Warpantrieb

Unter Warpantrieb (englisch Warp „Verzerrung“) versteht man einen fiktiven, wegverkürzenden Raumschiffantrieb. Bei dieser Science-Fiction-Technologie 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 beschrieben. Anders als im Allgemeinen angenommen, ist der Warpantrieb aber keinesfalls eine Erfindung Roddenberrys; Chester S. Geier beschreibt bereits 1948 in seinem Roman The Flight of the Starlight den Warpantrieb.

Notwendigkeit des Warpantriebes in der Science Fiction

Erzählungen, die auf Mischungen wissenschaftlicher und fantastischer Ideen basieren, sind darauf angewiesen, 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 Handlungen und Sozialbeziehungen darstellen zu können, die der Leser aus dem Alltagsleben kennt. Die 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 kurzer Zeit ermöglicht, nicht konsistent aufzubauen.

Solche Reisen werden aber von der Relativitätstheorie ausgeschlossen, da sie voraussagt, dass Massebewegungen nahe der Lichtgeschwindigkeit technisch nicht praktikabel sind. Reisen mit Lichtgeschwindigkeit sind völlig 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 Warpantriebes als häufiges Stilmittel in der modernen Fiktion.

Wissenschaftliche Sichtweisen

Im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf geometrische Eigenschaften der Raumzeit zurückgeführt. Dabei wird ein Gravitationsfeld durch die Einstein'schen Feldgleichungen beschrieben, mit

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

Hierbei ist G die klassische Gravitationskonstante, c die Lichtgeschwindigkeit und R_μν der Ricci-Tensor, welcher Krümmungseigenschaften der Raumzeit beschreibt. 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 Alcubierre-Van den Broeck Warpfeld

Die Warpmetrik nach Alcubierre

Ein funktionsfähiger Warpantrieb 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 bewegen darf, könnte ein Objekt also theoretisch in einer solchen Warpblase mitreisen. Die erste funktionierende Warpmetrik 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 Warpblase 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-Warpblase, 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 Warpblasen zu erzeugen. Durch geringfügige Modifikation der Van Den Broeck Metric gelang es Krasnikov, die notwendige Menge an negativer 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. Sie 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 Warpantrieb in Star Trek

Grafik des Warpfelds. Das Raumschiff verbleibt in einer Blase Normalraums.

Für den Warpantrieb gibt es in Star Trek eine Geschwindigkeitsskala, die aber nicht über alle Star Trek-Serien konsistent ist. Bei Raumschiff Enterprise (Star Trek: The Original Series) wird in einigen Folgen 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 wird auch in der deutschen Synchronisation der Begriff Warp verwendet. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein warpgetriebenes Schiff 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.

In den Referenzwerken Die Technik der USS Enterprise und Star Trek Enzyklopädie wurde eine ungefähr logarithmisch ansteigende Skala von 0 bis 10 eingeführt, wobei 10 theoretisch unendliche Geschwindigkeit bedeutete (Zusammenfluss von Raum und Zeit gemäß der Einsteinschen Relativitätstheorie; mit anderen Worten: Man würde sich an jedem Ort des Universums gleichzeitig befinden). Für die Berechnung der Geschwindigkeit wurden von Physikern und Star-Trek-Mitarbeitern in der Trivialliteratur diverse komplizierte Formeln ausgearbeitet. An diese Formeln wurde sich im Laufe der verschiedenen Produktionen aber nur selten gehalten. In den meisten Episoden bewegen sich Schiffe mit weit höheren Geschwindigkeiten als laut dieser Version der Warpskala möglich wäre. In einigen Folgen ist sogar von Geschwindigkeiten über Warp 10 die Rede. Fans spekulieren, dass hierbei aber eine neue Skala verwendet wird. Eine modifizierte USS Enterprise-D fliegt in der Folge „Gestern, Heute, Morgen“ beispielsweise mit Warp 13.

Um die Nutzung des Warpantriebs 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 Warpantrieb werden durch einen fiktiven Antimaterie-Reaktor erzeugt, der neben dem Antrieb auch die anderen Schiffssysteme wie Schilde 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 (oder über den Deflektor) abgegeben, so dass ein Warpfeld (Raum-Zeit-Blase) erzeugt wird, welches das Schiff teilweise in den sogenannten Subraum übergehen lässt. Solange das Warpfeld aktiv ist, bewegt sich das Schiff nun mit Warpgeschwindigkeit. Da es sich auf der Grenze zwischen dem normalen Raum und dem kompakten Subraum innerhalb seines Warpfelds in seinem eigenen lokalen „Universum“ befindet, werden die Gesetze der Physik nach dieser Theorie nicht verletzt; innerhalb seines eigenen „Universums“ bewegt sich das Schiff nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Transwarp

Der Begriff Transwarp fiel einige Male in verschiedenen Star-Trek-Folgen, und zwar sowohl im Zusammenhang mit der Antriebstechnik der Borg als auch mit einem Entwicklungsprojekt der Sternenflotte in Star Trek III: Auf der Suche nach Mr. Spock. So wie die Erzeugung eines Warpfeldes um das Schiff notwendig ist, um aus Sicht eines außenstehenden Betrachters schneller als Licht zu fliegen (was in unserem Universum theoretisch unmöglich sein sollte), ist demnach ein Transwarp-Feld notwendig, um die Warpgrenze zu durchbrechen. Die Borg hatten so genannte Transwarp-Knoten entwickelt, d. h. stationäre Gebilde, die Transwarp-Reisen ermöglichen sollen. Mindestens fünf dieser Transwarp-Knoten existieren in unserer Galaxie (der sechste wurde in der Episode Endspiel durch die Voyager zerstört).

Quellen

1. ↑ The Warp Drive: Hyper-Fast – Travel Within General Relativity (englisch) – Der Warpantrieb von Miguel Alcubierre (Original-Artikel)
2. ↑ A ‘warp drive’ with more reasonable total energy requirements (englisch, PDF; 96 KB) – Der verbesserte Warpantrieb, 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]

Literatur

• Stefan Thiesen: Trek Science – mit Warpgeschwindigkeit in die Zukunft?. MindQuest, Selm 2001, ISBN 978-3837072952.
• Lawrence M. Krauss: Die Physik von Star Trek. Heyne 1996, ISBN 3-45310-981-3.
• Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit. 2. Auflage. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006, ISBN 3440093603.

Weblinks

• Warpantrieb 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