The Final Frontier? – Teil II

Wer über Generationenschiffe nachdenkt, kommt nicht um die Frage herum, wie es im All mit der Fortpflanzungsfähigkeit aussieht. Bei den rein technischen Aspekten, dem Sex an sich also, können wir wohl getrost auf den menschlichen Einfallsreichtum vertrauen. Bei Befruchtung, Schwangerschaft und Geburt wird’s hingegen schon etwas kniffliger.

Ein Faktor für Probleme ist ganz simpel der Stress. Viele Frauen werden bestätigen können, dass körperliche und psychische Belastung den Zyklus erheblich beeinträchtigen kann. Ähnliches gilt für die Libido bzw. den Testosteronspiegel bei Männern. Hier wäre es ggf. erforderlich, über eine Hormoneinnahme gegenzusteuern. [1]

Eier legende und wirbellose Lebewesen scheinen zumindest, was die reine Befruchtung in vivo angeht, hingegen weniger Probleme zu haben. (Die Entwicklung von Embryo bzw. Fötus ist allerdings eine andere Sache, wie wir noch sehen werden.)

So far, several experiments on reproduction in such environments have been reported using sea urchins, fish, amphibians and birds, and the fertilization rates were similar to those found in controls at normal gravity (1g) (…). However, unlike the other taxa studied to date, mammalian reproduction is complicated and highly specialized. [2]

Da hätten wir bei Säugetieren zunächst die Frage der Qualität von Spermien und Eizellen. Sie sind im All erhöhter Strahlung ausgesetzt – Spermien noch mehr als Eizellen -, so dass wir eine Schädigung des Erbmaterials nicht ausschließen können. Bei längeren Aufenthalten im All (wir erinnern uns: Strahlungsrisiken sind über die Zeit kumulativ) könnte dies entweder zu eingeschränkter Fruchtbarkeit bzw. kompletter Unfruchtbarkeit führen, zu Fehlgeburten oder zu Schäden am Organismus des Kindes.

Zwar kann man Strahlungseinwirkung durch entsprechend angepasste Fahrzeuge und Kleidung erheblich reduzieren, aber leider ist es damit alleine noch nicht getan. Studien mit Mäusen haben gezeigt, dass auch die Schwerelosigkeit ein Problem darstellt. Die Eizellen lassen sich zwar in vitro befruchten, nisten sich jedoch unter Mikrogravitation wesentlich schlechter ein als bei der Kontrollgruppe unter 1g. Konkret bilden sie zu wenig Trophektoderm-Zellen. Das sind die Zellen, aus denen sich die Plazenta entwickelt. Infolgedessen treten Schwangerschaften gar nicht erst ein oder die Embryonen werden nach einiger Zeit vom Körper der Mutter resorbiert. Studien mit Ratten wiederum weisen außerdem bei den Männchen auf geringere Spermienzahl und -qualität unter Mikrogravitation hin, was wiederum die Befruchtung an sich beeinträchtigt. [2]

Weitere Forschungsergebnisse deuten in die selbe Richtung. So stellte Joseph Tash von der Universität Kansas fest, dass Mikrogravitation die Aktivierung von Enzymen verlangsamt. Von ihm untersuchtes Seeigelsperma erwies sich als quasi hyperaktiv, eine Beobachtung, die auch auf Bullensperma zuzutreffen scheint. Die Ursache liegt zumindest beim Seeigelsperma darin, dass das Enzym, das einen Bewegungsstop veranlasst, unter Schwerelosigkeit nur mit Verzögerung in Aktion tritt. Tash weist zu recht auf die Gefahr hin, dass dies auch auf weitere Enzyme zutreffen könnte, wie zum Beispiel bei der Abgabe der Spermien-DNA an die Eizelle. [3, 4] Problematisch ist also unter Mikrogravitation nicht nur die jeweilige Qualität, sondern auch das Zusammenspiel der Keimzellen.

Wahrscheinlich haben wir hier einen der Gründe, warum z.B. 1979 keine der Ratten, die die sowjetische Raumfahrtagentur in ihrem Biosatelliten Kosmos-1129 in den Orbit geschossen hatte, schwanger wieder auf der Erde ankam. Alle Ratten, die an diesem Experiment beteiligt waren, konnten sich jedoch anschließend mit neuen Partnern unter normalen Bedingungen problemlos fortpflanzen. Allerdings erst nach einigen Monaten, mit Spermien, die wieder unter 1g entstanden waren. Die Spermien, die noch aus der Zeit der Erdumrundung stammten, zeugten auch auf der Erde noch schwer beeinträchtigten und zum Teil lebensunfähigen Nachwuchs: „Abnormalities included physical retardation, showed growth retardation, hemorrhages, hydrocephaly, ectopic kidneys, and enlargement of the bladder.“ [5] Die selbe Studie weist darauf hin, dass die Neugeborenen ein geringeres Geburtsgewicht haben, die Geburt an sich länger dauert und selbst in der 2. Generation die Sterblichkeitsrate der Babys noch erhöht ist.

Doch damit nicht genug, denn es ist sogar bei den Tieren mit Problemen zu rechnen, bei denen die Befruchtung unter Mikrogravitation relativ problemlos klappt. Wie zum Beispiel bei Zebrafischen: „Gross observations and morphometric analyses show that exposure to simulated microgravity results in stunted growth, reduced ossification and severe distortion of some skeletal elements.“ [6]

Die Keimzellentwicklung und auch die Befruchtung unter Schwerelosigkeit führen also zu zahlreichen Problemen. Was aber, wenn man stattdessen bereits schwangere Tiere der Mikrogravitation aussetzt, bei denen Keimzellentwicklung und Einnistung noch bei 1g stattgefunden hat? Leider sieht es hier nicht viel besser aus. Bedenkliche Resultate finden sich u.a. bei Ratten, die ca. 10 Tage nach der Befruchtung ins All befördert und nur kurz vor der Geburt ihres Wurfes wieder zurück auf die Erde geholt wurden. Die Neugeborenen hatten u.a. Orientierungsschwierigkeiten und eine beeinträchtigte Motorik und konnten sich nicht vom Rücken auf den Bauch drehen. [7, 9] All dies ist auch unmittelbar für Menschen relevant. Denn spätestens in der 26 Schwangerschaftswoche hat ein menschlicher Fötus eine Masse erreicht, ab der er nicht mehr im Fruchtwasser suspendiert, sondern ebenfalls der Schwerkraft ausgesetzt ist. Fehlt dieser Faktor bis zur Geburt, befürchten Forscher u.a. auch eine anormale Muskelentwicklung (inklusive Herzfehler) und eine gestörte Knochenbildung. [8]

Nun haben aus naheliegenden Gründen natürlich noch keine entsprechenden Experimente mit Menschen stattgefunden. Aber man muss aus den bisherigen Forschungsergebnissen mit kleineren Säugetieren wohl bereits den Schluss ziehen, dass für unsere erfolgreiche Fortpflanzung im All nicht nur Strahlenschutz, sondern auch simulierte 1g-Schwerkraft unverzichtbar ist. Und zwar interessanterweise auch dann, wenn wir irgendwann in ferner Zukunft einen Planeten bevölkern sollten, der eine höhere Schwerkraft als die irdische besitzt. Denn Tash [3, 4] hat die für die Beweglichkeit der Spermien verantwortlichen Proteine in deren Flagellum identifiziert und auch nachgewiesen, dass bei > 1g die Beweglichkeit der Spermien geringer wäre als normal. Weitere Auswirkungen der Schwerkraft auf Fruchtbarkeit, Entwicklung des Kindes sowie die Schwangerschaft an sich sind ebenfalls mehr als wahrscheinlich: „In fact several studies have shown that (…) prolonged exposure to hypergravity from conception to weaning causes permanent deficits in gravity-dependent righting behaviors. Data on hypergravity and microgravity exposure suggest some changes in the otolith formation during development, in particular the size although these changes may actually vary with the species involved.“ [9]

Eine Anpassung (via Selektion) an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten würde vermutlich viele Generationen dauern und zahlreiche Hilfsmaßnahmen und -mittel erfordern. Viele Individuen wären erforderlich, um den Fortbestand der Spezies über so viele Generationen hinweg überhaupt zu gewährleisten. Eventuell jedoch ist eine Besiedelung von Himmelskörpern, deren Schwerkraft zu sehr von der irdischen abweicht, aber auch gar nicht wirklich ratsam.

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[1] AJ Tilbrook, AI Turner, IJ Clarke: „Effects of stress on reproduction in non-rodent mammals: the role of glucocorticoids and sex differences“, Rev Reprod May 1, 2000 5 105-113, doi: 10.1530/ror.0.0050105
[2] Sayaka Wakayama, Yumi Kawahara et al.: „Detrimental Effects of Microgravity on Mouse Preimplantation Development In Vitro“, PLoS ONE 4(8): e6753. doi:10.1371/journal.pone.0006753
[3] J. S. Tash, G. E. Bracho: „Microgravity alters protein phosphorylation changes during initiation of sea urchin sperm motility“ FASEB J. 13:S43-S54, 1999
[4] J. S. Tash, S. Kim et al.: „Fertilization of sea urchin eggs and sperm motility are negatively impacted under hypergravitational forces significant to space flight“ Biol.Reprod. 65 (4):1224-1231, 2001
[5] Serova LV, Denisova LA et al., „Reproductive function of the male rat after a flight on the Kosmos-1129 biosatellite“, Kosmicheskaia Biologiia i Aviakosmicheskaia Meditsina [1982, 16(5):62-65]
[6] Edsall SC, Franz-Odendaal TA: „An assessment of the long-term effects of simulated microgravity on cranial neural crest cells in zebrafish embryos with a focus on the adult skeleton.“, PLoS ONE PMID:24586670, DOI: 10.1371/journal.pone.0089296
[7] Serova LV, Denisova LA et al.: „General characteristics of an experiment to study the ontogeny of rats on board the Kosmos-1514 biosatellite“, Kosmicheskaia Biologiia i Aviakosmicheskaia Meditsina [1985, 19(2):49-53]
[8] Patricia A. Santy, Richard T. Jennings: „Human Reproductive Issues in Space“, Advances in Space Research, Volume 12, Issues 2–3, 1992, Pages 151–155, DOI: 10.1016/0273-1177(92)90102-4
[9] Bruce, Fritzsch: „The development of vestibular connections in rat embryos in microgravity“, Journal of Gravitational Physiology : a Journal of the International Society for Gravitational Physiology 1997, 4(2), S. 59 ff

Raumfahrzeuge für Interstellarreisen – II –

Wie sich im ersten Teil dieses Postings gezeigt hat, wäre ein Schiff zu einem anderen Sonnensystem in jedem Fall ein Generationenschiff und müsste einigen tausend Menschen über mehrere Jahrhunderte hinweg eine Lebensbasis bieten.

Es gibt zwar Überlegungen, die Schiffe mit gefrorenen Embryonen oder erwachsenen Menschen in Stasis zu bemannen (sog. Schläferschiffe), jedoch gibt es bisher noch keinerlei Möglichkeit, Embryonen außerhalb des Mutterleibes voll auszutragen und vor allem anschließend ohne menschliche Unterstützung zu körperlich, psychisch und kognitiv voll entwickelten Frauen und Männern heranwachsen zu lassen. Bei der Stasismethode sehe ich wiederum Probleme mit dem Zustand der Besatzung nach derart vielen Jahren. Die Erfahrungen mit langjährigen Komapatienten nach deren Erwachen legen meines Erachtens den Schluss nahe, dass mit erheblichen körperlichen und kognitiven Defiziten zu rechnen wäre, welche den erfolgreichen Abschluss der Mission in Frage stellen würden. Darüber hinaus wäre an Bord solcher Schiffe die Instandhaltung komplett von einer Selbstanalyse und -reparatur des Systems abhängig. Es würde ein beträchtliches Risiko für den Erfolg der Mission darstellen, sich hierauf über Jahrhunderte hinweg verlassen zu müssen. Die am meisten Erfolg versprechende Methode dürfte derzeit also noch immer eine „normal“ lebende Besatzung sein.

Hieraus ergeben sich die Grundanforderungen wie Sauerstoffversorgung, Nahrung, Behausung, medizinische Versorgung, Industrie etc., die an ein derartiges Raumfahrzeug gestellt werden, unabhängig von seinem ultimativen Zweck am Zielort. Benötigt werden also mindestens zwei Komponenten: Antrieb und Habitat.

Antrieb
Als Antrieb wären aktuell Sonnensegel, Ionenantrieb (siehe auch => hier) und ggf. zusätzliche gravitationsgestützte Antriebe möglich. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktionweise kann hier kein allgemeingültiges Design bzw. Position in der Konstruktion angegeben werden. Es sei nur angemerkt, dass sie allesamt weit langsamer als die für die Zukunft angestrebten 1% Lichtgeschwindigkeit sind. Ein Ionenantrieb ermöglicht derzeit nur ca. 150.000 km/h. Damit würde eine Reise zu Proxima Centauri über 3.000 Jahre dauern. Sonnenwind bietet zwar hohe Geschwindigkeiten, hat jedoch den Nachteil, dass er nur eine Reichweite von ca. 4 Plutobahnradien aufweist. Ähnliches gilt für den gravitationsgestützten Antrieb: Ohne Himmelskörper keine Gravitation. Sollte die Menschheit jedoch jemals ein Generationenschiff bauen, so ist davon auszugehen, dass sich bis dahin auch eine geeignete Antriebsart gefunden hat. Dies legen wir also als Annahme für den weiteren Text zugrunde. Vielversprechende Ansätze werden hier recht anschaulich erklärt: Erkenntnishorizont, „Antriebe Morgen“

Habitat

By Don Davis (NASA Ames Research Center (ID AC76-0525)) [Public domain], via Wikimedia Commons

By Don Davis (NASA Ames Research Center (ID AC76-0525)) [Public domain], via Wikimedia Commons

Eines der momentan favorisierten Designs für das Habitat ist der sogenannte „Stanford Torus“ in diversen Formen. Ihn muss man sich prinzipiell wie einen innen hohlen Ring oder Doughnut vorstellen, in dessen Hohlraum die Komponenten der Biosphäre angesiedelt sind.

Wie eine derartige Biosphäre von innen aussehen könnte, zeigen => diese Ilustrationen besonders anschaulich.

Ein anderes, prinzipiell ähnliches Design findet sich im Wayland report (PDF):

„The habitable volume of space vehicles will (…) consist of pressurised modules at the ends of long arms on which they rotate about the centreline of the vehicle, together with another module on the centreline offering weightless conditions, this configuration being more economical of mass than a rotating cylinder or torus.“ (Eine Skizze befindet sich auf Seite 2. des Dokuments)

Beide Entwürfe haben gemeinsam, dass das Habitat jeweils um eine Mittelachse rotiert, um Gravitation zu simulieren. Dies ist notwendig, um Muskel- und Knochenschwund sowie Herz- und Kreislaufschwächen sowie weitere unerwünschte Anpassungen des Körpers an die Schwerelosigkeit zu vermeiden. Die Anordnung um eine Mittelachse ermöglicht auch das Einrichten von Zonen mit geringerer bzw. ganz ohne Schwerkraft, je mehr man sich durch die Verbindungsstege der Mittelachse des Raumfahrzeugs nähert.

Jeder der Entwürfe bietet jedoch trotz dieser Gemeinsamkeiten unterschiedliche Vor- und Nachteile. Auch wenn er nach bisherigen Berechnungen weniger wirtschaftlich wäre, könnte man z.B. dennoch dem Torus den Vorzug geben, da man davon ausgehen kann, dass sein großer Durchmesser ein besseres Gefühl von Weite vermitteln würde. Er wäre somit der Psyche der Besatzung zuträglicher, als eine Anzahl einzelner kleinerer Habitate. Dieser Faktor ist bei einer derart langen Reise nicht zu vernachlässigen, denn anders als bei kurzen Trips ins All kann man bei einem Generationenschiff die Besatzung nicht auf Jahrhunderte im voraus auf ihre psychische Eignung testen. Den einen oder anderen Klaustrophobiker wird es an Bord also zwangsläufig irgendwann geben. Auch der Transport von Waren und Lebewesen innerhalb der Biosphäre wäre im Torus leichter umzusetzen. Hinzu kommt im Torus ein geringeres Risiko, dass sich an Bord einzelne „Nationen“ bilden und voneinander abgrenzen. Andererseits stellt eine Aufteilung des Habitats auf mehrere Einzelmodule, wie beim Wayland-Modell, wiederum eine Risikominderung dar und wäre von Vorteil, falls es auf dem Flug zu Beschädigungen kommen sollte.

Die Verbindungsstreben von der Peripherie zum Zentrum stellt sich der Autor des Wayland-Reports folgendermaßen vor:

„The arms need to have either a pressurised tunnel for access to the centre, or small lift cars which run up and down; here the latter is assumed. A system for pumping ballast water between the centre and the periphery maintains the centre of gravity at the geometrical centreline, minimising wear on the bearings (if any) of the rotating structure and holding the centreline steady for ferry vehicles to dock. (…) suitable arm length and spin rate have yet to be determined by practical tests. Too short a lever arm or too fast a rate of spin will presumably make the occupants giddy and nauseous.“

Ich persönlich fände es sinnvoll, nach Möglichkeit die einzelnen Habitat-Elemente auch seitwärts noch untereinander zu verbinden. Erstens, um im Beschädigungsfall noch schneller evakuieren zu können. Zweitens, um mehr Interaktion zwischen den Habitaten zu ermöglichen. Ob dies vom Gesichtspunkt der Stabilität aus jedoch machbar ist, entzieht sich meiner Kenntnis.

Material
Es stellt sich die Frage, aus welchen Materialien ein solches Raumfahrzeug gebaut werden müsste, um sowohl die nötige Lebensdauer zu gewährleisten als auch reparierbar zu bleiben. Neben den herkömmlichen Metallen und Mineralien, die man während der Reise auch aus Asteroiden etc. gewinnen könnte, wäre es von Vorteil, ergänzend auch auf „intelligente“, und/oder sich selbst regenerierende Werkstoffe zurückzugreifen [1]:

„Perhaps it is possible to use the innate „force“ of different kinds of materials to create an artificial nature, which can shape streams of material flow to create a living interior that is capable of regeneration and is not simply waiting to be consumed by its human colony.“ (Rachel Armstrong: „Designing a Sustainable Interstellar Worldship

Hier würden sich lt. Armstrong beispielsweise Protozellen ebenso anbieten wie andere Stoffe aus der sogenannten synthetischen Biologie. Mit dem „Project Persephone“ hat man bereits begonnen, diese Möglichkeiten auszuloten.

Auch Reparaturen am Raumschiff sollten nach Möglichkeit automatisch durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass jederzeit ein Maximum aller Komponenten intakt und funktionstüchtig ist:

Due to its size and trip duration, world ship reliability is a vital feasibility issue as well. From a rough analysis using current spacecraft reliability data and the Deadalus mass breakdown model, it was concluded that 99.99% reliability is very difficult to achieve and an automated repair facility is required. [2]

Nichtsdestotrotz benötigt man an Bord jederzeit eine angemessene Anzahl qualifizierter Fachleute, die die Reparaturarbeiten überwachen und nötigenfalls korrigieren können und zudem ihr Wissen an die nächsten Generationen weitergeben. Der Faktor „Mensch“ ist auch hier unverzichtbar.

Strahlenschutz

Galaxie

Bildquelle: NASA

Wo auch immer an Bord sich Lebewesen befinden, muss zudem eine Abschirmung gegen kosmische Strahlung gewährleistet sein. Während wir auf der Erde durch Atmosphäre und Magnetfeld gegen diese Strahlung relativ gut abgeschirmt sind, trifft uns im All die ca. 100- bis 200fache Dosis. Abhilfe schaffen könnte hier beispielsweise ein Schild aus Plasma:

„Wie eine Blase soll das Gas aus geladenen Teilchen dabei den Teil des Raumschiffs umgeben, in dem die Besatzung untergebracht ist. Das damit verbundene Magnetfeld wäre ein ebenso effektiver Schutz vor kosmischer Strahlung wie eine mehrere Zentimeter dicke Aluminiumschicht, würde jedoch lediglich ein paar Gramm wiegen.“
Quelle: http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/267551

Plasmaschilde sind jedoch nur für einige Konstruktionen eine Option. Ob die Form eines Stanford-Torus mit dieser Methode kompatibel ist, bezweifle ich persönlich. Denkbar wäre in solchen Fällen evtl. eine Art „Zwischenwand“ aus Wasser[3] bzw. Eis oder anderem abschirmendem Material in der Hülle des Raumschiffs, falls diese nicht an sich schon dick genug sein sollte.

Wie man sieht, stellt ein Raumschiff für interstellaren Personentransport gänzlich andere Ansprüche an das Design als beispielsweise eine Raumstation. Bei voraussichtlichen Ausmaßen von mehreren bzw. mehreren Dutzend Kilometern in Länge und Breite, fallen bei Raumschiffen insbesondere Widerstandsfähigkeit, möglichst schnelles Fortkommen und Manövrierbarkeit mehr ins Gewicht als bei Stationen im Orbit. Ebensowenig wie man eine Raumstation als Raumschiff nutzen kann, ist dies jedoch auf längere Zeit umgekehrt möglich.

Zusätzliche Nutzlast
Je nach Zweck der Mission muss neben dem Habitat auch Raum für Materialien, Transportmittel und Werkzeuge zur Verfügung stehen. Egal ob der Zweck der Mission darin besteht, lediglich eine Raumstation zu bauen, einen Planeten bewohnbar zu machen, oder einen bereits bewohnbaren Planeten direkt zu besiedeln – es werden auf jeden Fall Vorarbeiten wie Tagebau und Weiterverarbeitung der gewonnenen Rohstoffe anfallen, für die man bei der Ankunft bereits ausgerüstet sein sollte. Höchstwahrscheinlich muss man in fast jedem Fall auch zunächst eine Raumstation im Orbit errichten, von der aus man die Besiedelung der neuen Kolonie vorantreiben und koordinieren kann.

All dies dürfte nach der Reise nochmals mehrere Jahrzehnte vor Ort in Anspruch nehmen. Es stellt sich daher die Frage, ob diese Zwischenschritte nicht evtl. auch vorab von unbemannten Sonden erledigt werden können. Von sogenannten „Precursor Probes“, die man dem eigentlichen Generationenschiff voraus schickt, um selbst erst dann am Ziel anzukommen, wenn die neue Kolonie bereits konstruiert und bewohnbar gemacht wurde. Wenn Roboter inzwischen schon Hochhäuser bauen, warum nicht auch ganze Raumstationen? Diese Vorgehensweise wäre kaum kostenintensiver als der eigenhändige Neubau vor Ort. Es wäre sogar denkbar, in zeitlichem Abstand mehrere dieser Sonden vorauszuschicken. Z.B. eine, die zunächst Terraforming betreibt, dann eine zweite, die die Kolonie aufbaut. Anschließend würde das eigentliche Schiff folgen, dessen Besatzung ihr Ziel direkt besiedeln könnte.

Kommunikation

Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer

LADEE – Quelle: NASA

Leider hat diese Sache einen recht großen Haken: Die Kommunikation zwischen Proben, Schiff und Erde. Nicht nur ist die Übermittlung bisheriger Radiosignale störanfällig, sondern man kann diese Signale zudem über diese Entfernung schlicht zu schlecht fokussieren. Falls die Sonde oder das Schiff unterwegs oder vor Ort auf irgendwelche Schwierigkeiten stoßen sollte, würde man es vermutlich nie erfahren. Selbst Relais-Stationen wären bei der benötigten Anzahl auf einer derartigen Strecke leider keine Option.

Auch Kommunikation per Laser fällt leider raus. Auf eine Distanz von mehreren Lichtjahren kann man mit den bisher zur Verfügung stehenden Kenntnissen und Techniken keinen Laser akkurat genug ausrichten, um damit noch das Ziel zu erreichen.[4]

Fazit
Angesichts all dieser Schwierigkeiten stellt sich die Frage, ob es sich überhaupt lohnt, ein solches Projekt in Angriff zu nehmen. Fest steht m. E., dass einem derartigen Unterfangen langjährige Erfahrungen mit Biosphären in kleinerem Maßstab vorausgehen müssen. Denkbar wäre vielleicht zunächst ein Raumschiff, das sich nur innerhalb unseres eigenen Sonnensystems bewegt und dessen Besatzung man ggf. evakuieren und zur Erde zurücktransportieren könnte. Selbst wenn am Ende solcher Experimente kein Interstellar-Raumschiff stehen sollte, würden sie doch unschätzbar wertvolle Einblicke in die „Funktionsweise“ von Öko- und Sozialsystemen liefern.*) Das wiederum führt höchstwahrscheinlich nebenbei zu nützlichen Spinoffs und hoffentlich besserem Umweltschutz für das terrestrische Leben.

Wie man sieht, handelt es sich beim Thema Schiffe für die interstellare Raumfahrt um ein sehr großes Themengebiet, das in ein oder zwei Blogposts nur angerissen werden kann. Eigentlich würde jeder einzelne angesprochene Aspekt einen eigenen Eintrag verdienen. Ich freue mich daher über Hinweise in den Kommentaren, welche Teilbereiche für meine Leser am interessantesten sind, so dass ich diese ggf. aufgreifen und detaillierter darstellen kann.
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*) Das Buch „Psychology of Space Exploration“ kann man sich => hier übrigens als PDF herunterladen.

[1] http://news.discovery.com/space/private-spaceflight/project-persephone-icarus-interstellar-100yss-120920.htm

[2] http://www.academia.edu/2111006/A.M._Hein_M._Pak_D._Putz_C._Buhler_P._Reiss_World_Ships_-_Architecture_and_Feasibility_Revisited_

[3] Vielen Dank für den Hinweis an Lars Fischer

[4] http://www.academia.edu/2086485/Interstellar_Communication_Techniques_for_Long_Range_Mission_Spacecraft
sowie http://news.discovery.com/space/project-icarus-interstellar-communications-120206.htm

Raumfahrzeuge für Interstellarreisen – I –

Raumkolonie. Bild: NASA

Raumkolonie. Bild: NASA

Wer gerne Science Fiction über interstellare Raumfahrt liest, hat sich garantiert auch schon des öfteren gefragt, wie denn ein dafür geeignetes Raumfahrzeug aussehen könnte. Wie groß wäre es? Wie müsste es konstruiert, wie müsste es ausgestattet sein? Wie würde sich die Besatzung zusammensetzen?

Die Antwort auf diese Fragen ist ein klares „Kommt drauf an“. In erster Linie nämlich darauf, wo ich denn überhaupt hin will mit meinem Raumschiff. In zweiter Linie darauf, wie schnell die mir zur Verfügung stehenden Antriebsarten mich zu diesem Ziel befördern können. Hieraus ergibt sich die Länge des Trips, die Größe der Besatzung und die nötige Menge an Vorräten etc.

Nicht zuletzt muss sich die Ausstattung des Raumfahrzeugs aber auch danach richten, was ich am Ziel eigentlich vor habe. Einen Planeten direkt bevölkern? Zunächst Terraforming betreiben? Eine Raumkolonie aufbauen?

Ich möchte versuchen, basierend auf der Studie „World Ships – Architectures and Feasibility Revisited“ und ein paar eigenen Überlegungen, auf jene Fragen in diesem und dem darauf folgenden Blogpost einzugehen und somit einen Überblick zu ermöglichen.

Wie weit ist das Ziel entfernt?
Jüngste Schätzungen haben ergeben, dass von den 10 uns umgebenden nächsten Klasse-M-Sonnensystemen ca. 4 einen erdgroßen, bewohnbaren bzw. lebensfreundlichen Planeten besitzen. Die durchschnittliche Entfernung zum nächsten bewohnbaren Planeten beträgt nach diesen Untersuchungen ca. 7 Lichtjahre (Lj). [1] Rechnet man allerdings noch evtl. bewohnbare Monde hinzu, so ist jedoch vielleicht schon unser Nachbar Proxima Centauri mit einer Entfernung von ca. 4,2 Lj ein geeignetes Ziel für einen Interstellarflug. Erst recht, wenn man auch die Möglichkeit einer reinen Raumkolonie in Betracht zieht, die gar nicht auf bewohnbare Planeten oder Monde angewiesen ist. [3]

4,2 Lj sind, wie die Bezeichnung schon andeutet, die Strecke, die das Licht in 4,2 julianischen Jahren im absoluten Vakuum zurücklegt. Konkret ist dies eine Entfernung von ca. 39.736.200.000.000 Kilometern. In Worten: Neununddreißig Billionen siebenhundertsechsunddreißig Milliarden zweihundert Millionen Kilometer. Bis zum nächsten(!) benachbarten Sonnensystem.

Welche durchschnittliche Reisegeschwindigkeit ist machbar?

Ionenantrieb, Bild: NASA

Ionenantrieb. Bild: NASA

Umgerechnet auf uns bekannte Verhältnisse hat Licht eine Geschwindigkeit von 1.080.000.000 km/h, also 1,08 Milliarden Stundenkilometern. [2] Nach aktuellen Schätzungen dürften jedoch selbst die leistungsstärksten derzeit denkbaren Antriebe für Raumfahrzeuge nicht mehr als 10% davon erreichen.

Hieraus ergibt sich, dass – wenn wir die Zeitdilatation ignorieren – selbst das schnellste zukünftig denkbare Schiff 40 Jahre benötigen würde, um Proxima Centauri zu erreichen. Wahrscheinlicher sind jedoch Geschwindigkeiten von < 1% der Lichtgeschwindigkeit [3], was die Reisezeit nochmals verzehnfacht. Auf nunmehr gut 400 Jahre. Angesichts der Tatsache, dass die bisherigen bemannten Raumfahrtmissionen maximal ein paar Monate dauerten, bis die Crew zumindest teilweise abgelöst und neues Material geliefert wurde, ist eine Missiondauer von 400 Jahren sehr ambitioniert. Viele Voraussetzungen müssen erfüllt sein, um hier einen Erfolg zu gewährleisten oder auch nur wahrscheinlich zu machen. Eine der wichtigsten ist die Stärke der Besatzung.

Wie umfangreich ist die Besatzung?
Es wird unmittlbar deutlich, dass derartige Reisen nur generationenübergreifend machbar wären. Dies wiederum bestimmt die Anzahl der benötigten Besatzungsmitglieder. Warum das so ist, wird klar, wenn man sich folgendes überlegt: Für einen Trip von vier Tagen wäre es übertrieben, beispielsweise einen Arzt mitzunehmen. Evtl. bräuchte man nicht einmal einen Techniker. Auch keinen Koch. Der Proviant kann für so kurze Zeit komplett vorab zubereitet und einfach mitgenommen werden. Ergo ist auch keine Küche, Reparaturwerkstatt oder OP-Ausrüstung vonnöten.

Bei einer Reisedauer von > 400 Jahren insgesamt, bzw. mehreren Jahrzehnten für das einzelne Individuum, braucht man hingegen nicht nur einen Arzt, sondern gleich mehrere. Erstens, um sicherzustellen, dass wenn einem von ihnen etwas zustößt, noch andere da sind, die sich um die Patienten kümmern können. Denn die Wahrscheinlichkeit, dass mehrere Leute in dieser Zeitspanne krank werden, dürfte eher eine Gewissheit darstellen. Zweitens muss auf einem Generationenschiff sichergestellt sein, dass das medizinische Wissen auch auf die nachfolgenden Generationen übertragen wird. Und zwar möglichst verlustfrei. Auch dies ist nur mit mehreren Ärzten an Bord zu bewerkstelligen. Drittens sollte auf einer derart langen Reise aus den o.g. Gründen auch jede Fachrichtung vertreten sein. Man benötigt nicht nur Chirurgen, sondern auch Gynäkologen, Internisten, HNO-Ärzte, Neurologen, Urologen, Hautärzte, Pharmazeutiker, Chemiker, OP-Säle, Praxisausrüstungen…

Gleiches trifft auf die Mechaniker zu. Je länger ein Schiff unterwegs ist, desto mehr wird kaputt gehen. Auch hier muss man dafür Sorge tragen, dass jederzeit genügend Kundige an Bord sind, um nicht nur Reparaturen durchzuführen, sondern auch die nächste Generation zu lehren, was zu tun ist. Auf den Aspekt der durchzuführenden Reparaturen werde ich in der Fortsetzung dieses Artikels nochmals zu sprechen kommen.

Proviant für über 400 Jahre mitzunehmen ist ebenfalls ein Ding der Unmöglichkeit. Es muss angebaut und verarbeitet werden. Man benötigt also nicht nur Köche und Küchen, sondern auch Landwirte, Saatgut, ggf. Tiere und Futtermittel, Experten für die Weiterverarbeitung, Fabrikanlagen usw. Man benötigt Felder, Ställe, Bewässerungsanlagen u.v.m. – ein jedes davon würde schon einen eigenen Blogeintrag rechtfertigen, und jeder Experte müsste nicht nur in seiner Sparte tätig sein, sondern auch die nächste Generation anlernen.

Wie man sieht, läuft ein Generationenschiff im Prinzip auf eine artifizielle Biosphäre im All hinaus, mit komplettem Wirtschafts-, Bildungs- und Ökosystem, deren Besatzung eher schon Population zu nennen ist. Bisherigen Berechnungen zufolge umfasst sie bei dieser Missionslänge immerhin rund zehntausend Menschen und reicht bei längeren Missionen gar an eine Viertelmillion heran:

Slow-boat: Enzmann, 1973 [19, pp.189-190] (~10%c,
200-2000 people)
Colony ship: Matloff, 1976 [6] (1%c, 10,000 people)
World ship: Bond, 1984 [2] (0.5%c, 250,000 people)
Quelle: [3]

Populationsgröße eines Generationenschiffs

Populationsgröße eines Generationenschiffs. Quelle: [3]

Es müssen immerhin nicht nur sämtliche denkbaren Funktionen innerhalb einer Gesellschaft berücksichtigt werden, sondern eben auch erforderliche Redundanzen sowie ein gewisser Schwund an Menschen, Wissen und Material über die Zeit. Gleichzeitig darf aber – wie in der Grafik links dargestellt – die Versorgungskapazität des Raumfahrzeugs nicht überschritten werden. (Sonst wäre ein größeres Schiff vonnöten, welches wiederum die Reisegeschwindigkeit mindert und somit die Dauer der Mission verlängert.)

Mit die größte Herausforderung ist die oben bereits erwähnte Bewahrung, Übertragung und Erweiterung des Wissens auf die jeweils nächste(n) Generation(en):

Diamond describes the case of Tasmania, a society of 4,000 people, isolated for about 10,000 years. This isolation from the population of the Australian mainland lead to a technological regression, making the Tasmanians a people with “the simplest material culture of any people in the modern world”, when they got in contact with the Europeans. Isolated populations on other islands, initially numbering 200 to 400 people completely died out. [4]

CD / Foto: Irargerich (Creative Commons)

CD / Foto: Irargerich (CC)

Eine Schiffspopulation von zehntausend Menschen mag auf den ersten Blick groß erscheinen, vor allem verglichen mit der Besatzungstärke bisheriger Raumfahrzeuge und -stationen. Es hat sich jedoch im Lauf der irdischen Geschichte bereits herausgestellt, dass für die generationenübergreifende Entwicklung und Bewahrung von Wissen ggf. eine wesentlich höhere Anzahl von Individuen erforderlich ist, vor allem in Anbetracht der Tatsache, dass unser Wissen heute auch viel komplexer ist.

Hilfreich bei der heutigen Wissensbewahrung und -übertragung sind natürlich die inzwischen zur Verfügung stehenden digitalen Speichermedien, deren Kapazität laufend und fast exponentiell erweitert wird. Text, Audio, Video und inzwischen sogar taktile Informationen mittels entsprechender Handschuhe gab es im Tasmanien des 17. Jahrhunderts selbstverständlich nicht. Dennoch sind bei vielen Tätigkeiten persönliche Erfahrung und Übung für den Erfolg ausschlaggebend, sei es bei Mechanikern, Ärzten oder Musikern. Dies ist ein Faktor, der durch reine Informationstechnik nur sehr schwer ausgeglichen werden kann.

Zusammensetzung der Schiffspopulation
Die Studie von Hein, Pak et al. beschränkt sich bei diesem Aspekt der interstellaren Raumfahrt vornehmlich auf die Frage, ob alle nötigen „technischen“ Funktionen in der Population erfüllt werden.

Leider geht die Studie nicht darauf ein, dass man vielleich auch ein Maximum genetischer Vielfalt sicherstellen sollte, um eine größtmögliche Widerstandsfähigkeit dieser doch recht kleinen Population über Jahrhunderte hinweg zu gewährleisten. Zehntausend Menschen sind lediglich eine kleine Kleinstadt. Jahrhundertelange Vermehrung innerhalb eines Pools von nur 10.000 Menschen ist generell schon suboptimal. Noch kritischer wird es evtl., wenn alle Individuen aus nur einer einzigen geografischen Region stammen und sich genetisch untereinander ähnlich sind. Zumal die Population an Bord auch nicht wesentlich größer werden darf.

Vielleicht unterliege ich hier einem Irrtum, aber wenn man nicht gerade gefrorenes Sperma aus aller Welt mitnehmen möchte, wäre es meines Erachtens sinnvoll, die Besatzung eines Generationen-Schiffs aus möglichst vielen Regionen der Erde zu bestreiten. [6] Dies birgt natürlich wiederum kulturelles Konfliktpotenzial, das um so stärker zu Tage treten wird, je weniger Ausweichmöglichkeiten die einzelnen Individuen haben. Ob und unter welchen Voraussetzungen/Reglements es dennoch funktioneren kann, könnte man zum heutigen Zeitpunkt vielleicht den Regelwerken und Erfahrungen der ISS bzw. ihrer Besatzungsmitglieder entnehmen.

Des weiteren erwähnen Hein, Pak und seine Kollegen am Rande, dass auch der Erhalt der Kultur gewährleistet werden sollte. Als Beispiel wird in diesem Streiflicht der Studie die Religion genannt. Ich hingegen frage mich, ob es nicht sinnvoller wäre, die Population eines Generationen-Raumschiffs nur mit Atheisten zu bestreiten. Hierdurch wäre eine der größten kulturellen Reibungsflächen bzw. das damit verbundene ernorme Konfliktpotenzial von vornherein weitgehend ausgeschaltet. Glaubenskriege der Intensität und Dauer wie auf der Erde kann man sich auf einem derartigen Raumfahrzeug schlicht nicht leisten.

Im Hinblick auf die Tatsache, dass die Besatzung aus allen Erdteilen stammen sollte, ist anzunehmen, dass sich mit der Zeit eine eigene, neue Kultur entwickeln würde. Zu hoffen bliebe, dass das eigentliche Ziel der Mission nicht mit der Zeit in Vergessenheit gerät, ähnlich wie in Robert Heinleins „Orphans of the Sky„.

Doch gehen wir einmal davon aus, dass all diese Hürden erfolgreich genommen werden können. Welche Art von Schiff könnte diese Population bis ans ihr Ziel bringen?

  • Wie muss das Schiff für die Reise an sich ausgestattet sein?
  • Was will ich am Ziel tun? Einen Planeten direkt bevölkern? Zunächst Terraforming betreiben? Eine Raumkolonie aufbauen?
  • Welche Schritte sind dafür nötig?
  • Welche Materialien und Kenntnisse benötige ich dafür?
  • Ist evtl. eine Vorbereitung mittels sog. Precursor Probes möglich?

Auf diese Fragen sowie einige Einschränkungen und Kritikpunkte möchte ich im nächsten Blogpost eingehen.

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[1] http://www.innovations-report.de/html/berichte/physik_astronomie/earth_sized_planets_habitable_zones_common_211035.html

[2] Hier ein gutes, webbasiertes Umrechungstool: http://www.unitjuggler.com/index-de.html

[3] http://www.academia.edu/2111006/A.M._Hein_M._Pak_D._Putz_C._Buhler_P._Reiss_World_Ships_-_Architecture_and_Feasibility_Revisited_

[4] J. Diamond, “Guns, Germs, and Steel – The Fates of Human Societies”,
Norton & Company, 1999., S. 311 ff., beschrieben in [3]

[5] „Das Parker-Modell des Sonnenwindes“ (PDF, Uni Kiel)

[6] Siehe auch „Ethological Hazards of Interstellar Travel„, S. 547 ff.