Lichtgetrieben ins All: Texanisches Forschungsteam erprobt Antrieb der Zukunft
Licht hat keinen Treibstoff, kein bewegliches Teil, kein Gewicht. Und genau deshalb könnte es die Grundlage für eine völlig neue Art von Raumfahrtantrieb werden. Forscher:innen der Texas A&M University haben winzige Geräte entwickelt, die sich allein durch Laserlicht bewegen lassen, und zwar in alle drei Raumrichtungen gleichzeitig. Die sogenannten Metajets sind kleiner als die Breite eines menschlichen Haares, aber die physikalischen Prinzipien hinter ihnen könnten eines Tages Raumsonden zu den Sternen tragen.
Der Bewegungsimpuls kommt nur von Licht
Dass Licht einen Druck auf Materie ausüben kann, ist seit über einem Jahrhundert bekannt. Die NASA und die japanische Raumfahrtbehörde JAXA haben dieses Prinzip bereits mit Sonnensegeln demonstriert, die sich durch den sanften, aber kontinuierlichen Schub des Sonnenlichts fortbewegen. Das Grundprinzip ist dabei vergleichsweise simpel: Wenn Licht von einer Oberfläche reflektiert wird, überträgt es dabei Impuls auf das Objekt – ähnlich wie ein Tischtennisball, der von einer Wand abprallt und diese dabei leicht zurückschiebt. Die eigentliche Herausforderung liegt nicht im Antrieb selbst, sondern in der präzisen Steuerung der entstehenden Bewegung.
Genau hier setzen die Metajets an. Sie bestehen aus sogenannten Metaoberflächen: hauchdünne Materialien, deren Oberfläche mit nanoskaligen Strukturen gemustert ist, die einfallendes Licht in ganz bestimmte Richtungen umlenken. Dr. Shoufeng Lan, der das Labor für Fortgeschrittene Nanophotonik an der Texas A&M University leitet und die Studie im Fachjournal Newton veröffentlichte, erklärt das Funktionsprinzip so: Die Steuerung ist nicht ins Licht selbst einprogrammiert, sondern ins Material. Je nach Muster der Nanostrukturen lassen sich Kräfte in unterschiedliche Richtungen erzeugen: vorwärts, seitwärts, nach oben. Im Experiment konnten die Metajets durch Laserbeleuchtung gleichzeitig levitieren und sich seitlich fortbewegen, ganz ohne Treibstoff, Motor oder physischen Kontakt.
Ein Novum in der Raumfahrt: Dreidimensionale Manövrierfähigkeit
Was die Arbeit des Teams besonders auszeichnet, ist die vollständige dreidimensionale Manövrierfähigkeit. Bisherige optische Antriebssysteme konnten Objekte in der Regel nur in einer Richtung schieben oder fixieren. Dass ein Gerät allein durch Lichtdruck in allen drei Raumrichtungen gesteuert werden kann, gilt als erstmaliger experimenteller Nachweis dieser Art. Ähnliche Forschungsgruppen in Europa sowie am California Institute of Technology und am Rochester Institute of Technology arbeiten zwar an verwandten Konzepten, konzentrieren sich dabei aber auf Stabilität oder andere Plattformdesigns. Den Ansatz, die Steuerung direkt in die Materialeigenschaften einzubauen, verfolgt das texanische Team als eigenständigen Beitrag zur Grundlagenforschung.
Besonders relevant für zukünftige Anwendungen ist eine Eigenschaft der erzeugten Kraft: Sie hängt von der Leistung des eingestrahlten Lichts ab, nicht von der Größe des Geräts. Das bedeutet, dass die zugrundeliegende Physik im Prinzip auch auf größere Systeme übertragbar ist, sofern ausreichend Laserleistung zur Verfügung steht. Die Herstellung der Metaoberflächen erforderte Nanopräzision in Form, Ausrichtung und Platzierung jeder einzelnen Struktur und wurde in der AggieFab-Nanofabrikationsanlage der Texas A&M University durchgeführt. Tests fanden in einer Flüssigkeitsumgebung statt, um den Schwerkrafteinfluss zu kompensieren und die Bewegung besser beobachten zu können.
Alpha Centauri in zwanzig Jahren?
Das nächste Sternsystem, Alpha Centauri, liegt rund 4,37 Lichtjahre von der Erde entfernt. Mit heutigen Raumfahrzeugen würde eine solche Reise Zehntausende von Jahren dauern. Laserlichtantriebe könnten theoretisch eine winzige, massenarme Sonde auf etwa zwanzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und damit die Reisezeit auf ungefähr zwei Jahrzehnte verkürzen. Lan und sein Team sehen ihre Experimente als Grundstein in diese Richtung, auch wenn der Weg von mikroskopischen Labormessungen zu einem echten interstellaren Antriebssystem noch enorm weit ist. Notwendig wären unter anderem immens leistungsstarke Lasersysteme, Materialien, die extremer Lichteinstrahlung standhalten, und Navigationslösungen für Sonden bei bisher unerreichten Geschwindigkeiten. Das Team arbeitet derzeit daran, externe Förderung zu erhalten, um Experimente unter Schwerelosigkeit durchführen zu können – ein nächster logischer Schritt, um die Ergebnisse aus dem Labor in Richtung Weltraum weiterzuentwickeln.
