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Schwarze Löcher als Energiequelle?

Ein neues Experiment setzt eine 50 Jahre alte Idee im Labor um. Ein akustisches Schwarzes Loch lässt sich tatsächlich anzapfen.

Von Dieter B. Herrmann

Gute Science-Fiction beschreibt etwas, das es nicht gibt, aber so, dass unser Gedankenflug befeuert wird und wir uns fragen, ob es das vielleicht doch geben könnte. Auch seriöse Wissenschaftler und Techniker haben sich von solcherart Literatur immer wieder inspirieren lassen und konnten dadurch nicht selten etwas realisieren, von dem sie bis dahin dachten, es sei unmöglich. Jules Verne ist noch das harmloseste Beispiel, allerdings ein überzeugendes. Die von ihm 1873 beschriebene Reise von Menschen zum Mond hat inzwischen längst stattgefunden, wenn auch nicht mit einer Kanonenkugel.

Da hat der britische Autor Arthur C. Clark - von ihm stammt die Idee für geostationäre Satelliten - ganz andere Register gezogen. Jede hinreichend fortschrittliche Technologie sei von Magie nicht zu unterscheiden, sagte er einmal. Und in solchen, der unseren weit überlegenen Zivilisationen könnten »magische Astroingenieure« durchaus in der Lage sein, aus »Schwarzen Löchern« Energie in nahezu unbegrenztem Umfang zu gewinnen. Diese Idee wurde aber auch von ernstzunehmenden Wissenschaftlern verfolgt.

Genug Strom für viele Zivilisationen

So meinte zum Beispiel Archibald Wheeler, der den Terminus »Schwarzes Loch« 1967 eingeführt hatte, dass hochentwickelte technische Zivilisationen durchaus Mittel und Wege finden könnten, einem »Schwarzen Loch« Energie zu entnehmen. Die japanischen Physiker Makoto Inoue und Hiromitso Yokoo hatten dies 2011 in einer wissenschaftlichen Studie genauer untersucht und im »Journal of the British Interplanetary Society« veröffentlicht. Da es vermutlich viele Zivilisationen in der Galaxis gäbe, die aber weit entfernt von diesem »Kraftwerk« lebten, könnte die gewonnene Energie über das gesamte Sternsystem verteilt und somit allen Mitgliedern des »galaktischen Klubs« zur Verfügung gestellt werden.

Das gigantische Kraftwerk denken sich die fantasiebegabten Autoren in der Nähe des Ereignishorizontes eines Schwarzen Lochs, wo es die Energie aus der Strahlung auffängt, die in der sogenannten Akkretionsscheibe frei wird. Das sind die um das Schwarze Loch wirbelnden Gasmassen, die schließlich in das Loch hinein stürzen und dabei enorme Mengen an Energie abstrahlen. Jeder Kollektor des gedachten Kraftwerks würde dann die aufgefangene Energie über riesige Antennen von mehr als 100 Kilometern Durchmesser in die Galaxis senden, wo sie von speziellen Anlagen anderer Zivilisationen aufgefangen und weiter verteilt wird. Der Aufsatz klingt noch stark nach Science-Fiction und wurde auch weltweit kaum beachtet. Die Autoren haben jedoch erklärt, dass sie ihn für »up to date« halten und eigentlich nur hätten zeigen wollen, »wie die Zukunft von intelligenten Lebensformen im Universum aussehen könnte«. Doch schon Jahrzehnte zuvor hatten sich zwei bedeutende Physiker diesem Problem deutlich konkreter genähert: der Brite Roger Penrose und der sowjetische Physiker Jakow Seldowitsch.

Penrose dachte 1969 daran, ein Objekt in die Nähe eines Schwarzen Loches zu bringen, wo es eine negative Energie annehmen würde. Teilt man nun dieses Objekt, so würde die eine Hälfte in das Loch stürzen, die andere aber zurückgestoßen werden. Dabei nimmt es Energie auf, die aus der Rotation des Schwarzen Loches stammt. In einer über 20 Seiten langen Abhandlung hatte der Theoretiker seine Berechnungen dargelegt und sogar mit Illustrationen versehen, um anschaulich zu machen, wie auf diese Art Energie gewonnen werden könnte. Zum Schluss räumt er allerdings ein, dass man noch wenig über die geometrische Natur von Raum-Zeit-Singularitäten wisse und es deshalb vielleicht sinnlos sei, darüber zu spekulieren. Eine experimentelle Überprüfung erschien ohnehin ausgeschlossen.

Doch dann unterbreitete Seldowitsch 1971 einen Vorschlag über einen analogen Prozess, der prinzipiell einem irdischen Laborexperiment zugänglich sein sollte. Natürlich handelte es sich nicht um einen Direktversuch in der Nähe eines wirklichen Schwarzen Loches, etwa mithilfe der Raumfahrt. Seldowitsch wollte vielmehr in einem Versuch zeigen, dass man aus einem rotierenden Körper entsprechend den theoretischen Überlegungen von Penrose Energie abzapfen könne. Verdrehte Lichtwellen (twisted waves) sollten dazu auf einen rotierenden Zylinder treffen. Verdrehte Lichtwellen? Sie bewegen sich gleichsam spiralförmig um ihre eigene Achse. Stellen wir uns Licht als einen Strom von Teilchen (Photonen) vor, würde dies bedeuten, dass jedes Photon einen höheren Bahndrehimpuls (Orbital Angular Momentum - OAM) aufweist als sein Vorgänger. Das führt dann zu diesem Verdrillungseffekt. Treffen diese Wellen - so die Rechnungen von Seldowitsch - auf den Zylinder, wechseln sie in eine »negative Frequenz« und könnten Energie aus der Rotation des Zylinders abzapfen. Natürlich ist ein Metallzylinder in einem Laboratorium alles andere als ein Schwarzes Loch, aber das Prinzip des Versuches sei dasselbe wie in Penroses Gedankenexperiment. Doch auch diese Idee blieb in der Welt der Formeln stecken, denn für eine experimentelle Überprüfung müsste sich der Zylinder wegen der hohen Frequenz von Lichtwellen etwa eine Milliarde mal je Sekunde drehen, damit der Effekt eintreten kann.

Verdrehte Schallwellen nehmen Energie auf

Nun aber haben schottische Forscher von der Universität Glasgow in »Nature Physics« über ein ähnliches Experiment im Bereich der Schallwellen berichtet - ein »akustisches Schwarzes Loch«. Da Schallwellen eine wesentlich geringere Frequenz als Lichtwellen aufweisen, reichen schon viel geringere Rotationsgeschwindigkeiten aus, um den gesuchten Effekt zu erzielen. Sie nutzten dabei, wie schon von Seldowitsch vorgeschlagen, den Rotations-Doppler-Effekt. Beim normalen (linearen) Doppler-Effekt in der Akustik verändert sich die Frequenz von empfangenen Schallwellen infolge der Bewegung des Beobachters oder der Schallquelle. Kommt eine Schallquelle auf uns zu, empfangen wir einen höheren Ton, als wenn sie sich von uns entfernt. Bei Überschallgeschwindigkeit kehren sich die Wellen sogar um, und man spricht von »negativer Frequenz«. Der Beobachter empfängt die zuletzt ausgesendeten Wellen zuerst und die zuerst gesendeten zuletzt, man würde die Sirene gleichsam rückwärts hören.

Kann man diesen Effekt auch mittels des Rotations-Doppler-Effektes erreichen? Die Glasgower Forscher um Marion Cromb nutzen für ihr Experiment verdrehte Schallwellen, indem sie eine Anordnung von Lautsprechern in Rotation versetzten und diese Wellen dann auf einen ebenfalls rotierenden Empfänger aus Mikrofonen leiteten. Sie wollten herausfinden, ob durch die Rotation der Schallquellen tatsächlich Wellen entstehen, die sich selbst überholen. Sechzehn Lautsprecher wurden kreisförmig auf einen etwa 50 Zentimeter großen Ring gesetzt, durch dessen Rotation eine Schallwelle mit Bahndrehimpuls entstand. Die Mikrofone sollten dann den Bahndrehimpuls aus den Spektren der Schallwellen bestimmen. Das Ergebnis überraschte die Forscher. Schon bei einer Rotationsfrequenz von nur 25 Umdrehungen je Sekunde stellten sie negative Frequenzen fest. Der Bahndrehimpuls hatte sich tatsächlich umgekehrt. Doch das Wichtigste: der von den Mikrofonen aufgezeichnete Ton war 30 Prozent lauter als der ursprünglich ausgesendete. Er hatte offensichtlich Energie aus der Drehung aufgenommen.

Um die Frage zu beantworten, ob dieses Experiment eine Bedeutung für die Energieversorgung der Menschheit haben könnte, müssen wir leider wieder in den Bereich der Science-Fiction zurückkehren. Der sowjetisch-russische Astronom Nikolai Kardaschow entwickelte nämlich eine Klassifikation von Zivilisationen, wobei er als Kriterium die Nutzung der Energie verwendete. In dieser sogenannten Kardaschow-Skala beherrscht eine Zivilisation des Typs I die gesamte Energie, die auf einem Planeten zur Verfügung steht. Weiter entwickelte technische Gemeinschaften hingegen vermögen die gesamte Energie des Zentralsterns ihres Planetensystems zu nutzen (Typ II). Schließlich hält Kardaschow aber auch Typ-III-Zivilisationen für möglich, die sogar die Gesamtenergie einer Galaxie beherrschen. Nur eine solche Zivilisation könnte möglicherweise dem Schwarzen Loch im Zentrum unseres Sternsystems Energie entnehmen. Wir Erdlinge hingegen stellen auf dieser Skala eine Zivilisation des Typs I dar und sind von derlei Möglichkeiten weit entfernt. Ob es überhaupt Typ-III-Zivilisationen gibt, ist natürlich eine völlig offene Frage, denn bislang haben wir im gesamten überschaubaren Universum bekanntlich noch keinerlei Spuren intelligenten Lebens gefunden.

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