Das Breakthrough Starshot-Initiative zielt darauf ab, die riesigen Distanzen zum Alpha-Centauri-Sternsystem innerhalb weniger Jahrzehnte zu überwinden. Durch den Einsatz von Hochleistungslasern zur Beschleunigung leichter, reflektierender Segel will das Projekt relativistische Geschwindigkeiten erreichen, die es den Raumfahrzeugen ermöglichen, die 4,37 Lichtjahre in nur wenigen Jahren zurückzulegen. Jüngste Forschungen heben die Bedeutung der Auswahl des Segelmaterials hervor und schlagen Kern-Schalen-Strukturen – sphärische Partikel, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen – als vielversprechende Lösung vor.
Breakthrough Starshot plant den Einsatz winziger Raumfahrzeuge, die mit Sensoren und Kommunikationssystemen ausgestattet sind, um während ihrer Reise Daten über Exoplaneten und interstellare Phänomene zu sammeln. Wenn dies erfolgreich ist, könnte diese Mission den ersten bedeutenden Schritt der Menschheit zur Erkundung ferner Sternensysteme und zur Suche nach extraterrestrischem Leben darstellen.
Die Reise mit relativistischen Geschwindigkeiten bringt einzigartige Herausforderungen mit sich, darunter die Zeitdilatation, die es ermöglichen könnte, dass Missionen zu fernen Sternen innerhalb einer menschlichen Lebensspanne aus der Perspektive des Reisenden stattfinden. Um diese Geschwindigkeiten zu erreichen, müssen jedoch erhebliche Energieanforderungen überwunden werden, da die kinetische Energie exponentiell mit der Geschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus birgt die Umgebung bei solchen Geschwindigkeiten Risiken, wie mögliche Kollisionen mit Partikeln und erhöhte Strahlenexposition.
Um die Reise in wenigen Jahrzehnten abzuschließen, müssen die Raumfahrzeuge etwa 20 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Die Auswahl geeigneter Materialien für die Segel ist entscheidend. Eine aktuelle Studie von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie in Deutschland konzentrierte sich auf die Identifizierung optimaler Materialien, insbesondere von Kern-Schalen-Sphären.
Diese Strukturen basieren auf einem Matrixdesign, das in der Mie-Theorie verwurzelt ist, die beschreibt, wie sphärische Partikel elektromagnetische Wellen streuen. Die Forscher untersuchten die reflektierenden Eigenschaften und Beschleunigungszeiten von Sphären aus Aluminium, Silizium, Siliziumdioxid und verschiedenen Kombinationen.
Die Ergebnisse zeigten, dass eine Schale aus einer Kombination von Silizium und Siliziumdioxid die besten Ergebnisse lieferte. Diese Forschung bietet wertvolle Einblicke in Materialstrukturen für leichte Segel und deutet darauf hin, dass Kern-Schalen-Sphären, die in der Physik leichter Segel zuvor unerforscht waren, einen vielversprechenden Weg für zukünftige experimentelle Studien darstellen.