»Slingatron« – per Satellitenschleuder ins All

slingatron_4Raketenstarts sind spektakulär und sehr medienwirksam, haben allerdings einen gravierenden Nachteil – sie sind teuer, sehr teuer. Die NASA verlangt von ihren Kunden bis zu 24.000 Dollar pro Kilo Nutzlast für den Transport ins All. In Zeiten straffer Budgets und Kürzungen in allen Bereichen ein Umstand, der nicht länger akzeptabel scheint. Und genau aus diesem Grund suchen Betreiber von Satelliten fieberhaft nach neuen Möglichkeiten, diese kostengünstig ins All zu befördern. Das »Slingatron« wäre eine solche Idee und technologisch verwegene Vision. Auf den ersten Blick phantastisch anmutend, birgt sie doch eine Menge Potential!

Trägerraketen mit entsprechender Nutzlast in die Erdumlaufbahn zu schicken ist für Betreiber und Nutzlastkunden immer wieder aufs Neue ein finanzielles Abenteuer mit ungewissem Ausgang. NASA, Roskosmos, ESA & Co. lassen sich dabei nur sehr ungern in die monetären Karten schauen. Nur eines ist sicher – es ist sehr, sehr teuer. Die Kosten für einen Raketenstart präsentieren die Verantwortlichen nur sehr ungern der Öffentlichkeit und dann auch nur in Halbwahrheiten verpackt. Wenn dies einmal geschieht, werden lediglich die finanziellen Aufwendungen offenbart, die für den Start einer Trägerrakete bzw. eines Shuttles entstehen. Nicht berücksichtigt sind die Kosten für die Aufrechterhaltung des jeweiligen Weltraumbahnhofs und der hinter einem Raketenstart stehenden Logistik. So schlägt ein Shuttle-Start mit minimal 83 Millionen US-Dollar zu Buche, und zwar ohne Missionsbetreuung. Die Fixkosten des Shuttles betragen jedoch 350 Millionen US-Dollar pro Flug. Der Shuttle ist Vergangenheit, die Kosten für einen unbemannten Trägerraketenstart dürften deutlich unter denen eines Shuttle-Starts liegen, aber dennoch exorbitant teuer sein.

Zudem müssen kommerzielle Kunden der Raumfahrtagenturen, wie etwa die Betreiber von Kommunikations-, Forschungs- oder Wettersatelliten noch die Kosten für die Trägerrakete selbst zahlen. Dazu zählen beispielsweise Faktoren wie die Integration der Nutzlast, den Treibstoff, die Startvorbereitung und dessen Durchführung. Alles in allem ein teures Unterfangen, weshalb vor allem die kommerziellen Unternehmen Wege und Lösungen suchen, den Kostenfaktor Trägerrakete so weit wie möglich zu minimieren. Und genau aus diesem Grund fasst man Ideen und Visionen ins Auge, die auf den ersten Blick vielleicht abenteuerlich anmuten, aber vielleicht doch machbar sein könnten – Stichwort »Slingatron«.

Eine Schleuder mit gewaltigen Dimensionen

Lässt man Wissenschaftler freien Lauf für spektakuläre Ideen und Visionen, kommt manchmal Erstaunliches dabei heraus. Wäre es möglich einen Festkörper derart zu beschleunigen, dass er die Atmosphäre der Erde verlässt und sich auf einer Erdumlaufbahn stabilisiert? Die Antwort einiger amerikanischer Wissenschaftler auf diese kühne These, darunter der führende Kopf dieser Idee, der US-Physiker Derek Tidman, ist ein eindeutiges, wenn auch theoretisches, »Ja«. Die Rahmenbedingungen, um dies zu ermöglichen, sind jedoch immens: Nach Berechnungen von Forschern am U.S. Army Research Laboratory Aberdeen könnte ein 1000-Kilogramm schwerer Körper mit 64 Zentimeter Durchmesser ins All geschleudert werden. Dazu notwendig wäre eine riesige Spirale, die mit supraleitenden Magneten bestückt sein müsste, um Satelliten auf enorme Geschwindigkeiten zu beschleunigen und anschließend Richtung Himmel zu schleudern. Genauer gesagt müsste die Spirale des Slingatrons 45 Kilometer lang sein. Sie würde insgesamt 10.500 Tonnen wiegen und könnte eine Nutzlast von einer Tonne auf 8 Kilometer pro Sekunde beschleunigen. Theoretisch würde dies reichen, die Umlaufbahn der Erde zu erreichen, da die dafür notwendige kosmische Geschwindigkeit 7,9 Km/s beträgt.

Ein Slingatron schleudert Satelliten ins All. © HyperV Technologies
Ein Slingatron schleudert Satelliten ins All. © HyperV Technologies

Für den gewaltigen Vortrieb der Masse sorgen die von den Magneten in der Röhre erzeugten Magnetfelder, welche die Satelliten in der Röhre schwebend halten und dabei gleichzeitig beschleunigen – ähnlich dem Prinzip einer Magnetschwebebahn. Die Magnetfelder erzeugen in der Röhre mechanische Schwingungen. Jede Schwingungsperiode generiert dabei einen Vortrieb entlang der immer größer werdenden Spirale inklusive einer fortwährenden Beschleunigung bis zur Endgeschwindigkeit von zehn Kilometern pro Sekunde. Ist diese Geschwindigkeit erreicht, leitet man die Nutzlast zu einer Art Sprungschanze. Dank der enormen Beschleunigung und des Schwungs fliegt der Satellit dann Richtung All. Um das Gefährt auf die richtige Umlaufbahn zu bringen, würde ein winziges Triebwerk am hinteren Teil des Satelliten noch einmal eine kleine Schubunterstützung ermöglichen.

Ein Indiz dafür, dass es vielleicht nicht nur bei der Theorie der Satellitenschleuder bleiben soll, ist die Tatsache, dass die US Air Force eine offizielle Machbarkeitsstudie in Auftrag gegeben, die das Konzept bzw. Komponenten davon überprüfen soll. Die Studie ist auf zwei Jahre angelegt bei einem Budget von 100.00.

Das Problem der Kräfte

So innovativ und elegant die Idee des Slingatrons erscheinen mag – es gibt durchaus berechtigte Kritikpunkte an der Machbarkeit. Es sind vor allem die riesigen Kräfte, die entstehen, wenn die Satelliten beschleunigen. Beschleunigt man ein Objekt im Kreis mit rund zehn Kilometern pro Sekunde, entsteht eine Zentrifugalbeschleunigung, die dem Zehntausendfachen der Erdbeschleunigung entspricht. Die Satelliten müssten extrem robust konstruiert sein, um diese Beschleunigung auch nur annähernd unbeschadet zu überstehen. Befürworter des Slingatrons kann dieser Einwand allerdings nicht schockieren. Sie argumentieren dagegen, dass es ja auch Artilleriegranaten beim US-Militär gibt, die mit Elektronik ausgestattet sind und das Zwanzigtausendfache der Erdbeschleunigung überstehen.

Ein weiterer Kritikpunkt am Slingatron betrifft das Durchdingen der Erdatmosphäre. Würden die Satelliten mit dem Zehntausendfachen der Erdbeschleunigung ins All geschleudert, entstünden gewaltige Reibungskräfte an den unteren Schichten der Erdatmosphäre und eine damit einhergehende Erhitzung des Satelliten. Der Satellit müsste also entsprechend mit Wärmekacheln ausgestattet sein, was sich bei den ohnehin schon kleinen Satelliten negativ auf dessen Gewicht auswirken würde.

Sollte die Technologie des Slingatrons eines Tages wirklich funktionieren, es wäre eine Revolution in der unbemannten Raumfahrt. Die Startkosten für Satelliten würden um ein Vielfaches sinken. Forscher des amerikanischen Unternehmens »LaunchPoint« schätzen, dass man mit dem Weltraumkatapult es auf ein Hundertstel der traditionellen Kosten für einen Raketenstart bringen könnte.

»Electromagnetic Railgun« – das Alternativkonzept?

Parallel zum Slingatron gibt es eine Idee, die recht ähnlich, aber doch irgendwie anders scheint – die »Electromagnetic Railgun«. Eine Electromagnetic Railgun (elektromagnetischer Schienenbeschleuniger) soll in der Lage sein, große Projektile, die mit Nutzlast bestückt (Mikrosatelliten von wenigen Kilogramm) sind, allein mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte auf Hyperschall-Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Zielhöhe soll das Geschoss dann per ballistischen Flug mit der Unterstützung kleiner Steuerungsraketen erreichen.

Die Railgun besteht hauptsächlich aus zwei elektrisch leitenden, parallelen Schienen, die Strom führen. Ein Gleitkontakt zwischen den Schienen erzeugt einen Kurzschluss. Die dadurch fließenden Ströme erzeugen ein Magnetfeld, aus dem wiederum eine Kraft resultiert. Diese Kraft wirkt auf einen Gleitkontakt, vor dem sich das Hyperschall-Projektil befindet und beschleunigt beides mit ungeheurer Geschwindigkeit aus der Railgun hinaus.

Das Projektil muss an der Austrittsöffnung der Kanone mindestens eine Geschwindigkeit von 10,6 Metern pro Sekunde erreichen, um den immensen Luftwiderstand der Erdatmosphäre zu überwinden. Nur dann ist es möglich, die notwendige Orbitalgeschwindigkeit von 8 Kilometern pro Sekunde zu erreichen. Die Nasenkappe des Projektils muss dabei sehr großen Temperaturen standhalten, um die Nutzlast zu schützen. Ein weiteres Problem ist die Kanonenlänge: Möchte man diese auf maximal 100 Meter begrenzen, ist eine Beschleunigung von mehr als dem 20.000fachen der Erdbeschleunigung notwendig, um die benötigte Startgeschwindigkeit zu erreichen.

Ein kommerzieller Slingatron müsste einen Durchmesser von mindestens 300 Metern haben. © HyperV Technologies
Ein kommerzieller Slingatron müsste einen Durchmesser von mindestens 300 Metern haben. © HyperV Technologies

Das System findet die ESA sehr interessant, um etwa sehr kleine Satelliten von wenigen Kilogramm Masse in eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO = Low Earth Orbit) zu schicken. Die von der ESA favorisierte Railgun soll eine Länge von 180 Metern haben, um ein Projektil von 50 Kilogramm und einer Nutzlast von wenigen Kilogramm abzufeuern. Gigantische Kondensatorbänke geben innerhalb von 51 Millisekunden die elektrische Energie von 3,4 GigaJoule frei, die das Geschoss bis auf 6000 Meter pro Sekunde beschleunigt. Ein zusätzliches Triebwerk am Projektil zündet am höchsten Punkt des ballistischen Fluges, um das Nutzlastgeschoss auf die gewünschte Höhe zu bringen. Das Projektil selbst soll eine Länge von ungefähr 3 Metern bei einem Durchmesser von 150 Millimetern haben. Wann und ob die ESA überhaupt die Pläne tatsächlich realisieren möchte, steht noch in den Sternen. Im Gegensatz zum Slingatron jedoch sind die Investitionskosten und der Aufwand eher gering, sodass die Chancen doch ganz gut stehen, dass eines Tages LEO-Satelliten einfach in die Umlaufbahn geschossen werden.

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