KI-optimierte Lichtsegel: neue Perspektiven für interstellare Sonden

Was wäre, wenn ein Segel Licht so nutzen könnte wie ein Segelboot den Wind? Das Prinzip ist physikalisch möglich, und jahrzehntelange Forschung hat es näher an praktische Versuche gebracht. Neue, mit künstlicher Intelligenz optimierte Entwürfe könnten Lichtsegel für kleine Sonden im tiefen Weltraum praktikabler machen.

Was sind Lichtsegel?

Bei Reisen in den tiefen Weltraum denkt man häufig an Raketen oder Ionenantriebe. Ein Lichtsegel nutzt stattdessen den Impuls, den Photonen auf eine sehr dünne, reflektierende Oberfläche übertragen. Daraus entsteht ein kleiner, kontinuierlicher Schub.

Die Idee, Licht zum Antrieb eines Fahrzeugs zu verwenden, reicht mindestens bis 1608 zurück, als Johannes Kepler und Galileo Galilei über die Ursache von Kometenschweifen nachdachten.

Kepler beobachtete, dass der Schweif eines Kometen von der Sonne weg zeigt. Daraus entstand die Vorstellung, Sonnenstrahlung könne eines Tages Gegenstände durch den Weltraum bewegen.

Das erste funktionsfähige Lichtsegel im Weltraum 2019

2019 wurde ein funktionsfähiges Lichtsegel an einem Raumfahrzeug entfaltet und zur Änderung seiner Umlaufbahn eingesetzt. Frühere Versuche waren beim Öffnen des Segels gescheitert. Die Mission zeigte, dass das Prinzip außerhalb des Labors funktioniert.

Wie funktionieren Lichtsegel?

Lichtsegel können unterschiedlich aufgebaut sein, verwenden aber eine ultradünne, reflektierende Membran. Photonen übertragen Impuls auf die Oberfläche. Einige Projekte streben einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit an, der theoretisch kleine Sonden innerhalb von Jahrzehnten zu nahen Sternen bringen könnte.

Breakthrough Starshot und das Ziel Alpha Centauri

Breakthrough Starshot, gegründet von Yuri Milner und unterstützt vom Physiker Stephen Hawking, gehört zu den bekanntesten Projekten für laserbeschleunigte Lichtsegel. Leistungsstarke Laser am Boden sollen auf kleine reflektierende Segel mit Chipsonden gerichtet werden. Kameras und weitere Sensoren könnten auf einer Reise zum Alpha-Centauri-System Daten sammeln.

Grenzen herkömmlicher Lichtsegel

Lichtsegel könnten neue Möglichkeiten für die Erforschung des tiefen Weltraums eröffnen, doch ihre Herstellung ist komplex und teuer. Benötigt werden präzise Nanostrukturen und Materialien, die den Bedingungen im All standhalten.

Eine weitere Grenze ist die Skalierbarkeit. Gegenwärtige Methoden eignen sich vor allem für sehr kleine Strukturen und lassen sich nicht ohne Weiteres auf große oder bemannte Fahrzeuge übertragen.

Lichtsegel besitzen oft eine genau festgelegte Geometrie mit mikroskopisch kleinen Löchern, die Masse reduzieren und optische Eigenschaften steuern. Ein leichteres Segel lässt sich einfacher beschleunigen, doch die engen Toleranzen erschweren größere Konstruktionen.

Mit künstlicher Intelligenz optimierte Lichtsegel

Forscher der Brown University und der Technischen Universität Delft haben ein Verfahren entwickelt, bei dem künstliche Intelligenz ein nanophotonisches Lichtsegel optimiert. Die Studie „Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization“,¹ veröffentlicht in Nature Communications, beschreibt die KI-gestützte Gestaltung und Fertigung.

 Der KI-gestützte Entwurfsprozess

Die Forscher entwickelten ein gasbasiertes Ätzverfahren für eine ultradünne Membran aus Siliziumnitrid. Dabei wird Material kontrolliert entfernt, bis das Segel die gewünschte Dicke und Form besitzt.

Entworfen wurde ein photonischer Kristall mit fünfeckigem Gitter, der geringes Gewicht und Festigkeit verbindet. Das Segel ist etwa 60 Millimeter breit und nur 200 Nanometer dick, deutlich dünner als ein menschliches Haar.

Die Löcher am Rand wurden 3 % größer ausgeführt als die inneren. Dadurch verschob sich das Reflexionsspektrum um 10–20 Nanometer und die optische Reaktion der Struktur verbesserte sich.

Quelle – Brown

Photonische Kristalle und Siliziumnitrid

Das Gitter soll die Reflektivität maximieren. Sie bestimmt, wie viel Lichtdruck auf das Segel übertragen wird. Zur Optimierung setzte das Team ein KI-Modell ein.

Die Forscher von Brown und TU Delft entwickelten ein Modell zur neuronalen Topologieoptimierung. Es verband Materialwissenschaft, Strukturtechnik und Optik, um ein großes, leichtes und robustes Lichtsegel zu entwerfen.

Das KI-System wurde vor der Finite-Elemente-Analyse eingesetzt. Die Optimierung suchte nach den Gewichten und Parametern des neuronalen Netzes, die eine geeignete Form, Größe und Anordnung der Löcher erzeugten.

Das Segel enthält mehr als eine Milliarde Details im Nanometermaßstab. Die Löcher sind kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts, reduzieren die Masse und steuern die optische Reaktion. Der Entwurf soll Beschleunigung und Toleranz gegenüber Doppler-Verschiebungen verbessern sowie Herstellungs- und Startkosten senken.

Schnellere und wesentlich günstigere Fertigung

Das Team fertigte einen 60 × 60 Millimeter großen, 200 Nanometer dicken Reflektor mit mehr als einer Milliarde Nanostrukturen. Nach Angaben der Studie lagen die Kosten etwa 9.000-mal niedriger als bei herkömmlichen Verfahren, und die Herstellung dauerte ungefähr einen Tag statt Jahre.

Tests des KI-entworfenen Lichtsegels

Die Versuche zeigen, dass das neue Verfahren günstigere und skalierbare Segel mit guten mechanischen und optischen Eigenschaften erzeugen kann. Es handelt sich um Laborergebnisse, die unter Einsatzbedingungen im Weltraum bestätigt werden müssen.
Das Segel ist zudem für eine Reaktion in zwei Richtungen ausgelegt. Das könnte eine flexiblere Richtungssteuerung ermöglichen als bei Segeln, die wirksam nur von einer Seite beleuchtet werden können.

Vom Labor zu möglichen Anwendungen

Mit dem Verfahren lassen sich nanophotonische Strukturen mit einem sehr großen Verhältnis von Breite zu Dicke in weniger als 24 Stunden entwerfen. Ein schnellerer und reproduzierbarer Prozess könnte Lichtsegelversuche für mehr Forschungsgruppen zugänglich machen.

Künstliche Intelligenz bei Weltraummaterialien

Die Studie zeigt, wie KI zur Gestaltung, Herstellung und Prüfung nanophotonischer Materialien beitragen kann. Das Team hat bereits ein größeres Lichtsegel hergestellt, als frühere Verfahren typischerweise erlaubten.
Sinkende Kosten sind dabei entscheidend. Lässt sich das Verfahren in größerem Maßstab wiederholen, könnten mehr Forschungsgruppen Lichtsegel und andere lichtbetriebene Bauteile untersuchen.

Die Forscher hinter dem Lichtsegel

Geleitet wurde die Studie von Miguel A. Bessa und Richard A. Norte. Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus und Paolo M. Sberna von Brown University und TU Delft wirkten ebenfalls mit. Gefördert wurde die Arbeit von der Europäischen Union und dem Limitless Space Institute.
Das Team will den Entwurf mithilfe von Simulationen und weiteren KI-Werkzeugen verfeinern. Dabei sollen unterschiedliche Anordnungen der vielen Nanolöcher verglichen werden, um Reflektivität zu erhöhen und Masse zu senken.

Lichtsegel und interstellare Kommunikation

Die wichtigste mögliche Anwendung ist der Antrieb kleiner Raumsonden. Das Verfahren macht die Fertigung ultraleichter, skalierbarer nanophotonischer Segel für laserbeschleunigte Sonden realistischer. Es könnte auch auf andere lichtbetriebene oder lichtgesteuerte Bauteile übertragen werden.

Fortgeschrittene Kommunikationssysteme

Langfristig könnten Netze kleiner Satelliten als Relais über große Entfernungen im Weltraum dienen. Ein solches System müsste jahrzehntelang autonom und zuverlässig arbeiten; Kommunikation zwischen Galaxien ist keine kurzfristige Anwendung dieser Forschung.

Investitionen in Photonik

Viele Unternehmen entwickeln Geräte für Photonik und Nanofertigung. Anleger sollten Technologie, Markt, Wettbewerb und Bewertung prüfen. Ein etablierter Anbieter in diesem Bereich ist Applied Materials.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT ) wurde 1967 als Chemikalienlieferant gegründet. Gründer Michael A. McNeilly verlagerte den Schwerpunkt später auf Anlagen für die Halbleiterindustrie. Heute können die Systeme auch für photonische Materialien und moderne Halbleiter eingesetzt werden.

Applied Materials erweiterte sein Angebot durch mehrere Übernahmen, darunter Etec Systems, Opal Technologies und Baccini. Diese Käufe stärkten Produktpalette und Marktposition.

Das Unternehmen ist ein bedeutender globaler Anbieter von Anlagen für Nanofertigung und Halbleiterproduktion. Anleger mit Interesse an Photonik sollten dennoch Geschäftsgrundlagen, Wettbewerb und Risiken prüfen.

Aktuelles zu Applied Materials

Die nächsten Schritte für KI-optimierte Lichtsegel

Vor einem praktischen Einsatz müssen die Forscher noch leichtere Materialien untersuchen und bestätigen, dass sie Strahlung, Temperaturschwankungen und anderen Bedingungen im Weltraum standhalten.
Das System wurde außerdem noch nicht umfassend im Orbit getestet. Ein nächster Schritt könnte der Start kleiner Prototypen sein, deren Reaktion und Stabilität anschließend über längere Zeit gemessen werden.

Ausblick für KI-optimierte Lichtsegel

Wenn die Entwicklung voranschreitet, könnten diese Segel kleine Sonden zu anderen Sternsystemen bringen und langfristig Kommunikationsnetze im tiefen Weltraum unterstützen. Die Behauptung, andere Galaxien in 10–20 Jahren erreichen zu können, ist mit den physikalischen Entfernungen nicht vereinbar.

Weitere Fortschritte in der Materialwissenschaft finden Sie hier.

Zitierte Studie:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, M. H. J., Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, P. M., Bessa, M. A., & Norte, R. A. (2025). Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization. Nature Communications, 16, Artikel 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}