Nicholas Dallmann ist Forschungsingenieur am Los Alamos National Laboratory, einer Einrichtung des US-Energieministeriums. Er hat diesen Artikel zu Space.com’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights. Das von ihm beschriebene Projekt wird von Los Alamos Laboratory Directed Research and Development finanziert.
In dem Film „Gravity“ aus dem Jahr 2013 wäre Sandra Bullock beinahe von Weltraumschrott getötet worden. Während diese Geschichte eindeutig Fiktion war (und zwar sensationelle Fiktion), ist die Bedrohung durch Weltraumschrott real – so real, dass die NASA ein ganzes Büro hat, das sich mit seiner Verfolgung und Eindämmung beschäftigt. Und im vergangenen Jahr fand die erste internationale Konferenz statt, die sich ausschließlich mit Weltraummüll befasste.
Es gibt guten Grund, sich Sorgen zu machen. Derzeit umkreisen etwa 2.000 operative Satelliten die Erde – ganz zu schweigen von weiteren 3.000 nicht-operativen – und es wird erwartet, dass diese Zahl in die Höhe schießen wird. In diesem Jahr sind mehr als 1 500 Satelliten für den Start vorgesehen. (Zum Vergleich: 2018 wurden nur 365 gestartet.)
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Der Weltraum mag groß sein, aber er wird zunehmend überfüllt, und das ist ein echtes Problem. Die erdnahe Umlaufbahn (LEO), in der sich die meisten Satelliten befinden, ist eine natürliche Ressource. Und genau wie andere natürliche Ressourcen müssen wir sie sorgfältig verwalten. Schon die Kollision einiger weniger Satelliten reicht aus, um den Kessler-Effekt auszulösen: eine unkontrollierbare Kettenreaktion, bei der weitere Trümmer zu weiteren Kollisionen führen, die nicht nur praktisch alle Raumfahrzeuge im LEO beschädigen oder zerstören, sondern diesen Teil des Weltraums für Jahrzehnte unbrauchbar machen könnten.
Was aber, wenn man Satelliten auf Kollisionskurs aus der Gefahrenzone manövrieren könnte? Ob Sie es glauben oder nicht, das ist nicht leicht zu bewerkstelligen. Die meisten Satelliten, die in den LEO geschickt werden – insbesondere Kleinsatelliten und Würfelsatelliten – haben keine Antriebssysteme, weil sie schwer und teuer sind. Außerdem stellen sie ein zusätzliches Risiko für die Rakete dar, die den Satelliten in den Weltraum befördert, sowie für alle anderen Nutzlasten, die mitfliegen. Das liegt daran, dass das gängigste Raketenantriebssystem flüssigen Raketentreibstoff verwendet, der extrem flüchtig ist. Wenn ein kleiner Würfelsatellit auf einer Multimillionen-Dollar-Rakete mitfliegt und sein unbeständiges Antriebssystem während des Starts oder auf dem Flug ins Weltall explodiert, ist die gesamte Mission beendet. Das ist ein schlechter Tag.
Die einfachste Lösung ist die Verwendung von festem Raketentreibstoff. Er hat eine hohe Schubkraft, ist viel sicherer und kostengünstiger und kann zudem extrem lange gelagert werden. Aber fester Raketentreibstoff hat einen großen Nachteil: Er kann nicht angehalten und neu gestartet werden. Wenn man ihn einmal gezündet hat, kann man ihn nur einmal abbrennen. Das war’s. Und das ist ein Problem bei der Vermeidung von Trümmern. Um eine Kollision durch eine Änderung der Umlaufbahn zu vermeiden, sind mindestens zwei unabhängige Zündungen erforderlich: eine, um den Satelliten schnell aus dem Weg zu räumen, und eine, um ihn wieder auf seine korrekte Umlaufbahn zu bringen. Um den Satelliten aus der Umlaufbahn zu bringen, sind wahrscheinlich ebenfalls mehrere Brennvorgänge erforderlich.
Am Los Alamos National Laboratory arbeiten wir daran, dies zu ändern. Wir haben vor kurzem die Fähigkeit entwickelt und demonstriert, Feststoffraketenmotoren mehrmals zu stoppen und neu zu starten – etwas, das bisher noch nie gemacht wurde.
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Wie es funktioniert
Eine Feststoffrakete ist einfach und besteht aus nur wenigen Hauptkomponenten. Sie besteht aus einer Brennkammer, die ein Zündsystem und Treibstoff enthält, und einer Auslassdüse. Wir haben kürzlich ein sichereres Treibstoffsystem mit getrenntem Festtreibstoff und festem Oxidationsmittel entwickelt. Damit unser Feststoffraketen-System jedoch gestoppt und wieder gestartet werden kann, mussten wir ein wiederverwendbares Zündsystem und eine rücksetzbare Methode zum Löschen einer Verbrennung entwickeln.
Für die Zündung haben wir traditionelle Pyrotechnik durch Wasser ersetzt. Mit unserem System würde ein Satellit mit einem kleinen Tank mit harmlosem Wasser starten. In der Umlaufbahn und kurz vor der Zündung würde ein Elektrolyseur das Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffgase aufspalten. Im Moment der Zündung würden Wasserstoff und Sauerstoff schnell in die Brennkammer injiziert und durch einen Funken entzündet. Die entstehende Flamme würde den Festtreibstoff entzünden.
Die nächste Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wie man den Brand löschen kann. Es ist seit langem bekannt, dass eine schnelle Dekompression der Kammer eine Feststoffrakete zuverlässig zum Erlöschen bringen kann – aber wie macht man das am besten? Letztes Jahr haben wir eine Aerospike-Düse mit einem veränderbaren Drosselbereich entwickelt. Sobald die Rakete die gewünschte Geschwindigkeitsänderung erreicht hat, wird der Drosselbereich geöffnet, wodurch die Kammer dekomprimiert und die Rakete gelöscht wird. Wenn ein weiterer Abbrand der Rakete erforderlich ist, wird der Drosselbereich in seine ursprüngliche Position zurückgesetzt. Dies wird nach Bedarf wiederholt.
Wir haben vor kurzem mehrere unabhängige Verbrennungen einer einzigen Feststoffrakete auf statischen Prüfständen in Los Alamos demonstriert. Die nächste Hürde wird eine Demonstration in der Umlaufbahn sein. Wir arbeiten derzeit an der Verfeinerung unseres Systems und suchen nach einer Gelegenheit für die Demonstration.
Wir prüfen auch die Entwicklung einer Nutzlast, die vom Hauptsatelliten isoliert ist und über eine eigene Stromversorgung, eine Kommunikation mit geringer Bandbreite zum Boden, eine Lageregelung zur Festlegung der Ausrichtung für einen Abschuss und unser Feststoffraketensystem verfügt. Mit dieser Nutzlast könnten Trümmervermeidung und De-Orbitierung möglicherweise noch viele Jahre nach dem Ende der Lebensdauer des Satelliten durchgeführt werden.
Feststoffraketen sind nicht die Antwort auf alle potenziellen Herausforderungen bei der Bewältigung des Problems des Weltraumschrotts – aber ihre Einfachheit, leichte Skalierbarkeit auf die Größe des Raumfahrzeugs, hohe Schubkraft und jetzt auch mehrere unabhängige Schubkräfte machen sie zu einem großartigen Kandidaten für die Vermeidung von Orbitaltrümmern und De-Orbitierung. Wir hoffen, dass diese Raketen eines Tages an Bord jedes in den Weltraum geschossenen Satelliten sein werden und den LEO für die nächsten Jahrtausende sicher und nutzbar machen.
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