PHYSIK DES WARP-ANTRIEBS

Aus der aktuellen Forschung und über die Technik von übermorgen.
Antworten
Benutzeravatar
Alexis
Beiträge: 1896
Registriert: Mo Mai 24, 2010 5:48 pm

PHYSIK DES WARP-ANTRIEBS

Beitrag von Alexis »

Energie!
Lange war er bloß eine Spinnerei von Sciencefiction-Fans. Jetzt haben sich Forscher den Warp-Antrieb nochmal genauer angesehen. Und die Idee damit etwas näher an die Wirklichkeit gebracht.
von Robert Gast

Für Erik Lentz fing alles mit »Star Trek« an. Der Weltraum, unendliche Weiten – aber leider auch riesige Distanzen. Es sei denn, man sitzt auf der Brücke der USS Enterprise. Alle paar Folgen hebt Kapitän Jean-Luc Picard die Hand und sagt: »Warp 9, Energie!« Die Sterne werden zu Strichen, die Lichtjahre fliegen dahin. Und der Grundschüler Erik Lentz fragt sich, ob das auch in echt funktioniert.
»Irgendwann ist mir klar geworden, dass die Technologie dafür nicht existiert«, erinnert sich der 33-jährige US-Amerikaner heute. Lentz studierte Physik, schrieb eine Doktorarbeit über Dunkle Materie und war eigentlich viel zu beschäftigt, um sich Gedanken über Sciencefiction zu machen. Doch dann, zu Beginn der Corona-Pandemie, fand er sich als isolierter Postdoc in Göttingen wieder, mit viel Freizeit und den Flausen aus seiner Kindheit im Kopf.
300 Jahre zu früh geboren
Erst las er die überschaubare Zahl wissenschaftlicher Aufsätze, die bis dato zum Warp-Antrieb erschienen waren. Dann machte er sich selbst Gedanken. Nach ein paar Wochen fand er etwas, das alle vor ihm übersehen hatten. Lentz brachte seine Idee zu Papier, besprach sie mit älteren Kollegen. Und veröffentlichte sie schließlich in einer Fachzeitschrift, begleitet von einer Pressemitteilung der Universität Göttingen.
Schnell wurde deutlich: Nicht nur Erik Lentz träumt vom Warp-Antrieb. Medien in aller Welt berichteten über seinen Vorschlag, ein Dutzend Redaktionen fragte für ein Interview an. Eine Diskussion im Onlineforum Reddit brachte es auf 2700 Kommentare und 33 000 Empfehlungen. Ein Internetnutzer schrieb: »Hat sonst noch jemand das Gefühl, dass wir 300 Jahre zu früh geboren wurden?«
Klar, heute ist das Universum viel zu groß für den Menschen. Bis zu unserem Nachbarstern Proxima Centauri braucht ein Lichtstrahl mehr als vier Jahre. Mit den besten verfügbaren Antrieben wäre man zehntausende Jahre unterwegs. Da kann man noch so sehr von Kolonien in anderen Sternsystemen träumen – diese Reise tritt niemand an.
Aber vielleicht geht es ja eines Tages schneller. Ideen gibt es viele, von per Laser beschleunigten Sonnensegeln bis hin zu nuklearen Antrieben. Doch selbst mit ihnen käme man in einem Menschenleben nicht allzu weit. Nein, die Galaxie steht nur dem offen, der ähnlich schnell wie das Licht reist. Oder schneller.
Eine Blase in Raum und Zeit
Und so machen sich fantasiebegabte Physiker seit Langem Gedanken über den ultimativen Antrieb. Über eine Blase in Raum und Zeit, in der ein Raumschiff von Sonne zu Sonne flitzen könnte, so wie die Enterprise. Es ist Forschung an der Grenze der Wissenschaft: Nicht zwangsläufig falsch, aber gewürzt mit einer großen Prise Optimismus.
Dass sich heute überhaupt Wissenschaftler mit der Idee befassen, ist einem Fachaufsatz von Miguel Alcubierre aus dem Jahr 1994 zu verdanken. Der mexikanische Physiker schaute damals nicht nur leidenschaftlich gerne »Star Trek«. In seiner Doktorarbeit an der Cardiff University befasste Alcubierre sich auch mit der Relativitätstheorie. Auf den ersten Blick besagt sie, dass nichts schneller als das Licht reisen sollte. Doch mit etwas Kreativität lässt sich ein Schlupfloch finden.
Denn laut Albert Einsteins Jahrhundertwerk leben wir in einer vierdimensionalen »Raumzeit«, die nicht statisch ist, sondern von Massen verbeult wird wie eine Tischdecke. Alles, was sich über das Tischtuch bewegt (beziehungsweise durch die Raumzeit), kann nur bis zu dem vom Licht vorgegebenen Tempolimit beschleunigen. Das Tischtuch selbst lässt sich hingegen beliebig schnell verformen, wie das Universum in manchen Situationen selbst beweist.

Für die allermeisten Physiker hatte sich das Gedankenspiel damit erledigt. Denn laut Quantentheorie kann Energie – die laut Einsteins Formel E=mc2 nichts anderes ist als entfesselte Masse – zwar durchaus einen negativen Wert annehmen. Allerdings scheint sie dies nur in seltenen Spezialfällen zu tun, und das auch nur tief im Mikrokosmos, etwa beim so genannten Casimir-Effekt. Die Mengen, um die es dabei geht, sind so winzig, dass jede technische Anwendung absurd erscheint.
Miguel Alcubierre, heute Physikprofessor in Mexiko, sah das freimütig ein: »Im Sinn einer potenziellen Technologie lässt die Idee sehr zu wünschen übrig«, schrieb er einmal. Er widmete seine Karriere daher lieber etablierten Phänomenen, Schwarzen Löchern zum Beispiel. Sein Warp-Antrieb-Konzept hingegen blieb ein großes Faszinosum, vor allem bei Trekkies. Und bei ein paar Gravitationsphysikern am Rand des Mainstreams, die an Alcubierres Idee herumdokterten und gelegentlich Abwandlungen davon veröffentlichten.
Der Fluch der negativen Energie
So gelang es immerhin, die benötigte Masse so weit zu verringern, dass unsere Sonne als Baumaterial ausreichen würde. Doch keine der Arbeiten schaffte es, ohne negative Energie auszukommen – bis sich Erik Lentz im Göttinger Lockdown der Sache annahm. In der erzwungenen Isolation fand der 33-Jährige eine Möglichkeit, eine Warp-Blase mit ausschließlich positiver Energie zu konstruieren – und könnte damit den Warp-Antrieb von seinem größten Stigma befreit haben.
Möglich macht es eine besondere Geometrie der Raumzeit, die Lentz in den Tiefen der allgemeinen Relativitätstheorie entdeckt hat. Genauer: in den einsteinschen Feldgleichungen. Mit ihnen kann man berechnen, wie eine bestimmte Materie- und Energieverteilung die Raumzeit verformt. Oder man dreht wie Alcubierre den Spieß um und ermittelt, was man an Masse und Energie benötigt, um die ersehnte Krümmung des Alls zu erhalten.
Da man es mit einem dynamischen, vierdimensionalen Gebilde zu tun hat, ist das Ganze sehr kompliziert: Schreibt man Einsteins Formeln in ihrer vollen Länge aus, entpuppen sie sich als Wust ineinander verschachtelter Differenzialgleichungen mit tausenden Termen. Je nachdem, welche Annahmen man zu einer bestimmten physikalischen Situation trifft, berücksichtigt man nur einen Teil von ihnen – eine schier endlose Spielwiese für Theoretiker.
Erik Lentz hat sich gezielt jene Annahmen angesehen, die in Alcubierres Arbeit zu Termen mit negativer Energie führten. Wie sein mexikanischer Kollege zerlegte er die Raumzeit zunächst in gestapelte Schichten. Und stellte fest: Alcubierre berücksichtigte nur vergleichsweise einfache, »lineare« Beziehungen zwischen den Komponenten eines Vektors, mit dem sich eine Lage in die nächste überführen lässt. Wählt man hier komplexere, »hyperbolische« Relationen, die oft schnell veränderliche Größen ausdrücken, erhält man eine andere Warp-Blase als die von Alcubierre. Sie benötigt zwar immer noch enorme Mengen an Masse und Energie – allerdings nur positive. »Ich war sehr überrascht, dass das vor mir niemand versucht hat«, erzählt Lentz.
Ein Vogelschwarm aus komprimierter Raumzeit
Die von ihm erarbeitete Blase sähe anders aus als die aus dem Jahr 1994: Sie wäre von einem unruhigen Vogelschwarm aus rautenförmigen Regionen mit veränderter Raumzeit umgeben. Dazu müsste man eine komplizierte Schichtung aus Ringen und Scheiben in Stellung bringen, sagt Lentz. Diese bestünden dann allerdings nicht aus einem festen Material, sondern aus einer extrem dichten Flüssigkeit aus geladenen Teilchen, ähnlich wie sie im Inneren von Neutronensternen existiert.
Damit ist der Warp-Antrieb immer noch unendlich weit von einer technischen Anwendung entfernt. Aber da nun keinerlei exotische Materie mit negativer Energiedichte mehr nötig ist, bewegen sich die Gedankenspiele zumindest im Bereich der etablierten Physik. Miguel Alcubierre beschreibt Lentzs Paper gegenüber »Spektrum.de« daher als »sehr wichtige Entwicklung«. Auch sein Kollege Francisco Lobo von der Universität Lissabon, der ein Fachbuch zum Warp-Antrieb herausgegeben hat, kann keine offensichtlichen Fehler entdecken: »Sollten die Behauptungen belastbar sein, würde das interessante neue Forschung zur Physik von Warp-Antrieben ermöglichen.«
Lentz hat mit seiner Idee sogar Interesse bei Forschenden außerhalb der kleinen Gemeinschaft der Warp-Antrieb-Enthusiasten geweckt, etwa bei Lavinia Heisenberg, Kosmologie-Professorin an der ETH Zürich. Sie und ihr Student Shaun Fell fanden Lentzs Paper so spannend, dass sie darauf aufbauend eigene Warp-Blasen mit positiver Energie entworfen haben, die sogar nur einem Hundertstel der Masse unserer Sonne auskämen.
»Im Grunde ist die Sache viel weniger mysteriös als die meisten Leute vermuten«, findet auch Alexey Bobrick, Astrophysiker an der Universität Lund. Gemeinsam mit dem New Yorker Finanzinvestor Gianni Martire stieß er bereits 2020 auf aussichtsreiche Lösungen der einsteinschen Feldgleichungen. Demnach braucht man für eine Warp-Blase bloß eine geschickt geformte Schale aus einem dichten Material, die die Raumzeit in ihrer unmittelbaren Umgebung krümmt – und inner- und außerhalb davon in ein vergleichsweise flaches Weltall mündet.
Wenn die Zeit langsamer vergeht
Das »vergleichsweise« scheint dabei der springende Punkt zu sein: Alcubierre und spätere Warp-Architekten gingen von einem abrupten Übergang zwischen der stark gekrümmten Raumzeit in der Wand der Blase und dem flachen Inneren und Äußeren aus. Damit stutze man das Gravitationsfeld jedoch auf unnatürliche Weise zurecht, finden Bobrick und Martire. Die Folge: Nur große Mengen negativer Energie können die Wölbung in Raum und Zeit stabilisieren.
Löst man sich hingegen von einer cartoonhaften Seifenblasenoptik, sind plötzlich auch Warp-Blasen auf Basis gewöhnlicher Materie denkbar. Ihr Gravitationsfeld würde nicht einfach verschwinden, wenn man sich von der Wand der Schale entfernt, sondern nach und nach abklingen. Die Raumzeit wäre also auch im Inneren noch gekrümmt. Reisende in einem Raumschiff, das sich genau in der Mitte der Blase befindet, würden dies wohl vor allem am Verstreichen der Zeit bemerken: Ihre Uhren gingen langsamer als im restlichen Weltall, laut Relativitätstheorie eine Begleiterscheinung von Gravitation.
Das mag noch im Sinn einer Reise zu einem weit entfernten Ziel sein. Nicht so andere Überlegungen, die Bobrick und Martire anstellen. So sei bisher keine Möglichkeit bekannt, eine Warp-Blase auch wirklich auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Alle bisherigen Ideen zu dem Thema setzten einfach voraus, dass sich die Wölbung in der Raumzeit bereits mit hohem Tempo fortbewegt.
»Keiner der physikalisch denkbaren Warp-Antriebe kann auf Überlichtgeschwindigkeit beschleunigen«, sagt Bobrick. Denn dafür müsste man Materie mit Überlichtgeschwindigkeit ausstoßen – wozu sich keines der uns bekannten Teilchen eignet, da diese maximal mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sein können. Und mehr noch: Aus dem Raumschiff selbst ließe sich die Blase gar nicht beeinflussen, zumal die Insassen wegen der extrem starken Raumkrümmung den Kontakt zur Außenwelt verlieren.
Auch Erik Lentz sieht beides als Problem an, glaubt aber an eine Lösung. Bobrick verweist derweil darauf, dass man auch mit einem Drittel oder der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit zu den Sternen reisen könne – erst recht, wenn die Zeit für die Menschen in der Warp-Blase langsamer vergeht. Dass dadurch alle auf der Erde zurückgebliebenen Verwandten wohl noch vor der Rückkehr an Altersschwäche sterben würden – geschenkt. »Völlig verrückt ist die Sache jedenfalls nicht mehr«, findet der Astrophysiker aus Lund.
Andererseits ist längst nicht alles, was laut Relativitätstheorie möglich erscheint, auch real und technisch umsetzbar. So lassen sich mit Einsteins Feldgleichungen auch »weiße« Löcher (die Antithese zu ihren schwarzen Pendants), Einstein-Rosen-Brücken (besser bekannt als Wurmlöcher) und andere exotische Veränderungen der Raumzeit beschreiben, die allerdings noch niemand gesehen hat. Womöglich, weil noch unbekannte Naturgesetze derartige Phänomene verhindern.
Von der Theorie zur Praxis
Mancher Forscher findet daher, dass man es nicht übertreiben sollte mit der Fantasterei. Der Raumantriebexperte Martin Tajmar von Technischen Universität Dresden sieht beispielsweise keine praktische Bedeutung in den aktuellen Arbeiten zum Warp-Antrieb. Sie seien wegen der riesigen Massen, um die es geht, einfach zu weit von dem entfernt, was man auf der Erde testen könne.
Altgediente Warp-Antrieb-Forscher sehen ihre Arbeit daher auch weniger als Vorbereitung für konkrete Experimente, sondern als Möglichkeit, die Grenzen der Relativitätstheorie auszuloten. Dabei seien spekulative »Gedankenexperimente«, wie sie schon Einstein liebend gerne durchführte, zweifellos sinnvoll, argumentiert Francisco Lobo.
Erik Lentz wiederum arbeitet aktiv darauf hin, seine Idee näher an eine technische Anwendung zu bringen. Zwar hat er nach seinem Forschungsaufenthalt in Göttingen einen Job in einer IT-Firma angenommen. Doch in seiner Freizeit macht er sich weiter Gedanken dazu, wie man eine Wölbung in der Raumzeit auf Überlichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte und wie sich die Energieanforderungen senken ließen.
Daneben plädiert er dafür, sich die Umgebung von Neutronensternen ganz genau anzusehen. Es könnte ja sein, dass die ultrakompakten Sternleichen manchmal jene Blasen ins All schleudern, die er in seinem Aufsatz beschreibt. »Solange man sich nicht von Wunschdenken in die Irre führen lässt, ist der Warp-Antrieb eine Forschungsrichtung wie jede andere auch«, findet er.
Jean-Luc Picard würde es vermutlich ähnlich sehen. »Dinge sind nur so lange unmöglich, bis sie es nicht mehr sind«, sinniert er in einer Folge von »Star Trek«. Aber das lässt sich auch leicht sagen, wenn man 300 Jahre in der Zukunft lebt.
Quelle: https://www.spektrum.de/news/energie-di ... bs/1866733

Antworten