Wird die Menschheit jemals die Möglichkeit haben, die Kontinente, Ozeane und Eiskappen eines fernen Planeten wie der Erde zu sehen? Derzeit scheinen selbst ein paar Pixel fast unerreichbar: Um ein Bild mit 10 x 10 Pixeln aufzunehmen, bräuchte ein Weltraumteleskop einen Spiegel mit einem Durchmesser von 160 Kilometern, um ein solches Bild zu machen. Eine Flotte kleinerer Weltraumteleskope oder eine riesige Anordnung von Instrumenten auf der Erde oder dem Mond, die gemeinsam arbeiten, ist ebenfalls keine Option, da es Jahrhunderte dauern würde, genügend Fotos zu sammeln, so die Autoren einer neuen Studie. Die Forscher weisen jedoch auf eine vielversprechende Möglichkeit hin : Die Sonne könnte als riesige Linse verwendet werden, und ihre Schwerkraft könnte genutzt werden, um das Licht zu bündeln.

Wenn man einige Weltraumteleskope mit 1-Meter-Spiegeln im Brennpunkt dieser "Sonnenlinse" aufstellen würde, könnten die Astronomen ein reichhaltiges 800 x 800 Pixel großes Bild eines Exoplaneten einfangen. Gut genug, um nicht nur die Ozeane, sondern auch die Farbe des Landes zu zeigen, dessen grüner Farbton auf biologische Prozesse wie die Photosynthese auf der Erde hinweist.

Doch die Sache hat einen Haken: Dieser Brennpunkt ist mehr als 550 Mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde - dreimal so weit wie die NASA-Raumsonde Voyager 1 auf ihrer fast 50-jährigen Reise. Aber große, dünne Sonnensegel könnten diese Entfernung auf 25 Jahre verkürzen, sagt Slava Turyshev vom NASA JPL, Autor der neuen Studie. Turyshev beschloss, eine Raumsonde zu bauen, um die Machbarkeit seines Konzepts zu beweisen.

Die Schwerkraft von Galaxien und Galaxienhaufen kann das Licht beugen und verstärken und so spektakuläre Bilder von weit entfernten Objekten erzeugen. Die Idee, die Sonne als Gravitationslinse wie diese zu nutzen, gibt es schon seit Jahrzehnten. Der italienische Astronom Claudio Maccone schlug der Europäischen Weltraumorganisation bereits 1993 eine solche Mission vor, aber seine Idee stieß nicht auf Begeisterung. Das W.M. Keck Institute for Space Research griff die Möglichkeit vor einem Jahrzehnt erneut auf, und Turyshev und andere haben von der NASA Mittel erhalten, um sie eingehender zu untersuchen.

Eine Sonnenlinse würde kein klares Bild des Zielplaneten liefern, so Geoffrey Landis vom Glenn Research Center der NASA in einem Beitrag von 2015. Das Bild wäre gestreckt und unscharf, und es würde sich ein sogenannter Einstein-Ring bilden, der einen Durchmesser von mehr als einem Kilometer haben könnte. Das Teleskop müsste sich also im Brennpunkt der Sonne bewegen, um alle Teile des Rings zu erfassen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich der Ring bewegen wird, wenn der Exoplanet seinen Stern umkreist, und sich auch der Stern relativ zur Sonne bewegt. Zurück auf der Erde müssen die Forscher dann herausfinden, wie sie das Bild des Rings in ein planetarisches Bild umwandeln und die Störungen beseitigen können, die durch das Licht des Planeten beim Durchgang durch die Sonnenatmosphäre entstehen. "Das sind alles schwierige Probleme, aber sie können gelöst werden", sagt Landis.

Die größte technische Herausforderung, so Turyshev, besteht darin, die Teleskope innerhalb einer angemessenen Zeit zu ihren entlegenen Standorten zu bringen. Riesenraketen wie das Raumschiff Starship von SpaceX können zwar einen starken Anfangsschub erzeugen, aber nicht die konstante Beschleunigung, die zum Erreichen hoher Geschwindigkeiten erforderlich ist. Der Nuklearantrieb ist noch nicht erprobt. Die einzige Option sei ein leichtes Sonnensegel aus dünnen, aluminiumbeschichteten Kunststoffplatten, das den schwachen Druck der Sonnenphotonen einfangen kann.

Mit finanzieller Unterstützung einer ungenannten gemeinnützigen Stiftung arbeiten Turyshev und sein Team bereits an einem Demonstrationsraumfahrzeug namens Sundiver. Das Fahrzeug, das aus CubeSat-Kleinsatelliten besteht, wird weniger als 10 Kilogramm wiegen. Bei seinem Start im Jahr 2027 wird das Gerät sechs fächerförmige Sonnensegel mit einer Fläche von jeweils 20 Quadratmetern im Weltraum ausbringen, die individuell positioniert werden können, um das Raumfahrzeug zu steuern. Die Sonde soll nahe an die Sonne heranfliegen und den kombinierten Schwung aus dem Schaukelmanöver und dem Photonendruck auf die Segel nutzen, um mit einer Geschwindigkeit von etwa 33 Kilometern pro Sekunde zu starten. Das ist doppelt so schnell wie die Geschwindigkeit von Voyager 1. Selbst bei dieser Geschwindigkeit würde es fast 80 Jahre dauern, den Brennpunkt zu erreichen.

"Um die gewünschte Beschleunigung zu erreichen, brauchen wir noch größere Segel", sagt Les Johnson, ehemaliger Cheftechnologe am Marshall Space Flight Center der NASA. Die vollständige Mission, die Turyshev zufolge bis 2034 durchgeführt werden könnte, würde sechs Raumfahrzeuge umfassen, die mit doppelt so großen Segeln dreimal so schnell fliegen würden. Die Sonden würden später Dünnschichtspiegel einsetzen, die eine Doppelfunktion erfüllen würden: als Spiegel und als Empfänger für die Laserkommunikation, da der Funk bei solchen Entfernungen weniger effizient ist. Johnson ist skeptisch, dass eine so anspruchsvolle Mission so schnell abgeschlossen werden kann, glaubt aber, dass sie mit einigen Testflügen innerhalb von ein oder zwei Jahrzehnten möglich wäre.

Die Raumfahrzeuge müssen nicht abbremsen, wenn sie ihr Ziel erreichen, da der Sonnenfokus kein einzelner Punkt ist, sondern eine Linie, die radial von der Sonne nach außen verläuft. Aber sie werden Schubdüsen benötigen, um sich seitwärts zu bewegen, damit sie das volle, kilometerbreite Bild aufnehmen können. Und so weit von der Sonne entfernt ist Solarenergie nutzlos, so dass die Triebwerke und die Bordelektronik Generatoren benötigen, die durch zerfallende Radioisotope betrieben werden.

Für die Mission wird auch ein geeignetes Ziel benötigt. Die Teleskope sind auf die Sonne ausgerichtet und können immer nur ein Planetensystem gleichzeitig beobachten. Um ein anderes zu beobachten, müssten sie eine große seitliche Entfernung zurücklegen. Die Planer müssen daher zu 100 % sicher sein, dass der von ihnen ausgewählte Exoplanet ein guter Kandidat für Leben ist und dass seine Atmosphäre Gase enthält, die eng mit biologischen Prozessen verbunden sind. Dies könnte die Mission verzögern: Um Spuren von Leben auf einem erdähnlichen Planeten zu finden, wird wahrscheinlich das geplante Habitable Worlds Observatory der NASA benötigt, das voraussichtlich erst in den 2040er Jahren starten wird.

Aber wahrscheinlich lohnt sich das Warten, meint der Astronom Bruce Macintosh, Direktor des Observatoriums an der University of California. Es wäre unglaublich wertvoll, wenn wir ein Bild mit mehreren Pixeln erhalten und jedes Pixel auf bestimmte Farben untersuchen könnten, die zum Beispiel auf das Vorhandensein von Photosynthese hinweisen", erklärt er. Er selbst hat sich bereits mit der Tatsache abgefunden, dass er ein solches Bild nicht mehr erleben wird. Aber Turyshev ist mit seinen 62 Jahren immer noch hoffnungsvoll und hat es eilig: "Wenn wir diese Entfernung zu meinen Lebzeiten erreichen wollen, müssen wir schnell handeln."