Wie die NASA ihren allerersten Warpantrieb bauen könnte

Das obige vulkanische Kommandoschiff weist ein Warptriebwerk ähnlich einem Alcubierre-Antrieb auf.

Von George Dvorsky; das Original How NASA might build its very first warp drive erschien am 26. November 2012 auf io9.

Übersetzt von Cernunnos. (Originalübersetzung hier; Link zum Woodward-Artikel auf „Morgenwacht“ geändert)

 

Vor ein paar Monaten verblüffte der Physiker Harold White die Flugtechnikwelt, als er verkündete, daß er und sein Team bei der NASA mit der Arbeit an der Entwicklung eines überlichtschnellen Warpantriebs begonnen hätte. Sein vorgeschlagener Entwurf, eine geniale neue Vorstellung von einem Alcubierre-Antrieb, könnte schließlich ein einem Triebwerk resultieren, das ein Raumfahrzeug innerhalb von Wochen zum nächsten Stern transportieren kann – und alles, ohne Einsteins Relativitätsgesetz zu verletzen. Wir kontaktierten White bei der NASA und ersuchten ihn zu erklären, wie dieser Warpantrieb des wirklichen Lebens tatsächlich funktionieren könnte.

Der Alcubierre-Antrieb

Die Idee kam White, während er über eine ziemlich bemerkenswerte Gleichung nachdachte, die vom Physiker Miguel Alcubierre formuliert worden war. In seinem Artikel von 1994 mit dem Titel „The Warp Drive: Hyper-Fast Travel Within General Relativity“ [„Der Warpantrieb: Hyperschnelle Reisen im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie“] schlug Alcubierre einen Mechanismus vor, durch den die Raumzeit sowohl vor als auch hinter einem Raumfahrzeug verzerrt [engl. „warped“] werden könnte.

Michio Kaku nannte Alcubierres Vorstellung einen „Reisepaß zum Universum“. Sie nutzt eine Eigenart des kosmologischen Gesetzes, die die Ausdehnung und Zusammenziehung der Raumzeit zuläßt und hyperschnelle Reisen zwischen interstellaren Zielen ermöglichen könnte. Im Wesentlichen würde man den leeren Raum hinter einem Sternenschiff zur schnellen Ausdehnung veranlassen, was das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung schiebt – Passagiere würden es trotz des völligen Fehlens von Beschleunigung als Bewegung wahrnehmen.

White spekuliert, daß solch ein Antrieb in „Geschwindigkeiten“ resultieren könnte, die ein Raumfahrzeug in bloßen zwei Wochen nach Alpha Centauri bringen könnten – obwohl das System 4,3 Lichtjahre entfernt ist.

Bezüglich der Triebwerksmechanik würde ein sphäroides Objekt zwischen zwei Bereichen der Raumzeit (eine, die sich ausdehnt, und eine, die sich zusammenzieht) plaziert. Eine „Warp-Blase“ würde dann erzeugt, die die Raumzeit um das Objekt herumbewegt und es effektiv neu positioniert – wobei das Endergebnis eine überlichtschnelle Reise ist, ohne daß das Sphäroid (oder Raumfahrzeug) sich gegenüber seinem örtlichen Bezugsrahmen bewegen muß.

„Erinnern Sie sich daran, nichts überschreitet örtlich die Lichtgeschwindigkeit, aber der Raum kann sich mit jeder beliebigen Geschwindigkeit ausdehnen oder zusammenziehen“, sagte White zu io9. „Jedoch ist die Raumzeit sehr steif, daher würde die Erzeugung des Ausdehnungs- und Zusammenziehungseffekts in einer brauchbaren Weise, um interstellare Ziele in sinnvollen Zeiträumen zu erreichen, eine Menge Energie erfordern.“

Und tatsächlich deuteten frühe Einschätzungen, die in der darauffolgenden wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht wurden, auf erschreckende Energiemengen hin – im Grunde gleich der Masseenergie des Planeten Jupiter (1.9 × 1027 Kilogramm oder 317 Erdmassen). Als Folge wurde die Idee als viel zu unpraktisch beiseite gewischt. Obwohl die Natur einen Warpantrieb zuließ, sah es so aus, als ob wir nie selbst einen bauen können würden.

„Jedoch“, sagte White, „beruhend auf der Analyse, die ich in den letzten 18 Monaten erstellte, könnte es Hoffnung geben.“ Der Schlüssel, sagt White, könnte in der Veränderung der Geometrie des Warpantriebs selbst liegen.

Ein neuer Entwurf

Im Oktober letzten Jahres bereitete White sich auf eine Rede vor, die er zum Start des 100 Year Starship project in Orlando, Florida, halten sollte. Während er seine Übersicht über die Raumverzerrung zusammenstellte, führte er eine Sensibilitätsanalyse für die Feldgleichungen durch, mehr aus Neugier als wegen irgendwas sonst.

„Meine frühen Ergebnisse deuteten darauf hin, daß ich etwas entdeckt hatte, das die ganze Zeit in der Mathematik enthalten war“, erinnerte er sich. „Ich erkannte plötzlich, daß man, wenn man die Dicke des Rings für die negative Vakuumenergie dicker machen würde – wie der Übergang von einer Gürtelform zu einer Doughnut-Form – und die Warp-Blase oszillieren ließe, die nötige Energie sehr verringern kann – was die Idee vielleicht plausibel machen könnte.“ White hatte die Form von Alcubierres Ring, der die sphäroide Form umgab, von etwas, das ein flacher Halo war, auf etwas angepaßt, das dicker und kurviger war.

Er stellte die Ergebnisse seines Umdenkens zum Alcubierre-Antrieb ein Jahr später bei der 100 Year Starship Konferenz in Atlanta vor, wo er seine neuen Optimierungsansätze hervorhob – ein neuer Entwurf, der die benötigte Menge an exotischer Materie bedeutend verringern könnte. Und tatsächlich, sagt White, könnte der Warp-Antrieb mit der Energie einer Masse betrieben werden, die noch geringer ist als jene der Raumsonde Voyager 1.

Das ist eine bedeutende Änderung der Kalkulation, um das Mindeste zu sagen. Die Massenverringerung von einem jupitergroßen Planeten zu einem Objekt, das bloße 726 kg [1600 pounds] wiegt, hat Whites Gefühl der Plausibilität völlig umgestellt.

Ab ins Labor

Theoretische Plausibilität ist natürlich schön und gut. Was White nun braucht, ist ein Machbarkeitsnachweis in der realen Welt. Daher hat er sich ins Labor begeben und mit der Arbeit an tatsächlichen Experimenten begonnen.

„Wir verwenden ein modifiziertes Michelson-Morley-Interferometer – das ermöglicht uns die Messung mikroskopischer Störungen in der Raumzeit“, sagte er. „In unserem Fall versuchen wir, einen der Schenkel des Interferometers in einer unterschiedlichen Länge erscheinen zu lassen, wenn wir unsere Testgeräte einschalten.“ White und seine Kollegen versuchen den optimierten Alcubierre-Antrieb im Miniaturformat zu simulieren, indem sie Laser verwenden, um die Raumzeit im Verhältnis von 1 zu 10 Millionen zu stören.

Natürlich ist das Interferometer nichts, was die NASA an ein Raumschiff schrauben würde. Vielmehr ist es Teil eines größeren wissenschaftlichen Unterfangens.

„Unser anfängliches Testverfahren ist die Installierung eines Rings großer potentieller Energie – was wir als blauverschoben relativ zum Rahmen des Labors beobachten – durch Verwendung eines Rings aus keramischen Kondensatoren, die auf zigtausende Volt aufgeladen werden“, sagte er uns. „Wir werden die Genauigkeit unserer Testgeräte steigern und die Empfindlichkeit des Warpfeld-Interferometers weiter verbessern – und schließlich Apparate zur direkten Erzeugung negativer Vakuumenergie einsetzen.“

Er weist darauf hin, daß Casimir-Hohlräume, physische Kräfte, die aus einem gequantelten Feld entstehen, einen machbaren Ansatz darstellen könnten.

Und durch diese Experimente, hofft White, kann die NASA vom Theoretischen zum Praktischen übergehen.

Warten auf diesen „Chicago-Meiler“-Moment

Angesichts dessen, wie fantastisch das alles erscheint, fragten wir White, ob er wirklich denkt, daß warp-erzeugende Raumfahrzeuge eines Tages konstruiert werden könnten.

„Mathematisch gesehen sagen die Feldgleichungen voraus, daß dies möglich ist, aber es bleibt zu sehen, ob wir dies jemals in die Praxis überführen könnten.“

Worauf White wartet, ist die Existenz eines Nachweises – was er einen „Chicago-Meiler-Moment“ nennt – ein Verweis auf ein großes praktisches Beispiel.

„Ende 1942 aktivierte die Menschheit in Chicago den ersten Nuklearreaktor, der ein sattes halbes Watt erzeugte – nicht genug, um eine Glühbirne zu betreiben“, sagte er. „Jedoch aktivierten wir in nur knapp einem Jahr später einen Reaktor mit etwa 4 MW, was genug ist, um eine kleine Stadt mit Strom zu versorgen. Existenznachweis ist wichtig.“

Ungeachtet seines vorsichtigen Ansatzes gab White doch zu, daß ein Warpantrieb in der realen Welt einige faszinierende Möglichkeiten für die Raumfahrt schaffen könnte – und sicherlich unser Gefühl für die Weite des Kosmos umstellen würde.

„Dieses Schlupfloch in der allgemeinen Relativitätstheorie würde es uns ermöglichen, wirklich schnell herumzureisen, sowohl gemessen von Beobachtern auf der Erde als auch von Beobachtern auf dem Schiff – Reisen, die in Wochen oder Monaten gemessen werden im Gegensatz zu Jahrzehnten und Jahrhunderten“, sagte er.

Aber vorerst befindet sich die Verfolgung dieser Idee noch sehr im Wissenschaftsmodus. „Ich bin nicht bereit, viel über die Mathematik und sehr kontrollierte, bescheidene Ansätze im Labor zu diskutieren“, sagte er.

Was auch für uns völlig Sinn ergibt. Aber dank dieser vorbereitenden Bemühungen hat White bereits viel getan, um ein erneuertes Gefühl der Hoffnung und Aufregung über die Möglichkeiten einzuflößen. Überlichtschnelle Reisen warten vielleicht doch noch auf uns.

*   *   *   Ende der Artikelübersetzung   *   *   *

Anhang des Übersetzers (Cernunnos):

Interessante Möglichkeiten für die Verwirklichung des oben beschriebenen Alcubierre-Warpantriebs könnten sich aus dem Woodward-Effekt ergeben, zu dem Deep Roots seinen Raumfahrttechnik-Artikel Der Woodward-Antrieb: Mit „seltsamem Schub“ in die Zukunft? verfaßt hat. Und zwar gibt es da im von Deep Roots aus dem englischen Wikipedia-Beitrag über den Woodward-Effekt übersetzten Abschnitt diesen Absatz:

  • Der zweite, quadratische Term  ist das, was Woodward den „Wurmloch-Term“ nennt, weil er immer negativ ist. Obwohl dieser Term um viele Größenordnungen schwächer als der erste Term zu sein scheint, was ihn für gewöhnlich vernachlässigbar macht, könnte der Effekt des zweiten Terms theoretisch unter manchen Umständen riesig werden. Der zweite Term, der Wurmloch-Term, wird in der Tat vom ersten, dem Impulstriebwerk-Term, getrieben, der die Masse um plus oder minus den Ruhemassewert fluktuieren läßt. Wenn die Fluktuationen eine sehr hohe Amplitude erreichen und die Massendichte sehr nahe an null getrieben wird, dann zeigt die Gleichung, daß die Masse sehr schnell sehr große negative Werte erreichen sollte, mit stark nichtlinearem Verhalten. In dieser Hinsicht könnte der Woodward-Effekt exotische Materie erzeugen, obwohl dies mangels irgendeines verfügbaren Experiments, das solch einen Effekt aufzeigen würde, immer noch sehr spekulativ bleibt.

Weiter unten in der Wikipedia-Übersetzung (im Kapitel RAUMFAHRT) gibt es dann diesen Abschnitt:

Warpantriebe und Wurmlöcher

Wie durch die obige Gleichung über vorübergehende Massenfluktuationen gezeigt, könnte theoretisch exotische Materie erzeugt werden. Eine große Menge negativer Energiedichte wäre das Schlüsselelement, das für die Schaffung von Warpantrieben nötig wäre, wie auch für die Erzeugung passierbarer Wurmlöcher. Von daher könnte der Woodward-Effekt, falls er wissenschaftlich bestätigt wird, praktisch machbar und wie von der Hypothese vorhergesagt skalierbar ist, nicht nur für interplanetare Reisen benutzt werden, sondern auch für scheinbar überlichtschnelle interstellare Reisen:

  • Die negative Masse könnte benutzt werden, um die Raumzeit um ein Raumschiff entsprechend einer Alcubierre-Metrik zu verzerren.

  • Genügend exotische Materie könnte auch an einem Punkt des Raumes konzentriert werden, um ein Wurmloch zu erzeugen und es am Zusammenbrechen zu hindern. Woodward und andere erklären auch, daß exotische Materie an der äußeren Mündung des Wurmloches defokussieren könnte (was es zu einem Weißen Loch machen würde) und den Schlund einer solchen gravitativen Singularität flach genug formen, um Ereignishorizont- und Gezeitenbelastungen zu vermeiden, was ein „absurd gutartiges, passierbares Wurmloch“ zur Folge hätte, das zwei Bereiche unterschiedlicher Raumzeit miteinander verbindet, ein Konzept, das in der Science Fiction als „Stargates“ weit verbreitet ist.

*   *   *

Harold White hat also ein Konzept gefunden, wie der Alcubierre-Warpantrieb drastisch optimiert werden könnte, und falls der Woodward-Effekt (das Auftreten vorübergehender Massefluktuationen von Objekten, die beschleunigt werden, während sich ihre Energiedichte ändert) bestätigt wird und damit die für den Effekt von Woodwards „Wurmloch-Term“ nötigen Bedingungen in der Praxis geschaffen werden können, wäre damit auch die Möglichkeit zur Erzeugung der für den Alcubierre-Antrieb nötigen „exotischen Materie“ gegeben.

*   *   *

Siehe auch:

Der Mikro-Warpantrieb von John G. Cramer

Das aktualisierte Warpantriebs-Raumschiffkonzept der NASA sieht aus wie zum Leben erweckte Science Fiction

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Ein Kommentar

  1. Daß ich diesen Warpantriebs-Beitrag heute zusammen mit zwei weiteren als Themenblock hier auf „Morgenwacht“ nachveröffentliche, hat damit zu tun, daß ich schon seit einer Weile an einer Science-Fiction-Geschichte schreibe (wie auch hier bereits angekündigt), die auf eine sehr alte Grundidee aus meiner unpolitischen fernen Vergangenheit zurückgeht, sich in diesen drei Jahrzehnten weiterentwickelt hat und die ich jetzt aus persönlichen Gründen endlich in schriftlicher Form verwirklichen möchte (ursprünglich hatte ich sie mir als Film vorgestellt). Die drei Warpantriebsartikel sind als Vorab-Informationshappen dafür gedacht.

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