Selbstreplizierende Raumfahrzeuge

Das Konzept selbstreplizierender Raumfahrzeuge , wie es der Mathematiker John von Neumann entwarf , wurde von Zukunftsforschern beschrieben und in zahlreichen Hard-Science-Fiction -Romanen und -Erzählungen diskutiert. Selbstreplizierende Sonden werden mitunter auch als von-Neumann-Sonden bezeichnet. Solche Raumfahrzeuge würden in gewisser Weise die Eigenschaften lebender Organismen oder Viren nachahmen oder widerspiegeln. ^{[ 1 ]}

Von Neumann argumentierte, dass die effektivste Methode für großflächige Rohstoffgewinnung, wie etwa den Abbau eines ganzen Mondes oder Asteroidengürtels , der Einsatz selbstreplizierender Raumschiffe sei, die deren exponentielles Wachstum nutzen . ^{[ 2 ]} Theoretisch könnte ein solches Raumschiff zu einem benachbarten Planetensystem entsandt werden, wo es Rohstoffe (aus Asteroiden , Monden , Gasriesen usw.) sammeln würde, um Repliken von sich selbst zu erzeugen. Diese Repliken würden dann zu anderen Planetensystemen geschickt. Die ursprüngliche Sonde könnte anschließend ihre Hauptaufgabe innerhalb des jeweiligen Sternensystems erfüllen. Der genaue Ablauf dieser Mission hängt stark von der gewählten Variante des selbstreplizierenden Raumschiffs ab.

Angesichts dieses Musters und seiner Ähnlichkeit mit den Fortpflanzungsmustern von Bakterien wurde darauf hingewiesen, dass von-Neumann-Maschinen als eine Form von Leben betrachtet werden könnten. In seiner Kurzgeschichte „Lungenfisch“ greift David Brin diese Idee auf und weist darauf hin, dass sich selbst replizierende Maschinen verschiedener Arten tatsächlich (im Sinne Darwins ) um Rohstoffe konkurrieren oder sogar widersprüchliche Missionen verfolgen könnten. Bei genügend Vielfalt an „Arten“ könnten sie sogar eine Art Ökosystem bilden oder – falls sie auch über eine Form künstlicher Intelligenz verfügen – eine Gesellschaft. Sie könnten sich sogar über Tausende von „Generationen“ hinweg verändern und mutieren.

Die erste quantitative Ingenieursanalyse eines solchen Raumfahrzeugs wurde 1980 von Robert Freitas veröffentlicht [ ^{2 ]. Darin} wurde das nicht-replizierende Design des Projekts Daedalus so modifiziert, dass es alle für die Selbstreplikation notwendigen Subsysteme enthielt. Die Strategie des Designs bestand darin, mit der Sonde eine „Saatgutfabrik“ mit einer Masse von etwa 443 Tonnen zu einem entfernten Ort zu transportieren. Dort sollte die Saatgutfabrik über einen Zeitraum von 500 Jahren zahlreiche Kopien von sich selbst produzieren, um ihre Produktionskapazität zu erhöhen. Anschließend sollte der so entstandene automatisierte Industriekomplex genutzt werden , um weitere Sonden mit jeweils einer Saatgutfabrik an Bord zu bauen.

Es wurde die Theorie aufgestellt ^{[ 3 ]} , dass sich ein sich selbst replizierendes Raumschiff, das relativ konventionelle theoretische Methoden der interstellaren Reise nutzt (d. h. keinen exotischen Überlichtantrieb und Geschwindigkeiten, die auf eine „durchschnittliche Reisegeschwindigkeit“ von 0,1 c begrenzt sind) , in nur einer halben Million Jahren in einer Galaxie von der Größe der Milchstraße ausbreiten könnte.

1981 argumentierte Frank Tipler ^{[ 4 ]} , dass außerirdische Intelligenzen nicht existieren, da bisher keine von-Neumann-Sonden beobachtet wurden. Selbst bei einer moderaten Replikationsrate und der Geschichte der Galaxie müssten solche Sonden im gesamten Weltraum weit verbreitet sein, sodass wir ihnen längst begegnet sein müssten. Da dies nicht der Fall ist, beweist dies die Nichtexistenz außerirdischer Intelligenzen. Damit ist das Fermi-Paradoxon gelöst – die Frage, warum wir noch keiner außerirdischen Intelligenz begegnet sind, wenn diese im Universum doch so verbreitet ist.

Eine Antwort ^{[ 5 ]} kam von Carl Sagan und William Newman. In ihrer heute als Sagans Antwort bekannten Arbeit wiesen sie darauf hin, dass Tipler die Replikationsrate tatsächlich unterschätzt hatte und dass von-Neumann-Sonden bereits den größten Teil der Masse in der Galaxie verbraucht haben müssten. Jede intelligente Zivilisation würde daher, so argumentierten Sagan und Newman, von-Neumann-Sonden gar nicht erst entwickeln und versuchen, gefundene von-Neumann-Sonden sofort nach ihrer Entdeckung zu zerstören. Wie Robert Freitas ^{[ 6 ]} argumentiert hat, ist die von beiden Seiten der Debatte angenommene Kapazität von von-Neumann-Sonden in der Realität unwahrscheinlich, und Systeme mit geringerer Reproduktionsrate dürften in ihren Auswirkungen auf das Sonnensystem oder die Galaxie als Ganzes kaum beobachtbar sein .

Ein weiterer Einwand gegen die Verbreitung von Von-Neumann-Sonden besteht darin, dass Zivilisationen, die potenziell solche Geräte entwickeln könnten, ein hohes Risiko der Selbstzerstörung aufweisen, bevor sie dazu in der Lage sind. Dies könnte durch Ereignisse wie biologische oder nukleare Kriegsführung , Nanoterrorismus , Ressourcenknappheit , ökologische Katastrophen oder Pandemien geschehen. Dieses Hindernis für die Entwicklung von Von-Neumann-Sonden ist ein möglicher Kandidat für das Konzept eines Großen Filters .

Es gibt einfache Lösungen, um eine übermäßige Vermehrung zu verhindern. Sonden, die so programmiert sind, dass sie sich nicht über eine bestimmte Dichte (z. B. fünf Sonden pro Kubikparsec ) oder eine beliebige Grenze (z. B. zehn Millionen innerhalb eines Jahrhunderts) hinaus vermehren – analog zur Hayflick-Grenze der Zellteilung –, könnten Funksender oder andere drahtlose Kommunikationsmittel nutzen. Ein Problem dieser Abwehr gegen unkontrollierte Vermehrung besteht darin, dass bereits eine einzige defekte Sonde, die sich unkontrolliert vermehrt, den gesamten Ansatz zum Scheitern bringen würde – quasi ein technologischer Krebs –, es sei denn, jede Sonde kann solche Defekte bei ihren Nachbarn erkennen und ein Such- und Zerstörungsprotokoll implementieren (was wiederum zu Weltraumkriegen zwischen Sonden führen könnte, wenn fehlerhafte Sonden sich zunächst stark vermehren, bevor sie von intakten Sonden gefunden werden, die dann so programmiert sein könnten, dass sie sich in gleicher Anzahl vermehren, um die Plage einzudämmen). Eine weitere Lösung basiert auf dem Heizbedarf von Raumfahrzeugen während langer interstellarer Reisen. Die Verwendung von Plutonium als Wärmequelle würde die Fähigkeit zur Selbstvermehrung einschränken. Das Raumschiff wäre nicht darauf programmiert, weiteres Plutonium herzustellen, selbst wenn es die benötigten Rohstoffe fände. Eine andere Möglichkeit wäre, das Raumschiff so zu programmieren, dass es die Gefahren einer unkontrollierten Vermehrung klar erkennt.

Die Details der Mission von sich selbst replizierenden Raumschiffen können von Vorschlag zu Vorschlag stark variieren, und die einzige Gemeinsamkeit ist die Fähigkeit zur Selbstreplikation.

Eine Von-Neumann-Sonde ist ein Raumfahrzeug, das sich selbst replizieren kann. ^{[ 2 ]} Sie ist eine Kombination aus zwei Konzepten: einem Von-Neumann-Universalkonstrukteur (einer sich selbst replizierenden Maschine) und einer Sonde (einem Instrument zur Erkundung oder Untersuchung eines Objekts). Das Konzept ist nach dem ungarisch-amerikanischen Mathematiker und Physiker John von Neumann benannt , der das Konzept selbstreplizierender Maschinen, die er „Universalassembler“ nannte und die oft als „ Von-Neumann-Maschinen “ bezeichnet werden, eingehend untersuchte. ^{[ 2 ]} Solche Konstrukte lassen sich theoretisch aus fünf Grundkomponenten zusammensetzen (Variationen dieses Modells könnten andere Maschinen wie beispielsweise Bracewell-Sonden hervorbringen ):

• Sonde : Diese enthält die eigentlichen Messinstrumente und eine zielgerichtete KI zur Steuerung des Konstrukts.
• Lebenserhaltungssysteme : Mechanismen zur Reparatur und Aufrechterhaltung des Konstrukts.
• Fabrik : Mechanismen zur Gewinnung von Ressourcen und zur Selbstreplikation.
• Speicherbänke : speichern Programme für alle Komponenten und Informationen, die von der Sonde erfasst wurden.
• Motor : Kraft zum Bewegen der Sonde.

Andreas M. Hein und der Science-Fiction-Autor Stephen Baxter schlugen verschiedene Typen von Neumann-Sonden vor, die sie „Philosopher“ und „Founder“ nannten. Der Zweck der ersteren ist die Erkundung, der letztere die Vorbereitung zukünftiger Siedlungen. ^{[ 7 ]}

Ein kurzfristig umsetzbares Konzept für eine selbstreplizierende Sonde wurde von Olivia Borgue und Andreas M. Hein von der Initiative für interstellare Studien vorgeschlagen . Basierend auf aktuellen und in naher Zukunft verfügbaren Technologien würde das Konzept die Selbstreplikation von 70 % der Sondenmasse ermöglichen, während fortschrittliche Komponenten wie Mikrochips, Solarzellen und allgemeine Schaltkreise an Bord der ersten Sonden mitgeführt würden. ^{[ 8 ]}

Wenn eine sich selbst replizierende Sonde Hinweise auf primitives Leben (oder eine primitive, niedrig entwickelte Kultur) findet, kann sie so programmiert werden, dass sie in einen Ruhezustand verfällt, still beobachtet, versucht, Kontakt aufzunehmen (diese Variante ist als Bracewell-Sonde bekannt ) oder sogar in die Evolution des Lebens eingreift oder diese auf irgendeine Weise lenkt.

Der Physiker Paul Davies von der Universität Adelaide hat die Möglichkeit einer Mondsonde ins Spiel gebracht , die in der frühen Erdgeschichte dort ankam und die Erde überwachte. Laut Michio Kaku diente dieses Konzept Stanley Kubrick als Grundlage für seinen Film „ 2001: Odyssee im Weltraum “ (obwohl der Regisseur die entsprechende Monolith-Szene aus dem Film schnitt). ^{[ 9 ]} Kubricks Werk basiert auf Arthur C. Clarkes Kurzgeschichte „ Der Wächter “, die die beiden zu einem Roman erweiterten, der die Grundlage für den Film bildete. ^{[ 10 ]} Daher wird auch Davies’ Konzept einer Mondsonde/eines Mondobservatoriums als an Clarke erinnernd betrachtet.

Eine Variante der Idee einer interstellaren Von-Neumann-Sonde ist das von Freeman Dyson vorgeschlagene „ Astrochicken “ . ^{[ 11 ]} Obwohl es die gemeinsamen Merkmale der Selbstreplikation, der Erkundung und der Kommunikation mit seiner „Heimatbasis“ aufweist, konzipierte Dyson das Astrochicken zur Erkundung und zum Betrieb innerhalb unseres eigenen Planetensystems bis hin zum Pluto und nicht zur Erforschung des interstellaren Raums. ^{[ 11 ]}

Anders Sandberg and Stuart Armstrong argued that launching the colonization of the entire reachable universe through self-replicating probes is well within the capabilities of a star-spanning civilization, and proposed a theoretical approach for achieving it in 32 years, by mining planet Mercury for resources and constructing a Dyson Swarm around the Sun.^[12]

A variant of the self-replicating starship is the Berserker. Unlike the benign probe concept, Berserkers are programmed to seek out and exterminate lifeforms and life-bearing exoplanets whenever they are encountered.

The name is derived from the Berserker series of novels by Fred Saberhagen which describes a war between humanity and such machines. Saberhagen points out (through one of his characters) that the Berserker warships in his novels are not von Neumann machines themselves, but the larger complex of Berserker machines – including automated shipyards – do constitute a von Neumann machine. This again brings up the concept of an ecology of von Neumann machines, or even a von Neumann hive entity.

It is speculated in fiction that Berserkers could be created and launched by a xenophobic civilization (see Anvil of Stars, by Greg Bear, in the section In fiction below) or could theoretically "mutate" from a more benign probe. For instance, a von Neumann ship designed for terraforming processes – mining a planet's surface and adjusting its atmosphere to more human-friendly conditions – could be interpreted as attacking previously inhabited planets, killing their inhabitants in the process of changing the planetary environment, and then self-replicating to dispatch more ships to "attack" other planets.

Yet another variant on the idea of the self-replicating starship is that of the seeder ship. Such starships might store the genetic patterns of lifeforms from their home world, perhaps even of the species which created it. Upon finding a habitable exoplanet, or even one that might be terraformed, it would try to replicate such lifeforms – either from stored embryos or from stored information using molecular nanotechnology to build zygotes with varying genetic information from local raw materials.^[13]

Such ships might be terraforming vessels, preparing colony worlds for later colonization by other vessels, or – should they be programmed to recreate, raise, and educate individuals of the species that created it – self-replicating colonizers themselves. Seeder ships would be a suitable alternative to generation ships as a way to colonize worlds too distant to travel to in one lifetime.

In "Part IV Wild Cards" of his 1981 book "2081: A Hopeful View of the Human Future", Gerard K. O'Neill discussed a hypothetical extraterrestrial race called the Primans who would use Von Neumann probes called Replicators to completely explore the Milky Way galaxy. The Replicator exploration program had several key elements:

1. When a Replicator arrived at a targeted star system, it would turn on a beacon alerting other Replicators of its existence in that star system.
2. The Replicator, while in close orbit about a star in that targeted star system, would convert sunlight into matter and antimatter to be used as fuel.
3. The Replicator examines nearby star systems for the existence of a Replicator already in place around any of those stars. If there is no Replicator found in a particular star system, then the Replicator replicates making a new version of itself to be sent to that star system.
4. The Replicator acts as a relay for messages sent by other Replicators. Specifically, relay any messages from other Replicators toward other Replicators which are further away from the message source Replicator than the relaying Replicator.
5. Send a message to all nearest Replicators to report any findings about the star system. Update periodically (for example, once every million years) or when a major event happens.

^[14]