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Die Massenträgheit ist ein fundamentaler, wenn auch mysteriöser Aspekt physikalischer Systeme. Sie könnte der Schlüssel zu einer Technologie mit extrem weitreichenden Folgen für die menschliche Zivilisation sein.
Beim Mach-Effekt und dem damit verbundenen Mach-Lorentz-Antrieb (englisch Mach-Lorentz-Thruster, MLT) ist mir auch nach widerholtem Anschauen, Lesen, Recherchieren, Vergleichen nicht wirklich klar, woran ich bin. Einerseits klingt die Möglichkeit eines solchen Antriebs irgendwie zu fantastisch, um wahr zu sein: Beschleunigung ohne Rückstoss, Raumschiffe, die mit einem Ge (der Erdschwerebeschleunigung) zu den Planeten fliegen und in wenigen Tagen das äussere Sonnensystem erreichen. Fliegende Autos. Eine realistische Chance, eines Tages Wurmlöcher und Warp-Antriebe zu bauen… Die Erfahrung lehrt, dass man solche Aussagen mit einer sehr gesunden Skepsis nehmen sollte.
Und doch ist der Physiker James Woodward, der seit Jahrzehnten als treibende Kraft hinter der Entwicklung der Theorie und der dazu gehörigen Experimente wirkt, Professor der California State University of Fullerton (bei Los Angeles). Die Experimente, die er entwickelt hat (geldmangelbedingt waren es nicht besonders viele), stützen seine theoretischen Voraussagen. Es ist keinerlei „neue Physik“ beteiligt – alles spielt sich im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie ab.
Ich wäre enttäuscht von den final-frontier.ch-Leserinnen und Lesern, wenn sie jetzt, angesichts dieser Ausgangslage, nicht skeptisch wären. Ich will nun also versuchen, eine Einleitung in das Mach-Prinzip mit all seinen Konsequenzen zu geben und anschliessend aufzeigen, wie dies zu dem oben genannten Mach-Lorentz-Antrieb führt. Dies ist natürlich keine technische, mathematische Einführung, sondern eine Transkription dessen, was ich – mit meinem begrenzten Verständnis der involvierten Physik – den verschiedenen Artikeln zum Thema entnehme. Für Details verweise ich auf die Links am Ende des Artikels.
Massenträgheit
Woher kommt die Massenträgheit? Wenn ich Kraft auf ein Objekt ausübe, zum Beispiel eine Computermaus, dann drückt dieses Objekt auf mich zurück. Dies hat in erster Linie nichts mit der Reibung, etwa der Computermaus mit dem Mousepad, zu tun: diesen Widerstand würde man auch im schwerelosen Raum feststellen. Tatsächlich ist die Massenträgheit ein zentrales Element der newtonschen Physik: Ein Körper „wehrt“ sich gegen jede Änderung seiner Geschwindigkeit. Woher aber kommt diese Kraft? Weshalb lassen sich Objekte nicht einfach widerstandsfrei „anschieben“, gehindert nur von Reibungskräften?
Der österreichische Physiker Ernst Mach hatte einst vorgeschlagen, dass dies mit weit entfernten Sternen und Galaxien zu tun hat. Die Massenträgheit kommt – nach dieser Vorstellung – davon, dass alle Objekte im Universum gravitativ miteinander interagieren. Grob gesagt, kommt die Kraft, die die Computermaus auf meine, sie beschleunigen wollende Hand auswirkt, davon, dass sie der kumulierten gravitativen Wirkung von unzähligen Sternen und Galaxien „hinter mir“ angezogen wird. Aber halt, wie ist das möglich, wenn sich Wirkungen nur mit Lichtgeschwindigkeit übertragen können? Hier wird es etwas suspekt: es gibt im Prinzip zwei Möglichkeiten: entweder die Übertragung von Änderungen im Gravitationsfeld ist instantan, also unendlich schnell. Dies gibt Probleme mit der Speziellen Relativitätstheorie. Die Alternative ist, dass die Wirkung sich zwar mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, die Reaktion sich dann aber (ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit) in der Zeit rückwärts ausbreitet und somit exakt zu dem Zeitpunkt, an dem ich die Maus anschieben will, die Reaktionskräfte aus allen Ecken und Winkeln des Universums bei der Maus miteinander dahingehend interagieren, dass sie meiner beschleunigenden Kraft eine gleiche und entgegengesetzt wirkende Kraft entgegen setzen. Ich hatte euch ja gewarnt…
Allerdings ist diese Darstellung nicht so extrem, wie es auf den ersten Blick scheint: wir wissen etwa, dass sich Planeten in ihrem Orbit um die Sonne so verhalten, als sei die Gravitationswirkung unendlich schnell (die Erde kreist um jenen Punkt, an dem die Sonne sich gerade in diesem Moment befindet, nicht um jenen, an dem sie sich vor 8.33 Minuten befand – andernfalls gäbe es keine stabilen Planetenbahnen!). Nur Veränderungen in diesem Feld breiten sich mit endlicher Geschwindigkeit aus. Man kann auch sagen: Die Erde lässt sich ihre Bahn vom „Gravitationsfeld“ vorgeben, das die Sonne „erzeugt“ – genauso könnte man sagen, die Gesamtheit der Objekte im Universum „erzeuge“ ein Gravitationsfeld, in das alle Materie (auch die Computermaus) eingebettet ist – jede Veränderung an der Materie in diesem Feld (etwa das Verschieben der Computermaus) kämpft also gegen dieses Feld an – und dies ist dann das, was wir Massenträgheit nennen.
Schwankungen der Masse
Woodward geht auf seiner Webseite (siehe ganz unten) recht weit, diese scheinbar seltsame, ja absurde Idee plausibel darzustellen und zu zeigen, wie sie sich in den Rest der Allgemeinen Relativitätstheorie einbettet. Ich gehe jetzt hier nicht weiter darauf ein. Eine Konsequenz dieser Idee ist jedoch interessant, gerade, weil sie experimentell überprüfbar ist. Die Masse von Objekten, die beschleunigt werden, sollte demzufolge relativ schwach um ihre „Ruhemasse“ schwanken. Im Umkehrschluss sollte es auch deshalb (ich kürze hier enorm, um den Artikel übersichtlich zu halten) möglich sein, mit einer schwankenden Massen eine Beschleunigung zu erreichen. Ein elektrischer Kondensator kann Energie schnell speichern und auch wieder abgeben – da Enerige und Masse äquivalent sind, kann man so eine (winzige) Schwankung der Masse des Kondensator erreichen und den Mach-Lorentz-Antrieb experimentell überprüfen. Allerdings wird die Massenschwankung (offenbar, angeblich) nicht allein durch die Schwankung der gespeicherten Energie bewirkt (die wäre viel zu klein), sondern durch einen „beschleunigungsbedingten“ Verstärkungs-Effekt, der mir zur Zeit nicht ganz klar ist (siehe Nextbigfuture-Link unten). Hier habe ich auch momentan die grössten Fragezeichen.
[i]UPDATE: Ich habe hier herausgefunden, dass die Massenschwankung in der mathematischen Ableitung durch einen bestimmten Term in der Gleichung gewaltig verstärkt wird. Dieser Term hat damit zu tun, dass es im Universum nur Materie mit positiver Massendichte gibt (etwa im Gegensatz zum Elektromagnetismus, wo es positive und negative Ladungen in etwa gleichen Proportionen gibt). Das heisst, das Universum hat eine gewaltige „positive Ladung“, was die Masse angeht. Diese „Ladung“ ist es, die letztlich die Massenschwankungen so stark verstärkt und den Mach-Lorentz-Antrieb überhaupt erst „möglich“ macht. Quelle: PDF-Artikel von Woodward.[/i]
Wie soll denn nun dieser Antrieb funktionieren? Man kann sich das mit folgender Analogie vorstellen. Nehmen wir an, ein Kind steht auf einem Skateboard. Es kann sich bewegen wie es will, ohne äussere Einwirkung wird es nicht in der Lage sein, das Skateboard zu beschleunigen (Baron von Münchhausen). Nun geben wir dem Kind einen „magischen Ziegelstein“ in die Hand, dessen Masse in vorhersehbarer Weise um einen Mittelwert schwankt. Nur mit diesem Stein ausgerüstet, wäre das Kind nun in der Lage, zu beschleunigen. Wie? In dem es den magischen Ziegelstein etwa an einem Gummiseil befestigt und ihn entgegen der Richtung, in die es beschleunigen will, wirft – und zwar exakt dann, wenn die Masse am grössten ist. Das Gummiseil holt den Stein zurück, wenn die Masse am geringsten ist. Netto sollte sich so eine Beschleunigung in die eine Richtung ergeben. Mit einem zweiten magischen Ziegelstein lässt sich das ganze noch etwas effizienter gestalten: Die Ziegelsteine werden so gestaltet, dass ihre Masse „phasenverschoben“ schwankt: Wenn der eine Ziegelstein am schwersten ist, ist der andere am leichtesten, und umgekehrt. Nun kann man z.B. eine (Sprung)Feder nehmen, die die beiden Massen verbindet, und sie in Schwingung versetzen. Wenn sie sie ausdehnt, wird diejenige Masse, die gerade leichter ist, in die eine Richtung davongeschoben – wenn sich die Feder anschliessend zusammenzieht (die Schwingfrequenz wird entsprechend auf die Massenschwankungs-Frequenz abgestimmt), ist diese Masse wieder schwerer und zieht die nun leichter gewordene zweite Masse nach – es ergibt sich wieder, eine Netto-Beschleunigung in eine Richtung. Anstatt von magischen Ziegelsteinen kommen bei Woodward einfach Kondensatoren zum Einsatz, beziehungsweise, beim Mach-Lorentz-Antrieb, beschleunigte Ionen, die in einem Magnetfeld kreisen.
Wer jetzt hier die Impulserhaltung verletzt sieht, hat auf den ersten Blick nicht ganz unrecht. Allerdings wird die Impulserhaltung nur lokal verletzt – die involvierten Beschleunigungen werden dadurch kompensiert, dass alle Sterne und Galaixen des Universums ein mikrowinziges Stück weit in die Gegenrichtung beschleunigen. Das bedeutet, dass man den Antrieb nicht als geschlossenes System betrachten darf – es interagiert mit dem Rest des Universums, das System, das man betrachten muss, ist das gesamte Universum!
Man kann sich das auch so vorstellen: nehmen wir an, die schwankende Masse zieht an einem ruhenden Beobachter vorbei. Damit die lokale Impulserhaltung nicht verletzt wird, müsste bei schwankender Masse auch die Geschwindigkeit (entgegengesetzt) schwanken (da Impuls = Masse * Geschwindigkeit). So wäre der lokalen Impulserhaltung genüge getan, auch wenn nicht klar ist, woher die Geschwindigkeitsänderung käme. Doch wenn wir nun einen Beobachter betrachten, der sich im gleichen Inertialsystem befindet wie die schwankende Masse (anders gesagt: er fliegt mit), dann würde er zwar die schwankende Masse sehen, aber da, aus seiner Sicht, der Impuls der Masse Null ist, muss sie auch nicht ihre Geschwindigkeit messen. Die Relativitätstheorie besagt aber, dass ALLE Beobachter in ALLEN Inertialsystemen die gleichen Beobachtungen machen müssen – so auch in diesem Fall. Die Geschwindigkeit der schwankenden Masse darf nicht schwanken, sonst wäre die Relativitätstheorie verletzt. Deshalb bleibt nur eine Lösung: man verzichtet auf die lokale Impulserhaltung und weitet sie auf das gesamte Universum aus (oder aber man schliesst daraus, dass Massenschwankungen nicht möglich sind).
Ein massiv beeindruckender Antrieb
Es wäre also – wenn das alles so stimmt, wie es berichtet wird – theoretisch möglich, einen (lokal) reaktionslosen Antrieb zu bauen, in dem man künstlich erzeugte Massenfluktuationen geschickt ausnützt (Reaktionslos heisst nicht, energielos – die kinetische Energie, die man erreicht, muss in elektrischer Form hineingesteckt werden). Baut man diese Antriebe gross genug, kann man damit mit 1 Ge (oder mehr, alles eine Frage des Aufwands und der Technik) beschleunigen. Damit werden (neben den fliegenden Autos…) Reisezeiten zu anderen Himmelskörpern möglich, von denen wir bis anhin nicht zu träumen wagten. In vier Stunden zum Mond. In zwei bis fünf Tagen (je nach Stellung der Planeten) zum Mars. In einer Woche zum Jupiter oder zu Saturn, in einem Monat zum Kuipergürtel und zurück. Nicht zuletzt: in wenigen Jahren (Bordzeit) zu den nächsten Sternen, in Jahrzehnten (Bordzeit) zum galaktischen Kern und zu nahen Galaxien – das alles ohne einen Tropfen Treibstoff (ausser zur Energieerzeugung). Es wäre plötzlich eine ganz andere Welt. Schliesslich lassen sich mit Mach-Lorentz-Antrieben indirekt auch negative Energiedichten erzeugen, wie man sie für künstliche Wurmlöcher braucht.
Wie schon erwähnt, gibt es Experimente dazu. Winzige Mach-Lorentz-Antriebe können bereits heute Mikro-Newtons (!) an Schub erzeugen (allerdings, mit einer Newton-pro-Watt-Effizienz von ca. 0.0001 N/W, die damit bereits an jene der Triebwerke des Space Shuttles heranreicht) – zu wenig möglicherweise, für eine überzeugende Präsentation (da möchte man ja vielleicht die Maschine schweben sehen…). Da der Antrieb aber nichtlinear skaliert (das heisst z.B., doppelte Ladungsfrequenz hat eine achtfache Erhöhung des Schubs zur Folge), lässt er sich relativ „einfach“ vergrössern, bis in jenen Bereich, bei dem beobachtbare Effekte auftreten. Dies natürlich unter dem Vorbehalt, dass keine grösseren Material-bezogenen Probleme beim Skalieren auftreten. Die experimentelle Überprüfung ist – einmal mehr – der Schlüssel zum Erfolg der Theorie dahinter. Erst, wenn es gelingt, einen Mach-Lorentz-Antrieb zu bauen, der sich selbst schwebend halten kann (oder der auch nur schon eine objektiv feststellbare Gewichtsreduktion erfährt, z.B. 1-10%), wird man sich ernsthaft mit der Weiterentwicklung dieser Technologie beschäftigen.
Ich berichte von dieser Idee insbesondere deshalb, weil sie erstens nicht offensichtliches Crackpotertum ist (ähnlich wie die Heim-Theorie oder Martin Tajmars „künstliche Gravitationsfelder„) und zweitens weitreichende Auswirkungen hätte. Diese Auswirkungen gehen über die Frage der Konstruktion von „Star Trek“-ähnlichen interplanetaren und interstellaren Raumschiffen hinaus: sie betreffen die Sicherheit der menschlichen Zivilisation als ganzes. Jeder, der mit vergleichsweise simpler Technologie ein Raumschiff bauen kann, mit dem sich die Lichtgeschwindigkeit erreichen lässt, hätte künftig die Macht, die Erde mit einer Energie zu treffen, die mit jener des Chicxulub-Impaktors (der vor 65 Mio Jahren vermutlich die Dinosaurier hinweggerafft hat) vergleichbar ist. Gegen einen mit 99% der Lichtgeschwindigkeit aus dem interstellaren All heranrasenden Impaktor gibt es keinen denkbaren Schutz. Die Kzinti-Lektion darf bei einer solchen Technologie auf keinen Fall vergessen werden. Auf der Erdoberfläche wäre langfristig gesehen niemand mehr sicher: wer es sich leisten kann, würde die Erde für ein vergleichsweise sicheres (weil mobiles) Weltraumhabitat verlassen. Die Planetenoberflächen würden zu den exponierten Armenhäusern des Universums, während eine neue Eliten-Klasse sich zwischen den Sternen breitmachen würde. Ist das die Zukunft der Menschheit?
Weiterführende Links:
James Woodwards Homepage
Artikel von Woodward zum MLT-Antrieb
Nextbigfuture-Artikel zu MLTs
Centauri-Dreams Artikel zu MLT
Abstract eines Konferenzvortrags zum Thema
Eintrag in der englischen Wikipedia zum Mach-Prinzip
Abstract eines längeren Artikels über die Nutzung von MLTs