Warp-Antrieb

Künstlerische Darstellung eines Raumschiffes beim Übergang in Warpgeschwindigkeit

Unter einem Warp-Antrieb (englisch to warp „verzerren“, „krümmen“) versteht man im Allgemeinen einen Antriebsmechanismus, der Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit durch gezieltes Krümmen der Raumzeit ermöglicht.

Die Vereinbarkeit des Antriebskonzeptes mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Raumzeit und deren Krümmung beschreibt, ist umstritten. In der physikalischen Fachliteratur wird diese Möglichkeit immer wieder diskutiert, wobei die Autoren zu unterschiedlichen Ergebnissen gelangen. Warp-Antriebe sind in verschiedener Ausführung jedoch vor allem aus der Science-Fiction-Literatur bekannt, wo sie Voraussetzung für interstellare Raumfahrt sind.

Geschichte des Begriffs

Der Science-Fiction-Autor Gene Roddenberry benutzt den Warp-Antrieb für seine Fernsehserie Star Trek, um in Erzählungen die Bewältigung großer Entfernungen zu anderen Sternensystemen plausibel beschreiben zu können, ohne dabei in Konflikte mit den Gesetzen der Relativitätstheorie zu kommen. Der Begriff ist heute in der Science-Fiction allgemein bekannt, wird aber je nach Autor unterschiedlich ausgelegt. Auch wenn das Konzept eines die Raumzeit verzerrenden Antriebs heute allgemein mit Star Trek assoziiert wird, ist die grundlegende Idee bedeutend älter. So beschrieb bereits Chester S. Geier in seinem 1948 erschienenen Roman The Flight of the Starling einen ähnlichen Antrieb – dort als „Warp-Generator“ bezeichnet:

Der Warp-Antrieb in der Science-Fiction-Literatur

Allgemeines

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Erzählungen, die auf Mischungen wissenschaftlicher und fantastischer Ideen basieren, sind darauf angewiesen, zumindest grobe Unstimmigkeiten mit wissenschaftlichen Erkenntnissen zu vermeiden. Dies ist bei Handlungen, die im Weltraum spielen, nur schwer möglich, da einerseits viele kosmologische Erscheinungen als Handlungsorte genutzt werden sollen, andererseits aber erdähnliche Verhältnisse herrschen müssen, um menschliche Handlungen und Sozialbeziehungen darstellen zu können. Die dafür benötigten Handlungsorte in verschiedenen Planetensystemen, Nebeln, Galaxien usw. sind viele Lichtjahre voneinander entfernt. Die Erzählungen wären ohne die Einführung einer Antriebsart, die Reisen über astronomisch große Entfernungen in einer nach menschlichen Maßstäben kurzen Zeit ermöglicht, nicht konsistent aufzubauen.

Solche Reisen werden aber von der Relativitätstheorie ausgeschlossen, da sie voraussagt, dass Massebewegungen nahe der Lichtgeschwindigkeit technisch nicht durchführbar sind. Reisen mit Lichtgeschwindigkeit sind unmöglich, da sie unendlich viel Energie benötigen würden. Hinzu kommt, dass bei einer Reise nahe der Lichtgeschwindigkeit eine Zeitdilatation eintritt. Ein Reisender altert langsamer als jemand, der sich, relativ zu ihm gesehen, langsamer bewegt (siehe auch Zwillingsparadoxon). Dies würde in fiktiven Erzählungen dazu führen, dass keine den Erdverhältnissen nachempfundenen Handlungen möglich wären. Hieraus resultiert die Einführung des Warp-Antriebs als häufig verwandtes Antriebsaggregat in der modernen Fiktion.

Der Warp-Antrieb in Star Trek

Weitere

In Stephen Baxters Roman Die letzte Arche nutzen die Protagonisten einen Warp-Antrieb. Durch die Nutzung mehrerer Kilogramm Antimaterie erzeugen sie ein neutrinogroßes "Taschenuniversum", das jedoch aus der Perspektive der Raumschiffbesatzung einen Durchmesser von mehreren hundert Metern hat.

Wissenschaftliche Sichtweisen

Allgemeines

In der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf geometrische Eigenschaften der Raumzeit zurückgeführt. Diese Eigenschaften werden durch die Einsteingleichungen beschrieben.

$ R_{\mu \nu }-{\frac {1}{2}}g_{\mu \nu }R={\frac {8\pi G}{c^{4}}}T_{\mu \nu } $

Hierbei ist $ G $ die klassische Gravitationskonstante, $ c $ die Lichtgeschwindigkeit und $ R_{\mu \nu } $ der Ricci-Tensor. Weiterhin ist $ R $ der Krümmungsskalar und $ g_{\mu \nu } $ der metrische Tensor. Letzterer enthält die Metrik der Raumzeit und induziert ein Abstandsmaß. Die Quelle des Gravitationsfeldes ist der Energie-Impuls-Tensor $ T_{\mu \nu } $.

Die Theorie des Warp-Antriebs nach Alcubierre und Van den Broeck

Die Warp-Metrik nach Alcubierre

Ein funktionsfähiger Warp-Antrieb muss die Eigenschaft haben, einen bestimmten Energie-Impuls-Tensor zu erzeugen, welcher das Raumzeitgebiet um ein Raumschiff herum derart verändert, dass die Entfernung zwischen Start- und Zielpunkt verringert wird. Dies bedeutet nichts anderes, als dass die Raumzeit vor dem Schiff kontrahiert und hinter ihm wieder expandiert. Da sich die Raumzeit selbst überlichtschnell ausbreiten darf, könnte ein Objekt also theoretisch in einer solchen Warp-Blase mitreisen. Die erste funktionierende Warp-Metrik wurde 1994 von Miguel Alcubierre aufgestellt.^[1] Sie ist jedoch keine strenge Lösung der Einsteingleichungen, sondern wurde direkt mit den gewünschten Eigenschaften konstruiert. Um die Gleichungen zu erfüllen, ist eine negative Energiedichte erforderlich, welche auch als exotische Materie bezeichnet wird.

Da der Alcubierr'sche Antrieb zusätzlich etwa zehn Milliarden mal mehr exotische Materie benötigt, als das sichtbare Universum insgesamt an normaler Materie besitzt, wurde er von Van den Broeck^[2] dementsprechend verbessert. Dazu schloss er die Alcubierre'sche Warp-Blase um zwei weitere Blasen herum. Seine Rechnungen zeigten, dass sich der Bedarf an exotischer Materie dadurch zwar nicht aufhebt, aber zumindest auf einige Sonnenmassen reduziert wird. Die äußere Blase, also die eigentliche Alcubierre-Warp-Blase, wird dabei als sehr klein (R=3·10⁻¹⁵m) angesetzt. Die innerste Blase besitzt dafür jedoch eine Oberfläche, die einer Blase von 200 m Durchmesser entspricht. Diese scheinbare Diskrepanz wird durch die vierdimensionale Geometrie ermöglicht. Die Materiedichte ist bei beiden Antrieben jedoch so hoch, wie die Materiedichte des Universums kurz nach dem Urknall gewesen ist. Alcubierre und Broeck gingen von einer vorher ungekrümmten Raumzeit aus. Ist die Raumzeit hingegen gekrümmt, so genügen nach Sergei Krasnikov bereits 10 kg exotischer Materie, um solch ein System aus Warp-Blasen zu erzeugen. Durch geringfügige Modifikation der Van-Den-Broeck-Metrik gelang es Krasnikov, die notwendige Menge an exotischer Materie auf einige Milligramm zu reduzieren.^[3][4]

Untersuchungen von Finazzi, Liberati und Barceló stellen die Stabilität der Warp-Blase in Frage.^[5][6]

McMonigal, Lewis und O'Byrne von der University of Sydney gehen aufgrund einer theoretischen Studie davon aus, dass beim Abbremsen eine für die Umgebung tödliche Strahlung entsteht.^[7][8]

Forschung der NASA: Breakthrough Propulsion Physics Project

Von 1996 bis 2002 finanzierte die NASA das Breakthrough Propulsion Physics Project zur Evaluierung exotischer Antriebskonzepte. Innerhalb dieses Projektes wurden auch verschiedene spekulative Konzepte des Warpantriebs beschrieben und mathematisch beziehungsweise über Computermodelle erforscht. 2008 stellte die NASA dieses Projekt endgültig ein,^[9] finanziert jedoch weiterhin universitäre Grundlagenforschung,^[10] so wie den Versuch, kleinste Krümmungen der Raumzeit im Labor zu messen,^[11] der jedoch nicht gelang.^[12] Derweil spekulieren die beteiligten Forscher über die Senkung des Energiebedarfs durch Modifikationen der hypothetischen Warp-Blase. Die Notwendigkeit negativer Energiedichte bleibt allerdings bestehen.^[13]

Literatur

• Miguel Alcubierre: The warp drive: hyper-fast travel within general relativity. Classical and Quantum Gravity 11 (5), 1994, L73, doi:10.1088/0264-9381/11/5/001, arxiv:gr-qc/0009013v1.
• Allen E. Everett, Thomas A. Roman: Superluminal subway – The Krasnikov tube. Physical Review D, 56 (4), 1997, S. 2100–2108, doi:10.1103/PhysRevD.56.2100, arxiv:gr-qc/9702049v1.
• Lawrence M. Krauss: Die Physik von Star Trek. Heyne 1996, ISBN 3-453-10981-3.
• Francisco S. N. Lobo, Matt Visser: Fundamental limitations on 'warp drive' spacetimes. Classical and Quantum Gravity 21 (24), 2004, S. 5871–5892, doi:10.1088/0264-9381/21/24/011, arxiv:gr-qc/0406083v2.
• Mohammad Mansouryar: On a macroscopic traversable spacewarp in practice. 2006. arxiv:gr-qc/0511086v2.
• Stefan Thiesen: Trek Science – mit Warpgeschwindigkeit in die Zukunft?. MindQuest, Selm 2001, ISBN 978-3-8370-7295-2.
• Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit. 2. Auflage. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006, ISBN 3-440-09360-3.
• Marc G. Millis (et al.): Frontiers of Propulsion Science. American Inst. of Aeronautics & Astronautics, Reston 2009, ISBN 1-56347-956-7, Zusammenfassung (pdf; 1,18 MB).

Weblinks

Wiktionary: Warp-Antrieb – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Warp-Antrieb im Star-Trek-Wiki Memory Alpha
• Gregory V. Meholic: Advanced Space Propulsion Concepts for Interstellar Travel Concepts for Interstellar Travel. Vortrag beim {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) des AIAA, 24. April 2008.
• Radiosendung The Space Show vom 24. Juni 2008 über advanced space propulsion concepts for interstellar travel
• Warum der Warp-Antrieb nicht funktioniert bei Spiegel Online
• Status of "Warp Drive" nasa.gov, abgerufen am 31. Januar 2012

Einzelnachweise