Von-Neumann-Sonden sind Raumschiffe, die sich selbst kopieren. Eine einzige, zu einem Nachbarstern geschickt, baut dort aus Asteroiden zwei neue, diese fliegen weiter und tun dasselbe, und nach einigen Zehntausend Jahren hat die Nachkommenschaft jeden Stern der Milchstraße erreicht. Die Idee stammt aus der Mathematik, sie wurde von der NASA als Fabrik für den Mond durchgerechnet, und sie stellt der Suche nach Außerirdischen eine unbequeme Frage: Wenn das so einfach ist, wo sind die Maschinen der anderen?
Der ungarisch-amerikanische Mathematiker John von Neumann, der an der Atombombe mitarbeitete und die Architektur des modernen Computers entwarf, stellte sich in den 1940er Jahren eine Frage, die damals wie Spielerei klang: Kann eine Maschine eine vollständige Kopie ihrer selbst bauen, einschließlich der Anweisung, das wieder zu tun? Er bewies es, allerdings nicht mit Schrauben und Blech, sondern auf dem Papier. In einem Gitter aus Zellen mit 29 möglichen Zuständen konstruierte er einen Automaten, der einen Bauplan liest, nach diesem Plan eine Kopie zusammensetzt, den Plan selbst kopiert und ihn dem Nachbau übergibt. Von Neumann hatte damit das Prinzip beschrieben, nach dem auch das Leben arbeitet, Jahre bevor die Struktur der DNA bekannt war, und er hatte gezeigt, dass Selbstvermehrung keine Eigenschaft von Biologie ist, sondern von Information.
Mit Raumfahrt hatte von Neumann nichts im Sinn, er starb 1957, wenige Wochen nach dem Start des ersten Satelliten. Die Verbindung zogen andere. 1960 schlug der Radioastronom Ronald Bracewell vor, statt nach Radiosignalen zu suchen, könnten fremde Zivilisationen Sonden zu anderen Sternen schicken, die dort geduldig auf Kontakt warten. Und 1980 legte der amerikanische Physiker Robert Freitas die erste technische Studie einer Raumsonde vor, die von Neumanns Prinzip in Metall umsetzt. Seither trägt das Konzept seinen Namen, und es ist zum Maßstab dafür geworden, wie schnell eine Zivilisation eine Galaxie besiedeln könnte, wenn sie es wollte, und wie weit eine Menschheit kommen könnte, die ihre Reichweite nicht mehr an der Lebensdauer ihrer Astronauten misst.
Freitas entwarf eine Sonde, die er REPRO nannte und deren Kern eine Saat-Einheit von etwa 440 Tonnen bildet. Sie fliegt mit einem Fusionsantrieb zu einem Nachbarstern, sucht dort einen Mond oder Asteroiden mit brauchbaren Rohstoffen, landet und beginnt zu bauen: zuerst Bergwerke und Schmelzen, dann Fabriken, die Bauteile herstellen, und aus diesen Bauteilen schließlich eine neue Saat samt Antrieb. Freitas rechnete für einen vollständigen Zyklus mit etwa 500 Jahren. Danach startet die Kopie zum nächsten Stern, die Fabrik bleibt zurück und erforscht das System oder baut weitere Sonden. Fünf Dinge braucht eine solche Maschine: Instrumente und eine Steuerung, die eigenständig entscheidet, die Fähigkeit zur Selbstreparatur, eine Fabrik, einen Speicher für den Bauplan und einen Antrieb.
Nichts davon verstößt gegen die Physik, und einiges davon existiert im Kleinen bereits. Roboter fertigen Roboter, 3D-Drucker drucken Teile für 3D-Drucker, und die Voyager-Sonden arbeiten seit fast 50 Jahren ohne menschliche Wartung. Was fehlt, ist die Kombination in einem einzigen System, das ohne Zulieferung aus rohem Gestein alles herstellt, was es selbst enthält, vom Chip bis zur Düse. Wie tief das Prinzip der Selbstkopie in der Natur verankert ist, zeigen Roboter aus Froschzellen, die im Labor Kopien von sich selbst bauen, wie es kein Tier tut.
Die Stärke des Konzepts liegt nicht in der Geschwindigkeit einzelner Sonden, sondern in der Verdopplung. Aus einer Sonde werden zwei, aus zwei vier, aus vier acht. Verdoppelt sich die Zahl nur alle 100 Jahre, sind es nach 1.000 Jahren rund tausend Sonden, nach 3.000 Jahren eine Milliarde und nach 10.000 Jahren mehr als 10 hoch 30, weit mehr als die etwa 200 Milliarden Sterne der Milchstraße. Selbst mit Freitas' bedächtigen 500 Jahren pro Zyklus bleibt der Rechenweg derselbe, nur langsamer. Begrenzt wird die Ausbreitung dann nicht mehr durch die Vermehrung, sondern durch die Flugzeit: Bei einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit dauert es rund eine Million Jahre, die 100.000 Lichtjahre große Galaxie zu durchqueren, bei einem Hundertstel zehn Millionen. Beides ist gegenüber dem Alter der Milchstraße von über zehn Milliarden Jahren ein Augenblick.
Genau daraus machte der Physiker Frank Tipler 1980 ein Argument gegen Außerirdische. Gäbe es irgendwo in der Milchstraße eine technische Zivilisation, die nur wenige Millionen Jahre älter ist als wir, hätte sie solche Sonden bauen können, und die Milchstraße wäre längst voll davon. Da wir keine sehen, so Tipler, gibt es die Zivilisation nicht. Carl Sagan und William Newman hielten 1983 dagegen, dass jede vernünftige Zivilisation solche Sonden verbieten müsste, weil sich exponentiell wachsende Maschinen nicht mehr stoppen lassen und irgendwann jeden Asteroiden, jeden Mond und jeden Planeten in Kopien ihrer selbst verwandeln. Freitas wiederum hielt die von beiden angenommenen Vermehrungsraten für übertrieben. Der Astronom Florian Freistetter hat diese Debatte in seiner Podcastreihe Sternengeschichten auf Astrodicticum Simplex nachgezeichnet.
Die Faszination des Konzepts liegt darin, dass es das größte Problem der Raumfahrt umgeht: die Zeit. Der nächste Stern, Proxima Centauri, ist gut vier Lichtjahre entfernt, und selbst ein Raumschiff mit einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit bräuchte über 40 Jahre dorthin. Für Menschen an Bord ist das eine halbe Lebensspanne, für eine Maschine, die weder altert noch atmet, ist es eine Wartezeit. Eine Von-Neumann-Sonde müsste nur einmal gebaut und einmal gestartet werden; alles Weitere erledigt sie aus dem Material, das sie unterwegs findet. Der Aufwand für die erste Sonde entspräche dem einer Großmission, der Ertrag wäre eine Flotte, die nach Jahrtausenden Daten von Hunderten Sternsystemen zurückfunkt, ohne dass die Erde je einen weiteren Start finanzieren müsste.
Dass dieser Gedanke nicht nur Theoretiker beschäftigte, zeigt eine Studie, die die NASA 1980 unter dem Titel Advanced Automation for Space Missions in Auftrag gab. Ein Team von Ingenieuren, zu dem auch Freitas gehörte, entwarf darin eine Fabrik von rund 100 Tonnen, die auf dem Mond landet, Regolith abbaut, daraus Solarzellen, Metalle und Maschinen herstellt und innerhalb eines Jahres eine zweite Fabrik gleicher Größe fertigstellt. Nach zehn solcher Zyklen stünden tausend Fabriken auf dem Mond, nach zwanzig eine Million. Was sie produzieren, wäre frei wählbar: Solarkraftwerke, Bauteile für Raumstationen, Treibstoff aus Mondeis oder eben weitere Sonden. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die nötigen Technologien in wenigen Jahrzehnten verfügbar sein könnten. Die Jahrzehnte sind vergangen, und die Kernidee, dass Rohstoffe im All vor Ort verarbeitet werden statt von der Erde hochgeschossen, ist heute unter dem Namen In-situ-Ressourcennutzung Teil jeder ernsthaften Mondplanung.
Die Anwendungen reichen weit über die Erkundung hinaus. Ein einziger Asteroid von einem Kilometer Durchmesser enthält mehr Nickel, Kobalt und Platinmetalle, als die Menschheit je gefördert hat, und eine sich selbst vermehrende Bergbausonde wäre die einzige Methode, diese Mengen ohne Tausende Starts von der Erde zu erschließen. Sonden, die sich auf dem Mars ausbreiten, könnten dort über Jahrhunderte Treibhausgase freisetzen, Wasser aus dem Untergrund fördern und Infrastruktur errichten, lange bevor der erste Mensch landet. Und Sonden, die an fernen Sternen warten, könnten das Gedächtnis der Menschheit tragen: Baupläne, Genome, Sprachen, die auch dann noch existieren, wenn die Erde selbst nicht mehr bewohnbar ist. Die Science-Fiction hat diese Vorstellung längst durchgespielt, zuletzt in Dennis E. Taylors Bobiverse-Romanen, in denen das digital kopierte Bewusstsein eines Ingenieurs als Steuerung einer Von-Neumann-Sonde von Stern zu Stern reist und sich selbst dabei immer wieder vervielfältigt.
Die Risiken sind die Kehrseite derselben Stärke. Was sich unbegrenzt vermehrt, lässt sich nicht zurückrufen, und ein Fehler im Bauplan pflanzt sich über Generationen fort wie eine Mutation. Ingenieure sprechen vom Kontrollproblem: Eine Sonde, die ihr Ziel falsch versteht oder deren Kopien vom Original abweichen, könnte einen ganzen Asteroidengürtel in Schrott verwandeln, den niemand mehr braucht. Sagans Warnung von 1983 ist deshalb weniger ein Argument gegen die Technik als eine Anforderung an sie: Vermehrung nur mit Obergrenze, mit Abschaltcodes, mit Kopien, die ihre Zahl selbst zählen. Ob sich so etwas über Jahrtausende zuverlässig einbauen lässt, ist eine der offenen Fragen, die eine Zivilisation beantworten müsste, bevor sie die erste Sonde startet.
Für die reale Raumfahrt ist die Von-Neumann-Sonde bisher ein Fernziel, dessen Hürden weniger physikalisch als chemisch und logistisch sind. Ein Chip benötigt Dutzende hochreine Elemente, eine Sonde müsste jedes davon aus dem gewinnen und aufbereiten, was ein fremder Asteroid gerade bietet, und die Fabrik, die das leistet, wäre nach heutigem Stand größer und schwerer als jede Rakete tragen kann. Die Reihenfolge ist deshalb absehbar: zuerst Fabriken, die sich auf dem Mond teilweise selbst versorgen, dann Bergbau auf Asteroiden, und erst am Ende Sonden, die ohne jede Hilfe von der Erde auskommen.
Umso schwerer wiegt die Frage, die Tipler stellte. Eine Galaxie voller Von-Neumann-Sonden wäre nicht zu übersehen, denn irgendwann hätte eine davon auch unseren Asteroidengürtel erreicht und zerlegt. Dass das offenbar nie geschehen ist, bedeutet entweder, dass niemand vor uns da war, dass niemand die Maschinen bauen wollte oder dass sie hier sind und wir sie nicht erkennen. Von Neumann bewies, dass sich Maschinen vermehren können. Ob irgendwer im Universum dieses Wissen je genutzt hat, und ob die Menschheit die Erste sein wird, ist die eigentlich offene Frage.