Um einen anderen Stern in einem praktikablen Zeitrahmen zu erreichen, wird etwas weitaus Leistungsfähigeres als chemische Raketen benötigt. Eine der führenden Ideen ist ein Sonnensegel – eine große reflektierende Struktur, die von Licht angetrieben werden kann. Wenn extrem leistungsstarke Laser auf ein solches Segel gerichtet werden, könnten sie es auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die weit über das hinausgehen, was aktuelle Antriebssysteme erreichen können.

Doch es könnte ein unerwartetes Problem auftreten, sobald ein Lichtsegel mit einem signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit reist. Laut einem neuen Papier auf arXiv von Chao Shen und Jiaze Li vom Harbin Institute of Technology könnte dasselbe Licht, das zum Antrieb des Segels verwendet wird, letztendlich einen Bremseffekt erzeugen.

Die Forscher unterteilen die Kräfte, die durch Photonen erzeugt werden, die auf ein Sonnensegel treffen, in drei Kategorien. Der stärkste Beitrag stammt vom einfallenden Licht (dieser rohe Impuls der Photonen, die auf das Segel treffen). Als nächstes kommt die spiegelnde Reflexion (Impuls, der übertragen wird, wenn Photonen perfekt vom Segel reflektiert werden). Der schwächste Beitrag stammt von diffuser Streuung (Impuls von Photonen, die vom Segel absorbiert und dann in zufällige Richtungen wieder emittiert werden).

Bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten tragen all diese Effekte dazu bei, das Segel vorwärts zu schieben. Die Situation wird viel komplizierter, sobald das Raumfahrzeug relativistische Geschwindigkeiten erreicht. Während sich das Segel von der Laserquelle entfernt, erfährt das Licht, das es erreicht, eine zunehmend starke Doppler-Verschiebung. Die Frequenz des einfallenden Lichts nimmt ab, wodurch die von allen drei Komponenten erzeugte Schubkraft reduziert wird. Infolgedessen wird die fortgesetzte Beschleunigung zunehmend ineffizienter. Je schneller das Segel reist, desto schwieriger wird es für den Laser, seine Geschwindigkeit weiter zu erhöhen.

Die Situation ändert sich noch dramatischer, sobald das Lichtsegel etwa 75 % der Lichtgeschwindigkeit erreicht. Bei dieser Geschwindigkeit wird die relativistische Lichtaberration wichtig. Aus der Sicht eines stationären Beobachters auf der Erde beginnt diffus gestreutes Licht nach vorne gerichtet zu werden, in die Richtung, in die das Segel reist. Da jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion hervorruft, erzeugt diese nach vorne gerichtete Strahlung eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung. Dies bedeutet, dass diffuse Streuung (zugegebenermaßen die schwächste der drei Kräfte) beginnt, als Bremse zu wirken, sobald das Segel etwa 75 % der Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Der Laser schiebt das Segel immer noch insgesamt vorwärts, sodass die Gesamtkraft nicht negativ wird. Die Effizienz des Antriebssystems sinkt jedoch erheblich.

Echte Sonnensegel würden noch mehr Herausforderungen gegenüberstehen. Die Studie konzentriert sich speziell auf Strahlungsdynamik; sie berücksichtigt keine nichtstrahlenden Effekte wie Kollisionen und Reibung durch interstellares Gas oder Staub. Sie lässt auch die thermischen Grenzen realer Segelmaterialien außer Acht. Ein Segel, das einem extrem leistungsstarken Laser ausgesetzt ist, könnte möglicherweise überhitzen oder sogar schmelzen. Der Einfachheit halber modellieren die Forscher das Lichtsegel als idealisierten Spiegel. Echte Raumfahrzeuge würden wahrscheinlich viel ausgefeiltere Materialien verwenden.

Ingenieure untersuchen bereits fortschrittliche Metamaterialien und photonische Kristalle, die für bestimmte Laserwellenlängen entwickelt wurden. Im Prinzip könnten diese Materialien sogar die in der Studie beschriebenen Aberrationseffekte ausnutzen. Sie könnten einem Lichtsegel helfen, seine Ausrichtung automatisch zu korrigieren und seine Flugbahn zu stabilisieren, sodass es innerhalb des Laserstrahls zentriert bleibt.

Ein voll funktionsfähiges interstellares Sonnensegel ist noch weit von der Realität entfernt. Das Reisen über interstellare Entfernungen bringt viele zusätzliche Komplikationen mit sich, einschließlich der Krümmung der Raumzeit, die das Papier ebenfalls vereinfacht. Dennoch ist das Verständnis dieser Hochgeschwindigkeitseffekte ein wichtiger Teil der Bestimmung, wie solche Raumfahrzeuge letztendlich funktionieren könnten. Wenn die Menschheit eines Tages eine Sonde zu einem anderen Stern schickt, werden Ingenieure ein detailliertes Verständnis jeder Kraft benötigen, die ihre Reise beeinflussen könnte.