Abitur Brandenburg Physik 2026 · LK · Photonenantrieb

Photonenantrieb

Ein Physikteam an der Universität Santa Barbara analysiert neuartige Antriebstechnologien für die Raumfahrt. Mithilfe von leistungsstarken Lasern könnten künftig Flüge zum Mars innerhalb weniger Wochen oder sogar Flüge zu anderen Sternsystemen möglich werden.

Material 1: Laserlicht für den Photonenantrieb

Nach den Ideen des Physikteams der Universität Santa Barbara müssten für den Antrieb leistungsstarke Laser auf ein großes Segel ausgerichtet werden, das mit einem Raumschiff verbunden ist. Laserlicht ist besonders geeignet, weil das Lichtbündel eines Lasers sich nur verhältnismäßig wenig aufweitet und eine hohe Intensität aufweist. Darüber hinaus ist es monochromatisch. In dem geplanten Projekt für den Antrieb sollen die Laser infrarotes Licht der Wellenlänge $1{,}06\ \mu\text{m}$ emittieren. Die Photonen übertragen ihren Impuls auf das Segel und beschleunigen damit das Raumschiff.

Weil ein einzelner Laserstrahl für den Antrieb nicht intensiv genug ist, muss aus einer Vielzahl einzelner Laser eine Laserkanone aufgebaut werden.

Material 2: Mögliche Positionen der Laserkanone

In ihrer Veröffentlichung gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Laserkanone auf einer erdnahen Kreisbahn um die Erde bewegt. Dabei muss die Laserkanone ständig neu ausgerichtet werden, um das Segel des Raumschiffs zu treffen.

Es ist auch denkbar, mehrere Laserkanonen für den Photonenantrieb auf der Erdoberfläche aufzustellen. Eines der dabei auftretenden Probleme ist, dass die Erdatmosphäre Licht nicht vollständig durchlässt, wobei der Anteil der durchgelassenen Strahlung von der Wellenlänge abhängt (vgl. Abb. 2).

Material 3: Die technische Umsetzung des Photonenantriebs

Ein Vorteil der Technologie ist, dass das Antriebssystem nicht in die Sonde eingebaut werden muss. Das spart Energie, weil deutlich weniger Masse beschleunigt werden muss.

Das größte Problem ist der Energiebedarf für den Antrieb. Selbst wenn nur eine ultraleichte unbemannte Sonde beschleunigt werden soll, muss die Laserkanone nach den Modellrechnungen der Wissenschaftler eine Leistung von $30\ \text{GW}$ in Form von Licht abgeben. Um dies zu erreichen, wird eine elektrische Leistung von $70\ \text{GW}$ benötigt. Im Vergleich dazu betrug der durchschnittliche Gesamtenergiebedarf eines privaten Haushalts im Jahr 2021 in Deutschland ca. $60\ \text{GJ}$.

Material 4: Auszug aus einem Zeitschriftenartikel über den Photonenantrieb

„Derart energieintensive Laserstrahlen könnten eine nur wenige Gramm schwere Minisonde dann aber binnen zehn Minuten auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Danach würde die Sonde ohne weiteren Antrieb ungebremst durchs All rasen. Sie wäre nach 30 Minuten am Mars und nach [...] 20 Jahren bei Alpha Centauri. [...]

Zuallererst aber müssten die Physiker Geldgeber finden, um ihr futuristisches Antriebskonzept erst einmal praktisch untersuchen zu können. Letztlich geht es dabei um die Frage, wie viele Milliarden die Menschheit bereit ist zu investieren, um ein paar Gramm Nutzlast zu bislang unerreichbaren Sternen schicken zu können.“

Bei Alpha Centauri handelt es sich um ein Sternsystem, das mit einem Abstand von ca. 4,3 Lichtjahren zu den Sternen mit dem geringsten Abstand zu unserem Sonnensystem gehört.

1 Der Antrieb soll mit Photonen erfolgen (vgl. M 1).

a)

Erläutern Sie mithilfe des Photonenmodells die Eigenschaften des in Material 1 beschriebenen Laserlichts.

b)

Berechnen Sie die Energie in Elektronenvolt sowie den Impuls eines Photons, das durch den in Material 1 beschriebenen Laser emittiert wird.

[Kontrollwerte: $E = 1{,}87\cdot 10^{-19}\text{ J}$; $p = 6{,}25\cdot 10^{-28}\text{ }\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$]

Photonenantrieb

Ein Physikteam an der Universität Santa Barbara analysiert neuartige Antriebstechnologien für die Raumfahrt. Mithilfe von leistungsstarken Lasern könnten künftig Flüge zum Mars innerhalb weniger Wochen oder sogar Flüge zu anderen Sternsystemen möglich werden.

Material 1: Laserlicht für den Photonenantrieb

Nach den Ideen des Physikteams der Universität Santa Barbara müssten für den Antrieb leistungsstarke Laser auf ein großes Segel ausgerichtet werden, das mit einem Raumschiff verbunden ist. Laserlicht ist besonders geeignet, weil das Lichtbündel eines Lasers sich nur verhältnismäßig wenig aufweitet und eine hohe Intensität aufweist. Darüber hinaus ist es monochromatisch. In dem geplanten Projekt für den Antrieb sollen die Laser infrarotes Licht der Wellenlänge $1{,}06\ \mu\text{m}$ emittieren. Die Photonen übertragen ihren Impuls auf das Segel und beschleunigen damit das Raumschiff.

Weil ein einzelner Laserstrahl für den Antrieb nicht intensiv genug ist, muss aus einer Vielzahl einzelner Laser eine Laserkanone aufgebaut werden.

Material 2: Mögliche Positionen der Laserkanone

In ihrer Veröffentlichung gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Laserkanone auf einer erdnahen Kreisbahn um die Erde bewegt. Dabei muss die Laserkanone ständig neu ausgerichtet werden, um das Segel des Raumschiffs zu treffen.

Es ist auch denkbar, mehrere Laserkanonen für den Photonenantrieb auf der Erdoberfläche aufzustellen. Eines der dabei auftretenden Probleme ist, dass die Erdatmosphäre Licht nicht vollständig durchlässt, wobei der Anteil der durchgelassenen Strahlung von der Wellenlänge abhängt (vgl. Abb. 2).

Material 3: Die technische Umsetzung des Photonenantriebs

Ein Vorteil der Technologie ist, dass das Antriebssystem nicht in die Sonde eingebaut werden muss. Das spart Energie, weil deutlich weniger Masse beschleunigt werden muss.

Das größte Problem ist der Energiebedarf für den Antrieb. Selbst wenn nur eine ultraleichte unbemannte Sonde beschleunigt werden soll, muss die Laserkanone nach den Modellrechnungen der Wissenschaftler eine Leistung von $30\ \text{GW}$ in Form von Licht abgeben. Um dies zu erreichen, wird eine elektrische Leistung von $70\ \text{GW}$ benötigt. Im Vergleich dazu betrug der durchschnittliche Gesamtenergiebedarf eines privaten Haushalts im Jahr 2021 in Deutschland ca. $60\ \text{GJ}$.

Material 4: Auszug aus einem Zeitschriftenartikel über den Photonenantrieb

„Derart energieintensive Laserstrahlen könnten eine nur wenige Gramm schwere Minisonde dann aber binnen zehn Minuten auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Danach würde die Sonde ohne weiteren Antrieb ungebremst durchs All rasen. Sie wäre nach 30 Minuten am Mars und nach [...] 20 Jahren bei Alpha Centauri. [...]

Zuallererst aber müssten die Physiker Geldgeber finden, um ihr futuristisches Antriebskonzept erst einmal praktisch untersuchen zu können. Letztlich geht es dabei um die Frage, wie viele Milliarden die Menschheit bereit ist zu investieren, um ein paar Gramm Nutzlast zu bislang unerreichbaren Sternen schicken zu können.“

Bei Alpha Centauri handelt es sich um ein Sternsystem, das mit einem Abstand von ca. 4,3 Lichtjahren zu den Sternen mit dem geringsten Abstand zu unserem Sonnensystem gehört.

2 Durch den Antrieb (M 1) soll Impuls übertragen werden.

a)

Berechnen Sie die Anzahl und den Gesamtimpuls der Photonen, die in einer Sekunde von der Laserkanone abgegeben werden. Gehen Sie davon aus, dass die dafür bereitgestellte Laserkanone eine Leistung von 30 GW in Form von Licht abgibt.

b)

Zwei Laserkanonen sind gleich gut für den Photonenantrieb geeignet, wenn die pro Sekunde emittierten Photonen denselben Gesamtimpuls haben. Überprüfen Sie, ob diese Bedingung erfüllt ist, wenn die beiden Laserkanonen Licht mit der gleichen Leistung, aber mit unterschiedlichen Wellenlängen $\lambda_1$ und $\lambda_2$ abgeben.

Photonenantrieb

Ein Physikteam an der Universität Santa Barbara analysiert neuartige Antriebstechnologien für die Raumfahrt. Mithilfe von leistungsstarken Lasern könnten künftig Flüge zum Mars innerhalb weniger Wochen oder sogar Flüge zu anderen Sternsystemen möglich werden.

Material 1: Laserlicht für den Photonenantrieb

Nach den Ideen des Physikteams der Universität Santa Barbara müssten für den Antrieb leistungsstarke Laser auf ein großes Segel ausgerichtet werden, das mit einem Raumschiff verbunden ist. Laserlicht ist besonders geeignet, weil das Lichtbündel eines Lasers sich nur verhältnismäßig wenig aufweitet und eine hohe Intensität aufweist. Darüber hinaus ist es monochromatisch. In dem geplanten Projekt für den Antrieb sollen die Laser infrarotes Licht der Wellenlänge $1{,}06\ \mu\text{m}$ emittieren. Die Photonen übertragen ihren Impuls auf das Segel und beschleunigen damit das Raumschiff.

Weil ein einzelner Laserstrahl für den Antrieb nicht intensiv genug ist, muss aus einer Vielzahl einzelner Laser eine Laserkanone aufgebaut werden.

Material 2: Mögliche Positionen der Laserkanone

In ihrer Veröffentlichung gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Laserkanone auf einer erdnahen Kreisbahn um die Erde bewegt. Dabei muss die Laserkanone ständig neu ausgerichtet werden, um das Segel des Raumschiffs zu treffen.

Es ist auch denkbar, mehrere Laserkanonen für den Photonenantrieb auf der Erdoberfläche aufzustellen. Eines der dabei auftretenden Probleme ist, dass die Erdatmosphäre Licht nicht vollständig durchlässt, wobei der Anteil der durchgelassenen Strahlung von der Wellenlänge abhängt (vgl. Abb. 2).

Material 3: Die technische Umsetzung des Photonenantriebs

Ein Vorteil der Technologie ist, dass das Antriebssystem nicht in die Sonde eingebaut werden muss. Das spart Energie, weil deutlich weniger Masse beschleunigt werden muss.

Das größte Problem ist der Energiebedarf für den Antrieb. Selbst wenn nur eine ultraleichte unbemannte Sonde beschleunigt werden soll, muss die Laserkanone nach den Modellrechnungen der Wissenschaftler eine Leistung von $30\ \text{GW}$ in Form von Licht abgeben. Um dies zu erreichen, wird eine elektrische Leistung von $70\ \text{GW}$ benötigt. Im Vergleich dazu betrug der durchschnittliche Gesamtenergiebedarf eines privaten Haushalts im Jahr 2021 in Deutschland ca. $60\ \text{GJ}$.

Material 4: Auszug aus einem Zeitschriftenartikel über den Photonenantrieb

„Derart energieintensive Laserstrahlen könnten eine nur wenige Gramm schwere Minisonde dann aber binnen zehn Minuten auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Danach würde die Sonde ohne weiteren Antrieb ungebremst durchs All rasen. Sie wäre nach 30 Minuten am Mars und nach [...] 20 Jahren bei Alpha Centauri. [...]

Zuallererst aber müssten die Physiker Geldgeber finden, um ihr futuristisches Antriebskonzept erst einmal praktisch untersuchen zu können. Letztlich geht es dabei um die Frage, wie viele Milliarden die Menschheit bereit ist zu investieren, um ein paar Gramm Nutzlast zu bislang unerreichbaren Sternen schicken zu können.“

Bei Alpha Centauri handelt es sich um ein Sternsystem, das mit einem Abstand von ca. 4,3 Lichtjahren zu den Sternen mit dem geringsten Abstand zu unserem Sonnensystem gehört.

3 Für den Betrieb sind unterschiedliche Positionen der Laserkanone denkbar.

a

Erklären Sie unter Verwendung von Material 2, dass nicht alle Wellenlängen des emittierten Lichts für den Photonenantrieb in Frage kommen, wenn sich die Laserkanone auf der Erdoberfläche befindet.

Geben Sie mithilfe des Diagramms in Material 2 jeweils eine Wellenlänge an, die bei einem Betrieb von der Erdoberfläche aus besonders geeignet bzw. besonders ungeeignet für den Photonenantrieb ist.

b

Vergleichen Sie die beiden in Material 2 beschriebenen Positionen der Laserkanone hinsichtlich der Herausforderungen bei der technischen Umsetzung. Berücksichtigen Sie zwei unterschiedliche Aspekte.

Photonenantrieb

Ein Physikteam an der Universität Santa Barbara analysiert neuartige Antriebstechnologien für die Raumfahrt. Mithilfe von leistungsstarken Lasern könnten künftig Flüge zum Mars innerhalb weniger Wochen oder sogar Flüge zu anderen Sternsystemen möglich werden.

Material 1: Laserlicht für den Photonenantrieb

Nach den Ideen des Physikteams der Universität Santa Barbara müssten für den Antrieb leistungsstarke Laser auf ein großes Segel ausgerichtet werden, das mit einem Raumschiff verbunden ist. Laserlicht ist besonders geeignet, weil das Lichtbündel eines Lasers sich nur verhältnismäßig wenig aufweitet und eine hohe Intensität aufweist. Darüber hinaus ist es monochromatisch. In dem geplanten Projekt für den Antrieb sollen die Laser infrarotes Licht der Wellenlänge $1{,}06\ \mu\text{m}$ emittieren. Die Photonen übertragen ihren Impuls auf das Segel und beschleunigen damit das Raumschiff.

Weil ein einzelner Laserstrahl für den Antrieb nicht intensiv genug ist, muss aus einer Vielzahl einzelner Laser eine Laserkanone aufgebaut werden.

Material 2: Mögliche Positionen der Laserkanone

In ihrer Veröffentlichung gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Laserkanone auf einer erdnahen Kreisbahn um die Erde bewegt. Dabei muss die Laserkanone ständig neu ausgerichtet werden, um das Segel des Raumschiffs zu treffen.

Es ist auch denkbar, mehrere Laserkanonen für den Photonenantrieb auf der Erdoberfläche aufzustellen. Eines der dabei auftretenden Probleme ist, dass die Erdatmosphäre Licht nicht vollständig durchlässt, wobei der Anteil der durchgelassenen Strahlung von der Wellenlänge abhängt (vgl. Abb. 2).

Material 3: Die technische Umsetzung des Photonenantriebs

Ein Vorteil der Technologie ist, dass das Antriebssystem nicht in die Sonde eingebaut werden muss. Das spart Energie, weil deutlich weniger Masse beschleunigt werden muss.

Das größte Problem ist der Energiebedarf für den Antrieb. Selbst wenn nur eine ultraleichte unbemannte Sonde beschleunigt werden soll, muss die Laserkanone nach den Modellrechnungen der Wissenschaftler eine Leistung von $30\ \text{GW}$ in Form von Licht abgeben. Um dies zu erreichen, wird eine elektrische Leistung von $70\ \text{GW}$ benötigt. Im Vergleich dazu betrug der durchschnittliche Gesamtenergiebedarf eines privaten Haushalts im Jahr 2021 in Deutschland ca. $60\ \text{GJ}$.

Material 4: Auszug aus einem Zeitschriftenartikel über den Photonenantrieb

„Derart energieintensive Laserstrahlen könnten eine nur wenige Gramm schwere Minisonde dann aber binnen zehn Minuten auf ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Danach würde die Sonde ohne weiteren Antrieb ungebremst durchs All rasen. Sie wäre nach 30 Minuten am Mars und nach [...] 20 Jahren bei Alpha Centauri. [...]

Zuallererst aber müssten die Physiker Geldgeber finden, um ihr futuristisches Antriebskonzept erst einmal praktisch untersuchen zu können. Letztlich geht es dabei um die Frage, wie viele Milliarden die Menschheit bereit ist zu investieren, um ein paar Gramm Nutzlast zu bislang unerreichbaren Sternen schicken zu können.“

Bei Alpha Centauri handelt es sich um ein Sternsystem, das mit einem Abstand von ca. 4,3 Lichtjahren zu den Sternen mit dem geringsten Abstand zu unserem Sonnensystem gehört.

4 Das Projekt ist umstritten.

a

Geben Sie eine für die Weiterentwicklung des Projekts physikalisch relevante Fragestellung an, die sich aus den Angaben in Material 3 ergibt. [2 BE]

b

Diskutieren Sie ausgehend von dem Online-Zeitungsartikel (M 4), ob die Entwicklung eines Photonenantriebs für Weltraummissionen zweckmäßig ist. Berücksichtigen Sie ein Argument für und ein Argument gegen die Umsetzung des Projekts. [6 BE]