Warp-Antrieb

Künstlerische Darstellung eines Raumschiffes beim Übergang in Warpgeschwindigkeit

Unter Warp-Antrieb (engl. warp „verzerren“, „krümmen“) versteht man einen fiktiven, wegverkürzenden Raumfahrtantrieb, der es ermöglicht, mit Überlichtgeschwindigkeit zu reisen. Bei dieser Science-Fiction-Technik handelt es sich um ein literarisches Stilmittel, das vom US-amerikanischen Science-Fiction-Autor Gene Roddenberry für seine Fernsehserie Star Trek benutzt wurde, um damit in Erzählungen die Bewältigung großer Entfernungen zu anderen Sternensystemen plausibel beschreiben zu können, ohne 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 Antriebes 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:

“[The warp-generators]...create a warp in space around the ship...a moving ripple in the fabric of space.”

„[Die Warp-Generatoren]...erzeugen eine Krümmung im Raum rund um das Schiff herum...eine sich bewegende Welle in der Struktur des Raums.“

Notwendigkeit des Warp-Antriebes in der Science Fiction

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, nicht oder 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-Antriebes als häufig verwandtes Antriebsaggregat in der modernen Fiktion.

Wissenschaftliche Sichtweisen

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_μν der Ricci-Tensor. Weiterhin ist R der Krümmungsskalar und g_μν der metrische Tensor. Letzterer enthält die Metrik der Raumzeit und induziert ein Abstandsmaß. Die Quelle des Gravitationsfeldes ist der Energie-Impuls-Tensor T_μν.

Das Warp-Feld 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 von Miguel Alcubierre^[1] aufgestellt. 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 Universum insgesamt 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]

Selbst wenn die benötigte Menge und Dichte an exotischer Materie nicht so gewaltig wäre, ließe sich ein solcher Antrieb nicht realisieren, weil das Gravitationsfeld von der Materieverteilung im Raum abhängt. Die exotische Materie müsste sich nicht nur dort befinden, wo sich das Raumschiff befände, sondern auch außerhalb desselben. Weiterhin wäre es unmöglich, eine bestimmte Materieverteilung auf Knopfdruck an der richtigen Stelle erscheinen zu lassen und diese wieder zu entfernen, wollte man den Antrieb abschalten.

Untersuchungen von Finazzi, Liberati und Barceló ^[4] stellen zudem die Stabilität der Warp-Blase in Frage.

Der Warp-Antrieb in Star Trek

In der Fernsehserie Star Trek und den darauf basierenden Filmen wurde die Warp-Technik zu einem wichtigen Teil der Handlungen ausgebaut. In der der Serie zugrunde liegenden Zeitleiste wurde die Technik nach ihrer Erfindung im Jahr 2063 zur vorherrschenden Antriebsart des menschlichen Raumflugs und später zum Transwarp-Antrieb weiter entwickelt. Im Gegensatz zum alcubierrschen Warp-Antrieb wird hierbei auf exotische Materie verzichtet und stattdessen ein fiktiver höherdimensionaler Subraum genutzt. Auch unterscheidet sich die Namensgebung der Antriebskomponenten. Während Alcubierre von Warp-Blase sowie Expansion und Kontraktion spricht, werden die äquivalenten Komponenten in Star Trek Warp-Feld beziehungsweise Raumverzerrung genannt.

Entwicklung

Die Warp-Technik wurde von extraterrestrischen Zivilisationen wie z. B. den Vulkaniern schon vor ihrer Entwicklung auf der Erde eingesetzt. Auf der Erde wurde der Warp-Antrieb von Zefram Cochrane gegen Mitte des 21. Jahrhunderts während und nach dem Dritten Weltkrieg in Bozeman, Montana entwickelt. Cochrane benutzte für den Antrieb einen Fusionsreaktor um Plasma zu erhitzen, welches er dann durch Warp-Spulen schickte und somit eine stabile Warpfeldblase erzeugte. Aus den Bestandteilen einer gebrauchten Interkontinentalrakete vom Typ LGM-25C Titan II entwickelte er die Phoenix, mit der er am 5. April 2063 den ersten menschlichen Warpflug mit Warp 1 (Lichtgeschwindigkeit) unternahm. Der Flug wurde vom vulkanischen Forschungsschiff T’Plana Hath registriert, welches daraufhin einen ersten friedlichen Kontakt mit der menschlichen Zivilisation aufnahm. Cochrane erlangte dadurch Ruhm in der ganzen bekannten Galaxis, und Schulen wie die Zefram Cochrane High School, Städte und sogar Planeten wurden nach ihm benannt. Ihm zu Ehren wird auch die physikalische Warpfeldeinheit als Cochrane bezeichnet. Die Ereignisse um Cochranes Erfindung sind in Star Trek: Der erste Kontakt ausführlich dokumentiert. Nach anderen Quellen (die Folge Metamorphosis aus dem Jahr 1967) erfolgte die Erfindung Cochranes allerdings schon im Jahr 2061.

Geschwindigkeitsskala

Grafik des Warp-Felds. Das Raumschiff verbleibt in einer Blase des Normalraums.

Für den Warp-Antrieb gibt es in Star Trek eine Geschwindigkeitsskala, die aber nicht über alle Star-Trek-Serien konsistent ist und im Laufe der Produktion mindestens einmal geändert wurde. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Warp-getriebenes Raumschiff in den Star-Trek-Episoden bewegt, wird üblicherweise nur mit einem Warpfaktor angegeben. Dabei entspricht Warp 1 der einfachen Lichtgeschwindigkeit c, und bei höheren Faktoren erhöht sich die Geschwindigkeit exponentiell. Laut der Vorgabe von Gene Roddenberry sollte die ursprüngliche Enterprise eine Maximalgeschwindigkeit von 0,73 Lichtjahre pro Stunde haben, was etwa 6395-facher Lichtgeschwindigkeit entspricht, wobei er den dazugehörigen Warpfaktor offen gelassen hat.

In den verschiedenen Referenzwerken zu den Filmen und Serien wurden später zwei ungefähr logarithmisch ansteigende Skalen eingeführt. Die ursprüngliche Skala von Franz Joseph (Star Trek Technical Manual) war nach oben offen, während die spätere Skala von Michael Okuda (Die Technik der USS Enterprise) nur von 0 bis 10 definiert war, wobei 10 theoretisch unendliche Geschwindigkeit bedeutete (Zusammenfluss von Raum und Zeit gemäß der Einstein’schen Relativitätstheorie; mit anderen Worten: Man würde sich an jedem Ort des Universums gleichzeitig befinden).

Warpfaktor	Geschwindigkeit nach der ursprünglichen Skala [5]	Geschwindigkeit nach der geänderten Skala[6]
1	Lichtgeschwindigkeit	Lichtgeschwindigkeit
2	8-fache Lichtgeschwindigkeit	10-fache Lichtgeschwindigkeit
3	27-fache Lichtgeschwindigkeit	39-fache Lichtgeschwindigkeit
4	64-fache Lichtgeschwindigkeit	102-fache Lichtgeschwindigkeit
5	125-fache Lichtgeschwindigkeit	213-fache Lichtgeschwindigkeit
6	216-fache Lichtgeschwindigkeit	392-fache Lichtgeschwindigkeit
7	343-fache Lichtgeschwindigkeit	656-fache Lichtgeschwindigkeit
8	512-fache Lichtgeschwindigkeit	1024-fache Lichtgeschwindigkeit
9	729-fache Lichtgeschwindigkeit	1516-fache Lichtgeschwindigkeit
9,9	970,30-fache Lichtgeschwindigkeit	3053-fache Lichtgeschwindigkeit
9,99	997,00-fache Lichtgeschwindigkeit	7912-fache Lichtgeschwindigkeit
9,9999	999,97-fache Lichtgeschwindigkeit	199516-fache Lichtgeschwindigkeit
10	1000-fache Lichtgeschwindigkeit	unendliche Geschwindigkeit
11	1331-fache Lichtgeschwindigkeit	außerhalb der Skala
12	1728-fache Lichtgeschwindigkeit	außerhalb der Skala
13	2197-fache Lichtgeschwindigkeit	außerhalb der Skala
14	2744-fache Lichtgeschwindigkeit	außerhalb der Skala
15	3375-fache Lichtgeschwindigkeit	außerhalb der Skala

Für die Berechnung der Geschwindigkeit dazwischen wurden von Fans, Physikern und Star-Trek-Mitarbeitern in der Literatur diverse komplizierte Formeln ausgearbeitet. An diese Formeln hat man sich im Laufe der verschiedenen Produktionen aber nur selten gehalten. In den meisten Episoden bewegen sich Raumschiffe mit weit höheren Geschwindigkeiten als es laut dieser Version der Warpskala möglich wäre. In der Folge „Gestern, Heute, Morgen“ ist in einer alternativen zukünftigen Zeitlinie sogar von Geschwindigkeiten über Warp 10 die Rede (Warpfaktor 13). Fans spekulieren, dass hierbei aber eine neue Skala verwendet worden ist.

Bei Raumschiff Enterprise (Star Trek: The Original Series; TOS) wird in der deutschen Synchronisation in einigen Folgen anstelle von Warp die Bezeichnung SOL verwendet. Angeblich soll die Abkürzung für speed over light (Überlichtgeschwindigkeit) stehen, was aber in Anbetracht der Tatsache, dass die englischen Folgen mit dem Begriff Warp arbeiten, bezweifelt wird. Seit Raumschiff Enterprise: Das Nächste Jahrhundert (TNG) wird auch in der deutschen Synchronisation konsequent der Begriff Warp verwendet.

Energiequellen

Um die Nutzung des Warp-Antriebs plausibel machen zu können, wurden eine spezielle Energiequelle und zusätzliche Aggregate eingeführt, deren Konstruktion erneut diverse physikalische Probleme aufwirft. Die Autoren von Star Trek entwickelten nachfolgende Ideen:

Die großen Mengen an notwendiger Energie für einen Warp-Antrieb werden durch einen fiktiven Antimaterie-Reaktor erzeugt, der neben dem Antrieb auch die anderen Schiffssysteme wie Schutzschilde und Waffen mit Energie versorgt. Hierbei reagieren (annihilieren) die Materie-Antimaterieteilchen im Warpkern miteinander und es entsteht Energie. Diese Energie wird über die seitlich am Raumschiff aufgehängten Warpgondeln abgegeben, so dass ein Warp-Feld (Raum-Zeit-Blase) erzeugt wird, welches mit Hilfe des sogenannten Subraums die Raumzeit krümmt. Solange das Warp-Feld aktiv ist, bewegt sich das Raumschiff nun mit Warpgeschwindigkeit. Da es sich auf der Grenze zwischen dem normalen Raum und dem kompakten Subraum innerhalb seines Warp-Felds in seinem eigenen lokalen „Universum“ befindet, werden die Gesetze der Physik nach dieser Theorie nicht verletzt; innerhalb seines eigenen „Universums“ bewegt sich das Raumschiff nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Der Subraum dient dabei als Vermittler zwischen Warp-Feld und Raum-Zeit-Kontinuum.

Transwarp

Der Begriff Transwarp fiel einige Male in verschiedenen Star-Trek-Folgen, und zwar sowohl im Zusammenhang mit der Antriebstechnik der Borg und anderer hoch entwickelter Völker als auch mit einem Entwicklungsprojekt der Sternenflotte in Star Trek III: Auf der Suche nach Mr. Spock. Es handelt sich dabei um eine alternative Überlichtantriebstechnologie, welche sich andere physikalische Auswirkungen des fiktiven Subraums zu Nutze macht. Ein Beispiel hierfür liefern die Borg, welche so genannte Transwarpzentren entwickelt haben. Dies sind stationäre Gebilde, die Transwarpreisen durch sogenannte Transwarpkanäle (röhren- oder schlauchartige Raum-Zeit-Kontinuen innerhalb des fiktiven Subraums) ermöglichen sollen. Mindestens fünf dieser Transwarpzentren existieren im Star-Trek-Universum (der sechste wurde in der Episode Endspiel durch die U.S.S. Voyager zerstört). Andere Völker nutzen beispielsweise die Raumfaltung (in Star Trek als Koaxial-Warp oder Raumtrajektion bezeichnet), um höhere Geschwindigkeit als die Sternenflotte zu erzielen. (Diese Varianten wurden in den Voyager-Episoden „Das oberste Gesetz“ und „Vis-a-Vis“ erwähnt.) In den neueren Folgen („In Furcht und Hoffnung“ sowie „Temporale Paradoxie“) der Serie Voyager wurde zudem der sich im experimentellen Stadium befindliche Quanten-Slipstream-Antrieb vorgestellt und auch in einem ersten Feldversuch eingesetzt. Die mangelnde Kontrollierbarkeit des Manövrierens im durch den Antrieb erzeugten Slipstream machte jedoch eine Erprobung bis auf Weiteres zu gefährlich.

Solitonwelle und Subraumkatapult

Neben den mobilen Varianten wurde in den Episoden „Die Solitonwelle“ aus Raumschiff Enterprise: Das nächste Jahrhundert und „Die Voyager-Konspiration“ aus Voyager auch mit stationären Überlichtantrieben experimentiert, die ein Raumschiff mittels ruhendem Antriebssystem auf Warpgeschwindigkeit befördern sollten.

Siehe auch

• Breakthrough Propulsion Physics Project

Literatur

• Stefan Thiesen: Trek Science – mit Warpgeschwindigkeit in die Zukunft?. MindQuest, Selm 2001, ISBN 978-3-8370-7295-2.
• Lawrence M. Krauss: Die Physik von Star Trek. Heyne 1996, ISBN 3-453-10981-3.
• 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).
• Francisco S. N. Lobo, Matt Visser: Fundamental limitations on 'warp drive' spacetimes. Classical and Quantum Gravitiy, Vol.21, Nr.24, S.5871-5892, 21.Dezember 2004, doi: 10.1088/0264-9381/21/24/011 bei arxiv
• Mohammad Mansouryar: On a macroscopic traversable spacewarp in practice. bei arxiv
• Allen E. Everett, Thomas A. Roman: Superluminal subway – The Krasnikov tube. Phys. Rev. D, Vol.56,No.4, S.2100-2108, 15.August 1997, Abstract bei arxiv

Weblinks

• Warp-Antrieb im Star-Trek-Wiki Memory Alpha
• Warpgeschwindigkeit im Star-Trek-Wiki Memory Alpha
• Berechnung der Warp-Geschwindigkeit (u. a. Formeln, interaktiver „Warp-Rechner“)
• Breakthrough Propulsion Physics NASA (englisch)
• American Institute of Aeronautics and Astronautics Presentation on Advanced Propulsion Concepts, May 2008, [2] (pdf,4MB, abgerufen 15. April 2009)
• 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

Einzelnachweise

1. ↑ The Warp Drive: Hyper-Fast – Travel Within General Relativity (englisch) – Der Warp-Antrieb von Miguel Alcubierre (Artikel bei arxiv)
2. ↑ A 'warp drive’ with more reasonable total energy requirements (englisch, PDF; 96 KB) – Der verbesserte Warp-Antrieb, nach Chris van den Broeck (Original-Artikel)
3. ↑ Sergei Krasnikov The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts 2. Van Den Broeck’s trick Seite 18-19
4. ↑ Stefano Finazzi, Stefano Liberati, Carlos Barceló: Semiclassical instability of dynamical warp drives [1]
5. ↑ Star Trek Maps, Star Trek Technical Manual
6. ↑ Die Technik der USS Enterprise, Star Trek Enzyklopädie