5 Grüne Technologien für die interplanetare Raumfahrt

Am 20. Juli 1969, vier Tage nach dem Start ins All, landete das Kommando- und Servicemodul Columbia der Apollo 11 auf dem Erdmond . Die Menschen sahen fern und stellten Radiosender ein, um die dramatische Landung zu verfolgen. Es war der Höhepunkt jahrelanger harter Arbeit und Ausbildung. Die Entwicklung eines Fahrzeugs, das Menschen sicher zum Mond und zurück zur Erde transportieren kann, war eine Herausforderung.

Die Columbia kehrte am 21. Juli 1969 sicher zur Erde zurück. Die gesamte Mission dauerte 195 Stunden, 18 Minuten und 35 Sekunden – das ist etwas länger als acht Tage. Die Entfernung von der Erde zum Mond betrug im Juli 1969 ungefähr 222.663 Meilen (358.342 Kilometer). Das mag Ihren täglichen Arbeitsweg unbedeutend erscheinen lassen, aber es ist immer noch nur ein Katzensprung entfernt im Vergleich zu einem Besuch auf einem Nachbarplaneten.

Für eine Reise zur Venus, dem nächsten Nachbarplaneten der Erde, müssten Sie im Durchschnitt 0,6989 astronomische Raumeinheiten durchqueren. Das sind knapp 65 Millionen Meilen oder rund 104,5 Millionen Kilometer. Und die Bedingungen auf der Venus sind nicht ideal für einen Kurzurlaub – die Oberflächentemperatur auf dem Planeten beträgt 460 Grad Celsius (860 Grad Fahrenheit). Eine bessere Urlaubswette ist eine Reise zum Mars oder einem seiner Monde, aber sie sind noch weiter entfernt.

Angesichts dieser großen Entfernungen ist es wichtig, effiziente Systeme zu entwickeln, die so wenig Ressourcen wie möglich verbrauchen. Sonst könnte das Abheben zum Problem werden. Interplanetares Reisen muss naturgemäß umweltfreundlich sein, um zu funktionieren. Wir haben fünf Technologien, die nicht in einer bestimmten Reihenfolge aufgeführt sind, die Menschen helfen könnten, das erstaunliche Ziel zu erreichen, einen Fuß auf einen anderen Planeten zu setzen.

1. Grüner Kraftstoff
2. Weltraumaufzüge
3. Verschmelzung
4. Sonnensegel
5. Wasserrecycling

Es braucht viele Ressourcen, um ein Fahrzeug in den Weltraum zu bringen. Nicht alle diese Ressourcen sind harmlos. Hydrazin, das in Raketentreibstoff verwendet wird, ist ein starkes Treibmittel. Aber es ist auch giftig und ätzend. Organisationen wie die NASA suchen jetzt nach umweltfreundlichen Treibstoffalternativen zu Hydrazin.

Im Idealfall wäre der Umgang mit dem neuen Treibmittel weniger gefährlich als der derzeitige Raketentreibstoff , wodurch die Kosten für die Organisation einer Weltraumreise gesenkt würden. Es sollte auch in harmlose Bestandteile zerfallen, wodurch das Risiko einer Umweltverschmutzung ausgeschlossen wird.

Der Wunsch nach einer grünen Alternative zu Hydrazin lässt kein neues Treibmittel auf magische Weise erscheinen. Aus diesem Grund hat die NASA Unternehmen und Organisationen eingeladen, technologische Demonstrationen alternativer Treibstoffe zu präsentieren. Im Februar 2012 kündigte die NASA an, Vorschläge bis Ende April anzunehmen. Ein erfolgreicher Vorschlag könnte bis zu 50 Millionen US-Dollar einbringen.

Die Reduzierung der Umweltauswirkungen von Starts ist eine große Aufgabe. Um ein Space Shuttle in die Umlaufbahn zu bringen, verwendete die NASA zwei Feststoffraketen-Booster, die jeweils 1 Million Pfund (453.592 Kilogramm) Treibmittel trugen. Das Shuttle selbst beförderte zusätzlich eine halbe Million Gallonen (1,9 Millionen Liter) Flüssigtreibstoff [Quelle: NASA ].

Die Auflistung aller Herausforderungen im Zusammenhang mit dem sicheren Transport von Menschen zu einem anderen Planeten könnte ein oder drei Bücher füllen. Aber eines der am schwierigsten zu lösenden Probleme hat alles mit dem Gewicht zu tun. Je schwerer ein Raumschiff ist, desto mehr Treibstoff braucht es, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen .

Eine Reise zu einem anderen Planeten würde mehrere Monate dauern. Angenommen, Sie werden entweder auf einem neuen Planeten ein Geschäft eröffnen oder eine Rückreise planen, dann brauchen Sie reichlich Vorräte, um am Leben zu bleiben. Diese Vorräte haben Gewicht und Volumen und erfordern mehr Treibstoff, um Sie überhaupt in den Weltraum zu bringen.

Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist der Bau eines Weltraumaufzugs . So funktioniert es: Wir bringen etwas mit viel Masse in eine geosynchrone Umlaufbahn um die Erde – das bedeutet, dass es über einem festen Punkt auf der Oberfläche des Planeten in der Umlaufbahn bleibt. Dann befestigen wir ein Kabel zwischen der umlaufenden Masse und einem Ankerpunkt auf der Erde. Jetzt müssen wir nur noch einen Aufzug bauen, der das Kabel in den Weltraum erklimmen kann!

Es klingt wie Science-Fiction, aber viele Ingenieure und Wissenschaftler arbeiten daran, Weltraumaufzüge zu bauen. Im Vergleich zum Start einer Rakete ins All ist ein Weltraumaufzug ein Schnäppchen. Der Aufzug könnte Geräte und sogar Menschen in den Weltraum bringen. Dort angekommen, könnten wir Raumschiffteile zusammenbauen und ein Fahrzeug im Weltraum selbst bauen. Es besteht keine Notwendigkeit, das Fahrzeug von der Erde aus zu starten, da es sich bereits im Orbit befindet.

Sobald Sie im Weltraum sind, ob Sie nun eine Rakete starten oder eine Raumstation verlassen , brauchen Sie eine Möglichkeit, Ihr Raumschiff an sein Ziel zu bringen. Dies kann erfordern, dass Sie eine Kraftstoffquelle an Bord mitführen. Im Idealfall verfügen Sie über ein effizientes System, sodass Sie nicht zu viel Platz für den Transport von Kraftstoff einplanen müssen. Eine mögliche Lösung ist die Fusion.

Fusion ist die Methode, mit der die Sonne Energie erzeugt. Unter starkem Druck und Hitze prallen Wasserstoffatome aufeinander und bilden Helium. Wasserstoff hat ein einzelnes Proton und Helium hat zwei davon. Bei diesem Vorgang, bei dem zwei Wasserstoffatome miteinander verschmelzen, werden Neutronen und Energie freigesetzt.

Aber es gibt ein großes Problem – wir haben noch nicht herausgefunden, wie man die Fusion nutzen kann, um auf zuverlässige und nachhaltige Weise Strom zu erzeugen. Der Prozess erfordert unglaubliche Mengen an Hitze und Druck. Allein die Herstellung der für die Fusion notwendigen Bedingungen kann sehr viel Energie erfordern. Das Ziel ist es, einen Punkt zu erreichen, an dem wir die Fusion einleiten und den Prozess am Laufen halten können, während wir Energie gewinnen. Wir sind noch nicht da.

Wenn wir jemals dorthin gelangen, könnte die Fusion eine gute Wahl für den Antrieb von Raumfahrzeugen sein. Wir könnten aus einer vergleichsweise kleinen Menge Kraftstoff sehr viel Energie ernten. Die Fusion könnte die Energie erzeugen, die für den Betrieb von Triebwerken erforderlich ist, um Anpassungen während des Fluges zu ermöglichen, während wir uns auf den Weg zum nächsten Planeten machen. Ob Fusion eine praktikable Option ist, bleibt abzuwarten.

Das ist kalt, Mann

Noch schwer fassbarer als ein funktionierender Fusionsreaktor ist einer, der bei relativ niedrigen Temperaturen betrieben wird. Der wissenschaftliche Konsens ist, dass kalte Fusion nicht praktikabel und möglicherweise unmöglich ist [Quelle: Park ].

Eine weitere Alternative zum Sprengen entfernter Planeten mit Raketentriebwerken besteht darin, dorthin zu segeln. Aber was nützen Segel in einer windstillen Umgebung? Betritt das Sonnensegel !

Sonnensegel nutzen die Sonne als Motor. Die Sonne sendet Photonen aus – die Grundeinheiten des Lichts. Wir wissen, dass Photonen sowohl als Wellen als auch als Teilchen wirken. Photonen können uns hier auf der Erde unbedeutend erscheinen, aber sie üben eine Kraft auf Objekte aus, wenn sie mit ihnen in Kontakt kommen. Dazu gehören Sonnensegel.

Ein Sonnensegel besteht aus einem ultradünnen Spiegel, der sich über eine große Fläche erstreckt. Wenn Photonen auf den Spiegel treffen , üben sie eine Kraft aus und drücken gegen das Segel. Das Segel wird von Milliarden von Photonen getroffen – genug, um das Segel und alles, was es möglicherweise mit sich zieht, durch den Weltraum zu schieben.

Das Reisen in einem von einem Sonnensegel gezogenen Fahrzeug wäre zunächst ziemlich langweilig. Sie hätten nicht so viel Anfangsschub wie bei einer Rakete. Aber die Kraft dieser Photonen kann nicht geleugnet werden, und Ihr Raumschiff würde weiter beschleunigen, weit über den Punkt hinaus, den ein Triebwerk erreichen könnte. Sie müssen sich nicht nur um die Betankung Ihres Raumschiffs für interplanetare Reisen kümmern, Sie erreichen Ihr Ziel auch schneller!

Sonnensegel könnten im Weltraum gut funktionieren, aber sie sind nicht dafür ausgelegt, ein Raumschiff von der Oberfläche eines Planeten abzuheben. Dafür müssten wir immer noch entweder Raketen verwenden oder das Raumschiff im Orbit konstruieren. Und ein Sonnensegel könnte uns vielleicht zu einem anderen Planeten bringen, aber ohne andere Möglichkeiten, unsere neue Welt zu verlassen, würden wir dort festsitzen. Aber für eine einfache Reise zu einem anderen Planeten könnte ein Sonnensegel genau das Richtige sein – und Sie müssen sich nie Sorgen machen, dass Ihnen der Treibstoff ausgeht.

Ein Raumschiff anzutreiben, um uns zu einem anderen Planeten zu bringen, ist nur eine Herausforderung. Eine andere besteht darin, sicherzustellen, dass wir über die Ressourcen verfügen, um an Bord unseres Raumfahrzeugs am Leben zu bleiben, während wir uns auf den Weg zu unserem Ziel machen. Selbst ein Besuch auf einem nahe gelegenen Planeten würde eine monatelange Reise erfordern. Wie bestimmen Sie bei einem so hohen Gewicht und Platzbedarf, wie viel Wasser Sie mitbringen müssen, und wie gehen Sie damit um?

Zu sagen, dass jeder Tropfen Wasser an Bord eines Raumfahrzeugs kostbar ist, ist eine Untertreibung. An Bord der Internationalen Raumstation gibt es Systeme, die 93 Prozent des verwendeten Wassers recyceln [Quelle: NASA ]. Die Prozesse reinigen Wasser, so dass es wiederholt verwendet werden kann, wodurch die Notwendigkeit reduziert wird, mehr Wasser von der Erde hochzusenden.

Das bedeutet, dass Grauwasser – das Abwasser, das beim Reinigen von Geschirr, Kleidung oder sogar Menschen entsteht – wieder zu Trinkwasser gemacht werden kann. Aber das ist nicht alles! Sogar Schweiß und, ja, Urin werden verarbeitet. Alles wird herausgefiltert und nur reines Wasser bleibt übrig.

Das Abwasser gelangt in eine Brennerei. Der Brenner dreht sich, um die Schwerkraft zu simulieren – sonst würden sich Verunreinigungen in der Flüssigkeit nicht abscheiden. Das Wasser wird durch ein Filtersystem geleitet, das Materialien wie Holzkohle und chemische Verbindungen verwendet, um sich mit Verunreinigungen zu verbinden, sodass nur das Wasser durchgelassen wird.

Ein langer Weltraumflug wird unterwegs keine Chance haben, mehr Wasser aufzunehmen. Es wird eine Notwendigkeit sein, jeden möglichen Tropfen aufzubewahren. Und einige dieser Technologien könnten sogar ihren Weg in Systeme hier unten auf der Erde finden.

Anmerkung des Autors: 5 grüne Technologien für die interplanetare Raumfahrt

Grüne Technologie und interplanetare Raumfahrt mögen wie eine seltsame Kombination erscheinen, aber sie macht Sinn. Bei der grünen Technologie geht es darum, umweltfreundliche und effiziente Wege zu finden, um Ziele zu erreichen. Interplanetares Reisen erfordert zwangsläufig Effizienz und Sicherheit. Es macht Spaß, sich vorzustellen, die Galaxie in einem Raumschiff zu durchqueren, das mit Replikatoren und Holodecks ausgestattet ist, aber es ist sicher, dass es in unseren frühen Tagen der Raumfahrt mehr darum gehen wird, dass jede Anstrengung zählt.

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Wolfram Alpha. "Wie groß war die Entfernung zwischen Erde und Mond im Juli 1969?" (28. März 2012) http://www.wolframalpha.com/input/?i=distance+between+earth+and+the+moon+july+1969