Bauen im Weltall

Vortrag von Herrn Prof. Dr.-Ing. Johann- Dietrich Wörner, Vorsitzender des Vorstandes des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt anlässlich der Jahrestagung der VSVI Bayern am 15. Juli 2011 in Aschaffenburg. Das Thema Raumfahrt wird in der öffentlichen Diskussion schnell als Expertenthema einer teuren Nischenaktivität gesehen, dessen wichtigste Errungenschaft die Landung von Menschen auf dem Mond gewesen ist. Tatsächlich basiert Raumfahrt heute nicht mehr auf dem Systemstreit des kalten Krieges, auf der Ausrichtung an Demonstration von Macht und Überlegenheit.

Raumfahrt ist heute Erdbeobachtung, Navigation, Kommunikation, Technologieentwicklung, Forschung unter Weltraumbedingungen aber auch Exploration, Suche nach den Grundfragen der Existenz der Welt und des Lebens. Die Neugier als Triebfeder der Raumfahrt hat eine lange Tradition und wirkt auch in anderen Disziplinen, z.B. in der Literatur („Peterchens Mondfahrt“) oder in der Werbung. Wenn nun Strukturen für die Raumfahrt geschaffen werden, so ist es von zentraler Bedeutung die Randbedingungen zu kennen. Einige wenige Hinweise genügen, um die besonderen Aspekte zu benennen, die das „Bauen im Weltall“ besonders anspruchsvoll machen:

• Hochenergetische Strahlung (z.B. Protonen)

• Partikelstrahlung (Sonnenwind)

• Meteoriten etc.

• Kälte des Weltraumhintergrunds: -270°C

• Sonnenwärme: abhängig von Entfernung

• Vakuum

Betrachtet man nun die Planeten und Monde unseres Sonnensystems, so kommen weitere Bedingungen hinzu:

• Temperaturen von -240°C bis + 475°C

• Vakuum bis Gasatmosphäre

• Gravitation: 0,02 g bis 2,5 g

• Wind: 0 bis Dauerwirbelsturm

• Staub, Gase…

• Beben, Vulkane…

Die extremen Unterschiede, die schon allein in unserem Sonnensystem auftreten, lassen sich an einem Größenvergleich Erde- Jupiter eindrucksvoll erkennen (Bild 1).

Die Erde, ein Gesteinsplanet mit einer aktiven Plattentektonik, die uns mit den daraus resultierenden Erdbeben „Sorgen“ bereitet, die aber zugleich Grundlage für das Leben auf der Erde ist, steht in starkem Kontrast zu dem Gasplaneten Jupiter, dessen Wirbelstürme seit Jahrhunderten beobachtet werden und größer als die Erde sind.

Das Entwerfen und Bauen von Strukturen im Weltall, jenseits der absolut gesehen sehr moderaten Bedingungen auf der Erde, erfordert besondere Maßnahmen, um den Herausforderungen erfolgreich begegnen zu können, z.B.

• Zuverlässigkeit (Redundanz, Self-Healing)

• Wartungsfreiheit (fehlertolerante Systeme)

• sehr begrenzte Raum-, Energie- und Masse-Ressourcen (extrem leichte Konstruktionen)

• keine Konvektion („Barbecue-mode“)

• keine „Gravitationsstabilität“ (lose Teile)

Als Beispiel sei die Mission Rosetta genannt, die 2004 gestartet wurde, um 2014 den Kometen Tschurjumow- Gerasimenko zu erreichen und zu versuchen, darauf zu landen (Bild 2).

10 Jahre ohne Inspektion, Ölwechsel etc. sind wohl in unserem täglichen Leben schwer vorstellbar, die rauen Bedingungen des Weltalls wie z.B. die Zerstörung von Elektronik durch Strahlung machen diese Mission noch schwieriger. Noch anspruchsvoller werden die Raumfahrtmissionen, wenn Menschen an Bord sind. 1961, auf dem Höhepunkt des kalten Krieges, gelang es der Sowjetunion mit Juri Gagarin, den ersten Menschen in eine Erdumlaufbahn und wohlbehalten zurückzubringen (Bild 3). Neben zusätzlichen Lebenserhaltungssystemen steigt der Sicherheitsanspruch bei bemannten Missionen.

In den Jahren des Wettlaufs im All zwischen den beiden Systemen UdSSR und USA wurde in Deutschland mit Raumpatrouille eine Fernsehserie (Start 1966) gedreht, die uns heute vielleicht etwas naiv vorkommt, die aber einen ganz wichtigen Aspekt vorwegnahm, der heute die Raumfahrt dominiert: die internationale Zusammenarbeit (Bild 4).

Die Crew von Orion bestand aus:

• Kommandant Cliff Allister McLane  (Amerika)

• Offizier Mario de Monti  (Italien)

• Astrogater Atan Shubashi  (Japan, Türkei oder Aserbeidschan)

• Ingenieur Hasso Sigbjörnson  (Schweden)

• Leutnant Helga Legrelle  (Frankreich)

• Sicherheitsoffizier Tamara Jagellovsk  (Russland)

Was damals eine unvorstellbare Vision war, ist heute auf der Internationalen Raumstation Realität (Bild 5).

Die Zusammenarbeit der USA, Russlands, Kanada, Japan und Europa ist in der ISS zum Alltag geworden. Der Kalte Krieg ist durch Kooperation im Weltall Vergangenheit. Die technischen Herausforderungen zum Bau und der Versorgung der ISS waren und sind gewaltig. Schon die Entwicklung eines „einfachen“ Fensters verlangt hier nach neuen Lösungen, um die Sicherheit zu gewährleisten (Bild 6).

Bei einem Durchmesser von nur 50 cm ist eine Gesamtdicke von 12 cm aus 4-fach Verbund-Sicherheitsglas (VSG) erforderlich, um den Druckverhältnissen aber auch eventuellen Stößen von außen oder innen Stand zu halten. Noch aufwändiger ist die Konstruktion der sogenannten Cupola. Dort sind Fenster mit einem Durchmesser von 80 cm eingebaut (Bild 7).

Das in Europa gefertigte Forschungsmodul Columbus sieht zunächst wie eine einfache Zylinderschale aus (Bild 8).

Die Anforderungen hinsichtlich Temperatur aber auch Meteoriteneinschlägen führen zu sehr aufwändigen mehrschaligen Aufbauten, da schon ein kleines Loch die Funktionsfähigkeit der gesamten Station gefährden kann. Aber auch die Bauwerke auf der Erde, die nötig sind, um Raumfahrt zu ermöglichen, sind zu beachten. Das Integrationsgebäude, das seinerzeit für das Apollo-Mondpro-gramm errichtet wurde ist 160 m hoch, bei einer Länge von 218 m und einer Breite von 158 m. Bei entsprechenden Wetterverhältnissen können im Inneren sogar Nebelwolken beobachtet werden (Bild 9).

Für das Shuttleprogramm sind weltweit mehrere Landebahnen gebaut worden, die Landebahn in Cap Canaveral hat eine Länge von 4,5 km und eine Überbreite, um sichere Landungen zu gewährleisten. Gerade am Beispiel der Raumfahrt lässt sich aber auch zeigen, wie wichtig Grundlagenforschung und eine disziplinübergreifende Kooperation sind. Einstein hatte mit seiner Relativitätstheorie die Abhängigkeit der Zeit von relativer Geschwindigkeit und Gravitation definiert: Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie wird Zeit durch Gravitation „gebremst“, die spezielle Relativitätstheorie sagt aus, dass Zeit durch Geschwindigkeit „gebremst“ wird. Die Satellitennavigation muss diese Effekte berücksichtigen. Satellitennavigation beruht darauf, dass mehrere Satelliten ihren jeweiligen Ort und ein Zeitsignal übermitteln. Die Differenzen in den Zeitsignalen benutzt das Endgerät zur Bestimmung des Ortes. Die Satelliten umrunden die Erde in einer Höhe von etwa 24.000 km mit einer Geschwindigkeit von 3.800 m/s. Die Entfernung zur Erde reduziert die Anziehungskraft, d.h. die Zeit wird weniger „gebremst“ als auf der Erdoberfläche. Ließe man die Effekte der Anziehungskraft und der Relativgeschwindigkeit auf die Zeit außer acht, wäre die Ortsbestimmung schon nach einer Stunde ca. 500 m falsch.

Wenngleich die Teflonpfanne kein Raumfahrtprodukt ist, so lassen sich doch viele Dinge unseres täglichen Lebens auf die Entwicklungen in der Raumfahrt zurückführen. Beispielhaft sei hier der Akkuschrauber genannt, dessen Entwicklung für das Apolloprogramm zur Gewinnung von Bodenproben auf dem Mond vorangetrieben wurde. Aber auch so einfache Dinge wie die Verbesserung der Gleitsichtbrille verdankt ihre Existenz der Raumfahrttechnologie: Für die Mission ROSAT musste ein spezielles, hochpräzises Schleifverfahren entwickelt werden, das die Herstellung von verbesserten Gleitsichtbrillen ermöglichte. Auch die Hochleistungskeramikbremse von Fahrzeugen lässt sich auf die Raumfahrt zurückführen: Um den Beanspruchungen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu widerstehen wurden spezielle Keramikverbundmaterialen entwickelt, die dann auch in Bremsscheiben zum Einsatz kommen konnten.

Raumfahrt, insbesondere die bemannte Raumfahrt ist aufwändig und verlangt nach vielen finanziellen Mitteln. Raumfahrt hat längst in unseren Alltag Einzug gehalten, ist Infrastruktur (Kommunikation, Navigation, Meteorologie, Erdbeobachtung, Katastrophenmanagement), ist Technologietreiber für Innovationen, ist ein wirtschaftlicher Faktor durch Anwendungen, ist aber auch eine Plattform zum Erkenntnisgewinn über unsere Welt.

Quelle:  BSVI