Ein Raumschiff innerhalb eines menschlichen Lebens zu einem anderen Stern zu bringen, erfordert weit mehr als chemische Raketen – und von leistungsstarken Lasern angetriebene Solarsegel gehören zu den führenden Kandidaten. Doch eine neue Arbeit von Forschern des Harbin Institute of Technology offenbart eine grundlegende physische Barriere, die ihre Höchstgeschwindigkeit begrenzen könnte.
Chao Shen und Jiaze Li modellierten die Kräfte, die auf ein idealisiertes Lichtsegel bei relativistischen Geschwindigkeiten wirken. Sie teilten die Photonenkräfte in drei Komponenten ein: Druck des einfallenden Lichts, spekuläre Reflexion und diffuse Streuung. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten schieben alle drei das Segel nach vorne. Doch die Physik ändert sich drastisch bei rund 75 % Lichtgeschwindigkeit.
Bei diesem Schwellenwert verursacht die relativistische Lichtaberration – eine Folge der speziellen Relativitätstheorie –, dass diffus gestreute Photonen in Vorwärtsrichtung, in die Bewegungsrichtung, gelenkt werden. Wegen Newtons drittem Gesetz erzeugt diese vorwärts gerichtete Strahlung eine Kraft, die der Bewegung entgegenwirkt. Diffuse Streuung, die schwächste der drei Kräfte, wirkt nun als Widerstand.
Der Laser liefert weiterhin einen vorwärtsgerichteten Schub, sodass die Gesamtkraft nie negativ wird. Allerdings sinkt der Wirkungsgrad des Antriebssystems erheblich, was eine praktische Obergrenze für die Geschwindigkeit eines lasergetriebenen Lichtsegels schafft.
