Spacelift: Der Fahrstuhl zu den Sternen
2024, so entwirft es der Autor Frank Schätzing in seinem Mammutwerk Limit(öffnet im neuen Fenster) , ist Helium-3 der Energieträger, der dafür sorgt, dass sich Räder drehen, Computer, Fernseher, Herde und Kühlschränke laufen. Das Heliumisotop wird von dem Konzern Orley Enterprises auf dem Mond abgebaut. Einen Teil des Wegs zur Erde wird der Rohstoff mit Raumfähren transportiert. Die machen in etwa 36.000 Kilometer über dem blauen Planeten an einer Raumstation fest.
Doch anders als die Internationale Raumstation (International Space Station, ISS) kreist die Orley Space Station, abgekürzt OSS, nicht frei um die Erde. Sie ist daran festgemacht, sozusagen angeleint. Dort laden die Transporter ihre Fracht ab, die dann mit einem Aufzug hinunter zur Erdoberfläche gebracht werden.
Science Fiction oder Science Reality?
Science Fiction? Klar. Aber nicht unmöglich, sagen Befürworter der Technik. Die Vorteile sind offensichtlich: Eine stehende Verbindung in den Weltraum würde die Kosten für den Transport von Satelliten und anderen Nutzlasten ins All senken. Ein Weltraumaufzug könnte die Raumfahrt weiter demokratisieren: Reisen in den Weltraum wären nicht mehr einigen Astronauten vorbehalten.
Es sind auch keine Fantasten, die sich damit beschäftigen: 2008 wurde das International Space Elevator Consortium(öffnet im neuen Fenster) (Isec) gegründet, das die Idee der Aufzüge verbreiten will. Die renommierte International Academy Of Astronautics(öffnet im neuen Fenster) (IAA) hat im vergangenen Jahr eine über 300 Seiten starke Studie über die Machbarkeit(öffnet im neuen Fenster) herausgebracht. Die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) finanziert Forschung in dem Bereich. Kritiker warnen jedoch vor zu viel Enthusiasmus.
Eiffelturm inspiriert Weltraumaufzug
Ideen, statt mit einer Rakete mit einem Aufzug ins All vorzudringen, gibt es schon lange: Als Erster schlug das Ende des 19. Jahrhunderts der russische Wissenschaftler Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski(öffnet im neuen Fenster) vor. Er gilt damit als Wegbereiter der Weltraumaufzüge. Seine Inspiration war der wenige Jahre zuvor in Paris fertiggestellte Eiffelturm. Ziolkowski stellte sich einen ähnlichen Turm vor, nur viel höher, von dessen Ende aus ein Seil in den Weltraum führen sollte.
Es folgten weitere Konzepte: Science-Fiction-Autoren wie Arthur C. Clarke, Robert Heinlein oder eben Schätzing begeisterten sich für die Idee. Aber auch Wissenschaftler wie Juri Nikolajewitsch Arzutanow(öffnet im neuen Fenster) , der als Erster eine Seilkonstruktion vorschlug, die aus dem All zur Erde herabgelassen werden sollte, Jerome Pearson(öffnet im neuen Fenster) , der Raketen- und Flugzeugtechnik für die Nasa und die US-Luftwaffe entwickelt hat, oder der Astrophysiker Bradley Edwards von der Spaceward Foundation(öffnet im neuen Fenster) , dessen Konzept aus dem Jahr 2000(öffnet im neuen Fenster) als vielversprechend gehandelt wird.
Schwimmende Plattform
Danach würde die Fahrt ins All irgendwo auf dem Meer beginnen – wahrscheinlich mitten im leeren Pazifik. Geeignet wäre ein Standort in Äquatornähe, beispielsweise westlich der Galapagosinseln. Dort würde eine Plattform im Meer schwimmen, von der aus ein gigantisches Kabel nach oben führt.
Sehr weit nach oben: Das Ende befindet sich 100.000 Kilometer über der Erde – das ist etwa ein Viertel der Entfernung zum Mond. Die Gefahr, dass die Erde durch ihre Rotation das Seil aufwickelt, besteht nicht: Am Ende des Seils ist ein Gegengewicht angebracht, das aufgrund der Fliehkraft das Seil straff hält.
Endstation geostationärer Orbit
An dem Seil fährt eine Gondel, Climber oder Lifter genannt, mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Kilometern pro Stunde nach oben. Der Endpunkt des Aufzuges ist in 36.000 Kilometern Höhe – das entspricht dem geostationären Orbit (Geo), wo in etwa auch der Schwerpunkt des Aufzuges sein wird. Von der Erde aus betrachtet scheint ein Himmelskörper, der die Erde auf einer solchen Bahn umkreist, über diesem Punkt stillzustehen. Eine ideale Voraussetzung also für einen Weltraumaufzug.
Der Climber soll elektrisch angetrieben werden. Die Energie könnte in den unteren Regionen von der Erde kommen – in Form eines gebündelten Lichtstrahls: Ein Laser mit einer Leistung im Bereich von Kilo- oder gar Megawatt soll auf Solarzellen gerichtet werden, die dann den Strom für die Motoren erzeugen. Ab einer Höhe von etwa 100 Kilometern ist die Sonneneinstrahlung intensiv genug, dass die Sonne die Energie liefern kann.
Ein solcher Aufzug könnte die Raumfahrt deutlich günstiger und damit mehr Menschen zugänglich machen.
Ein Hotel über den Wolken
Der wichtigste Vorteil für einen Weltraumaufzug wären deutlich verringerte Transportkosten für Nutzlasten ins All: Bei einer Rakete besteht der größte Teil der Masse aus dem Treibstoff, den sie braucht, um die Erdanziehungskraft zu überwinden. Der Anteil der Nutzlast an der Startmasse beträgt weniger als fünf Prozent. Beim Spaceshuttle war es knapp über ein Prozent.
Entsprechend teuer ist der Transport von Mensch und Material: Eine Nutzlast in eine niedrige Umlaufbahn (Low Earth Orbit, Leo) zu bringen, kostet je nach Raumfahrtagentur oder -unternehmen zwischen 6.000 und 12.000 US-Dollar – pro Kilogramm. Die ISS umkreist die Erde auf einem Leo. Soll es in den Geo gehen, wo sich beispielsweise die Fernsehsatelliten befinden, kann man vom Doppelten ausgehen(öffnet im neuen Fenster) .
Günstiger als Raketen
Günstiger wird es im Aufzug: 200 US-Dollar soll der Transport pro Kilogramm Nutzlast nur noch kosten, sagen die Befürworter. Satellitentransporte würden günstiger, viel mehr Betreiber könnten es sich leisten, eigene Satelliten ins All zu bringen. Ob das angesichts des heute schon immensen Problems mit Weltraumschrott sinnvoll wäre, sei dahin gestellt.
Auch andere Geschäftsmodelle als Gütertransporte sind denkbar: In Schätzings Roman Limit etwa betreibt der Mischkonzern Orley Enterprises auf der OSS ein Hotel. Die Fahrt dahin dürfte günstiger werden als etwa der Ausflug mit Virgin Galactic: Beim Raumfahrtunternehmen von Richard Branson kostet das Kilo rund 2.000 US-Dollar. Und das Spaceship Two steigt nur etwa 100 Kilometer hoch auf.
Stabiles Seil
Wichtigste Voraussetzung für den Aufzug ins All ist das Material für das Kabel. Es muss leicht und gleichzeitig sehr stabil sein: Es darf nicht unter seinem eigenen Gewicht reißen. Bei einer Länge von 100.000 Kilometern ist das gar nicht so einfach. Die Reißlänge von Stahl etwa beträgt knapp 26 Kilometer.
Seit rund 20 Jahren steht ein Material zur Verfügung, das diese Voraussetzung erfüllt: Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Aus diesem Material könnte ein solches Seil hergestellt werden. Die Bindungen der Kohlenstoffatome sind sehr stark. Wegen der offenen Struktur haben die Röhrchen eine geringe Dichte. Die Kohlenstoffnanoröhrchen sind deshalb fester als Stahl, dabei viel leichter und elastisch. Das Seil aus Verbundwerkstoff aus Kohlenstoffnanoröhrchen soll wenige Zentimeter breit und nicht dicker als ein Blatt Papier sein.
Neue Maßeinheit
Für die Anforderungen, die an ein solches Seil gestellt werden, hat das Isec sogar schon eine eigene Einheit definiert: Yuri(öffnet im neuen Fenster) – benannt nach Juri Arzutanow. Sie beschreibt die spezifische Reißfestigkeit eines Materials. Geeignet wäre demnach ein Material, das 30 bis 80 Megayuri aushält. Laut Isec(öffnet im neuen Fenster) sind die Kohlenstoffnanoröhrchen das einzige Material, das diese Werte erreicht.
Aber es geht nicht nur um die Reißfestigkeit: Das Seil muss auch weiteren Belastungen standhalten: In den unteren Bereichen der Atmosphären ist es dem Wetter ausgesetzt – wobei es am Äquator eher ruhig ist. Da es verschiedene Temperaturzonen durchläuft, treten im Material Spannungen auf. Die Unterschiede sind immens: Am Boden ist es warm, nach oben hin wird es immer kälter, und im Weltraum können die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht mehrere hundert Grad betragen. Schließlich ist das Seil in den oberen Regionen steigender Strahlung ausgesetzt.
Gefahr durch Satelliten und Schrott
Außerdem ist da noch die Gefahr durch künstliche und natürliche Himmelskörper: Die ISS oder ein Satellit könnte auf ihrer Umlaufbahn um die Erde dem Aufzug zu nahekommen. Weltraumschrott oder Minimeteoriten könnten das Seil treffen und es durchtrennen.
Für einige dieser Gefahren haben die Befürworter Lösungen: Da die Bodenstation auf einer schwimmenden Plattform errichtet ist, soll der Aufzug größeren Bedrohungen wie einem Satelliten oder einem größeren Stück Weltraumschrott ausweichen können – die Nasa beobachtet Objekte, die größer als 10 Zentimeter sind. Damit das Seil, sollte es dennoch getroffen werden, nicht ganz durchtrennt wird, soll es leicht gebogen sein. Ein Stück Weltraumschrott oder ein Minimeteorit würden dann nur einen Teil durchschneiden.
Wir haben Material und Sicherheitskonzept. Fangen wir an zu bauen?
Geht das?
Volker Schmid, Leiter Fachgruppe Internationale Raumstation (International Space Station, ISS) beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), ist skeptisch. Attraktiv sei die Idee allemal. "Theoretisch ist das alles rechenbar und auslegbar und designbar, aber das muss man dann auch bauen und finanzieren können" , sagt er im Gespräch mit Golem.de.
Er glaubt nicht, dass gegenwärtig die Technik zur Verfügung steht, um ein solches Bauwerk errichten zu können. Nanoröhrchen seien nicht stabil genug, um daraus das Seil herzustellen, das unter seinem eigenen Gewicht nicht reiße, den Climber tragen und äußeren Belastungen standhalten könne. "Das ist aus meiner Sicht nach wie vor zu schwach." Für aussichtsreicher hält Schmid Einkristall-Fasern aus Diamant, die könnten derzeit allerdings noch nicht in der nötigen Länge gezogen werden.
Faden gefunden
Möglicherweise aber hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität des US-Bundesstaates Pennsylvania in State College eine Lösung für das Seilproblem gefunden: Sie hätten, schreiben sie in der Fachzeitschrift Nature Materials(öffnet im neuen Fenster) , einen Nanofaden aus Kohlenstoff hergestellt, in dem die Atome wie in einem Diamanten angeordnet sind.
"Weil dieser Faden im Kern ein Diamant ist, erwarten wir, dass er sich als außerordentlich steif, außerordentlich stark und außerordentlich nützlich erweisen wird" , erklärt Projektleiter John Badding(öffnet im neuen Fenster) . Und damit ist auch klar, wozu dieser Nanodiamantfaden eingesetzt werden kann: "Einer unserer kühnsten Träume ist, dass aus den Nanomaterialien, die wir entwickeln, superstarke, leichte Kabel hergestellt werden, die den Bau eines Weltraumaufzugs ermöglichen, den es bisher nur in der Science-Fiction gibt."
Bau finanzieren
Aber die Technik ist nur ein Aspekt. Ein anderer ist die Finanzierung. Schmid schätzt, die Entwicklung eines Weltraumaufzugs "dürfte in ähnlicher Größenordnung liegen wie eine Raketenentwicklung, wenn nicht darüber" . Die Entwicklung der künftigen Trägerrakete Space Launch System (SLS) wird voraussichtlich einen niedrigen zweistelligen Milliardenbetrag kosten.
Dennoch hegen einige bereits konkrete Pläne für den Bau eines Aufzugs in den Orbit.
Aufzug zum Mond
Das US-Unternehmen Liftport Group(öffnet im neuen Fenster) beispielsweise ist an einer konkreten Umsetzung interessiert. Es hat 2012 bereits per Crowdfunding über 100.000 US-Dollar für Vorarbeiten gesammelt : Damit will das Unternehmen aus dem US-Bundesstaat Washington beispielsweise einen Climber bauen, der an einem Seil hochfahren soll, das an einem Ballon befestigt ist.
Allerdings hält auch Gründer Michael Laine einen Aufzug mit gegenwärtig zur Verfügung stehender Technik auf der Erde für noch nicht möglich. Wohl aber einen Mondaufzug: Ein 250.000 Kilometer langes Seil aus einem Nanomaterial soll von einer Raumfähre zum Mond transportiert werden. Das eine Ende soll auf dem Mond befestigt werden, am anderen soll ein Gegengewicht hängen. Eine Station soll 55.000 Kilometer über der Mondoberfläche angebracht werden, von wo aus ein Aufzug zum Mond fährt.
Vom Turm zum Aufzug
Ein anderes Unternehmen, das gerne mit solchen Plänen an die Öffentlichkeit geht , ist die Obayashi Corporation(öffnet im neuen Fenster) . Das japanische Bauunternehmen hat unter anderem den Tokio Sky Tree(öffnet im neuen Fenster) errichtet – der 634 Meter hohe Fernsehturm ist das höchste Bauwerk in Japan.
Beim Bau soll die Idee zu dem Weltraumaufzug entstanden sein. Der Plan sieht eine Station in einem geostationären Orbit vor, auf der Labore, aber auch touristische Einrichtungen entstehen sollen. Ein Climber wird Material und Passagiere hinaufbringen – er soll Platz für 30 Insassen bieten. Bis 2050, so erklären die Japaner, soll es möglich sein, ein solches Bauwerk zu errichten. Obayashi sucht nach Partnern in aller Welt, da das Unternehmen es nicht für möglich hält, ein solches Projekt allein zu bewältigen.
Etwa eine Woche soll die Fahrt mit dem Aufzug in den Geo dauern. Viel Gelegenheit für " Love In An Elevator(öffnet im neuen Fenster) " , die die US-Band Aerosmith 1989 besang. Ob die Musiker um Sänger Steven Tyler und Gitarrist Joe Perry, inzwischen in ihren 60ern, selbst die Gelegenheit dazu bekommen werden, darf indes bezweifelt werden.
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