>Segeln im All: Seit rund zehn Jahren testet die Wissenschaft Segelantriebe für Raumfahrzeuge. Ein amerikanisch-niederländisches Team hat eine neue Technik entwickelt, um bessere sogenannte Lightsails herzustellen.

Ein Lightsail ist eine hauchdünne Membran, die vor dem Raumfahrzeug aufgespannt wird und für den Antrieb des Raumschiffs sorgt. Das Prinzip ähnelt dem des Segelns auf dem Wasser: Auf der Erde treibt der Wind, der auf das Segel trifft, ein Boot an. Im Weltall ist es das Sonnenlicht: Photonen treffen auf das Segel und werden davon reflektiert. Dabei übertragen sie ihren Schwung auf das Segel und sorgen so für Vortrieb.

Das Team von der Brown University in Providence im US-Bundesstaat Rhode Island und der Technischen Universität (TU) Delft in den Niederlanden hat Verfahren entwickelt, um extrem dünne und sehr stark reflektierende Membranen herzustellen. Der Prototyp hat eine Kantenlänge von 6 Zentimetern und ist dabei aber gerade mal 200 Nanometer dick. Die Dicke der ersten Lightsails lag im Mikrometerbereich.

Geringeres Gewicht, besseres Reflexionsvermögen

Die Membran besteht aus einlagigem Siliziumnitrid. Die Oberfläche ist mit einem komplexen Muster von Löchern versehen. Deren Durchmesser liegt im Nanomaßstab und ist kleiner als die Wellenlänge des auftreffenden Lichts. Bei der Planung des Musters kam künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz, um die Form und Platzierung der Löcher im Hinblick auf ein erhöhtes Reflexionsvermögen und ein geringeres Gewicht zu optimieren.

Die Löcher haben eine doppelte Funktion: Sie verringern zum einen das Gewicht des Materials. Zum anderen verbessern sie dessen Reflexionsvermögen. Von dem Reflexionsvermögen ist abhängig, wie viel Lichtdruck hinter dem Segel erzeugt wir – und damit die Beschleunigung. Geringes Gewicht wiederum erfordert weniger Kraft zum Beschleunigen. Geringeres Gewicht bedeutet damit eine höhere Geschwindigkeit.

Für das Design des Segels war das Team um Miguel Bessa von der Brown University zuständig. Richard Norte und seine Kollegen von der TU Delft haben das Fertigungserfahren entwickelt. "Wir haben ein neues, gasbasiertes Ätzverfahren entwickelt, das es uns ermöglicht, das Material unter den Segeln vorsichtig zu entfernen, so dass nur das Segel übrig bleibt", sagte Norte. "Wenn die Segel brechen, dann höchstwahrscheinlich während der Herstellung. Sobald die Segel einmal aufgehängt sind, sind sie eigentlich ziemlich robust."

Schneller und günstiger zu produzieren

Ein solches Segel herzustellen, dauert mit dem an der TU Delft entwickelten Verfahren etwa einen Tag und ist vergleichsweise günstig. Mit konventionellen Fertigungsmethoden hätte das nach Angaben der Forscher 15 Jahre gedauert und wäre deutlich teurer geworden.

Lichtsegel gelten als Antrieb für Raumschiffe, die auf interstellare Missionen geschickt werden. Die von dem russisch-israelischen Milliardär Yuri Milner gegründete Initiative "Breakthrough Starshot" plant, von Lightsails angetriebene Mini-Raumschiffe mithilfe von bodengestützten Lasern auf 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und dann zu anderen Sternsystemen zu schicken. Mit einem solchen Antrieb könnte ein Raumschiff das vier Lichtjahre entfernte Sternsystem von Alpha Centauri in etwa 20 Jahren erreichen. Zu Vergleich: Die beiden Voyager-Sonden haben es 35 und 36 Jahre bis zum Ende des Sonnensystems gebraucht.