Traktionsbalken aus Fantasyfilmen könnten Realität werden

Die Star Wars: Andor-Reihe war dieses Jahr eine angenehme Überraschung. Wir haben nicht nur eine großartige Erzählung bekommen und das Star Wars-Franchise hat nach langer Zeit neue Inhalte bekommen, wir durften auch Zeuge einer Szene werden, die uns für immer in Erinnerung bleiben wird. Die Rede ist von einem Weltraumduell – auf der einen Seite stand der Rebellenführer Luthen, auf der anderen ein imperialistisches Kriegsschiff, das den Rebellen mit einem Schleppbalken gefangen nahm.

Doch die Traktionsbalkentechnologie könnte Realität werden. Wissenschaftler entwickeln einen elektrostatischen Traktionsbalken mit einer Leistung, die derjenigen sehr ähnlich ist, die wir aus Science-Fiction-Filmen kennen. Wir sind noch einige Lichtjahre davon entfernt, damit Außerirdische zu jagen. Es soll dazu dienen, Weltraummüll aus der Erdumlaufbahn zu entfernen.

Die Erwartungen sind hoch. Dank der reichsten Erdlinge florierte die kommerzielle Raumfahrtindustrie unerwartet. Elon Musk, Jeff Bezos, Blue Origin, Virgin Galactic ... Dies sind die Namen von Einzelpersonen und Unternehmen, die diejenigen mit dem größten Geldbeutel auf Reisen in den Weltraumtourismus schicken. Mit erneuten Investitionen in die Raumfahrtindustrie stellen sich jedoch Fragen zur Umweltverschmutzung. In den kommenden Jahren planen die Länder, die stark in diesen neuen Weltraumwettlauf investieren (USA, Russland, China...), weitere Satelliten in die bereits gesättigte Erdumlaufbahn zu schicken.

Letztendlich könnten defekte und beschädigte Satelliten und der gesamte Müll kommerzieller Raumflüge die Umlaufbahn in eine riesige Mülldeponie verwandeln. Auch Kollisionen mit laufenden Raumfahrzeugen, auf die Erde abstürzende Partikel, Kontaminationen der Atmosphäre mit Metallen und Ähnliches stellen eine große Gefahr dar. Experten warnen, dass die boomende Raumfahrtindustrie Gefahr läuft, zum Stillstand zu kommen, bevor sie ihre Flügel vollständig ausgebreitet hat.

Ein elektrostatischer Traktionsbalken könnte Abhilfe schaffen und behinderte Fahrzeuge und Satelliten in Sicherheit bringen. Es ist noch nicht klar, ob dies eine Rückkehr zur Erde zu Recyclingzwecken oder in den Weltraum bedeutet. Obwohl ein Schubstrahl das Weltraummüllproblem nicht vollständig lösen würde, bietet das Konzept mehrere Vorteile gegenüber anderen vorgeschlagenen Methoden zur Entsorgung von Weltraummüll.

Ein Prototyp könnte Millionen von US-Dollar kosten, und eine voll funktionsfähige Version könnte viel mehr kosten. Gelingt es jedoch, die finanziellen Hürden zu überwinden, könnte der Traktionsträger bereits im nächsten Jahrzehnt betriebsbereit sein, sagen seine Erbauer. „Die Wissenschaft hat die Beweise, aber die Finanzierung ist nicht da“, sagte Projektforscherin Kaylee Champion, Doktorandin am Department of Aerospace Engineering der University of Colorado Boulder.

Künstliche Schwerkraft ist mit menschlicher Technologie nicht erreichbar

Die künstliche Schwerkrafttechnologie, die in der Star Wars-Serie gezeigt wurde, liegt definitiv außerhalb der Reichweite menschlicher Technologie. Doch das Konzept inspirierte Hanspeter Schaub, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Colorado Boulder, zu einer realistischeren Version.

Die Idee kam Schaub erstmals nach der ersten großen Satellitenkollision im Jahr 2009, als ein funktionierender Kommunikationssatellit Iridium 33 mit einem nicht mehr existierenden russischen Militärraumschiff Kosmos 2251 kollidierte und mehr als 1.800 Trümmerteile in die Erdumlaufbahn schleuderte. Nach dieser Katastrophe wollte Schaub verhindern, dass es noch einmal passiert. Um dies zu erreichen, fand er heraus, dass wir Raumschiffe in Sicherheit bringen können, indem wir die Anziehungskraft zwischen positiv und negativ geladenen Objekten nutzen, um sie „zusammenzukleben“.

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts verfeinerten Schaub und Kollegen das Konzept. Nun hoffen sie, dass es eines Tages genutzt werden kann, um tote Satelliten aus der geostationären Umlaufbahn oder der Umlaufbahn um den Erdäquator zu bewegen, wo die Geschwindigkeit des Objekts mit der Rotation des Planeten übereinstimmt und den Eindruck erweckt, als ob das Objekt über einem bestimmten Punkt auf der Erde fixiert wäre . Dies würde dann Platz für andere Objekte im Orbit schaffen.

Wie funktioniert ein elektrostatischer Traktionsbalken?

Der elektrostatische Schleppstrahl würde ein Service-Raumschiff nutzen, das mit einer Elektronenkanone ausgestattet wäre, die negativ geladene Elektronen auf den nicht mehr existierenden Satelliten abfeuern würde, sagte Champion. Die Elektronen würden dem Ziel eine negative Ladung verleihen, während sie das Serviceschiff mit einer positiven Ladung verlassen. Er erklärt, dass elektrostatische Anziehung die Objekte zusammenhalten würde, obwohl sie durch 20 bis 30 Meter Leerraum voneinander getrennt sind.

Sobald das Fluggerät und das Ziel „zusammengeklebt“ waren, konnte der Soldat das Ziel aus der Umlaufbahn ziehen, ohne es zu berühren. Im Idealfall würde der inaktive Satellit oder das inaktive Ziel in eine „Friedhofsumlaufbahn“ gezogen werden, die weiter von der Erde entfernt ist. Sie könnte dort für immer sicher schweben.

Die elektrostatische Anziehung zwischen den beiden Raumfahrzeugen wäre aufgrund von Einschränkungen in der Elektronenkanonentechnologie und der Entfernung, die das Raumschiff zurücklegen müsste, um Kollisionen zu vermeiden, äußerst schwach, sagte Projektforscher Julian Hammerl, Doktorand an der CU Boulder. Das Serviceschiff müsste sich also sehr langsam bewegen und es könnte mehr als einen Monat dauern, um einen einzelnen Satelliten vollständig aus der Umlaufbahn zu bringen.

Geschwindigkeit sei „der Hauptunterschied zwischen Science-Fiction und Realität“, schlussfolgerte Hammerl.

Vorteile und Einschränkungen

Ein elektrostatischer Schleppbalken hätte einen großen Vorteil gegenüber anderen vorgeschlagenen Methoden zur Entfernung von Weltraummüll, wie riesigen Netzen und Harpunen und physischen Andocksystemen – er würde ohne Berührung funktionieren.

„Große, tote Raumschiffe von der Größe eines Schulbusses drehen sich sehr schnell“, sagte Hammerl. „Wenn man mit einer Harpune schießt oder ein großes Netz verwendet, kann der physische Kontakt das fliegende Raumschiff beschädigen und so das Problem des Weltraummülls verschärfen.“

Wissenschaftler haben andere berührungslose Methoden vorgeschlagen, beispielsweise die Verwendung starker Magnete, aber die Herstellung riesiger Magnete ist extrem teuer und würde wahrscheinlich das Steuersystem des Serviceschiffs beeinträchtigen.

Die Hauptbeschränkung des elektrostatischen Traktionsbalkens ist seine Geschwindigkeit bzw. die Tatsache, dass die Methode langsam ist. Es gibt bereits mehr als 550 Satelliten, die die Erde umkreisen, und wir können damit rechnen, dass diese Zahl in den kommenden Jahrzehnten noch deutlich ansteigt.

Wenn die Satelliten nacheinander bewegt würden, würde ein einzelner elektrostatischer Schleppbalken nicht mit der Anzahl der Satelliten mithalten können, die das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Wir würden mehr davon brauchen. Eine weitere Einschränkung eines elektrostatischen Schleppbalkens besteht darin, dass er zu langsam arbeiten würde, um für die Beseitigung kleinerer Teile von Weltraumschrott geeignet zu sein.

Das größte Hindernis sind die Kosten. Das Team hat noch keine vollständige Kostenanalyse für die neue Technologie durchgeführt, sie würde laut Schaub jedoch wahrscheinlich mehrere zehn Millionen Dollar kosten. Sobald sich das Serviceschiff jedoch im Weltraum befand, würde seine Verwaltung relativ effizient sein.

Welche Hürden erwarten sie in den kommenden Jahren?

Die Forscher arbeiten derzeit an einer Reihe von Experimenten im Electrostatic Charging Laboratory for Plasma-Spacecraft Interactions (ECLIPS) der University of Colorado Boulder. Eine badewannengroße Vakuumkammer aus Metall, die mit einer Elektronenkanone ausgestattet ist, ermöglicht es dem Team, „einzigartige Experimente durchzuführen, die derzeit kaum jemand sonst durchführen kann“. Damit simulieren sie die Auswirkungen der Elektrostatik in kleinerem Maßstab.

Sobald das Team bereit ist, besteht die letzte und schwierigste Hürde darin, die Mittel für die erste Mission zu beschaffen. Der Großteil der Kosten der Mission würde für den Bau und die Inbetriebnahme des Schleppbalken-Serviceschiffs anfallen. Idealerweise würden die Forscher jedoch für den ersten Test zwei Satelliten starten wollen – einen Schleppbalken und ein Ziel, das sie kontrollieren könnten. Das würde mehr Kontrolle über ihre Experimente bedeuten, aber auch doppelte Kosten.

Bei erfolgreicher Finanzierung könnte das Projekt in 10 Jahren zum Leben erweckt werden.