Weltraumlift_schema.png Ein Weltraumlift ist die Idee einer Art Aufzug, beginnend am Erdboden, der die Erdatmosphäre verlässt und in den Weltraum führt.

Geschichte

Die Idee des Weltraumlifts tauchte erstmals 1895 auf, als der russische Weltraumpionier Konstantin Ziolkowski, inspiriert durch den Eiffelturm, vorschlug, einen Turm zu errichten, der direkt in den Weltraum reicht. Er stellte sich vor, am Ende eines Kabels eine Art Aufhängung des Aufzugs direkt in den geostationären Orbit zu bringen.

Ein Turm oder Aufzug dieser Art wäre in der Lage, Objekte in den Orbit zu bringen, ohne auf Raketentechnologie angewiesen zu sein. Da ein Objekt beim Aufstieg gleichzeitig an tangentialer Geschwindigkeit gewinnen muss, hätte es bei Erreichen des Ziels gleichzeitig die nötige Energie und Geschwindigkeit, um im geostationären Orbit zu verbleiben.

Ein Gebäude dieser Art zu errichten, war unmöglich, da kein Material mit der nötigen Zugfestigkeit bekannt war. 1957 schlug dann der sowjetische Wissenschaftler Juri N. Artsutanov eine alternative Variante dieser Idee vor. Ein Satellit solle in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht werden und als Aufhängung des Aufzugs dienen. Von dort könnte man dann ein Kabel zur Erdoberfläche herunterlassen. Nasa space elev.jpg Der Schwerpunkt der Konstruktion müsste auf dem geostationären Orbit liegen, so dass bei einer Winkelgeschwindigkeit, die der Erdrotation entspricht, die Fliehkraft die Erdanziehungskraft ausgleicht. Ein Kabel von 35.786 Kilometern Länge ist jedoch schwierig zu realisieren.

1966 untersuchten vier amerikanische Ingenieure, welches Material für die Schaffung eines solchen Kabels erforderlich wäre. Sie kamen zum Schluss, dass neue Materialien benötigt würden, die mindestens doppelt so zugstark wären, wie alle damals bekannten Materialien.

1975 schlug der US-Amerikaner Jerome Pearson vor, eine kegelförmige Konstruktion zu benutzen. Das Kabel müsste im Bereich des Schwerpunktes am dicksten sein, da es dort die größte Spannung auszuhalten hat. Das Kabel könnte als Gegengewicht in den Weltraum hinaus verlängert werden, während die erdnahe Hälfte des Turms errichtet würde, so dass der Schwerpunkt des Systems ständig auf dem geostationären Orbit liegt.

Bekannt wurden diese Ideen in der Öffentlichkeit, als Arthur C. Clarke sie 1978 zum zentralen Thema seines Romans The Fountains of Paradise (dt.: Fahrstuhl zu den Sternen) verarbeitete.

Aktuell

In jüngster Zeit werden verstärkt Anstrengungen unternommen, diesen Plan eines Tages in die Wirklichkeit umzusetzen. David Smitherman von der NASA veröffentlichte so zum Beispiel in den 1990er Jahren Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium ^*, ein Bericht, der auf den Ergebnissen einer 1999 im Marshall Flight Center abgehaltenen Konferenz beruht.

Seit Anfang des 21. Jahrhunderts ist ein Material bekannt, das die Anforderungen erfüllen könnte: Kohlenstoffnanoröhren. Anfang 2004 ist es einem Wissenschaftlerteam um Alan Windle an der University of Cambridge gelungen, auf der Grundlage dieser Technologie einen etwa 100 Meter langen Faden herzustellen. Kohlenstoffnanoröhren haben ein bis zu 100 mal besseres Verhältnis von Zugfestigkeit zu Gewicht als Stahl, deshalb ist dieser Werkstoff ein möglicher Kandidat für den Weltraumlift. Noch ist die Technologie jedoch längst nicht ausgereift: Kohlenstoffnanoröhren sind teuer und können bisher nur in sehr begrenzter Zahl hergestellt werden.

Ende Juni 2004 teilte der Leiter des Weltraum-Fahrstuhl-Projekts Bradley Edwards in Fairmont, West Virginia mit, dass schon in 15 Jahren ein Prototyp fertig sein könnte. Für seine Idee hat Edwards die US-Weltraumbehörde NASA begeistert, die durch ihr NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) ^* das Forschungsprojekt mit 500.000 Dollar unterstützt.

Ein Unternehmen namens LiftPort Group ^* hat es sich zum Ziel gesetzt, einen solchen Weltraumlift zu bauen. Das selbstgesteckte Ziel der Fertigstellung ist auf den 12. April 2018 datiert.

Technisch bereits im Bereich der Möglichkeiten ist der Vorschlag von Jerome Pearson. Er möchte einen Weltraumlift auf dem Mond installieren. Wegen der im Vergleich mit der Erde geringeren Schwerkraft wäre das benötigte Kabel kürzer und insgesamt niedrigeren Belastungen ausgesetzt. Das nötige Kabel von geschätzten 7t Gewicht könnte mit einer einzigen Rakete in den Weltraum befördert werden. Jerome Pearson ist Geschäftsführer der Firma Star Technology and Research, Inc., die auf Ihrer Homepage ^* auch über den Mondlift informiert. Die Forschungen von Pearson an dem Projekt werden von der NASA derzeit mit 75.000 Dollar unterstützt.

Auswirkungen

Es ist denkbar, dass ein Weltraumlift die Transportkosten von derzeit 20.000 bis zu 80.000 $ pro kg nach seiner Amortisierungszeit auf bis zu 200 $ pro kg reduzieren könnte. Die wissenschaftliche Forschung würde davon durch den sehr viel billigeren Transport von Labors und Teleskopen in den Weltraum stark profitieren. Auch die industrielle Forschung kann durch Arbeiten in der Schwerelosigkeit neue Verfahren entwickeln und neue Fertigungstechnologien ermöglichen; nicht zuletzt wäre es möglich, diese Technik für den Weltraumtourismus zu erschließen.

FLIHIHI Energie Weltraumlift.PNG Die Energie-Bilanz beim Transport mit dem Weltraumlift braucht nicht negativ zu sein. Um 1 kg Masse von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von 35.800 km über der Erdoberfläche hochzuheben, benötigt man ungefähr 48.500 kJ. Wenn man das Seil bis in eine Höhe von 143.800 km über der Erdoberfläche verlängert, dann kann man diese Energiemenge wieder zurück gewinnen. Diese Rückgewinnung ist aber nur möglich beim Transport eines Körpers von der geostationären Umlaufbahn zu einer noch größeren Höhe, beispielsweise um eine interplanetare Sonde mittels Fliehkraft zu starten.

Technologie

Ein reguläres Stahlseil würde bereits ab einer Länge von 4-5 km unter seinem eigenem Gewicht reißen, Hochleistungsstahlseile für Seilbahnen, deren Reißfestigkeit mit Kevlar vergleichbar ist, kämen immerhin auf rund 30 km. Neue Werkstoffe, deren Reißfestigkeit weit jenseits der von Kevlar liegen, sind deswegen ein kritischer Punkt für eine zukünftige Realisierung dieses Unternehmens. Eine UHMW-Polyethylen Faser des DSM-Konzerns namens Dyneema© ist z.Z. Spitzenreiter mit einer freien Bruchlänge von 400 km. Sie übertrifft in der Bruchfestigkeit sogar Spinnenseide um den Faktor 2.

Kohlenstoffnanoröhren scheinen derzeit vielversprechende Kandidaten für die Konstruktion eines Kabels mit der entsprechenden Reißfestigkeit zu sein. Berechnungen von Nicola Pugno des Polytechnikums in Turin ergaben jedoch, dass bei der Verwebung von Kohlenstoffnanoröhren zu längeren Kabeln die Reißfestigkeit des Kabels um ca. 70% gegenüber der Reißfestigkeit einzelner Nanoröhren abnimmt. Grund dafür ist ein unvermeidlicher Kristallbaufehler, welcher gemäß Pugnos Modells die Belastbarkeit des Kabels auf ca. 30 Gigapascal reduziert. Berechnungen der NASA zufolge wäre jedoch ein Material mit einer Belastbarkeit von etwa 62 Gigapascal notwendig um den auftretenden Kräften zu widerstehen.

Die NASA hat die technologischen Anforderungen untersucht und in 5 Problembereiche unterteilt. Innerhalb dieser Gebiete werden zur Zeit unabhängige Projekte zur Grundlagenforschung ausgeschrieben.

1. Material für Kabel und Turm
2. Errichtung und Kontrolle des Kabels
3. Errichtung des Turms als Basisstation
4. Elektromagnetische Antriebe
5. Ausbau der allgemeinen Weltrauminfrastruktur und Raumfahrtindustrie

Weblinks

• Space Elevator Projekt der Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt (WARR)
• Space Elevator Website von SpaceRef mit aktuellen News zum Projekt, Präsentationen, Fachvorträgen und Links
• Space Elevator Wettkampf der Entwicklungsteams 2006
• Space Elevator (Max-Born-Team 2006) Weltraumfahrstuhl-Konstruktion 2006 (Schüler/Jungstudierenden Projekt)
• Institute for Scientific Research Konzept des Space Elevator und FAQs
• The Space Elevator: 3rd Annual International Conference (2004)
• Liftport Group
• Space.com The Space Elevator Comes Closer to Reality

• On the Strength of the Carbon Nanotube-Based Space Elevator Cable Paper von Nicola Pugno

Alternative Raumfahrtkonzepte

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