NASA untersucht Wege zur Realisierung eines „Traktor-Strahls“

Traktor-Strahlen – die Fähigkeit, Objekte mit Laserlicht zu fangen und zu bewegen – gehören in den Bereich der Science-Fiction, aber ein Team aus NASA-Wissenschaftlern hat die finanzielle Unterstützung gewonnen, um das Konzept für das entfernte Einfangen planetarer und atmosphärischer Partikel und deren Übergabe an einen Rover oder ein Raumfahrzeug in der Umlaufbahn zur weiteren Analyse zu untersuchen.

Das NASA Office of the Chief Technologist (OCT) hat dem leitenden Wissenschaftler Paul Stysley und den Teammitgliedern Demetrios Poulios und Barry Coyle vom Goddard Space Flight Center in Greenbelt (Maryland) 100.000 US-Dollar zur Verfügung gestellt, um drei experimentelle Methoden zum Einfangen und Transport von Partikeln zu einem Instrument mittels Laserlicht zu untersuchen – ähnlich wie ein Staubsauger das Vakuum nutzt, um Schmutz zu sammeln und in einen Kanister zu transportieren. Einmal abgegeben, würde ein Instrument dann ihre Zusammensetzung bestimmen.

„Obwohl es ein Hauptpfeiler in der Science-Fiction und insbesondere bei Star Trek ist, ist laser-basiertes Einfangen nicht wirklichkeitsfremd oder übersteigt das aktuelle technologische Know-How“, sagte Stysley. Das Team hat drei unterschiedliche Ansätze zum Transport von Partikeln, einzelnen Molekülen, Viren, Ribonukleinsäuren und voll funktionsfähigen Zellen identifiziert, welche die Kraft des Lichts verwenden.

„Der ursprüngliche Gedanke war, dass wir Traktor-Strahlen benutzen können, um Trümmer in der Umlaufbahn unschädlich zu machen“, sagte Stysley. „Aber etwas so großes zu ziehen, wäre fast unmöglich – zumindest jetzt. Dann kam der Gedanke, dass wir denselben Ansatz vielleicht für das Sammeln von Proben nutzen können.“

Mit der finanziellen Unterstützung für die Phase 1 durch das neu gegründete NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Programm des OCT, was die Entwicklung „revolutionärer“ Weltraumtechnologien vorantreiben soll, wird das Team die Beschaffenheit der Technologie untersuchen um zu bestimmen, welche der drei Methoden sich am Besten für das Sammeln von Proben eignet. Das OCT bekam hunderte Vorschläge und wählte letztendlich nur 30 für die Erstfinanzierung aus.

Diese Animation zeigt, wie eine potenzielle, zukünftige Mission einen Traktor-Strahl einsetzen könnte (NASA’s Goddard Space Flight Center, Conceptual Image Lab)

Ersetzung von aktuellen Probensammelmethoden

Die NASA verwendet derzeit eine Vielzahl von Techniken, um extraterrestrische Proben zu sammeln. Mit Stardust, eine im Jahr 1999 gestarteten Raumsonde benutzte die Agentur Aerogel, um Proben zu sammeln, während sie durch die Koma des Kometen Wild 2 flog. Eine Kapsel brachte die Proben 2006 zurück zur Erde. Der nächste Mars-Rover der NASA, Curiosity, wird Proben aus der Marsoberfläche heraus bohren und anschließend detaillierte Analysen der Materialien mit seinen vielen an Bord befindlichen Instrumenten durchführen, darunter das vom Goddard Space Flight Center konstruierte Sample Analysis at Mars Instrument.

„Diese Techniken haben sich als größtenteils sehr erfolgreich bewährt, aber sie werden durch hohe Kosten und begrenzte Reichweite und Probenanzahl eingeschränkt“, sagte Stysley. „Ein optisches Einfangsystem könnte die erwünschten Moleküle dagegen in der oberen Atmosphäre von einem umkreisenden Raumfahrzeug aus einfangen. Ein Lander könnte sie vom Boden oder der unteren Atmosphäre aus einfangen. Mit anderen Worten, sie könnten fortlaufend Partikel über eine längere Zeitperiode einfangen, was die wissenschaftlichen Ziele erweitern und das Missionsrisiko reduzieren würde.“

Das Team untersucht drei Ansätze

Ein experimenteller Ansatz, den das Team zu untersuchen plant – die optische Vortex oder „optische Pinzettenmethode“ – macht Gebrauch von zwei entgegengesetzten Lichtstrahlen. Die resultierende, ringartige Geometrie hält Partikel im dunklen Kern der überlappenden Strahlen. Durch abwechselndes Verstärken und Abschwächen der Intensität einer der Lichtstrahlen (wodurch die Luft um das gefangene Teilchen erhitzt wird) haben Wissenschaftler in Laborversuchen gezeigt, dass sie die Partikel entlang des Ringzentrums bewegen können. Diese Technik erfordert allerdings die Anwesenheit einer Atmosphäre.

Eine andere Technik benutzt optische Solenoidstrahlen, deren Intensitätsmaxima um die Ausbreitungsachse herum spiralen. Tests haben gezeigt, dass der Ansatz eine Kraft auf die Partikel ausüben kann, die sie in die entgegengesetzte Richtung der Lichtquelle treibt. Mit anderen Worten, die Teilchenmaterie wird am gesamten Lichtstrahl entlang zurück gezogen. Im Gegensatz zur optischen Pinzettenmethode baut diese Technik ausschließlich auf elektromagnetische Effekte und könnte im Vakuum des Weltraums funktionieren, was sie zum Beispiel ideal für die Untersuchung der Zusammensetzung von Material auf einem der luftleeren Planetenmonde macht.

Die dritte Technik existiert nur auf dem Papier und wurde bislang noch nicht im Labor demonstriert, sagte Poulios. Sie verwendet einen Bessel-Strahl. Normale Laserstrahlen erscheinen als kleiner Punkt, wenn sie auf eine Wand treffen. Bei Bessel-Strahlen umgeben Ringe aus Licht den zentralen Punkt. Mit anderen Worten, frontal gesehen, erscheint ein Bessel-Strahl wie die Wellen, die von einem Stein verursacht werden, den man in einen Teich fallen lässt. Der Theorie nach könnte der Laserstrahl elektrische und magnetische Felder im Weg eines Objekts induzieren. Das von diesen Feldern vorwärts gestreute Licht könnte das Objekt rückwärts ziehen, gegen die Bewegung des Strahles selbst.

„Wir wollen sicherstellen, dass wir diese Methoden vollständig verstanden haben. Wir haben Hoffnung, dass eine davon unseren Zwecken dienen wird“, sagte Coyle. „Wenn wir erst eine Technik ausgewählt haben, werden wir in der Position sein, um ein mögliches System zu entwickeln“ und in den Wettbewerb um zusätzliche Fördergelder des NIAC zu gehen, um die Technologie in das nächste Entwicklungsstadium zu bringen. „Wir sind am Startpunkt“, ergänzte Coyle. „Dies ist eine neue Anwendung, die noch niemand verwirklicht hat.“

Quelle: http://www.nasa.gov/topics/technology/features/tractor-beam.html

(THK)