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Weltraumseile


Vielleicht wird der Mensch bei der Besiedlung des Mondes und der Planeten nicht nur moderne Raketen verwenden, sondern auch eine uralte Technik – die Seilschleuder.

Wie vermag ein Seil Objekte durch den Weltraum zu bewegen? Betrachten wir zwei Szenarien. Werden zwei Satelliten durch einen dicken Strang verbunden, so kann der eine den anderen – wie ein antiker Jäger mit einer Steinschleuder – in eine höhere Umlaufbahn „werfen“. Diese Technik ließe sich sogar für den Transport von Nutzlasten zum Mond und darüber hinaus verwenden. Besteht die Verbindung zudem aus einem leitfähigen Kabel, so könnte ein hindurchfließender Strom mit dem irdischen Magnetfeld wechselwirken und Antriebskräfte erzeugen. Der große Vorteil beider Varianten – Impulsübertragung und Elektrodynamik – ist, daß sie billig sind. Statt Unmengen von Treibstoff zu verbrauchen, nehmen sie einem bereits die Erde umkreisenden Körper ein wenig von seinem Impuls oder nutzen mittels Solarzellen erzeugte elektrische Energie.

Bislang wurden bei 17 Weltraummissionen Seile oder Kabel eingesetzt – meistens mit Erfolg, doch die Öffentlichkeit erfuhr hauptsächlich von zwei Mißerfolgen. Im Jahre 1992 sollte die Raumfähre Atlantis einen italienischen Satelliten am Ende eines langen Kabels aus isoliertem Kupferdraht aussetzen und auf eine etwas höhere Umlaufbahn bringen. Doch die Seilwinde blockierte, und der Versuch schlug fehl.

Vier Jahre später wiederholte die NASA den Versuch. Dabei induzierte die Bewegung der Raumfähre durch das Erdmagnetfeld in dem 20 Kilometer langen Kabel eine Spannung von 3500 Volt. Elektronische Geräte in der Raumfähre und im italienischen Satelliten stellten eine elektrische Verbindung zur Ionosphäre her, so daß ein Strom von mehreren Ampere durch das Kabel floß. Damit wurde demonstriert, daß elektrodynamische Kabel die Bewegung der Raumfähre in einige Kilowatt elektrischer Leistung umwandeln können und umgekehrt.

Leider sprang wegen eines Isolierungsfehlers eine starke Entladung vom Kabel auf den Lastarm über, und das Kabel brannte durch. Zwar scheiterte damit der elektrodynamische Versuch, aber dafür demonstrierte er eine unbeabsichtigte, aber desto eindrucksvollere Impulsübertragung. Der Satellit schwebte 20 Kilometer über der Raumfähre und wurde von ihr mit einer für seine Bahnhöhe überhöhten Geschwindigkeit mitgeschleppt. Als das Kabel riß, katapultierte der zusätzliche Impuls den Satelliten in eine 140 Kilometer höhere Umlaufbahn.

Andere Versuche verliefen erfolgreicher. Im Jahre 1993 ließ

ein großer Satellit – nach einem Vorschlag von Joseph A. Carlos vom Unternehmen Tether Applications in San Diego (Kalifornien) – eine Nutzlast an einem 20 Kilometer langen Seil zur Erde sinken. Die Nutzlast hatte darum eine für ihre Bahnhöhe allzu geringe Geschwindigkeit und ließ sich, indem sie im richtigen Augenblick ausgeklinkt wurde, auf einen vorausberechneten Punkt der Erdoberfläche absetzen. Tether Applications entwickelt nun eine Wiedereintrittskapsel mit Seil; damit könnte die geplante Internationale Raumstation dringende Lieferungen zur Erde schicken – etwa wissenschaftliche Nutzlasten, die nicht auf den nächsten Shuttle-Flug warten können.

Bei einer ähnlichen Mission ließ man 1994 eine Nutzlast am Ende eines 20 Kilometer langen Seils hängen, um herauszufinden, wie lange es Mikrometeoren und Weltraumschutt standzuhalten vermag. Das Seil ist nicht dicker als eine Drachenschnur und könnte schon von einem mit hoher Geschwindigkeit einschlagenden Sandkorn durchtrennt werden. Man hatte wenigstens eine Lebensdauer von zwölf Tagen erwartet, aber die Schnur riß schon nach vier Tagen.

Damit solche Seile nicht von einem einzigen Teilchen durchtrennt werden, müssen sie aus vielen separaten Fasern bestehen; andererseits müssen die Fäden in regelmäßigen Abständen verflochten sein, damit bei Reißen einer Faser die anderen die Last übernehmen können. Aus diesem Grund produzierte das US-Marineforschungslabor (Naval Research Laboratory, NRL) mit dem National Reconnaissance Office (NRO) ein innen hohles Band von 2,5 Millimetern Durchmesser aus lose mit Garn zusammengebundenen Spectra-Fasern, einem hochfesten Polymer für Angelschnüre. Ein solches Band von vier Kilometern Länge verbindet seit Juni 1996 zwei Satelliten, ohne daß es bisher durchtrennt worden ist.

Bei einem Folgeversuch im vergangenen Oktober testeten NRL und NRO einen anderen Seiltyp: ein dünnes, drei Zentimeter breites Plastikband, das widerstandsfähige Längsfasern enthält. Das sechs Kilometer lange Seil wird vermutlich im

All jahrelang halten, ist aber wegen der Plastikhülle ziem-

lich schwer. Unsere Firma, Tethers Unlimited in Clinton

(US-Bundesstaat Washington), arbeitet gemeinsam mit den schottischen Firmen Culzean Fabrics und Flemings Textiles in Kilmarnock an vielfaserigen Seilen mit offener, netzartiger Struktur; sie sind leichter und sollen viele Jahrzehnte im Weltraum überstehen.

Weitere Versuche sind geplant. Die Firma Michigan Technic

Corporation in Holland (US-Bundesstaat Michigan) will im Jahr 2000 mit einer Raumfähre zwei wissenschaftliche Nutzlasten aussetzen und durch ein zwei Kilometer langes Seil verbinden.

Außerdem plant das Marshall-Raumflugzentrum der NASA elektrodynamische Seile als treibstofflosen Raumantrieb. Mitte 2000 soll ein elektrisch leitfähiges Seil die Umlaufhöhe der obersten Stufe einer Delta-2-Rakete verringern. Bei Tethers Unlimited entwickeln wir derzeit eine kommerzielle Version dieses NASA-Konzepts: Am Satelliten oder an der Endstufe soll vor dem Start ein kleines Seilpaket angebracht werden. Nach Abschluß der Mission oder bei einer Funktionsstörung entrollt sich das Kabel und erzeugt durch Wechselwirkung mit dem irdischen Magnetfeld eine Bremskraft. Dadurch verliert der Flugkörper schnell an Höhe und verglüht schließlich in der oberen Erdatmosphäre. Wir werden eine solche Kabel-Umlaufbremse Ende 2000 an der Endstufe einer russischen Rakete testen.

Die NASA möchte elektrodynamische Seile aber auch als echten Antrieb verwenden, indem Solarzellen einen Strom im Kabel erzeugen; dabei entsteht im Erdmagnetfeld eine vorwärtsgerichtete Kraft. Vielleicht läßt sich damit die Internationale Raumstation ohne Treibstoffverbrauch dauerhaft in der Umlaufbahn halten.

Wie weit werden uns solche Seile in Zukunft tragen? Einige Arbeitsgruppen haben ein System von mehrere hundert Kilometer langen, in einer Erdumlaufbahn schnell radschlagenden Seilen analysiert, mit denen Nutzlasten zum Mond und sogar noch weiter befördert werden können. Das Prinzip ist einfach – man denke an Tarzan, wie er sich von Baum zu Baum schwingt. Zuerst übernimmt ein Seil in niedriger Umlaufbahn von einer wiederverwendbaren Trägerrakete die Nutzlast und schwingt sie einem anderen Seil zu, das eine höhere elliptische Bahn beschreibt. Das zweite Seil schleudert die Last zum Mond, wo sie von einem dort in einer Umlaufbahn kreisenden Seil, den sogenannten Lunavator, abgefangen wird.

Der Lunavator bewegt sich radschlagend just so schnell um den Mond herum, daß er die eingefangene Nutzlast nach einer halben Drehung sanft auf der Mondoberfläche absetzt. Gleichzeitig könnte das Seil eine Nutzlast aufnehmen, die zur Erde zurückbefördert werden soll. Treibstoff wäre bei diesem System nicht erforderlich, wenn die abzuliefernde Nutzlast die gleiche Masse hätte wie die abzuholende. Auf diese Weise könnten regelmäßige Mondmissionen zur Routine werden.

Gewiß sind dafür noch viele technische Probleme zu meistern, doch die Chancen für ein billiges Transportsystem sind enorm. Vielleicht werden eines Tages zahlreiche radschlagende Seile um Planeten und Monde kreisen und die Basis eines regen interplanetaren Handels bilden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1999, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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