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.