- Zeitalter der Segelschifffahrt endete im 19. Jahrhundert durch Dampmaschinen.
- In der Raumfahrt könnten Motoren und Treibstoff durch Sonnensegel ersetzt werden.
- NASA testet Solar-Segel-System ACS3 mit einem 9 Meter breiten Segel zur Umlaufbahn-Anpassung.
- Licht kann physische Objekte durch Aufprall bewegen, was genutzt werden könnte.
- Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern und können Kraft auf geladene Teilchen ausüben.
Während des Zeitalters der Segelschifffahrt umsegelten Schiffe den Globus auf Entdeckungs- und Handelsreisen. Dieses Zeitalter endete im 19. Jahrhundert, als kohlebefeuerte Dampfmaschinen allmählich die Windkraft ersetzten. Nun könnten wir ein neues Segelzeitalter erleben – diesmal im Weltraum. Entgegen der historischen Richtung könnten Motoren und Treibstoff bei einigen Raumfahrzeugen durch Segel ersetzt werden, die nicht vom Wind, sondern vom Sonnenlicht angetrieben werden.
Diese Idee befindet sich noch in der Entwicklung, aber es ist bekannt, dass sie funktioniert. Vor wenigen Wochen setzte die NASA ein neues Testfluggerät ein, einen Satelliten namens Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). Dieser besitzt ein quadratisches Segel von 9 Metern Breite, das ihm erlaubt, seine Umlaufbahn anzupassen.
Nutzung von Sonnensegeln im Weltraum
Um wirklich weite Strecken zu bewältigen, wäre ein wesentlich größeres Segel erforderlich. Der Bau eines Segels von 1.650 Quadratmetern wurde 2022 aufgrund von Budgetbeschränkungen aufgegeben. Doch dies ist lediglich ein Umsetzungsproblem, das kluge Köpfe sicherlich lösen können.
Zu betonen ist, dass dies nicht vergleichbar ist mit der Installation von Photovoltaik-Panels auf Ihrem Dach zur Stromerzeugung. Viele Raumfahrzeuge und planetare Rover verwenden bereits solche Panels. Hierbei handelt es sich tatsächlich um glänzende, ultraleichte Segel, die durch Solarstrahlung angeschoben werden. Aber wie kann Licht ein physisches Objekt bewegen?
Kometenschweife als Beispiel
Gute Frage! Schließlich stellen wir uns nicht vor, dass jemand, der vom Sonnenaufgang “umgehauen” wird, tatsächlich niedergeschlagen wird. Doch das Aufprallen von Licht auf eine Oberfläche übt tatsächlich eine physische Kraft aus, auch wenn sie gering ist.
Ein Beispiel ist der Schweif eines Kometen. Anders als eine Kondensstreifen, die ein Komet hinter sich herzieht, erzeugt diese nicht durch die Bewegung, sondern durch die Wärme der Sonne. Wenn ein Komet der Sonne nahe kommt, sublimiert ein Teil des Eises zu Gas und setzt dabei Staubwolken frei. Das Sonnenlicht stößt diesen Staub dann weg und bildet einen Schweif, der sich seitlich zur Bahn des Kometen erstrecken kann und Millionen Kilometer lang werden kann.
Elektromagnetische Wellen und ihre Eigenschaften
Licht bewegt sich in Wellen, eine Art “Bewegungsverschiebung”. Ein Blick auf eine Ozeanwelle zeigt: Das Wasser bewegt sich nur auf und ab, doch diese vertikale Verschiebung reist horizontal über die Oberfläche. Es kann Sie durchaus umwerfen, wenn Sie im Wasser stehen.
Doch Lichtwellen sind anders als Ozeanwellen oder Schallwellen. Entfernt man das Wasser aus dem Meer, gibt es keine Wellen zum Surfen. Dasselbe gilt für Schall: Ohne Atmosphäre gibt es keine Schallwellen. Deshalb ist der Weltraum so unheimlich still.
Licht hingegen kann sich durch den leeren Raum bewegen, denn Lichtwellen haben Teile eines Mediums. Sie bestehen eigentlich aus zwei Wellen – eine elektrische Feldwelle und eine magnetische Feldwelle, daher der Begriff elektromagnetische Strahlung.
Elektrische und magnetische Felder
Nun wollen wir sehen, wie diese elektromagnetische Welle mit Materie interagiert. Betrachten Sie, was passiert, wenn ein elektrisch geladenes Teilchen wie ein Proton (positiv) oder ein Elektron (negativ) in ein elektrisches Feld tritt. Wenn es ein konstantes elektrisches Feld (E) in vertikaler Richtung gibt und das Proton eine Ladung von +q Coulomb hat, übt das elektrische Feld eine Kraft von q x E in Feldrichtung aus und beschleunigt es nach oben. Für das negative Elektron ist die Kraft in entgegengesetzte Richtung, also nach unten.
Doch das ist nur die halbe Geschichte. Das Magnetfeld interagiert nur mit geladenen Teilchen, wenn sie sich bewegen. Die Richtung dieser magnetischen Kraft ist senkrecht zur Richtung der Teilchengeschwindigkeit (qv) und der Richtung des Magnetfeldes (B).
Wenn ein negativ geladenes Teilchen in die entgegengesetzte Richtung bewegt, erfährt es eine magnetische Kraft in dieselbe Richtung wie die positive Ladung. Hierbei handelt es sich um eine doppelte Umkehrung.
Einsatzbereiche für zukünftige Missionen
Wir wissen jetzt, dass Licht physische Objekte bewegen kann, und das liegt an den elektrischen und magnetischen Feldern des Lichts. Wenn die Stärke der elektrischen und magnetischen Felder in einer elektromagnetischen Welle bekannt ist, kann man die daraus resultierende Kraft berechnen. Mit dieser Methode können zukunftsweisende Weltraummissionen geplant werden, die sich die unendliche Energie der Sonne zunutze machen.
Abschließend: Der herannahende Komet Tsuchinshan–ATLAS könnte im Oktober ein spektakuläres Schauspiel bieten, indem seine Staubteilchen eine eindrucksvolle Schweifbildung zeigen.
