Quanten-Leuchten: Sensationeller Durchbruch beim Warp-Antrieb

Darstellung des Warp-Antriebs

Wir sind der Erforschung des Warp-Antriebs wieder einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler haben einen Durchbruch hinsichtlich des Quanten-Leuchtens gemacht.

Ihr alle kennt den Warp-Antrieb aus Star Trek. Zumindest dürfte euch das charakteristische Aussehen bekannt sein, sobald ein Raumschiff den Warp-Drive betätigt. Diese Optik des Warp-Antriebs, dieses ringförmige Glühen, entsteht durch den sogenannten Unruh-Effekt – und Wissenschaftler haben nun einen großen Durchbruch erzielt. 

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Wie funktioniert der Warp-Antrieb?

Aber immer der Reihe nach: Wie funktioniert überhaupt der Warp-Antrieb? Stellen wir uns zwei Himmelskörper vor, beispielsweise die Erde und den Mond – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. Seit Albert Einstein wissen wir, dass Raum und Zeit nicht statisch sind, sondern gestaucht und gedehnt werden können. Je schwerer etwas ist, desto mehr krümmt es den Raum. Und genau auf diese Art und Weise krümmen auch die Erde und der Mond die Raumzeit. In der Delle, die die Erde erzeugt, kugelt der Mond herum. In der Raumzeitdelle des Mondes wiederum könnte man mondgebundene Sateliten oder Raumstationen platzieren, die dann den Mond umkreisen. 

Die Erde krümmt den Raum wie bei einem Trampolin

Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich doch zunutze machen, um gigantische Strecken zu verkürzen. Und genau das tut der Warp-Antrieb aus Star Trek, ein bisschen wie ein Wurmloch, aber nicht ganz. Die USS Enterprise macht das Ganze wie folgt: in Reiserichtung wird die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer sogenannten Warp-Blase, in der die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Also eine Art transportable Raumzeitkrümmungsvorrichtung. Innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Gesetze der klassischen Physik würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff selbst nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Genial. 

Einem Kurztrip nach Proxima Centauri steht aber leider noch im Wege, dass die allermeisten Aspekte des Warp-Antriebs technisch noch nicht umsetzbar sind. Bis jetzt. Forscher der Universität Waterloo in Kanada haben einen großen Durchbruch erzielt. Das hat etwas – und jetzt festhalten – mit dem Fulling-Davies-Unruh-Effekt zu tun. 

Was ist der Unruh-Effekt?

Der Unruh-Effekt besagt Folgendes: Ein im Vakuum gleichmäßig beschleunigter Beobachter sieht anstelle des Vakuums ein Gas von Teilchen (wie Photonen, Elektronen, Positronen) mit einer Temperatur, die proportional zur Beschleunigung ist. Im Prinzip bezeichnet diese Formel das, was wir beim Warp-Drive bei Star Trek sehen oder auch in etwas weniger wissenschaftlich akkurater Form bei Star Wars, wenn der Hyperantrieb gestartet wird. Man könnte das Ganze auch etwas einfacher als Quantenleuchten bezeichnen. Klingt auch irgendwie romantischer. 

Formel des Unruh-Effekts

Was bedeutet Quantenleuchten?

Quantenleuchten bedeutet im Prinzip einfach nur Folgendes: Ein Körper, zum Beispiel die USS Enterprise, der sich schnell durch das Vakuum des Weltraums bewegt, sollte als Folge der Beschleunigung eine warme Strahlung erzeugen. Diese Strahlung kommt durch Quantenwechselwirkungen und Fluktuationen im Raum zustande, also durch Effekte auf der allerkleinsten Ebene, der Quantenebene. Noch einfacher gesagt: Wenn ein Raumschiff auf Warp-Speed beschleunigt, dann fängt es zu leuchten an. 

Jetzt aber das Problem: Dieser Unruh-Effekt, das Quantenleuchten, war bislang rein theoretisch beschrieben worden. Um diesen Effekt auf atomarer Ebene zu beobachten, müsste ein Atom in weniger als einer Millionstel Sekunde auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Ziemlich schwierig, versucht mal ein Atom so schnell zu beschleunigen… Dieser Effekt ist verwandt mit der sogenannten Hawking-Strahlung bei Schwarzen Löchern. Barbara Šoda, Doktorandin der Physik an der University of Waterloo, die an der Forschung zum Unruh-Effekt beteiligt war, sagt: “Man geht davon aus, dass Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind. Wie Stephen Hawking entdeckte, sollten Schwarze Löcher stattdessen Strahlung aussenden. Das liegt daran, dass einem Schwarzen Loch zwar nichts anderes entkommen kann, wohl aber Quantenfluktuationen der Strahlung.”

Unruh-Effekt auf atomarer Ebene

Das ist also eine ganz ähnliche Quantenfluktuation wie diejenige, die bei der Beschleunigung mit Warp-Drive entstehen würde. Das Forscherteam der University of Waterloo hat nun herausgefunden, dass es einen Weg gibt, den Unruh-Effekt zu stimulieren, damit er unter weniger extremen Bedingungen direkt untersucht werden kann, also ein Mini-Warp-Leuchten zu erschaffen. Um das zu verstehen, müssen wir uns kurz den Unterschied zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik ansehen. 

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Während die klassische einsteinsche Physik wunderbar die großen Abläufe im Kosmos erklärt, die Einflüsse von Zeit und Raum, Ihr erinnert euch an die Raumzeitdelle, ist die Quantenmechanik die passende Theorie für die Abläufe im ganz Kleinen, auf Elementarteilchenebene. Oftmals stehen klassische Physik und Quantenmechanik im Widerspruch, da die Regeln der klassischen Physik für kleinste Teilchen nicht zu gelten scheinen. Es ist eine der großen Aufgaben der modernen Physik eine Verbindungstheorie zwischen einsteinscher Physik und Quantenmechanik zu finden und der Unruh-Effekt liegt genau an der Grenze zwischen den Quantengesetzen und der allgemeinen Relativitätstheorie. 

Atome im Vakuum

Stellt euch mal ein Atom im Vakuum vor. Wie sich ein Atom im Vakuum verhält, hängt davon ab, ob wir die Situation durch die Brille der Quantenmechanik oder durch die Brille der einsteinschen Physik betrachten. Nach den Gesetzen der Quantenphysik müsste das Atom darauf warten, dass ein eintreffendes Photon, ein Lichtteilchen, sein elektromagnetisches Feld durchdringt und seine Elektronen zum Wackeln bringt. Dann wäre das Atom erleuchtet oder angeregt.  Wenn wir die Relativitätstheorie, also die klassische Physik, berücksichtigen, gibt es eine Möglichkeit zu schummeln. Durch einfache Beschleunigung könnte ein Atom die kleinsten Erschütterungen im umgebenden elektromagnetischen Feld als Photonen mit niedriger Energie erleben und dadurch angeregt werden. Bislang gingen die Quantenphysiker aber davon aus, dass dieser Effekt, die Anregung des Atoms durch einfache Bewegung absolut vernachlässigbar sei und sich auf Quantenebene auf Dauer ausgleichen würde. Pustekuchen, genau das hat das Forscherteam der Uni Waterloo nun widerlegt. Sie fanden heraus, dass diese normalerweise vernachlässigbaren Bedingungen bei der Beschleunigung eines Atoms weitaus bedeutender werden und sich sogar als dominante Effekte durchsetzen können. Dafür haben sie ein Atom auf die richtige Art und Weise mit einem starken Laser gekitzelt. Und haben dadurch bewiesen, dass es möglich ist, diese Wechselwirkungen durch Bewegung zu nutzen, um bewegte Atome den Unruh-Effekt erleben zu lassen, ohne dass große Beschleunigungen erforderlich sind. Einfacher gesagt – für die Physik-Noobs: Sie haben es geschafft das Warp-Leuchten der USS Enterprise auf Atomebene zu stimulieren, ohne dabei wirklich Warpspeed erreichen zu müssen. Wahnsinn. 

Und obwohl es super cool ist, dass wir einen Bestandteil des Warp-Speeds im Labor nachahmen konnten, ist das fazinierendste und wichtigste an der Entdeckung vermutlich, dass es ein Schritt hin zur Vereinheitlichung von klassischer Physik und Quantenmechanik ist. Der beteiligte Forscher  Vivishek Sudhir sagt: “Seit über 40 Jahren werden Experimente dadurch behindert, dass die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Gravitation nicht erforscht werden kann. Wir haben hier eine praktikable Möglichkeit, diese Schnittstelle in einer Laborumgebung zu erforschen. Wenn wir einige dieser großen Fragen klären können, könnte das alles verändern.”

Wollt ihr mehr über dieses spannende Thema erfahren? Dann schaut doch mal dieses Video von Astro-Tim an:

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Durchbruch bei Kernfusion: Neuer Reaktortyp entwickelt

Die NASA hat eine revolutionäre Kernfusions-Technologie entwickelt. Sind wir damit kurz davor, all unsere Energieprobleme zu lösen? 

Wer an die NASA denkt, hat vielleicht die Mondlandungen vor Augen, oder die Voyager-Sonden, die weit außen im Sonnensystem umherschwirren – aber eher weniger Kernfusionstechnologien. Doch es sieht so aus, als könnte es ausgerechnet die Weltraumbehörde NASA sein, die uns den entscheidenden Durchbruch bei der Kernfusion beschert. Bevor wir uns dem revolutionären Verfahren der NASA widmen, schauen wir uns erst mal an, welche derzeitigen Kernfusionsmethoden es gibt. 

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Die Kernfusion klingt zu schön, um wahr zu sein – sie bietet alle Vorteile der Kernenergie: keine Kohlendioxidemissionen, kompakte Größe, sofort abrufbare Energie und sehr hohe Leistung, ohne die Nachteile wie Kernschmelzen, radioaktive Abfälle oder gefährliche Brennstoffe. 

Wie funktioniert Kernfusion? 

Bei der Kernfusion werden zwei Atome mit so viel Kraft aufeinander gepresst, dass ihre Atomkerne zu einem neuen Kern verschmelzen und dabei setzen sie unglaubliche Energiemengen frei. Die Kernfusion treibt zum Beispiel unsere Sonne an, aber selbst dort gelingt der Fusionsprozess nur im Inneren der Sonne. Dort herrschen unfassbare Temperaturen und ein hoher Druck, so dass dort Wasserstoff zu Helium fusionieren kann. 

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Wenn wir diesen Prozess auf der Erde nachahmen könnten, wären unsere Energieprobleme für immer gelöst. Doch da auf der Erde ganz andere Bedingungen als im Inneren unserer Sonne herrschen, ist das einfacher gesagt als getan. Man versucht eine effiziente Kernfusion auf der Erde bislang mit verschiedenen Verfahren zu erreichen. Magnetische Einschlussreaktoren und magnetische Zielreaktoren verwenden massive supraleitende Magnete, um das Wasserstoffplasma mit genügend Kraft zusammenzudrücken, um eine Fusion zu erzeugen. Die erforderliche Energie für die Kühlung der Magneten ist allerdings enorm. 

Dann gibt es noch Reaktoren mit internem Einschluss, die Laser verwenden, um eine kleine, mit Wasserstoff gefüllte Kapsel auf irrsinnige Temperaturen zu erhitzen, die die Fusion auslösen. Aber auch hier das Problem: Diese starken Laser benötigen jede Menge Energie, um zu funktionieren. Die Diskrepanz zwischen der immensen Energie, die man in den Fusionsprozess hineinstecken muss und die relativ geringe Energie, die man bislang heraus bekam, sind das große Problem, das die Kernfusionsforschung lösen muss. Vielleicht sind wir nun durch die Technologie der NASA der Lösung des Problems einen Schritt näher gekommen.

NASA: Neuer Reaktortyp entwickelt

NASA sucht Energiequelle für Sonden

Wie kommt da jetzt die NASA ins Spiel? Auf der Suche nach einem neuen Weg, ihre Weltraumsonden mit Energie zu versorgen, haben NASA-Wissenschaftler eine Möglichkeit gefunden, einen Fusionsreaktor zu bauen, der viel einfacher, viel kompakter und potenziell viel effizienter ist als alle anderen, die wir heute haben. Die geniale Erfindung der NASA-Ingenieure trägt den Namen Gittereinschlussreaktor. Der Gittereinschluss ist ein viel eleganterer und leistungsärmerer Weg, um Wasserstoffatome so dicht zu machen, dass sie fusionieren können. 

Um das zu verstehen, müssen wir uns logischerweise mal auf die atomare Ebene begeben. Für den Gittereinschluss wird ein Metallgitter verwendet. Auf molekularer Ebene haben alle Metalle eine Kristallstruktur. Das bedeutet, dass die Atome in einem einheitlichen, sich wiederholenden Muster, dem so genannten Gitter, angeordnet sind. Wasserstoff kann in bestimmte Metallgitter gedrückt werden und die Räume zwischen den Metallatomen besetzen. Besonders gut funktioniert das mit dem metallischen Element Erbium, da hier die metallischen Bindungen den Wasserstoff sehr eng zusammenpressen. 

Gitterstruktur auf Molekularebene

Mit Gammastrahlen zur Kernfusion

Wenn man Wasserstoff in so ein Erbiumgitter presst, dann bezeichnet man das als deuteriertes Erbium. Die Wasserstoffatome sind in diesem deuterierten Erbium eng zusammengequetscht. Das reicht fast schon dafür, dass die Wasserstoffatome fusionieren, aber noch nicht ganz. Aber dieses fehlende Quäntchen für die Fusion konnte die NASA extern hinzufügen. Die NASA-Ingenieure mussten lediglich einige Gammastrahlen auf das deuterierte Erbium schießen. 

Einige dieser Gammastrahlen treffen direkt auf ein Wasserstoffatom und bewirken, dass es „dissoziiert“, sich also in ein schnelles Neutron und ein Proton verwandelt. Das schnelle Neutron stößt mit einem anderen Wasserstoffatom zusammen und wird mit hoher Geschwindigkeit weggeschleudert. Dieses neue Hochgeschwindigkeits-Wasserstoffatom stößt dann mit genügend Kraft auf ein anderes, und: BÄMS! Die Fusion wird ausgelöst. 

Das bedeutet: Ohne riesige Laser oder supraleitende Magnete konnte die NASA mit einem einfachen Metallstück und einem Gammastrahl einen Kernfusionsreaktor bauen. Und das ist natürlich auch der große Vorteil des Gittereinschlussreaktors: Er ist im Gegensatz zu anderen Kernfusionsreaktoren einfach und kostengünstig zu bauen und natürlich auch viel schneller zu skalieren als beispielsweise so ein Riesenprojekt wie der ITER-Reaktor, an dem mittlerweile schon Jahre gebaut und geplant wird. 

Gelände des ITER Reaktors

Warum pflastern wir nicht die Erde mit Gittereinschlussreaktoren voll? 

Gute Frage! Die NASA arbeitet dran. Die ersten Experimente, die beweisen, dass es überhaupt funktioniert, wurden im Jahre 2020 durchgeführt. Jetzt muss die NASA herausfinden, wie man die Anzahl der Fusionsereignisse im Erbium-Gitter erhöht und wie man die Energie effizient extrahiert – beides ist nicht einfach. Grundsätzlich muss man also leider festhalten, dass der Gittereinschlussreaktor am selben Problem krankt wie die anderen Kernfusionsmethoden: Es kommt am Ende noch nicht mal annähernd genügend Energie dabei raus. 

Aber der Gittereinschlussreaktoren ist dennoch eine der vielversprechendsten Methoden, da er vergleichsweise simpel zu bauen ist und dadurch die anderen Methoden übertrifft. Und wenn es funktionieren würde? Dann würden wir die Raumfahrt revolutionieren. Plötzlich könnten alle Raumfahrzeuge mit einer kleinen, leichten Energiequelle ausgestattet werden, die über Monate oder sogar Jahre hinweg eine hohe Leistung erbringen kann. Eine solche Technologie wäre eine große Hilfe für die Menschen, die versuchen, den Mars zu ihrer Heimat zu machen. Dann könnte man mal eben mit dem Gittereinschluss-Shuttle zum Mars rüber jetten. Und diese Technologie würde natürlich auch das Leben auf der Erde revolutionieren. Sollte der Energieerzeugungsdurchbruch gelingen, könnte die Welt also unfassbar schnell auf Kernfusion umsteigen – bei den anderen Methoden müssten erst mal aufwendige Fusionsanlagen errichtet werden, was mehrere Jahrzehnte dauern dürfte. 

Wollt ihr mehr über das Thema Kernfusion wissen? Dann schaut euch dieses Video einmal an:

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