Nasa: Kryokühler macht bemannte Marsmissionen möglich
Die US-amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa hat eine neue Art von Superkühlschrank getestet(öffnet im neuen Fenster) . Dieser soll als Schlüssel für zukünftige astronautische Missionen zum Mars dienen.
Das Hauptproblem bei den meisten Missionen zu anderen Planeten sind nicht die benötigten Sensoren, Navigationsinstrumente, Motoren oder Lebenserhaltungssysteme. Es ist die Lagerung des Treibstoffs, die große Probleme bereitet.
Herausforderungen einer Marsreise
Anders als bei robotischen Missionen sollen astronautische Reisen zum Mars in kürzester Zeit absolviert werden. Das Raumschiff kann zwar vor der gefährlichen Weltraumstrahlung abgeschirmt werden, etwa wenn man die Zwischenwände mit Wasser oder einem Hydrogel füllt . Doch der psychische Faktor der Isolation ist nicht zu unterschätzen. Um die Astronauten am Leben und gesund zu halten, muss das Raumschiff weitaus größer als die Raumkapseln sein, die zum Mond aufbrechen .
Um die Besatzung schnellstmöglich zum Mars zu bringen, braucht es den effizientesten Kraftstoff, um die Rakete anzutreiben. Dafür sind wiederum große Tanks mit flüssigem Wasserstoff, Sauerstoff oder Methan notwendig. Wenn diese aber nicht ausreichend gekühlt werden, wird dies zum Problem.
Das Problem mit der Treibstoffkühlung
Flüssiger Wasserstoff siedet bei -252,9 °C, flüssiger Sauerstoff bei -183 °C und Methan bei -161,6 °C. Trotz der eisigen Kälte im Weltraum wird der Treibstoff in den Tanks zu kochen anfangen. Deswegen müssen die Kraftstoffbehälter gelüftet werden, damit das Gas entweichen kann. Ansonsten kann es zu einer ungewollten Explosion kommen.
Bei einem großen, nur leicht isolierten Tank mit einem Fassungsvermögen von 38 Tonnen an flüssigem Wasserstoff würden jährlich etwa 16 Tonnen passiv verdampfen. Die einfache Strecke zum Mars würde etwa neun Monate betragen, mit dem Aufenthalt und der Rückreise würde ein astronautisches Marsunterfangen etwa zwei Jahre andauern. Die Besatzung würde mit den Treibstoffreserven zwar zum Mars kommen, eine Heimreise wäre ohne weiteren Treibstoff jedoch unmöglich.
Die Nasa hat ein neues Kühlsystem entwickelt
Bei einer dickeren Isolierung wären die Verluste zwar geringer, aber eine Rückkehr zur Erde wäre auch damit nicht möglich. Deswegen haben die Ingenieure der Nasa mit ihrem CFM-Projekt (Cryogenic Fluid Management Portfolio Project) einen neuartigen Superkühlschrank entworfen.
Dieses System wurde mit der modernsten Isolierung und einer aktiven Kühlung ausgestattet. Über Monate und sogar Jahre hinweg lässt das System kein Verdampfen zu.
Der Tank wurde für einen dreimonatigen Versuch im Marshall Space Flight Center der Nasa (Huntsville, Alabama, USA) installiert, um das zweistufige Kühlsystem zu testen. Dieses als Tube-on-Tank-Kühlung bezeichnete System besteht aus zwei Kühlkreisläufen, die in eine dicke metallisierte Isolierung und einen Hitzeschild eingebettet sind.
Wie funktioniert das Kühlsystem?
Im primären Kühlkreislauf läuft auf -253 °C gekühltes flüssiges Helium durch die um den Treibstofftank gewickelten Röhren. Dadurch wird der Behälter samt seines Inhaltes direkt gekühlt. Darüber befinden sich Isolierschichten und ein zweiter Kreislauf, der etwas wärmeres Helium mit einer Temperatur von -183 °C führt. Dieser Kreislauf befindet sich hinter dem Hitzeschild, der die gesamte Einheit abdeckt.
Dieser Kreislauf fängt die gesamte eindringende Wärme ein und leitet sie ab, bevor sie weiter in den Tank eindringen kann. Das Ergebnis ist ein System, das die Treibstoffe auf unbestimmte Zeit unterkühlt halten kann, solange der Strom für die Kryo-Kältemaschine vorhanden ist.
Das verringert nicht nur den Treibstoffverlust durchs Verdampfen. Dadurch müssen Raumschiffe nicht mit unnötigem Treibstoffüberschuss zum Mars aufbrechen und das Gewicht einer solchen Mission würde massiv reduziert werden.