktion mit dem interstellaren Medium, Erforschung fundamentaler astronomischer Prozesse in der Heliosphäre und dem interstellaren Medium, Bestimmung fundamentaler Eigenschaften des Universums.
Ein weiterer Nutzen in der Beantwortung dieser Fragestellungen kann dem Auffinden einer Lösung zur Nutzung des interstellaren Mediums für das Antriebssystem oder der Energieversorgung dienen. Sollte so eine Möglichkeit existieren, könnten die Kosten eines interstellaren Raumschiffs zum nächsten Sternsystem erheblich reduziert werden.
mini|Missionen zum äußeren Sonnensystem: Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 und Voyager 2
Realisierte Missionen Als einzige Sonden haben Voyager 1 (August 2012) und Voyager 2 (November 2018) den interstellaren Raum erreicht. Pioneer 10 und 11 sind ähnlich weit entfernt, aber der Kontakt zu ihnen ging lange zuvor verloren. Bei New Horizons ist nicht gewiss, ob die Energieversorgung bis zum Erreichen der Heliopause ausreicht. Bei keiner der genannten Sonden handelt es sich um interstellare Sonden im eigentlichen Sinne, da sie ursprünglich nicht für eine interstellare Reise gebaut wurden. Ihr Hauptziel war, Teile des Sonnensystems zu untersuchen. Dementsprechend wurden ihre Geräte nicht für längere Reisen ausgelegt.
Stufe II: Erforschung anderer Sternsysteme mini|Künstlerische Darstellung eines Orion-Raumschiffs aus der NASA-Entwurfsphase
Während für eine Reise in den interstellaren Raum nur einige 100 AE zurückgelegt werden müssen, beinhaltet eine Reise zu anderen Sternsystemen das Zurücklegen einer Entfernung von einigen 100.000 AE (1 ly ≈ 63.000 AE). Diese Änderung der Größenordnung wird vor allem an der Auswahl des Antriebssystems erkenntlich. Hauptantriebssystem in den Projekten Orion, Daedalus, Longshot und Icarus ist der nukleare Pulsantrieb. Dieser gilt von all den vorgeschlagenen Systemen als am ehesten technisch realisierbar. Weitere Thematiken, die in den Projekten behandelt wurden und werden, sind Schutzmechanismen vor Strahlung und Mikropartikeln, künstlich intelligente Systeme und Missionsabläufe. Neben diesen Studien existieren noch weitere Vorschläge bzgl. Missionen zu anderen Sternsystemen.
Eine weitere Idee ist der Versand von kleinen Sonden zu benachbarten Sternsystemen, die sich am Zielort selbst reproduzieren, Kommunikationsempfänger und Transmitter aufbauen und eine eventuelle Kolonisation durch Menschen vorbereiten sollen (sogenannte Von-Neumann-Sonden). Die Rohstoffe erhalten die Nanoroboter mittels In-situ-Technologie vor Ort. Der Vorteil dieser Mission ist der geringere Energieaufwand, um so eine Sonde, im Gegensatz zu einer voll funktionsfähigen Sonde (z. B. Cassini-Huygens mit 5.364 kg), zu einem anderen Sternsystem zu schießen.
Am 12. April 2016 wurde von Yuri Milner und Stephen Hawking das von Milner mit 100 Millionen Dollar finanzierte Projekt Breakthrough Starshot vorgestellt, das ein Konzept ausarbeiten soll, Nanosatelliten mittels Laserstrahlen zu beschleunigen und sie bis nach Alpha Centauri zu senden, von wo sie Bilder zurückschicken sollen.
Konzepte für eine bemannte interstellare Raumfahrt mini|NASA-Illustration zweier O’Neill-Zylinder Das Ziel einer bemannten interstellaren Raumfahrt wird die Erforschung und Kolonisierung fremder Sonnensysteme sein. Während es zu unbemannten Missionen schon einige Veröffentlichungen gibt, existieren für bemannte Missionen nur wenige. Eine dieser Veröffentlichungen ist der Wayland Report, der in Anlehnung an die Icarus-Studie (unbemannt) verfasst wurde. Der Wayland-Report befasst sich mit einem Generationenschiff.
Für die bemannte interstellare Raumfahrt gelten die gleichen Rahmenbedingungen wie für die unbemannte interstellare Raumfahrt. Zusätzlich kommen weitere Herausforderungen aufgrund der Nutzlast „Mensch“ hinzu: Menschen haben eine begrenzte Lebensspanne, und sie brauchen eine Umgebung, die das Leben ermöglicht.
Reise innerhalb einer Generation Wenn eine interstellare Reise innerhalb einer menschlichen Lebensspanne erfolgen soll, muss eine relativistische Geschwindigkeit erreicht werden. Der Energieaufwand wäre aber immens. Um ein bemanntes Raumschiff „nur“ auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wären Energiemengen notwendig, die in der Größenordnung des jährlichen Weltenergiebedarfs liegen.
Schläferschiffe