Deep Space Gateway

Sie wird seit Jahren von den internationalen Raumfahrtorganisationen geplant, aber erst vor ein paar Tagen rückte sie durch die Berichterstattung der Medien ins öffentliche Interesse: Die sogenannte Cislunar Station, oder auch das „Deep Space Gateway“ (DSG), das sich eben im cislunaren Raum, also zwischen Erde und Mond befinden soll. Man könnte nun einwenden, dass man hier nicht wirklich von „Deep Space“ sprechen sollte, da wir uns immer noch im Bereich von Mond und Erde bewegen. Aber die Bezeichnung hat weniger mit der Position als vielmehr mit dem Zweck des Projektes zu tun. Dazu später mehr.

Was hat man sich nun also unter diesem Gateway vorzustellen?
Im Grunde handelt es sich um eine weitere Raumstation mit mehreren Modulen, in denen die Astronauten arbeiten, forschen und wohnen können. Des weiteren wird es ein Modul für die Energiegewinnung und den Antrieb („PPB“ genannt) geben, ein Modul mit einer Luftschleuse für Außenbordaktivitäten und ein Logistikmodul namens ESPRIT alias LCUB (Logistics Communication and Utilization Bay), welches den PPB in seinen Funktionen unterstützen soll. Plus zeitweilig natürlich die Orion-Kapsel für den Transport der Besatzung zur Station bzw. zurück zur Erde. Die Kapsel wird anfangs auch als Kommandozentrale der noch unfertigen Station fungieren. Erstmals in der bemannten Raumfahrt wird man übrigens beim Antriebsmodul des DSG Ionentriebwerke einsetzen. Weitere Energiequelle sind Solarpanele mit 40kW Leistung.

Ebenfalls vorgesehen sind daneben noch ein Roboterarm und ggf. auch ein robotischer Mondlander.

(Ich empfehle übrigens wirklich einen Klick auf die obigen Links. Sie enthalten sehr gut aufbereitete Grafiken zum Aufbau des DSG, plus sehr viele weitere Informationen.)

Das DSG. Bildquelle: NASA

Das DSG. Bildquelle: NASA

Insgesamt ist das Deep Space Gateway aus Ressourcengründen zunächst wesentlich kleiner als die ISS. Mit sechs Mitgliedern wäre das DSG bereits überbesetzt. Auf der ISS ist diese Teamgröße hingegen Standard, und wenn es absolut sein müsste, könnte sie auch neun Menschen beherbergen. Allerdings gibt es beim DSG von vornherein die Option, es um zusätzliche Module zu erweitern. Wie groß das Gateway also am Ende tatsächlich sein wird, steht noch nicht fest.

 

Die neue Station wäre im Gegensatz zur ISS auch nicht permanent besetzt. Nach den bisherigen Plänen sollen zunächst vier Besatzungsmitglieder für nur wenige Wochen im Jahr auf der Station arbeiten.

Während der restlichen Zeit können die Bordinstrumente selbständig laufen und ihre Daten an die Kontrollzentren funken. Hierfür sehen die Planer unter anderem einen Orbit vor, der – ganz grob erklärt – die Station in elliptischen Bahnen den Mond umkreisen lässt. Der Abstand zum Mond beträgt dabei zwischen 1.500 und 70.000 km.

Gemeinsam umkreisen Mond und Station wiederum die Erde. Dabei nähert sich die Station regelmäßig einem der Mondpole an und kann dies für genauere Messungen und Untersuchungen nutzen.

Auf diese Art kann die Station im All „geparkt“ und gleichzeitig weiter genutzt werden. Was sich so trivial anhört, ist im Detail allerdings doch etwas komplizierter: (1)

Insgesamt sind bei diesem Modell drei Körper (Erde, Mond, Raumstation) zu berücksichtigen, nicht nur zwei (Erde, Raumstation) wie bei der ISS. Alleine schon die genannte regelmäßige Annäherung an den Mond und dessen Schwerkraft bewirkt Bahnabweichungen, die anschließend wieder korrigiert werden müssen. (Kanada schlägt hierfür übrigens ein Solarsegel als Hilfssystem vor.)

Je höher die Anzahl der Parameter, desto komplexer und somit fehleranfälliger werden jedoch die Berechnungen. Gleichzeitig müssen sie aber eine gewisse Toleranz aufweisen, um natürliche Schwankungen und kleinere technische Fehler oder Ungenauigkeiten auszugleichen. All das ist um so wichtiger, als man das Deep Space Gateway in Notfällen bei weitem nicht so schnell erreichen kann wie die ISS. Letztere umkreist die Erde in nur 400 km Höhe. Der Mond und somit später auch das DSG ist mit rund 384.000 km aber fast tausendmal so weit entfernt.

Sinn und Zweck der Station
Raumfahrt ist verhältnismäßig teuer kostet Geld. Steuergelder. Daher gehört die mal neugierig, mal skeptisch, mal abfällig gestellte Frage „Wozu soll das denn gut sein?“  mittlerweile schon zu den Standardreaktionen, wenn irgendwas oder irgendwer ins All geschossen wird. Beantworten wir sie also:

  1. Die ISS ist in die Jahre gekommen und kann nicht ewig weiter betrieben werden. Bisher ist 2024 das anvisierte Ende. Die Anzahl der Jahre, die da noch drangehängt werden könnten, ist gering. Allerdings gibt es weiterhin Bedarf an Forschung unter Weltraumbedingungen, so dass für einen nahtlosen Übergang Ersatz geschaffen werden soll, bevor wir die ISS aufgeben.
  2. Der Namensbestandteil „Gateway“ kommt bei der neuen Station nicht von ungefähr. Wie oben schon erwähnt, befindet sie sich sich viel weiter entfernt von der Erde (und deren Schwerkraft) als die ISS. Somit wird sie nicht nur eine Rolle als Forschungsstation erfüllen, sondern später auch als „Bahnhof“ für Missionen zum Mars und ggf. weiteren Zielen im Sonnensystem. Denn wenn man mit einem kompletten Raumfahrzeug nicht erst die Schwerkraft überwinden muss, sondern direkt im All starten kann, eröffnen sich ganz andere technische Möglichkeiten für zukünftige Missionen:

    „Alle Szenarien für Reisen zu unserem Nachbarplaneten gehen von einer Montage des Mars-Raumschiffs im Weltraum aus. Mit einem Ionentriebwerk ausgestattet, könnte es zum Beispiel von einer Mondumlaufbahn aus starten. Mit dieser Art von Antrieb benötigt man viel weniger Treibstoff als mit herkömmlichen chemischen Triebwerken. Dadurch wird die Nutzlast des Raumschiffes größer.“

    (Quelle: ESA -Koordinator und Astronaut Thomas Reiter im Interview mit der FAZ.)

  3. Hinzu kommt die Rolle der Station beim Aufbau einer internationalen Mondbasis, dem sogenannten „Moon Village„. Ein Plan, den neuerdings auch die USA (mal wieder…) ins Auge gefasst haben. Umgekehrt ist auch denkbar, das DSG für den ersten Check-Up sowie als als Quarantäneort für Rückkehrer zu nutzen. Das wäre nicht nur für bemannte, sondern auch für robotische Missionen nützlich, vor allem wenn es sich um Sample Return Missions handelt, die also Proben von anderen Himmelskörpern an Bord haben. Nimmt man sie für eine erste Analyse auf der Station in Empfang, entfiele auch zunächst das Risiko, bei der Durchquerung der Erdatmosphäre bzw. der Landung auf den letzten Metern zerstört oder kontaminiert zu werden.

Wer macht mit?
In die Planung involviert sind bisher ESA (Europa), NASA (USA), JAXA (Japan), Roskosmos (Russland) und CSA (Kanada). Allerdings hat Roskosmos erst vor wenigen Tagen eine Vereinbarung für konkrete Beiträge Russlands unterschrieben.

Geht es nach den Vorschlägen Russlands, so sollen sich später auch weitere Länder wie Brasilien, China und Indien beteiligen können. (Ob der seltsame Mensch im Weißen Haus da mitspielt, muss man allerdings bezweifeln.)

Wie sieht der Zeitplan aus?
Konkret geplant wird die Station seit ca. drei Jahren. Die Idee an sich ist allerdings fast dreimal so alt.

Die US-amerikanische Transportkapsel Orion (2) sowie die Trägerrakete „Space Launch System“ (SLS) sind bereits in Entwicklung. Mit 130 Tonnen Nutzlast übersteigt das SLS sogar die Kapazität der Saturn V um 12 Tonnen und bricht damit deren Rekord. Das SLS soll 2019 zunächst das europäische Servicemodul im Orbit platzieren. Ab 2022 folgen weitere Teile. Der eigentliche Zusammenbau beginnt mit dem PPB, danachwürde planmäßig das erste Habitat folgen.

Allerdings gibt es schon heute Probleme mit dem Zeitplan. Der erste Start des SLS sollte eigentlich bereits 2018 stattfinden, wurde aber wegen diverser Probleme auf 2019 verschoben:

„A missed delivery date for the European-made service module set to power NASA’s Orion crew capsule, snags in the welding of parts of the SLS core stage due to low weld strength, and a tornado that struck a production site in New Orleans were some of the major problems identified in a Government Accountability Office report (…).“

(Quelle: https://spaceflightnow.com/2017/04/28/nasa-confirms-first-flight-of-space-launch-system-will-slip-to-2019/ )

Ende der 2020er Jahre soll der Bau abgeschlossen sein. Für die Zeit danach ist ein Upgrade von Antrieb und Habitat vorgesehen, um dann auch eine Langzeitmission von ca. einem Jahr Dauer durchführen zu können. Diese wäre gleichzeitig ein Test für eine Marsmission unter weit realistischeren Bedingungen als dies bisher bei den sogenannten Analogmissionen auf der Erde möglich war.

Es ist also nicht a priori zu befürchten, dass wegen der Pläne für DSG und Mondstation der zunächst favorisierte Mars als Ziel in Vergessenheit geraten wird, wie es wohl für einige den Anschein hat. Im Gegenteil: Die Station ist tatsächlich, wenn alles gut läuft, sowohl strategisch als auch technisch ein erster und richtiger Schritt in Richtung Mars.

Allerdings bleibt die Frage nach der Finanzierung. Das Budget der NASA wurde seit Apollo ziemlich eingedampft, was den prozentualen Anteil am Haushalt angeht, und bei der ESA habe ich manchmal den Eindruck, dass eher einzelne Ländersüppchen gekocht werden, statt wirklich konsequent gemeinsame Anstrengungen für ein gemeinsames großes Ziel zu unternehmen. Irgendwie fehlt mir da trotz einer Reihe von interessanten Missionen etwas der Biss und auch der rote Faden. Allerdings ist mir natürlich bewusst, dass das aufgrund der ESA-Organisationsstruktur zu einem gewissen Grad unvermeidlich ist.

Das DSG wird nach meinem persönlichen Dafürhalten in absehbarer Zeit Realität werden. Beim Moon Village bin ich aber auch auf lange Sicht skeptisch, jedenfalls was die (inter)nationalen Raumfahrtagenturen angeht. Ich halte es mittlerweile für wahrscheinlicher, dass gewisse Privatinitiativen schneller sein werden, wenn auch vielleicht nicht so schnell wie sie selbst vollmundig verkünden. Desgleichen bei Reisen zum Mars.

Ich lasse mich aber gerne überraschen und eines Besseren belehren.

—-

(1) Wer sich etwas genauer über den Near Rectiliniear Halo Orbit informieren möchte, findet => hier <= einen guten Einstieg.

(2) Die Orion ist übrigens ein Überbleibsel des früheren US-Amerikanischen Mondprogramms „Constellation„. Ein Vorhaben, das unter Bush ins Leben gerufen, dann aber wegen zu großer Verzögerung und Kosten unter Obama wieder gecancelt wurde. Orion sollte eigentlich 2014 den Jungfernflug antreten. Tja…

Advertisements

SpiderFab

Egal, ob man Satelliten plant, eine Mondbasis oder eine Raumstation: Der Transport zum jeweiligen Zielort ist jedesmal ziemlich aufwändig. Handelt es sich um relativ kleine und leichte Dinge, kann man sie auf der Erde zusammenbauen und anschließend in einem Stück am geplanten Ort aussetzen. Verteilt auf nur wenige Meter sind die rund 3.000 Kilo, die z. B. ein Kommunikationssatellit wie Artemis üblicherweise wiegt, kein allzu großes Problem.

Bei komplexeren Konstruktionen wie einer Raumstationen wird es weit schwieriger. Die ISS beispielsweise hat ein Gesamtgewicht von 420.000 Kilogramm und eine Spannweite von 108 Metern. Es hätte Unmengen an Treibstoff und bisher noch gar nicht existente Transportsysteme erfordet, um sie in einem Stück ins All zu transportieren. Von der Gefahr, dass sie dabei durch die einwirkenden Kräfte beschädigt worden wäre, ganz zu schweigen. Man hat daher die einzelnen Module auf der Erde produziert, nacheinander ins All geschafft und dort oben zu einem Ganzen zusammengefügt.

Enorme Ersparnisse

Bisher müssen diese Module (aber auch Satelliten etc.) so konzipiert werden, dass sie sich für den Transport eignen und gegebenenfalls temporär verkleinern lassen. Das kostet nicht nur mehr Zeit, Material und Geld, es macht diese Teile auch anfälliger für Fehlfunktionen und Verschleiß und schränkt sie unter Umständen sogar in der Leistungsfähigkeit ein. Auch der Zusammenbau an sich erfordert oft große Mühen und aufwändige Außenbordaktivitäten der Astronauten.

Viel effizienter, aber bisher wegen der Bedingungen im All so gut wie nicht zu realisieren, wäre der Transport der Materialien und die anschließende Produktion direkt vor Ort. Dies ist nun das Ziel eines neuen, von der NASA mit einer halben Million Dollar unterstützten Projekts: SpiderFab.

SpiderFab. Quelle: Tethers Unlimited

SpiderFab. Quelle: Tethers Unlimited

Es basiert auf Robotern, die die einzelnen Materialien im All in Empfang nehmen sollen und mittels u. a. der 3D-Drucktechnik daraus an Ort und Stelle viele der Dinge bauen, die man bis jetzt nur wesentlich kleiner konzipieren und auch nur als Bauteile in den Orbit schaffen konnte. Möglich wären laut Tethers Unlimited zum Beispiel „multi-hundred-kilowatt solar arrays, large solar sails, and football-field sized antennas“. Wie space.com berichtet, ist der eigentliche Traum hinter dem Projekt allerdings noch etwas ambitionierter:

„Our really long-term objective for all of this work is to eventually enable the use of in-situ resources to construct the infrastructure in space needed to support humanity’s expansion throughout the solar system.“ (Robert P. Hoyt)

Die Vorteile liegen auf der Hand: Auf diese Art fabrizierte Teile wären nicht nur auf längere Sicht preiswerter, ihre Bauweise wäre auch für die Bedingungen an ihrem Einsatzort optimiert, ohne dabei Kompromisse für den Transport eingehen zu müssen. Darüber hinaus könnte man sie bei Bedarf direkt vor Ort neu konfigurieren oder reparieren und man könnte sie auch größer konstruieren als es bisher der Fall war. Bei z. B. Solarpanels, Antennen oder auch Teleskopen wie Hubble ist gerade die Größe für die Leistungsfähigkeit ganz entscheidend. Mit Hilfe einer von SpiderFab gebauten Riesenantenne könnten wir die Signale von interstellaren Sonden wie Voyager evtl. noch viele Jahre länger verfolgen als mit heute zur Verfügung stehenden Mitteln.

Tethers Unlimited setzt bei der Produktion hauptsächlich auf einen Ansatz, den sie „Satellite Chrysalis approach“ nennen. Statt einer Art Weltraumfabrik, die mehrere Exemplare eines Produktes herstellt und dann verteilt, will Tethers die Systeme wie z.B. Antennen sich Schritt für Schritt selbst produzieren lassen. Das hätte den Vorteil, dass man das fertige Produkt nicht erst wieder vom Produktions- an ihren eigentlichen Einsatzort transferieren müsste. SpiderFab würde an Ort und Stelle zunächst ein netzähnliches Grundgerüst herstellen und dieses nach und nach mit den einzelnen weiteren Komponenten verstärken und komplettieren. Bisher ist SpiderFab seiner Zeit aber ein klein wenig voraus. Heutige 3D-Drucker sind schlicht noch nicht schnell genug, um große Strukturen in akzeptabler Zeit herzustellen. Eine Kombination aus 3D-Druck und sogenanntem „Automated Fiber Layup“, einer Materialschichtungstechnik, soll hier Abhilfe schaffen.

Problematik Druck im All

3D-Druck in Abwesenheit von Schwerkraft ist jedoch nicht ganz unproblematisch. Zwar kann man in alle Richtungen drucken, ohne wie auf der Erde die dabei frei stehenden Teile oder Hohlräume stützen zu müssen. Ohne Schwerkraft verbinden sich Materialschichten aber gegebenenfalls anders oder gar nicht miteinander. Auch Strahlung, UV-Licht, Kühlung und generell Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung sind ein Problem. Hier muss man also gegensteuern und ausgleichen: „In the SpiderFab implementations we propose to use additives or coatings in the fiber-reinforced thermoplastics to cold-bias the materials and minimize their thermal fluctuations under different insolation conditions, and use contact, radiative, and/or microwave heating to form and bond these materials.“ [1] Einige wenige Präzisionskomponenten soll SpiderFab fürs Erste noch aus irdischer Produktion übernehmen und integrieren.

Manche Weltraum-Aficionados wie z. B. Citizens In Space ziehen gar die Möglichkeit in Betracht, dass SpiderFab sich auch des Weltraumschrotts bedienen und diesen beim Bau neuer Konstruktionen recyclen könnten. Damit würden gleich drei Fliegen mit einer Klappe geschlagen: Der gefährliche Schrott würde endlich reduziert, die zum großen Teil teuren Rohstoffe würden wiederverwendet, und obendrein würde man sich weitere Materialtransporte ersparen.

Unabhängig davon sind die ersten Schritte und Produkte des SpiderFab jedoch auf Teile begrenzt, mit deren Herstellung man schon genug Erfahrung hat, um auf aufwändige Tests vor dem Einsatz zu verzichten. Zwar ist es durchaus denkbar, hergestellte Teile im Fall einer Fehlkonstruktion auch wieder zu recyclen und von vorne zu beginnen, aber dies wäre mit weiteren Kosten und Zeitverlusten verbunden. Eventuell wäre damit der Einsatz von SpiderFab gegenüber der herkömmlichen Methode nicht mehr zu rechtfertigen. Um tatsächlich wie erhofft ein ganzes Raumschiff direkt im Orbit zu bauen, muss SpiderFab jedenfalls zunächst einen enormen Erfahrungsschatz aufbauen – wahrscheinlich über Jahrzehnte.

Zeitplan

SpiderFab-Zeitplan, Quelle: Tethers Unlimited

SpiderFab-Zeitplan, Quelle: Tethers Unlimited

Zum Einsatz kommen soll SpiderFab um das Jahr 2024, zunächst mit der Produktion von z. B. Kleinstsatelliten. In der Zwischenzeit wird sich Tethers Unlimited, wie links auf dem Zeitplan zu sehen, Schritt für Schritt an die neue Produktionstechnik herantasten.

Es bleibt abzuwarten, welche Fortschritte in den nächsten 10 Jahren noch bei den Produktionsmethoden oder auch bei den Steuerungsmöglichkeiten gemacht werden. Unter Umständen stehen bis dahin Drucker, Roboter und Software zur Verfügung, von denen das Unternehmen im Moment nur träumen kann.

——————-

[1] Robert P. Hoyt, Jesse I. Cushing et al.: „SpiderFab: An Architecture for Self-Fabricating Space Systems“, Tethers Unlimited, Inc., Bothell WA, 98011, USA / American Institute of Aeronautics and Astronautics, S. 5

SpiderFab Präsentation: http://livestream.com/viewnow/NIAC2015/videos/75183704