Raumaufzug

Was ist ein Weltraumelevator?

Ein Weltraumelevator ist eine physische Struktur, die den Boden mit der Umlaufbahn verbindet und auf der man sich bewegen könnte. Viele Versionen dieses Konzepts wurden von Forschern und Science-Fiction-Autoren erfunden, wie in Arthur C. Clarkes Roman „The Fountains of Paradise“, der den Weltraumaufzug der Öffentlichkeit bekannt machte. Ein NASA-Forschungsbericht über den Weltraumaufzug wurde 1999 veröffentlicht.

Um zu verstehen, was ein Raumlift ist, stellen Sie sich ein Seil vor, das senkrecht zwischen dem Äquator und der geostationären Umlaufbahn verläuft. Ein wenig jenseits dieser Umlaufbahn würde das Seil an einer großen Masse, beispielsweise einem Asteroiden, befestigt sein, so dass der Gleichgewichtspunkt der gesamten Struktur genau in der geostationären Umlaufbahn liegt. Das System ist theoretisch stabil und benötigt keine Energie, um sich selbst zu erhalten. Videoabbildung:

Ein Raumlift, wozu und für wen?

Wenn wir eine solche Struktur zwischen dem Boden und der geostationären Umlaufbahn bauen könnten, könnten wir dort einige Aufzüge bewegen, die Menschen, Ausrüstung oder Energie zwischen dem Boden und der Umlaufbahn transportieren könnten. Was diese Art von Struktur sehr attraktiv macht, ist, dass die Fahrt im Vergleich zum Einsatz einer Rakete sehr geringe Energiekosten verursacht. Dies ist die Art von Technologie, die die Kosten für den Zugang zum Weltraum auf etwa 10 US-Dollar pro Kilogramm senken könnte.

Zusätzlich zu seiner Funktion der Übertragung zwischen dem Boden und der geostationären Umlaufbahn kann man viele Funktionen finden, die sich auf einen Raumaufzug beziehen. Es könnte zum Beispiel in einer niedrigen Umlaufbahn anhalten. Die auf dieser Höhe verbliebenen Nutzlasten sollten jedoch noch eine Beschleunigung von wenigen Kilometern pro Sekunde mit sich bringen. In ähnlicher Weise ist es durch Ausdehnen des Weltraumaufzugs weiter als die geostationäre Umlaufbahn möglich, die Geschwindigkeit der Freigabe der Erdbahn zu erreichen und somit Nutzlasten auf eine interplanetare Flugbahn zu bringen. Übrigens könnte der Weltraumelevator als riesiges Kommunikationsrelais dienen, das die Bedürfnisse einer gesamten Hemisphäre abdecken kann.

Das Potenzial des Weltraumlifts ist enorm, wenn wir es eines Tages bauen können. Die höchste künstliche Struktur ist derzeit der Burj Khalifa Tower in Dubai, der sich auf 830 Meter erhebt. Mit den heutigen Materialien und Bautechniken wäre es theoretisch möglich, mehrere Kilometer hohe Arbeiten zu realisieren. Aber die geostationäre Umlaufbahn liegt fast 36.000 Kilometer über dem Meeresspiegel. Der Weltraumlift ist daher eine große technische Herausforderung.

Wie baue ich einen Weltraumlift?

Um dorthin zu gelangen, gibt es zwei Möglichkeiten. Man kann sich entweder auf eine Druckstruktur verlassen, dh auf einen Turm, der durch sein Eigengewicht gehalten wird. Dies ist der Ansatz, den Constantin Tsiolkovsky sich vorstellte, als er sich den Weltraumaufzug vorstellte. Es war sogar der Eiffelturm, der ihn inspirierte. Oder man kann sich eine Struktur vorstellen, die auf Spannungskräften zwischen dem Boden und einem Gegengewicht beruht, das jenseits der geostationären Umlaufbahn platziert ist, wie ein Seil, das aufgrund des Zentrifugaleffekts gespannt bleibt. Bei den neuesten Konstruktionen ist es die zweite Lösung, die bevorzugt wird, einfach deshalb, weil die am meisten widerstandsfähigen Materialien, die bekannt sind, eine viel bessere Beständigkeit gegen Zugkräfte als Druckkräfte aufweisen.

Nehmen Sie zum Beispiel zwei der widerstandsfähigsten Materialien heute: Wenn Sie einen Epoxid-Turm bauen wollen, wird er in der Lage sein, sein Eigengewicht in Kompression bis zu einer Höhe von 122 Kilometern zu tragen. Wenn Sie dagegen eine Kunststoffstruktur mit Kohlefaserverstärkung aufhängen, kann sie ihr Eigengewicht unter Spannung bis zu einer Länge von 373 km tragen. In beiden Fällen bleiben wir immer weit von der notwendigen Höhe entfernt. Es könnte interessant sein, die beiden Ansätze zu kombinieren, indem an der Basis des Aufzugs ein 3000 km langer Turm gebaut wird, der auf Kompressionskräften basiert. Es wäre dann möglich, die Masse der Struktur in Spannung um den Faktor 150 zu reduzieren. Aber noch wichtiger Fortschritt muss auf den Materialien gemacht werden.

Idealerweise sollte die zentrale Struktur des Weltraumaufzugs so leicht wie möglich sein, um die Belastung durch sein Eigengewicht zu begrenzen, und doch stark genug, um die unglaublichen Kräfte hier nicht zu brechen: zum Beispiel in einem Raumaufzug, dessen Struktur unter Spannung steht Mit der einen Seite zieht die Schwerkraft und mit der anderen der Zentrifugaleffekt, der mit dem Gegengewicht zusammenhängt. Das ist wie ein Tauziehen mit hunderttausend Menschen in jeder Mannschaft.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Vor einigen Jahren hat die Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren gezeigt, dass einige Materialien die notwendige Festigkeit haben, um einen Weltraumaufzug zu tragen. Aber die Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhren ist immer noch sehr experimentell und begrenzt, und der Raumaufzug ist eine riesige Struktur, die große Mengen an Materialien benötigt. Ebenso ist der Bau des Weltraumlifts nur der Anfang der Arbeit: Er muss ihn dann aufrechterhalten können. Ein Weltraumlift würde in seinen untersten Teilen meteorologischen Bedingungen und in seinen obersten Teilen Mikro-Meteoriten und Weltraummüll ausgesetzt sein. Schon kleinste Schäden können die Integrität des gesamten Bauwerks gefährden. Im Falle einer Trennung wären die Auswirkungen auf Regionen unterhalb des Weltraumaufzugs katastrophal.

Wie viel kostet ein Raumaufzug?

Eine der wichtigen Fragen, die das Interesse eines Weltraumlifts bestimmen, bleibt seine wirtschaftliche Rentabilität. Der Weltraumlift könnte den Preis für den Zugang zum Weltraum mit ähnlichen Raten senken wie die Zivilluftfahrt. Wenn wir jedoch die Herstellungs- und Wartungskosten erhöhen, wäre ein Weltraumaufzug ein internationales Projekt, das die wirtschaftlichen Anstrengungen vieler Nationen mit einbezieht. Angesichts der erforderlichen Investitionen würde es viele Jahre dauern, bis ein Raumaufzug profitabel wird. Die Rolle eines Weltraumelevators ist sehr spezifisch: In den gängigsten Konstruktionen wird nur die geostationäre Umlaufbahn effizient bedient. In einer niedrigen Umlaufbahn muss eine zusätzliche Beschleunigung bereitgestellt werden und die Äquatorialebene ist für interplanetare Flugbahnen nicht optimal. Wenn man schließlich Materialien entwickeln könnte, die widerstandsfähig genug wären, um einen Weltraumaufzug zu bauen, könnten dieselben Materialien verwendet werden, um Raketen leistungsstark und wiederverwendbar zu machen, was das Interesse des Weltraumaufzugs weiter verringert.

Raumaufzug

Ein Mondraumaufzug ist ein viel realistischeres Projekt. Die reduzierte Schwerkraft des Mondes würde erlauben, den Aufzug mit Materialien zu bauen, die bereits gut beherrscht sind, zum Beispiel Kevlar. Ein Aufzug, der zwischen der Mondoberfläche und dem L1-Lagrange-Punkt des Erde-Mond-Systems errichtet wird, wäre eine effektive Methode, um wertvolle Mondmaterialien zu gewinnen, zum Beispiel für die Konstruktion von Weltraumhabitaten. Wir können uns auch viel einfachere Raumaufzüge vorstellen, nicht zwischen dem Boden und der Umlaufbahn, sondern zwischen verschiedenen Umlaufbahnen. Zum Beispiel würde ein Teil des Aufzugs, wenn er sein Massenzentrum in einer niedrigen Umlaufbahn plaziert, nur über der Atmosphäre in 150 km Höhe hängen. So könnten sich einstufige Raketen einfacher Bauart anschließen. Die Nutzlasten könnten dann in einer niedrigen Umlaufbahn oder sogar auf interplanetaren Flugbahnen freigegeben werden, da ein solcher Raumaufzug nicht auf der Äquatorialebene sein müßte.

Geh in einen Weltraumlift

Raumaufzüge werden wahrscheinlich lange Zeit Science-Fiction bleiben. Selbst wenn die notwendigen Materialien in den kommenden Jahrzehnten entwickelt werden, ist es unwahrscheinlich, dass das wirtschaftliche Interesse ein Unternehmen oder einen Staat dazu bringen wird, es zu bauen, insbesondere wenn die Raketen schließlich versprechen, die Kosten des Zugangs zum Weltraum zu reduzieren. Wenn die Wiederverwendung ihr Versprechen hält, wird es wahrscheinlich Jahrhunderte dauern, bis wir wieder über das Konzept eines Weltraumaufzugs sprechen. In naher Zukunft könnten weitere Konzepte implementiert werden, die dem Weltraumaufzug nahe kommen. Dies ist zum Beispiel der Fall bei einem Captive-Antrieb, der mit zwei langen Kabeln die Umlaufbahn einer Nutzlast zu geringeren Kosten verändert.