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Ballonfahrt am Rande der Unendlichkeit

Spezielle Höhenballons befördern Sensoren und Kommunikationssysteme schnell und billig in die oberen Schichten der Atmosphäre – auf der Erde wie auch auf anderen Planeten.


Ein Menschheitstraum erfüllte sich am 21. November des Jahres 1783: Der Heißluftballon Reveillon der Gebrüder Etienne Jacques und Michel Joseph de Montgolfier (1745 – 1799 bzw. 1740 – 1810) trug zwei Passagiere zum ersten Freiflug in mehr als tausend Meter Höhe. Am 1. Dezember des gleichen Jahres stieg der Chemiker César Charles mit dem ersten Wasserstoffballon in Paris auf und landete 104 Kilometer weiter nördlich. Der Luftraum schien dem Menschen offen zu stehen.

Doch trotz aller bis in das 20. Jahrhundert anhaltenden Begeisterung für Ballons blieb dessen wirkliche Eroberung Flugzeugen und Raketen vorbehalten. Deren Fahrt hängt nicht von momentan herrschenden Winden ab, und sie befördern größere Lasten – und dies schneller. Doch gerade für die Untersuchung der Stratosphäre, also die in 8 bis 17 Kilometern Höhe (je nach Jahreszeit und geographischer Breite) beginnende und bis in etwa 50 Kilometer Höhe reichende Luftschicht, machen die Veteranen wieder Konkurrenz, denn in Zeiten abnehmender Budgets projektieren Forscher und Ingenieure der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA kostengünstige Ballonmissionen.

Bis zu hundert Tage sollen die neuesten Versionen dieser Fluggeräte in mindestens 33,5 Kilometern Höhe verbleiben und dabei 1,6 Tonnen Nutzlast tragen. Einer der ersten wird im Dezember 2001 von Australien oder Neuseeland starten und soll bis an den äußersten Rand unserer Atmosphäre aufsteigen – viermal höher als ein Passagierjet, der über 12 Kilometer nicht hinaus kommt. Via Satellitenverbindung mit dem Internet werden die Sensordaten der beförderten Instrumente weltweit verfügbar sein.

Der ungewöhnlich langen Betriebsdauer entsprechend, wurde das geplante Vehikel Ultra Long Duration Balloon (ULDB) getauft. Wir hoffen damit einen ökonomischeren Weg zur Erkundung der oberen Atmosphäre, aber auch des Weltraumes zu erschließen, denn Ballons sind sehr viel billiger als Raketen. Zudem können ihre Instrumente geborgen und erneut genutzt werden. Forschungsballons haben schon Nutzlasten von 3,6 Tonnen 40 Kilometer hoch befördert, einige hundert Kilogramm sogar bis in 52 Kilometer Höhe gebracht. Sofern UDLBs den Rand der Stratosphäre erreichen und dort lange bleiben können, geben sie vielleicht sogar ideale Plattformen für astronomische Teleskope ab – weniger als ein Prozent der Lufthülle liegen darüber, entsprechend geringer stören Turbulenzen und Lichtabsorption. Und schließlich bieten sich Ballons durchaus an, per Rakete zu einem Nachbarplaneten befördert zu werden, dessen Gashülle zu durchqueren, sei es um deren Atmosphärenchemie und -dynamik zu erkunden, sei es um Luftaufnahmen oder geophysikalische Daten zu gewinnen.

Der griechische Mathematiker und Mechaniker Archimedes (um 285 – 212 vor Christus) entdeckte 240 vor Christus das Prinzip des Auftriebs – ein Objekt, das in eine Flüssigkeit eintaucht, verliert scheinbar so viel an Gewicht, wie die von ihm verdrängte Menge wiegt. Leonardo da Vinci (1452–1519) wußte, daß dieses Prinzip auch für Gase gilt: Mittels Heißluft ließ er 1513 zu Ehren des neuen Papstes Leo X. Heiligenfiguren aufsteigen. Und der Naturphilosoph Jean-Jacques Rousseau (1712–1778) erwog 40 Jahre vor dem Durchbruch der Brüder Montgolfier, den Luftraum zu erobern und dazu "einen Körper zu finden, der leichter ist als ein entsprechendes Volumen Luft".

Daß sich von einer Gondel aus der Erdboden trefflich ausspähen ließ, erkannten auch die Militärs. In der Schlacht von Fleurus zwischen Frankreich und Österreich am 26. Juni 1794 brachte die französische Seite einen angeleinten Ballon in die Luft, um den Schlachtverlauf zu beobachten und das Artilleriefeuer zu dirigieren. Die Österreicher ihrerseits versuchten bei der Belagerung Venedigs 1849, mit 200 kleinen Heißluftballons Bomben in die Stadt zu bringe; unvorhersagbare Winde ließen das Unternehmen aber scheitern. Im amerikanischen Bürgerkrieg (1861–1865) versorgte der Wissenschaftler Thaddeus Sobiski Lowe (1832 – 1913) die Unionstruppen mit Informationen über die konföderierten Truppen. Bis ein neuer Kommandeur 1863 die Bedeutung der Aeronautik bezweifelte, hatte Lowe eine Flotte von sieben Wasserstoff-Ballons in Betrieb. Das Lowe Observatorium in Pasadena (Kalifornien) ist nach ihm benannt.

Wissenschaftler nutzten die neue Technologie, um die Atmosphäre zu untersuchen. César Charles hatte bereits ein Thermometer an Bord, und 1784 bestimmten der amerikanische Arzt John Jeffries (1744–1819) und der Aeronaut Jean-Pierre Blanchard (1753 – 1809) bei einem Flug über London, daß die Temperatur um fünf Grad je Kilometer mit der Höhe abnimmt. Am 20. August 1804 stiegen die französischen Naturwissenschaftler Louis Gay-Lussac (1778 – 1850) und Jean-Baptiste Biot (1774 – 1862) bis zu 7000 Meter hoch auf, um Luftproben zu nehmen, aber auch um Puls und Atmung zu messen. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts nutzten Wissenschaftler erstmals auch unbemannte Ballons. Der französische Meteorologe Leon Philippe Teisserenc de Bort (1855-1913) bestimmte in fast 600 Versuchen das Temperaturprofil bis in etwa 14 Kilometer Höhe; daraus schloß er auf die Existenz der Stratosphäre. In den späten 40er und frühen 50er Jahren gelang es Entwicklern der amerikanischen Marine, durch den Einsatz von Polyethylen für die Ballonhülle einen Ballon mit höherem Ballast bis in die Stratosphäre (15 bis 50 Kilometer Höhe) aufsteigen und dort auch längere Zeit verweilen zu lassen. Was nur wenigen bekannt ist: Mit bemannten Ballon-Missionen testete die NASA Raumanzüge und untersuchte die Reaktionen der Astronauten auf eine weltraumähnliche Umgebung. Als Vorläufer der Astronauten gelten Malcolm D. Ross und M. Lee Lewis, die 1956 mit dem Ballon Strato-Lab I der amerikanischen Marine 23165 Meter hoch aufstiegen; knapp fünf Jahre später flog Ross mit Victor Prather in einem anderen Marine-Ballon über dem Golf von Mexiko in eine Höhe von 34668 Metern – der heute noch ungebroche Rekord der bemannten Ballonfahrt.

Diese Versuche wiesen den Weg in den Weltraum. Im Jahre 1960 startete die NASA ihren ersten experimentellen Kommunikatiossatelliten, Echo 1, einen mit reflektierender Metallbeschichtung ausgestatteten Ballon, der die Erde fast acht Jahre lang in 1600 Kilometern Höhe umkreiste. 25 Jahre später gelang es einem internationalen Team von Wissenschaftlern unter Leitung der damaligen Sowjetunion mit Beteiligung Frankreichs und der Vereinigten Staaten, mit zwei Ballonsonden die Atmosphäre der Venus bis in eine Höhe von 54 Kilometern über Grund zu erkunden.

Forschungsballons steigen bis auf 50 Kilometer


Raumtransporter haben gegenüber großen Ballons zwei weitere große Nachteile: Zum einen vermag nur das Space Shuttle ähnlich große Lasten zu transportieren, zum anderen dauert es Jahre, um die vielfältigen wissenschaftlichen Instrumente auf den sehr belastenden Flug vorzubereiten. Als 1987 die Supernova 1987A in unmittelbarer Nähe unseres Planetensystems entdeckt worden war – ein Ereignis, das nur ungefähr alle 400 Jahre eintritt – gelang es hingegen innerhalb von nur drei Monaten, Beobachtungsinstrumente mit einem Ballon in Position zu bringen. Deshalb befördern Raumsonden meist auch nur solche Sensoren, deren Technik sich schon bei Ballonaufstiegen bewährt hat.

Die meisten NASA-Ballons sind offene Ballons (im englischen Fachjargon zero-pressure balloon). Sie heben genau dann vom Boden ab, wenn genug Helium eingeströmt ist, um einen Auftrieb zu erzeugen, der das Gesamtgewicht ausgleicht. Beim Aufstieg nehmen Dichte und Druck der umgebenden Atmosphäre stetig ab, demzufolge expandiert das Helium. Nach zwei bis drei Stunden ist die gewünschte Höhe von 36 bis 40 Kilometern erreicht, der Ballon ist nun voll aufgeblasen. Gas wird über Ventile an seiner Basis abgelassen, um jedwede Druckdifferenz zwischen Innen und Außen auszugleichen, daher die englische Bezeichnung. Auf diese Weise wird die Höhe stabilisiert und die Gefahr von Rissen in der dünnen Polyethylenhülle vermieden.

Auch wenn die Sonne während des Tages den Ballon aufheizt, entweicht Gas. In der Nacht kühlt das Helium ab und sein Volumen schrumpft – der Ballon beginnt um bis zu 15 Kilometer zu sinken. Um die Höhe innerhalb akzeptabler Toleranzen halten zu können, wird Ballast abgeworfen, der jeweils etwa sieben bis zehn Prozent der Gesamtmasse ausmacht. Deshalb begrenzt die Menge des mitgeführten Ballasts die Missionsdauer auf wenige Tage. Demgemäß sind oft mehrere Flüge notwendig, um ein Experiment zu beenden. Lediglich in Polarregionen mit ihren konstanten Licht- und Temperaturverhältnissen dauern die Flüge zwei oder drei Wochen.

Ist ein Experiment beendet, trennt ein Funksignal den Ballon von seiner Nutzlast, die dann per Fallschirm zur Erde zurückkehrt, dort geborgen und gegebenenfalls auch für neue Flüge wiederverwendet werden kann. Damit die Hülle rasch hinabfällt, wird sie aufgerissen und ist deshalb nicht mehr zu verwenden.

Ein Ballon, der bis zu hundert Tage oberhalb von 99 Prozent unserer Lufthülle fliegen kann, das ist das Ziel des genannten Ultra Long Duration Balloon-Projekts (UDLB); es wurde 1997 vom Büro für Raumfahrtwissenschaft der NASA ins Leben gerufen und wird von der Wallops Flight Facility des Goddard Space Flight Centers in Wallops Island (Virginia) geleitet. Das Fluggerät ist ein geschlossener Ballon (englisch super-pressure balloon), der nicht über Ventile mit der Atmosphäre verbunden ist. Vielmehr vermag das Hüllenmaterial den Überdruck im Innern von bis zu 200 Pascal am Tage (20 Pascal bei Nacht) standzuhalten, ohne das Volumen zu ändern. Auch ohne Ballastabwurf bleibt eine Mindesthöhe gewahrt, der Ballon sinkt nachts um nie mehr als 300 Meter ab.

Das Material der Hülle muß daher nicht allein sehr gasdicht, sondern auch besonders fest und elastisch sein. Der starken Ultraviolett-Strahlung in großen Höhen sollte es widerstehen und trotz all dieser Anforderungen in der Verarbeitung kostengünstig sein. Kleine, sphärisch geformte geschlossene Ballons aus Polyesterfolie flogen schon mehrere hundert Tage lang in niedrigen Höhen. Schon in den 70er Jahren hatten Wissenschaftler versucht, diesen Typus zu vergrößern, um mehr Nutzlast noch höher hinauf zu befördern. Der Werkstoff widerstand der Belastung aber nicht, war insbesondere anfällig gegen Rißbildung, und die Pläne wurden vorerst auf Eis gelegt.

Die ULDB-Projektleiter entschieden deshalb, Verbundwerkstoffe zu entwickeln. Sie sollten die guten Eigenschaften diverser Materialien vereinigen und die schlechten dabei ausgleichen. Die Wahl fiel schließlich auf ein Material aus drei Schichten: einem hochfesten Polyestergewebe aus Japan, einer sechs Mikrometer (tausendstel Millimeter) dünnen Polyesterfolie mit eingebautem Verstärkungsfaden und einer Polyethylenschicht. Das Polyethylen bildet sozusagen den eigentlichen Behälter, es ist recht unempfindlich gegen Lochbildung und verleiht dem Verbund in gewissem Maße Stabilität. Gasdichtigkeit gewährt vor allem die Folie, während das Gewebe den Großteil der Festigkeit gibt. Die letztgenannten Komponenten widerstehen auch ultravioletter Strahlung recht gut. Den gesamten Verbund hält ein Klebstoff zusammen, der weich genug ist, um die drei Lagen gut zu justieren und zudem Defekte auszugleichen, seien sie Ergebnis des Webprozesses oder der extremen Einsatzbedingungen. Das Endresultat ist ein Material mit einer Flächendichte von 55 Gramm pro Quadratmeter und einer Endbelastbarkeit von 2600 Newton pro Meter.

Aufbauend auf Erfahrungen aus anderen Ballonprojekten in den USA, Frankreich und Japan entschieden sich die Wissenschaftler zudem, die bisherige Kugel-Form aufzugeben, um mit leichterem Hüllenmaterial auszukommen. Dessen mechanische Belastung wächst nämlich nicht nur mit dem Differenzdruck zwischen der umgebenden Atmosphäre und der Gasfüllung, sondern auch mit dem Radius des Ballons. Die Alternative hat die Form eines Kürbis und entsteht, in dem die einzelnen Bahnen des Hüllenmaterials über "Sehnen" verbunden werden, die etwa fünf Prozent kürzer als eine solche Bahn sind. Dort konzentrieren sich nun die von "Pol zu Pol" angreifenden Kräfte, entsprechend wählt man dort ein sehr festes Material (Polybenzobisoxazol, PBO). Die Auswölbungen der Hülle nehmen Kräfte auf, die entlang des Umfanges wirken, der kleinere Radius hält sie aber gering, so daß die eigentliche Hülle aus leichterem Tuch bestehen kann.

Wenn der ULD-Ballon schließlich im Dezember 2001 aufsteigt, wird er den Sensor Trans-Iron Galactic Element Recorder (TIGER) tragen. Der soll in der Kosmischen Strahlung bei Energien von mehr als 300 Millionen Elektronenvolt pro Nukleon die Häufigkeiten der Elemente mit den Ordnungszahlen 26 (Eisen) bis 40 (Zirkon) bestimmen. Dieser hochenergetische Bereich ist von großem Interesse, denn bislang ist die Herkunft der Strahlung noch ungeklärt.

Es ist dies nicht das erste Mal, daß Ballons den Wissenschaftlern bei der Klärung dieser Frage helfen. Diese wie auch die hochenergetische Gammastrahlung aus dem All – wie erwähnt auch die Existenz der Stratosphäre – wurden zuerst von wissenschaftlichen Instrumenten auf Ballonen entdeckt. Was wir bei der Entwicklung und Erpobung des ULDB lernen, könnte aber eines Tages auch bei der Erkundung anderer Welten hilfreich sein. Mars, Venus, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sowie der Saturnmond Titan haben Atmosphären, die Ballonflüge prinzipiell zulassen. Jede davon stellt zwar ganz andere Anforderungen an das Material als die der Erde, doch Planetologen hoffen, mit Ballons als Billig-Plattformen etwa die Zusammensetzung jener fernen Gashüllen und Strömungen darin beobachten zu können. Von einem in der Atmosphäre treibenden Ballon ließen sich auch Erkundungs-Drohnen absetzen, etwa um Bodenproben einzusammeln.

Vermutlich wird diese neue Technik erstmals bei Missionen zu unserem Nachbarplaneten Mars erprobt werden. Da die Dichte seiner Atmosphäre am Boden ungefähr der unserer Stratosphäre entspricht, müßte ein Ballon, der wenige Kilometer über der Marsoberfläche treiben soll, dem ULD-Ballon ähneln. Im Unterschied zu einem Marsfahrzeug wie dem so erfolgreichen Sojourner kann dieses Gefährt größere Gebiete erkunden. Der geringere Abstand zur Planetenoberfläche im Vergleich mit satellitengestützten Kameras ermöglicht sehr viel schärfere Bilder – allerdings von kleineren Flächen. Magnetsensoren könnten die Magnetisierung von Gesteinsformationen messen, die einst aus geschmolzener Lava entstanden sind und beim Erstarren eine damals eventuelle herrschende Ausrichtung der Magnetpole quasi eingefroren haben (remanenter Magnetismus). Mittels Radar ließen sich unterirdische Wasservorkommen ausmachen – niederfrequente elektromagnetische Wellen dringen in den Boden ein, werden aber von Wasser reflektiert.

Schon Ende der 80er Jahre planten Frankreich und Rußland einen Balloneinsatz auf dem Mars. Leider wurde die Aerostat Mission, (nach englisch aerostat, "Auftriebskörper") aufgrund finanzieller Probleme der russischen Partner 1995 aufgegeben. Zwei Jahre später begann man bei der NASA mit den Vorarbeiten für einen sehr viel kleineren, robortergesteuerten Marsballon, genannt Aerobot, von dem Vorstudien schon bei der französischen Raumfahrtagentur CNES existierten. Dieses Projekt mündete schließlich in ein leichtes, aufblasbares Auftriebssystem, das seine ersten Tests in der irdischen Stratosphäre im Frühjahr 1999 erfolgreich absolvierte.

Der Planet Venus mit seiner um einiges dichteren Atmosphäre wurde dagegen schon 1985 mit Ballons erforscht. Die damalige Sowjetunion setzte – mit Frankreich und den USA kooperierend – zwei Ballons etwa 54 Kilometer über der Planetenoberfläche aus, wo sie in 48 Stunden jeweils um den halben Planeten drifteten. Bei diesen Missionen gelang es, die vorherrschenden Windströmungen sowie Temperatur und Druck in der oberen Atmosphäre des Planeten zu bestimmen. Die amerikanische NASA war unter anderem für die ständige Positionsbestimmung verantwortlich, aus der sich auch die Geschwindigkeit der beiden Ballons bestimmen ließ.

Diese Verfahrensweise empfiehlt sich auch bei späteren Missionen, denn die dichte Atmosphäre der Venus schränkt die Erkundung aus dem Weltraum auf Radiowellen und bestimmte Infrarot-Wellenlängen ein. Dort herrschen an der Oberfläche aber 460 Grad Celsius und 90 Bar, so daß Fahrzeuge oder Landeplattformen nur wenige Stunden funktionieren würden. Ein mit heutiger Technologie machbares Konzept, genannt Venus Aerobot Multisonde, sieht vor, einen Mutterballon in den oberen Schichten der Venusatmosphäre treiben zu lassen, der dann mehrere kleine Sonden zur Oberfläche entläßt. Diese sollen dort hochauflösende Bilder und Spektren aufnehmen, um die Entwicklung des Planeten zu entschlüsseln.

Anspruchsvoller wäre ein Aerobot, der von den äußeren Schichten in die Tiefe der Venusatmosphäre bis hin zur Oberfläche absteigt, Proben nimmt und wieder in kühlere Schichten aufsteigt, wo Instrumente und Elektronik abkühlen können. Auch dafür sind schon Bauteile wie etwa eine Miniaturgondel, die hohen Temperaturen und Schwefelsäure widerstehen kann, bei der NASA getestet worden.

Zwei Teams von Wissenschaftlern – eines bei der NASA und eines bei der europäischen Weltraumagentur ESA – entwickeln auch bereits eine Mission, die Bodenproben von der Venus zur Erde bringen soll. Entsprechende Ballons werden dabei Gesteinsmaterial von der Oberfläche bis in 60 Kilometer Höhe transportieren. Dort ist die Atmosphäre dann dünn genug, um Transportraketen zu zünden. Auf dem Saturnmond Titan vermuten Wissenschaftler organische Verbindungen – photochemische Reaktionen in der Atmosphäre könnten zu dem orangefarbenen Schleier beigetragen haben, der die Mondoberfläche beim Vorbeiflug der Voyager-Raumsonden in den 80er Jahren vor deren Kameras versteckte. Große Ozeane aus Kohlenwasserstoffen könnten den Trabanten ebenso auszeichnen wie auch festes Land. Seine Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff und ist viermal dichter als die irdische, dabei jedoch bedeutend kälter – gerade so warm, daß sich diese nicht verflüssigt. Auch hier wären Ballons die idealen Träger von Beobachtungsplattformen. Aerobots könnten mehrfach bis zur Mondoberfläche hinabsteigen, um Nahaufnahmen der Umgebung zu machen, vor Ort nach Kohlenwasserstoffen zu suchen und Bodenproben zu nehmen.

Vor der Realisierung derartiger Szenarien müssen aber noch widerstandsfähigere Ballonmaterialien entwickelt werden, um beispielsweise in der Venusatmosphäre extrem hohe Temperaturen und Schwefelsäure-Wolken ermüdungsfrei zu ertragen. Gleichzeitig gilt es aber, das Gewicht zu verringern, denn die Nutzlast auf interplanetaren Flügen ist ein sehr kritischer Faktor. Diese Anforderung trifft freilich auch die wissenschaftlichen Instrumente, die mit solchen Ballonen durch die Lufthülle treiben sollen, sie müssen immer kleiner und leichter werden.

Die Annäherung an den fremden Planeten bietet ebenfalls Entwicklungspotential. Auf der Erde starten Ballons von der Oberfläche, auf Mars oder Venus treten sie mit einer Kapsel zunächst in die obersten Schichten einer Atmosphäre ein, öffnen sich in unteren und werden beim weiteren Abstieg mit Gas befüllt.

Doch trotz aller ungelöster Fragen sind wir sicher, daß Ballons den Wissenschaftlern stets enorme Möglichkeiten bieten, egal wo sie eingesetzt werden. Vor allem: Ihre preiswerte Kosten-Nutzen-Relation steigert die Chance ballongestützter Missionen auf Realisierung. Das ist mit ein Grund dafür, daß Wissenschaftler mit dem ersten Fluggerät des Luftfahrtzeitalters zu neuen Höhenflügen ansetzen.

Literaturhinweise


The Eagle Aloft: Two Centuries of the balloon in America. Von Tom D. Crouch; Smithsonian Institution Press, 1983.

Race to the Stratosphere: Manned Scientific Ballooning in America. Von David H. DeVorkin; Springer-Verlag, 1989.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 74
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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