Weltraumlift

Ein Weltraumlift ist eine theoretisch mögliche Aufzugsanlage vom Erdboden in den Weltraum.

Schematische Übersicht über einen möglichen Weltraumlift

Geschichte

Die Idee des Weltraumlifts tauchte erstmals 1895 auf, als der russische Weltraumpionier Konstantin Ziolkowski inspiriert durch den Eiffelturm vorschlug, einen Weltraumturm zu errichten – also einen Turm, der direkt in den Weltraum reicht. Er stellte sich vor, am Ende eines Kabels eine Art Aufhängung des Aufzugs direkt in den geostationären Orbit zu bringen.

Ein Turm oder Aufzug dieser Art wäre in der Lage, ohne Raketentechnik Objekte in den Orbit zu bringen. Da ein Objekt beim Aufstieg gleichzeitig an tangentialer Geschwindigkeit gewinnen muss, hätte es beim Erreichen des Ziels gleichzeitig die nötige Energie und Geschwindigkeit, um im geostationären Orbit zu verbleiben.

Ein Gebäude dieser Art zu errichten war unmöglich, da kein Material mit der nötigen Druckfestigkeit bekannt war. 1957 schlug dann der sowjetische Wissenschaftler Juri Arzutanow eine alternative Variante dieser Idee vor. Ein Satellit solle in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht werden und als Aufhängung des Aufzugs dienen. Von dort könnte man dann ein Kabel zur Erdoberfläche herunterlassen. Der Schwerpunkt der Konstruktion müsste auf dem geostationären Orbit liegen, so dass bei einer Winkelgeschwindigkeit, die der Erdrotation entspricht, die Fliehkraft die Erdanziehungskraft ausgleicht. Ein Kabel von 35.786 Kilometern Länge ist jedoch schwierig zu realisieren.

1966 untersuchten vier amerikanische Ingenieure, welches Material für die Schaffung eines solchen Kabels erforderlich wäre. Sie kamen zu dem Schluss, dass neue Materialien benötigt würden, die mindestens doppelt so zugstark sein müssten als alle damals bekannten Materialien. 1975 schlug der US-Amerikaner Jerome Pearson vor, eine kegelförmige Konstruktion zu benutzen. Das Kabel müsste im Bereich des Schwerpunktes am dicksten sein, da es dort die größte Spannung auszuhalten hat. Der Bau des Lifts würde am Schwerpunkt beginnen. Von dort aus würde in beide Richtungen gearbeitet, so dass der Schwerpunkt des Systems ständig auf dem geostationären Orbit liegt. Das Kabel könnte als Gegengewicht in den Weltraum hinaus verlängert werden, während man auf der erdnahen Hälfte einen Turm errichten würde. Bekannt wurden diese Ideen in der Öffentlichkeit, als Arthur C. Clarke sie 1978 zum zentralen Thema seines Romans The Fountains of Paradise (dt.: Fahrstuhl zu den Sternen) verarbeitete. Die Autoren Terry Pratchett, Ian Stewart und Jack Cohen greifen in ihrem Buch Die Gelehrten der Scheibenwelt (2000)^[1] das Konzept des Weltraumliftes sowohl als Metapher als auch als physikalisch realisierbare Einrichtung auf.

Aktuell

Künstlerische Darstellung eines Weltraumliftes

In jüngster Zeit werden verstärkt Anstrengungen unternommen, diesen Plan eines Tages in die Wirklichkeit umzusetzen. David Smitherman von der US-Weltraumbehörde NASA veröffentlichte so zum Beispiel im Jahr 2000 einen Bericht, der auf den Ergebnissen einer 1999 im Marshall Space Flight Center abgehaltenen Konferenz beruht.^[2]

Seit Anfang des 21. Jahrhunderts ist mit den Kohlenstoffnanoröhren ein Material bekannt, das die Anforderungen erfüllen könnte. Anfang 2004 ist es einer Gruppe von Wissenschaftlern um Alan Windle an der Universität Cambridge gelungen, auf der Grundlage dieser Technologie einen etwa 100 Meter langen Faden herzustellen. Andre Geim, seit 2001 an der Universität von Manchester, gelang die Herstellung von Graphen. Kohlenstoffnanoröhren haben ein bis zu 100 mal besseres Verhältnis von Zugfestigkeit zu Gewicht als Stahl, deshalb ist dieser Werkstoff ein möglicher Kandidat für den Weltraumlift. Jedoch ist die Technologie noch längst nicht ausgereift: Kohlenstoffnanoröhren können bisher nur in sehr begrenzter Zahl hergestellt werden und sind dementsprechend sehr teuer. Seile aus Nanoröhren müssen beschichtet werden, weil Kohlenstoff oxidiert und erodiert.

Ende Juni 2004 teilte der Leiter des Weltraumfahrstuhlprojekts Bradley Edwards in Fairmont, West Virginia mit, dass schon in 15 Jahren ein Prototyp fertig sein könnte. Für seine Idee hat Edwards die NASA begeistert, die durch ihr NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) das Forschungsprojekt mit 500.000 US-Dollar unterstützt.

Ein Unternehmen namens LiftPort Group hat es sich zum Ziel gesetzt, einen solchen Weltraumlift zu bauen. Das selbstgesteckte Ziel der Fertigstellung wurde im Oktober 2006 vom 12. April 2018 auf den 27. Oktober 2031 korrigiert.^[3]

Die Spaceward Foundation veranstaltete zusammen mit der NASA die Elevator:2010-Wettkämpfe.

Seit 2011 ist bekannt, dass Google Inc. in einem Google X genannten Labor, im geheimen an der Umsetzung eines Weltraumliftes arbeitet.^[4]

Auswirkungen

Energiebilanz beim Weltraumlift

Es wird vermutet, dass ein Weltraumlift die Transportkosten von derzeit 20.000 bis 80.000 US-Dollar pro kg auf bis zu 100 US-Dollar pro kg reduzieren könnte.^[5] Die wissenschaftliche Forschung würde davon durch den sehr viel billigeren Transport von Labors und Teleskopen in den Weltraum stark profitieren. Auch die industrielle Forschung kann durch Arbeiten in der Schwerelosigkeit neue Verfahren entwickeln und neue Fertigungstechnologien ermöglichen; nicht zuletzt wäre es möglich, diese Technik für den Weltraumtourismus zu erschließen.

Die Energiebilanz beim Transport mit dem Weltraumlift ist nicht zwingend negativ. Um ein Kilogramm Masse vom Erdäquator bis in eine Höhe von 35.786 Kilometer über dem Erdäquator hochzuheben, benötigt man 48.422 Kilojoule (ca. 13 kWh). Wird das Seil bis in eine Höhe von 143.780 Kilometer über dem Erdäquator verlängert, dann kann diese Energiemenge wieder zurückgewonnen werden. Das liegt daran, dass die Summe aus Gravitationspotentialdifferenz und Zentrifugalkraftpotentialdifferenz zwischen dem Erdäquator und 143.780 km Höhe gleich null ist. Diese Rückgewinnung ist aber nur beim Transport eines Körpers von der geostationären Umlaufbahn in eine noch größere Höhe möglich, beispielsweise um eine interplanetare Sonde mittels Fliehkraft zu starten.

Technik

An den Lift, das Kabel und die Basisstation werden enorme technische Ansprüche gestellt. Die NASA hat Wettbewerbe zu diesem Thema ausgeschrieben, die mit hohen Preisgeldern bekrönt werden und großen Erfolg haben. Man unterscheidet zwischen den folgenden fünf Problembereichen, zu denen es schon mehrere Lösungsansätze gibt.

Material für Kabel und Turm

Seildurchmesser beim Weltraumlift

Jedes Segment des Kabels muss mindestens das Gewicht der darunterliegenden Kabelsegmente zuzüglich der Nutzlastkapazität halten können. Je höher das betrachtete Kabelsegment liegt, desto mehr Kabelsegmente muss es halten. Ein optimiertes Seil besitzt also mit zunehmender Höhe einen größeren Querschnitt, bis sich dieser Trend auf geostationärem Orbit umkehrt, da ab dort die resultierende Kraft der Seilsegmente erdabgewandt wirkt.

Bei einer gegebenen spezifischen Zugfestigkeit eines Materials wird also der minimale Querschnitt an der Basisstation allein durch die Nutzlastkapazität festgelegt. Weiter ist dann auch die optimale weitere Querschnittsentwicklung festgelegt. Das Verhältnis vom größten Kabelquerschnitt zum kleinsten wird taper ratio genannt. Sie und die Nutzlastkapazität legen letztlich die Gesamtmasse des Kabels fest.

Grundsätzlich lässt sich bei optimiertem Kabeldurchschnitt mit jedem Material ein Weltraumlift errichten, indem der Querschnittszuwachs entsprechend rapide gewählt wird bzw. eine große taper ratio verwendet wird. Die Ökonomie diktiert hierbei schlussendlich das Limit der noch sinnvollen Werte in dieser Größe.

Ein gewöhnliches Stahlseil konstanten Querschnittes würde bereits ab einer Länge von vier bis fünf Kilometern unter seinem eigenen Gewicht reißen, Hochleistungsstahlseile für Seilbahnen, deren Reißfestigkeit mit Kevlar vergleichbar ist, kämen auf rund 30 Kilometer. Neue Werkstoffe, deren Reißfestigkeit weit jenseits der von Kevlar liegt, sind deswegen ein kritischer Punkt für eine zukünftige Realisierung dieses Unternehmens. Nach den bisherigen Forschungen kommen drei Möglichkeiten in Frage:

• Kohlenstoffnanoröhren scheinen die Reißlänge von Kevlar noch einmal um einen Faktor fünf zu übertreffen, Berechnungen von Nicola Pugno des Polytechnikums in Turin ergaben jedoch, dass bei der Verwebung von Kohlenstoffnanoröhren zu längeren Kabeln die Reißfestigkeit des Kabels um ca. 70 % gegenüber der Reißfestigkeit einzelner Nanoröhren abnimmt. Grund dafür sind unvermeidliche Kristallbaufehler, welche gemäß Pugnos Modell die Belastbarkeit des Kabels auf ca. 30 Gigapascal reduziert. Berechnungen der NASA zufolge wäre jedoch ein Material mit einer Belastbarkeit von etwa 62 Gigapascal notwendig, um den auftretenden Kräften zu widerstehen. Außerdem ist es bisher keinem Labor gelungen, ein zusammenhängendes Kabel zu erschaffen, das länger als 100 Meter ist. Einen zusätzlichen Kostenfaktor stellt die Beschichtung des Kabels dar, denn Kohlenstoffnanoröhren oxidieren und erodieren.

• Vielversprechend ist auch die UHMW-Polyethylen-Faser Dyneema, welche bei vertikaler Aufhängung eine Reißlänge von 400 Kilometer erreicht und somit alle konventionellen Werkstoffe um ein Vielfaches und sogar Spinnenseide um den Faktor zwei übertrifft. Gegen die Verwendung von Dyneema spricht allerdings, dass der Schmelzpunkt von Dyneema zwischen 144 °C und 152 °C liegt, dass die Festigkeit von Dyneema zwischen 80 °C und 100 °C deutlich nachlässt, und dass Dyneema unter −150 °C brüchig wird, denn alle diese Temperaturen treten im Weltraum häufig auf.

Graphen-Lift, konstanter Querschnitt

Graphen-Lift, konstante Belastung

• Ein neues, noch wenig erforschtes Material ist Graphen. Der Elastizitätsmodul entspricht mit ca. 1020 GPa dem von normalem Graphit entlang der Basalebenen und ist fast so groß wie der des Diamants. Wissenschaftler der New Yorker Columbia University veröffentlichten 2008 weitergehende Messergebnisse, in denen sie hervorhoben, dass Graphen die höchste Reißfestigkeit aufweise, die je ermittelt wurde. Seine Zugfestigkeit von 42 N·m⁻¹ oder 1,25×10¹¹ Pa ist die höchste, die je ermittelt wurde, und rund 125 mal höher als bei Stahl.^[6] Stahl hat mit 7874 kg·m⁻³ eine rund 3,5 mal höhere Dichte als Graphen mit 2260 kg·m⁻³, so dass die Reißlänge von Graphen rund 436 mal größer ist als die von Stahl. In einem als homogen angenommenen Gravitationsfeld von 9,81 m·s⁻² hätte Graphen eine Reißlänge von rund 5655 km. Tatsächlich wird aber die Schwerebeschleunigung mit zunehmender Höhe deutlich geringer, was die Reißlänge erhöht. Ein Band aus Graphen mit konstanter Querschnittsfläche (taper ratio 1) würde in der Höhe der geostationären Umlaufbahn von 35.786 km über dem Erdäquator erst zu 87 % seiner Reißfestigkeit belastet werden (siehe das Bild). In noch größerer Höhe würde die Zugbelastung dann wieder absinken. Wenn das Graphen-Seil bei konstanter Querschnittsfläche 143.780 km lang wäre, dann würde es in völligem Gleichgewicht mit der Gravitationsbeschleunigung der Erde und der Zentrifugalbeschleunigung durch die Rotation der Erde sein. In der Höhe von 143.780 km über dem Erdäquator würde eine Nettobeschleunigung von 0,78 m·s⁻² nach oben wirken, und eine Tangentialgeschwindigkeit von 10.950 m·s⁻¹ vorhanden sein, was den Start von Raumsonden begünstigen würde. Graphen und Graphit haben einen Schmelzpunkt von rund 3700 °C. 76 cm breite, endlose Bänder aus Graphen stellt man dadurch her, dass man eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf eine Folie aus inertem Trägermaterial, wie zum Beispiel Kupfer, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufbringt, und dann das Trägermaterial auflöst.^[7]

Errichtung des Kabels

Bisher ist nur denkbar, das Kabel von einem geostationären Satelliten herunterzulassen. Das Verhalten von langen Seilen im Weltall ist Gegenstand aktueller Forschung. Es ist denkbar, dass initial nur ein minimal tragfähiges Seil gestartet wird, was danach sukzessive verstärkt wird, bis die finale Nutzlastdicke erreicht ist.

Errichtung des Turms als Basisstation

Auch die Basisstation muss starke Belastungen aushalten, denn auf der Verbindung zwischen Kabel und Basisstation lasten laut NASA bis zu 62 Gigapascal. Dadurch wird eine ausreichend tiefe, komplex zu errichtende und teure Verankerung der Basisstation im Erdreich nötig. Das liegt daran, dass beim Weltraumlift in vertikaler Richtung ein Überschuss an Zentrifugalkraft gegenüber der Gravitationskraft herrschen muss, um das Seil zu spannen, und daran, dass beim Weltraumlift in horizontaler Richtung die Corioliskraft der hinauf- oder hinabfahrenden Lasten auf die Erde übertragen wird. Ein Weltraumlift, der sich in völligem Gleichgewicht zwischen der Zentrifugalkraft und der Gravitationskraft befinden würde, würde schon durch minimale Lasten in seiner Stabilität gestört werden, und könnte daher kein Drehmoment durch die Corioliskraft zwischen der Erde und der Last übertragen. Beim straff gespannten Weltraumlift kostet nur die Überwindung des Gewichtes der Last entlang des Höhenunterschiedes Energie, denn die Corioliskraft steht immer quer zur Bewegung der Last. Jener Teil der Energie, der zur Überwindung der Corioliskraft benötigt wird, stammt aus der Abbremsung der Erdrotation.

Energieversorgung des Liftes

Ein weiteres Problem wäre die Energieversorgung des eigentlichen Lifts. Man kann die Energieversorgung nicht durch eine im Seil integrierte Stromleitung sichern, da der elektrische Widerstand bei bis zu 36.000 Kilometern Länge zu groß und der Energieverlust zu hoch wäre. Es gibt allerdings mehrere Möglichkeiten, die das Problem beseitigen:

• Die Versorgung wird durch eine Laserstation an der Basisstation gesichert. Dabei wird der Laser sehr präzise auf eine Fotovoltaikfläche gestrahlt und der Lift bezieht daraus seine Energie. Es gibt aber noch keinen Laser, der so stark ist, dass er den enormen Energieverlust ausgleichen kann.

• Das Sonnenlicht, das im Weltraum besonders stark ist, wird mithilfe von Solarmodulen eingefangen und in elektrische Energie umgewandelt. Die Sonnenkollektoren müssen aber sehr groß sein, damit diese genügend Energie produzieren können, um den Lift auf etwa 200 km/h zu beschleunigen.

• Man könnte eine Hybridlösung konstruieren. In der Erdatmosphäre ist die Sonneneinstrahlung niedriger als im Weltraum. Bei der Hybridlösung wird der Lift bis zu dem Punkt, an dem er die Erdatmosphäre verlässt, von einer Laserstation am Boden mit Energie versorgt. Etwa ab 100 Kilometer Höhe ist die Sonneneinstrahlung groß genug, um den Lift gut genug zu versorgen. Dann werden Sonnenkollektoren ausgefahren und der Laser abgeschaltet.

• Ein sogenannter Maser erzeugt Mikrowellen, die mit einer sehr hohen Konzentration in Richtung des Lifts geworfen werden, der diese dann in elektrische Energie umwandelt. Hier gibt es das gleiche Problem, wie bei der Laserversorgung, nämlich dass es auch noch keinen Maser gibt, der eine solche Konzentration schaffen kann.

• Man könnte einen Kleinst-Kernreaktor zur Stromerzeugung verwenden. Wenn man den Kernreaktor an den Stromkabeln einige 100 m hinter der Liftkabine her zieht, dann kann man auf die schwere Strahlungsabschirmung des Reaktors verzichten. Beim Aufenthalt in der Bodenstation ruht der Kernreaktor in einem entsprechend tiefen Schacht.

Ein Raketenantrieb wird für den Satelliten nicht benötigt, denn sobald die Corioliskraft einer nach oben transportierten Last den Satelliten nach hinten zieht, bildet das Seil einen kleinen Winkel zur Senkrechten, und beschleunigt dadurch den Satelliten unter Bremsung der Erdrotation. Zu diesem Zweck ist es günstig, wenn der Satellit etwas höher über der Erdoberfläche kreist als 40.000 km, so dass er zwar geosynchron ist, aber das Seil durch seine Zentrifugalkraft spannt. Dieses Funktionsprinzip lässt sich durch den Hammerwurf veranschaulichen. So lange der Hammerwerfer mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, zeigt das Seil des Hammers radial von der Rotationsachse weg. Wenn der Hammerwerfer seine Rotationsgeschwindigkeit erhöht, dann hinkt der Hammer hinter der radialen Ausrichtung hinterher, und kinetische Energie wird vom Hammerwerfer auf den Hammer übertragen. Der Transport der Last wird durch die Corioliskraft kaum behindert, da sie praktisch quer zur Bewegung der Last steht.

Ausbau der allgemeinen Weltrauminfrastruktur und der Raumfahrtindustrie

Es wird vermutet, dass sich durch einen Weltraumlift die Transportkosten ins Weltall drastisch senken ließen. Bei typischen Nutzlasten für Einzeltransporte in der Größenordnung von Tonnen sowie Transportdauern in der Größenordnung von einzelnen Wochen, würde ein Weltraumlift über ein Jahr gesehen eine beträchtliche Transportkapazität erreichen. Da die endgültigen Parameter des Liftes wie Geschwindigkeit, Zugfestigkeit und Kosten noch nicht feststehen, ist derzeit eine Abschätzung der Auswirkungen noch schwierig. Es herrscht allerdings Einigkeit darüber, dass wegen der geringeren auftretenden G-Kräfte sich die Möglichkeit eröffnet, sensiblere Werkstücke wie Teleskopspiegel ins Weltall zu transportieren.

Weltraumlift auf dem Mond

Technisch bereits im Bereich der Möglichkeiten ist der Vorschlag von Jerome Pearson: Er möchte einen Weltraumlift auf dem Mond installieren. Wegen der im Vergleich mit der Erde geringeren Schwerkraft wäre das benötigte Kabel niedrigeren Belastungen ausgesetzt. Aufgrund der langsamen Rotation des Mondes wäre ein Kabel bis zum luna-stationären Orbit allerdings mit knapp 100.000 km wesentlich länger als bei einem Erd-Weltraumlift. Der Pearson-Weltraumlift würde jedoch am Lagrange-Punkt L1 oder L2 im Erde-Mond-System anknüpfen. L1 befindet sich in einem Abstand von ca. 58.000 km vom Mondmittelpunkt in Richtung Erde, der der Erde abgewandte Punkt L2 ist ca. 64.000 km vom Mondmittelpunkt entfernt. Mit heutzutage erhältlichen Kabelmaterialien reicht eine Verjüngung um den Faktor 2,66.^[8]

Das nötige Kabel mit einer geschätzten Masse von sieben Tonnen könnte mit einer einzigen Rakete in den Weltraum befördert werden. Jerome Pearson ist Geschäftsführer des Unternehmens Star Technology and Research, das auf seiner Website auch über den Mondlift informiert. Die Forschungen von Pearson an dem Projekt werden von der NASA derzeit mit 75.000 Dollar unterstützt.

Sonstiges

Die Thematik um den Weltraumlift verarbeitete Frank Schätzing literarisch in seinem 2009 erschienenem Roman Limit.

Weblinks

• Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt (WARR Space Elevator)
• European Space Elevator Challenge
• Space Elevator Website von SpaceRef mit aktuellen News zum Projekt, Präsentationen, Fachvorträgen und Links
• German Space Elevator (Max-Born-Team 2006) Weltraumfahrstuhl-Konstruktion(Schüler/Jungstudierenden Projekt)
• Team „Turbo Crawler“ Deutschland Alternativ zu Max-Born Team
• Space.com The Space Elevator Comes Closer to Reality
• ESA-Portal
• Grundlagen
• Die offizielle Seite der LiftPort Group
• Fahrstuhl zu den Sternen
• Mit dem Aufzug ins All – Wird die Vision bald wahr? – Artikel bei Welt der Wunder vom 1. Juli 2009

Quellen

1. ↑ Originalausgabe The Science of Discworld, 1999
2. ↑ NASA: Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium (englisch)
3. ↑ Liftport Group: Homepage (engl.)
4. ↑ "New York Times" enthüllt Googles Geheimlabor
5. ↑ What is the Space Elevator? Institute for Scientific Research, Inc.
6. ↑ Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone: Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. In: Science. 321, Nr. 5887, 2008, S. 385–388, doi:10.1126/science.1157996.
7. ↑ Sukang Bae, Hyeongkeun Kim, Youngbin Lee, Xiangfan Xu, Jae-Sung Park, Yi Zheng, Jayakumar Balakrishnan, Tian Lei, Hye Ri Kim, Young Il Song, Young-Jin Kim, Kwang S. Kim, Barbaros Ozyilmaz, Jong-Hyun Ahn, Byung Hee Hong, Sumio Iijima: Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. In: Nat Nano. 5, Nr. 8, 2010, S. 574–578, doi:10.1038/nnano.2010.132 (PDF, abgerufen am 5. Oktober 2010).
8. ↑ Jerome Pearson, Eugene Levin, John Oldson, and Harry Wykes: The Lunar Space Elevator, STAR Inc., Mount Pleasant, SC USA, 55th International Astronautical Congress, Vancouver, Canada, 4-8 October 2004.