Fahrstuhl ins All

nasa_space_elevEs soll das höchste Bauwerk auf unserem Planeten werden und Fracht- und Personentransporte ins All per Rakete oder Shuttle auf Dauer überflüssig machen – ein Fahrstuhl, der bis in eine Höhe von ungefähr 36.000 Kilometer reicht. So unwahrscheinlich und kühn die Idee auch klingen mag, der wirtschaftliche Nutzen und die technologische Realisation rechnen sich durchaus. Und: Es gibt Unternehmen in den USA, die aus der Fiktion Realität werden lassen möchten – der Countdown für den Fahrstuhl ins All läuft!

Es war der deutsche Raketenpionier Wernher von Braun, der einmal sagte: »In Zukunft müssen sich die Utopien beeilen, wenn sie nicht von der Realität eingeholt werden wollen.« Dieses Credo haben sich die Mitarbeiter einer kleinen amerikanischen Technologieschmiede wohl auf die Fahnen geschrieben, denn sie planen Spektakuläres: Die LiftPort Group mit Sitz in Bremerton, Washington, unter der Federführung von Michael Laine und seinem Hightech-Team, möchte das höchste Bauwerk bauen, was jemals von Menschenhand erschaffen wurde. Spätestens am 27. Oktober 2031 soll aus der Fiktion Realität werden und der Fahrstuhl in die geostationäre Umlaufbahn unseres Planeten die erste Fracht transportieren. Erste Tests wurden bereits durchgeführt: Am 12. November 2004 demonstrierte die LiftPort Group, im Rahmen einer Vorführung am MIT, wie ein Roboter an einem Seil 90 Meter in die Höhe kletterte. Selbst ein aufkommender Schneesturm konnte der Konstruktion nur wenig anhaben. Am 20. September 2005 erreichte die Fahrstuhlkonstruktion bei einem weiteren Test schon eine Höhe von rund 300 Metern. Dabei war das Seil am Boden und in der Höhe an einem Ballon verankert.

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Schemata Weltraumlift. © https://en.wikipedia.org/wiki/User:Fredrik

Die NASA beobachtet die Entwicklungen und Forschungen in diesem Bereich mit stark wachsendem Interesse. Im Rahmen des NASA-Konstruktionswettbewerbs »Space Elevator 2010« setzte die amerikanische Raumfahrtbehörde bereits 2010 die Summe von 400.000 Dollar für das Team aus, dem es gelingt, einen maximal 25 Kilogramm schweren Climber mindestens 50 Meter hoch klettern zu lassen. Der Mannschaft, deren Roboter in weniger als einer Minute das höchste Zusatzgewicht emportragen kann, gehört die Gewinnsumme. Maschinenbauingenieur und Berufsschullehrer Jörn Lutat vom Max-Born-Berufskolleg in Recklinghausen und seine Schüler bauten einen Prototypen und meldeten sich letztes Jahr kurzerhand für den Wettbewerb im amerikanischen Bundesstaat New Mexico an. Und tatsächlich von insgesamt 14 Teams belegten die Recklinghäuser den dritten Platz mit ihren »Turbocrawler«.

Was die NASA möchte, ist jedoch mehr, sehr viel mehr! Die NASA erwägt die Errichtung eines »Weltraumfahrstuhls« in die geostationäre Umlaufbahn der Erde. An einem Kabel entlang sollen Satelliten, Menschen und Material von der Erde ins All befördert werden. Um zu beurteilen, inwiefern ein Fahrstuhl in die geostationäre Umlaufbahn der Erde zu realisieren ist, beauftragte die NIAC (NASA Institut for Advanced Concepts) das Unternehmen HighLift Systems eine Machbarkeitsstudie zu erstellen. Und die ergab Erstaunliches: Laut Dr. Brad Edwards, damals tätig beim Institute for Scientific Research in Fairmont, West Virginia, ist mit Kosten von 10 Milliarden US-Dollar für den Bau eines Weltraumfahrstuhls, bei einer Einsatzzeit von 15 Jahren, zu rechnen. Einmal installiert und operativ einsatzbereit würde das System rund 1 Million US-Dollar pro Tag kosten. Bei einer effizienten Nutzung des Weltraumfahrstuhls würden ungefähr 220 US-Dollar pro transportiertes Kilogramm anfallen – weit weniger als die 24.000 Euro pro Kilogramm, welche die NASA für einen Shuttle-Transport verlangen muss. »Um die finanziellen Eckdaten der Machbarkeitsstudie zu erreichen, darf die Transportplattform nicht mehr als sieben Tonnen wiegen. Zudem muss der Crawler in der Lage sein, rund 13 Tonnen Material in den Orbit zu schaffen.«, so Dr. Brad Edwards. »Hat man im Lauf des regulären Betriebs genügend Erfahrungen mit dem Weltraumfahrstuhl gemacht, was ungefähr 200 Transporteinsätze innerhalb von zwei Jahren entspräche, wären nach einer technologischen Überarbeitung des Systems Transportkapazitäten von 200 Tonnen pro Transport durchaus denkbar.«, so Edwards weiter zum Ausbau des Fahrstuhls. All das klingt sehr optimistisch und genau so, als könnte man morgen anfangen ein derartiges System in die Praxis umzusetzen – die technischen Herausforderungen sind jedoch gewaltig. Dreh- und Angelpunkt der Machbarkeit eines Weltraumfahrstuhls ist das Kabel, an dem die Transportplattform (Climber) in den Orbit klettert.

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Die Vorstellung der NASA eines Liftes in die geostationäre Umlaufbahn der Erde. © NASA

Ein Bauwerk, das seinesgleichen sucht

Vom Grundprinzip her besteht ein Weltraumaufzug aus einem langen Kabel, dass sich von der Erdoberfläche bis zu einer Zentralmasse im geostationären Erdorbit (GEO) in 35.786 km Höhe reicht. Als Bodenstation dient eine künstliche Insel auf Äquatorhöhe, die am Meeresboden verankert ist. Der Äquator ist deswegen so günstig als Standort, da es hier praktisch keinerlei Hurrikans und Tornados gibt. Außerdem liegt der Äquator exakt unterhalb der geostationären Umlaufbahn.

Im Rahmen eines wissenschaftlichen Workshops am Marshall Space Flight Center (MSFC) der NASA in Huntsville, Alabama, haben die NASA-Visionäre ihre Ziele einem Fachpublikum vorgestellt. Im Gegensatz zur Machbarkeitsstudie von Dr. Edwards sehen die Wissenschaftler eine Realisation eher zum Ende des 21. Jahrhunderts hin. Die Visionen sind dann allerdings atemberaubend: Auf einer künstlichen Insel soll ein Turm errichtet werden, der bis in die oberen Schichten der Erdatmosphäre reicht. Augenblickliche Pläne sehen einen 50 km hohen Bodenturm vor. Das untere Ende des Kabels würde an der der Spitze des Turmes befestigt werden. Das obere Ende des Kabels müsste an einem geostationären Gegengewicht verankert werden. Dabei könnte es sich um eine Raumstation, einen Satelliten, oder wie es Phantasten gerne sehen, einen eingefangenen Asteroiden handeln. Andere Plänen hingegen sehen vor, das Kabel von der geostationären Umlaufbahn nach außen zu verlängern, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Ein Gleichgewicht des Kabels ist unbedingt notwendig, da die nach oben hin immer stärker werdende Fliehkraft, die zum Erdmittelpunkt hin wirkende Schwerkraft kompensieren muss. Aus diesem Grund muss die Oberlänge sehr viel größer sein, als die Unterlänge des Kabels, da die Erdanziehungskraft erst allmählich von der sehr langsam zunehmenden Fliehkraft kompensiert wird. Das Abschlussgewicht am oberen Ende des Kabels dient der Straffung des Endstückes mittels Zentrifugalkraft.

Vom Ende des Bodenturms aus, so sieht es ein Entwurf vor, gehen sechs Kabelstränge ab, an denen sich elektromagnetisch betriebene Fahrzeuge kontinuierlich in beiden Richtungen bewegen, drei für den Transport von Menschen und Fracht sowie drei Wartungsfahrzeuge. Die Fahrzeuge würden dabei verschiedene Plattformen auf unterschiedlichen Höhen anlaufen. Die elektromagentisch angetriebenen Fahrstuhlgondeln, sollen dabei mit mehreren Tausend Kilometern pro Stunde Richtung Erdorbit gleiten – ähnlich dem Prinzip eines Transrapids.

Die aktuellen Pläne der LiftPort Group sehen es etwas weniger spektakulär aus. Hauptsächlich möchte man hier eine Transportmöglichkeit für Material in den Orbit realisieren. Aus diesem Grund wählt man auch hier eine Bodenstation in Äquatornähe, die ebenfalls schwimmend im Ozean verankert ist. Ein 36.000 Kilometer langes Band aus neuartigen Nanomaterialien soll als Transportband dienen, an dessen Endpunkt ein Gegengewicht in Form eines Satelliten das Band fixieren soll.

Nanotubes machen´s vielleicht möglich

Entscheidend für das Gelingen der ersten Ausbaustufe eines Weltraumfahrstuhls für den Materialtransport ist das Gewicht des Kabelstrangs. Stahl als Material für ein Transportband ist völlig ungeeignet, da es schon bei einer Länge von neun Kilometern unter der Last seines Eigengewichts zerbersten würde. Geht es nach Dr. Edwards bestünde das Transportband aus extrem leichten, reißfesten Kohlenstoff-Nanoröhren. Das Erstaunliche dabei: dieses Band soll einen Meter breit, aber dabei dünner als ein Haar sein.

Bislang lassen sich aus Kohlenstoff-Nanoröhren nur winzige Strukturen herstellen. Das könnte sich jedoch rasch ändern, meint Prof. Dr. Harald Fuchs, Leiter des Center For NanoTechnology der Universität Münster. Er hält ein Kabel auf Basis von Nanotubes, das härter als Diamant, aber dabei sehr flexibel ist, für prinzipiell möglich. »Physikalisch gesehen, ist ein Kabel aus Nanomaterialien denkbar, das den harten Anforderungen des Alls (Weltraumschrott, Sonnenwind etc.) standhalten könnte. Technisch gesehen dauert es allerdings noch Jahre, bis wir Nanotubes von mehreren Millimetern länge herstellen und anschließend zu einem langen Kabelstrang verketten können. Der derzeitige Längenrekord japanischer Forscher liegt bei ungefähr 10 Millimetern, was sensationell ist und zum verweben zu einem größeren Kabel absolut reicht.«, so Fuchs zum aktuellen Stand der Nanotube-Forschung. »Allerdings sollte man auch die Gefahren nicht vergessen. An einem Nanokabel dieses Ausmaßes entstehen durch den Sonnenwind, der sich an dem Kabel reibt, gewaltige elektrische Ladungen, die kanalisiert und gebündelt werden müssen. So wäre es durchaus denkbar die entstehenden Energiemengen zum Transport der Plattform zu benutzen oder etwa zur Erde zu leiten, um sie nutzbar zu machen.«

Dr. Brad Edwards und seine Kollegen haben ausgerechnet, dass das Band mit 800 Tonnen Gewicht zu Buche schlagen würde. Da Lasten von bis zu 15 Tonnen transportiert werden sollen, darf der Crawler selbst nicht viel mehr als 20 Tonnen wiegen. Wäre die Transportplattform schwerer, würde sie das Gegengewicht aus dem All auf die Erde ziehen. Der Materialtransport würde seine Zeit dauern – zur 400 Kilometer weiten ISS ein paar Stunden, in die geostationäre Umlaufbahn in 36000 Kilometer ungefähr acht Tage.

Der Antrieb der Transportplattform erfolgt von Erde. Ein Laser sendet von einer Schwimmplattform in Äquatornähe einen energiereichen Laserstrahl zur Plattform aus, welche die Energie des Laserstrahls in elektrische Bewegungsenergie für die Elektromotoren umwandelt. Dabei soll so viel Energie entstehen, dass sich die Plattform mit 200 Kilometern pro Stunde nach oben bewegt. Eine Reise ans Kabelende würde dann ungefähr zwei Wochen dauern.

Kein Land dieser Erde kann und wird die Kosten für ein derart visionäres Projekt allein aufbringen können oder wollen. Nur wenn alle raumfahrenden Nationen gemeinsam an einem Strang ziehen, könnte der alte biblische Menschheitstraum von einem »Turm« bis in den Himmel schon gegen Ende des 21. Jahrhunderts in Angriff genommen werden.

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