Am Dienstag, 30. Juli, NASA 19 verschiedene Partnerschaften angekündigt mit 13 verschiedenen Unternehmen, die ihr Fachwissen bei der Entwicklung von Weltraumtechnologien einsetzen, von fortschrittlichen Kommunikationssystemen bis hin zu neuen Zugangs-, Abstiegs- und Landemethoden.
Anstatt konkrete Projekte zu vergeben, stellt die NASA diesen Unternehmen ihre Mitarbeiter, Einrichtungen, Hard- und Software kostenlos zur Verfügung.
Eine der bemerkenswertesten dieser Partnerschaften wird mit SpaceX und den Glenn und Marshall Centern der NASA sein, um die Technologie des Transfers von Treibstoffen im Orbit voranzutreiben.
Mit anderen Worten, die NASA wird SpaceX dabei helfen, herauszufinden, wie man ein Raumschiff betankt, während es sich im Weltraum befindet. Und wenn sie dies herausfinden, könnte dies die Art und Weise, wie Missionen gestartet und geflogen werden, völlig verändern.
Denken Sie an die Art und Weise, wie eine moderne Raketenmission geflogen wird. Die Rakete ist mit allem Treibstoff gefüllt, den sie für ihre Reise benötigt. Die erste Stufe, die zweite Stufe usw. enthalten jeweils Treibstofftanks, die mit Raketentreibstoff gefüllt sind. Diese unteren Stufen werden verworfen, und sobald die oberen Stufen die Umlaufbahn erreicht haben, muss der Rest des Raumfahrzeugs seine Mission mit dem an Bord befindlichen Treibstoff abschließen.
Tatsächlich sind der Saturn V und das Space Launch System so enorm, weil sie all diesen Treibstoff in all diesen verschiedenen Panzern transportieren müssen.
Künstlerisches Rendering von SLS Block 1 Rocket. Bildnachweis: NASA
Die NASA-Raumsonde New Horizons wog weniger als eine Tonne, aber sie benötigte die größte Atlas-Rakete mit 5 anschnallbaren Feststoffraketen, um die Geschwindigkeit zu erreichen, die für die Reise nach Pluto erforderlich war.
Es gibt viele faszinierende Missionen in der Planungsphase, eine Orbitalmission zu Neptun, dem Weltraumteleskop LUVOIR, aber diese erfordern die verbesserte Block-II-Version des Space Launch Systems, die 130 Tonnen in eine erdnahe Umlaufbahn bringen kann.
Und wir haben lange darauf gewartet, dass die erste Space Launch System-Rakete überhaupt fliegt.
Stellen Sie sich vor, Sie machen einen Roadtrip und müssen Ihr Auto mit dem gesamten Kraftstoff betanken, den Sie für die gesamte Reise benötigen. Es macht keinen Sinn. Sie halten an und tanken Ihr Auto, das macht Sinn.
Dank SpaceX und seinen Boostern, die mit eigenem Antrieb zur Erde zurückkehren und landen, ist klar, dass die Zukunft wiederverwendbar ist und das Betanken im Orbit Realität werden kann.
Auftanken des SpaceX-Raumschiffs
Die SpaceX-Raumschiff , früher als BFR bekannt, wird viele seiner Missionen von der Orbitalbetankung abhängen.
Nach der Entwicklung wird das Starship aus zwei Phasen bestehen. Da ist die erste Stufe, die jetzt Super Heavy heißt. Dies entspricht der ersten Stufe des Falcon-9.
Diese Etappe wird 63 Meter lang und 9 Meter im Durchmesser sein. Es wird eine Gesamtmasse von über 3.000 Tonnen haben, mit Treibstofftanks mit flüssigem Methan und Sauerstoff. Es wird von 35 Raptor-Motoren angetrieben, die mit Methan betrieben werden.
Everyday Astronaut hat ein faszinierendes Video über den Raptor gemacht und warum es so ein revolutionärer Motor sein wird, und ich werde hier einen Link zu seinem Video setzen.
Genau wie der Falcon-9 wird der Super Heavy den gesamten Stapel vom Boden heben, sich von der oberen Stufe lösen und dann zur Erde zurückkehren, idealerweise wieder auf seiner Startrampe landen, bereit für einen weiteren Flug.
Das Starship der Oberstufe wird 55 Meter hoch sein und verschiedene Konfigurationen haben. Es wird eine Version geben, die Menschen zum Mars oder zum Mond bringt. Und eine Frachtversion, die Satelliten in verschiedene Umlaufbahnen bringt.
Und es wird eine Tankerversion geben, die nichts anderes tut, als Tonnen von Treibstoff in den Orbit zu transportieren, um Raumschiffe für ihre verschiedenen Missionen aufzutanken.
Künstlerische Illustration eines Tankers Starship, der ein bemanntes Starship betankt. Bildnachweis: SpaceX
Laut SpaceX könnten ein, zwei und sogar fünf dieser Tanker Starships in die Umlaufbahn starten, um die Treibstofftanks eines Starships vollständig mit mehr Methan und Sauerstoff aufzufüllen.
Mit dem Treibstoff eines Tankers könnte ein Raumschiff zum Mond reisen, auf der Oberfläche landen und dann zur Erde zurückkehren.
Illustration eines Edelstahl-Raumschiffs auf dem Mond. Bildnachweis: SpaceX
Füllen Sie die Treibstofftanks mit 5 Nachfüllungen vollständig auf, und Sie könnten Hunderte von Tonnen von Menschen, Ausrüstung und Vorräten zum Mars befördern, ganz zu schweigen von riesigen interplanetaren Roboter-Raumschiffen, die andere Welten ernsthaft erkunden könnten.
Diese Missionen werden davon abhängen, dass Treibstoffe in der schwierigen Umgebung des Weltraums sicher transportiert werden können. Deshalb wird die Hilfe der NASA so wertvoll sein.
Betankung der ISS
Bei all den Missionen, die in den Weltraum geflogen sind und wie oft diese Raumschiffe aneinander angedockt haben, ist eine Orbitalbetankung nicht möglich eine große Überlegung .
Es wird heute am häufigsten mit dem Russische Raumsonde Progress die an die Internationale Raumstation andockt und sie versorgt. Dies basiert auf einer Technologie, die die Russen entwickelt haben, um ihre Raumstation Mir mit Treibstoff zu versorgen.
Das Frachtschiff ISS Progress 60 ist am 5. Juli 2015 nur wenige Minuten vom Andocken an der Internationalen Raumstation ISS entfernt. Bildnachweis: NASA TV
Jedes Progress M1-Betankungsmodul hat acht Treibstofftanks an Bord, die 1.740 Kilogramm Treibstoff und Oxidationsmittel aufnehmen können. Wenn es an der Internationalen Raumstation andockt, überträgt das Progress den Treibstoff und das Oxidationsmittel über Flüssigkeitsanschlüsse im Andockring an das Antriebssystem der Raumstation.
Auch die NASA ist noch komplizierter geworden und testet das Äquivalent einer Full-Service-Tankstelle im Orbit.
Künstlerische Illustration der Robotic Refueling Mission, die Raumschiffe im Orbit betanken und reparieren kann. Bildnachweis: NASA
Die Roboterbetankungsmission ist ein mehrphasiger Test, der mit der Internationalen Raumstation als Plattform zum Testen von Betankungs- und Satellitenwartungsmethoden durchgeführt wird.
Das RRM besteht aus einer waschmaschinengroßen Box mit allen Geräten, die bei einem Tankvorgang benötigt werden. Der Roboterarm der Station demonstrierte, dass er als orbitaler Servicestationswärter fungieren kann, indem er schützende Wärmedecken abzieht, Kappen abschraubt, Ventile dreht und Flüssigkeit überträgt.
Mit anderen Worten, die NASA hat bereits viele der Technologien getestet, die SpaceX benötigen würde, um ihre Ideen zur Betankung im Orbit zu verwirklichen. Im Rahmen dieser neuen Vereinbarung stellen sie all diese Hardware und das Know-how kostenlos zur Verfügung.
United Launch Alliance und die Advanced Common Evolved Stage
2010 haben Frank Zegler und Bernard Kutter von der United Launch Alliance präsentierten ihre ehrgeizigen Pläne zur Entwicklung eines orbitalen Treibmitteldepots auf der AIAA Space 2010 Konferenz in Anaheim, Kalifornien. Ihren Berechnungen zufolge sind 70 % der Masse, die es tatsächlich in eine erdnahe Umlaufbahn schafft, einfach Treibmittel.
Ein Dual-Fluid-Treibmitteldepot mit Einzelstart. Bildnachweis: ULA
Anders als die komplexe Hardware, um Menschen am Leben zu erhalten, Roboter einzusetzen oder ein Raumschiff anzutreiben, sprechen wir von Druckbehältern mit Raketentreibstoff. Dies ist die einfachste Fracht, die in den Orbit transportiert werden könnte, und sollte zu diesem Zeitpunkt eine Ware sein.
Das Problem ist, dass die Technologie nicht entwickelt wurde, um diese Treibstoffe aufzunehmen, zu speichern und dann anderen Raumfahrzeugen zur Verfügung zu stellen, wenn sie sie benötigen.
Laut Zegler und Kutter war die Überlegung, dass diese Orbitaldepots riesige Strukturen im Maßstab einer Internationalen Raumstation sein müssten, die von vielen Starts gebaut und im Weltraum von Robotern oder Astronauten zusammengebaut wurden. Aber sie schlugen vor, dass Depots tatsächlich viel kleiner sein könnten.
Der Schlüssel ist, sie zu verwenden. Lassen Sie den Kraftstoff fließen.
Die Gesamtkapazität eines Tanklagers kann 120 Tonnen Treibstoff betragen, aber es könnte im Laufe eines Jahres über 300 Tonnen für verschiedene Missionen bereitstellen.
Künstlerische Darstellung des Deep Space Gateway, das derzeit von Lockheed Martin entwickelt wird. Bildnachweis: NASA
Ein Treibstoffdepot im erdnahen Orbit wäre hilfreich. Ein noch besserer Ort könnte der Punkt Erde-Mond L2 Lagrange sein. Dies ist eine Region der Stabilität, die sich etwa 60.000 Kilometer hinter dem Mond befindet. Von diesem Punkt an braucht es nur noch wenig Treibstoff, um die Erdumlaufbahn vollständig zu verlassen.
Um aus einer niedrigen Erdumlaufbahn zum Mars zu gelangen, müssen Raumfahrzeuge eine Geschwindigkeitsänderung von 4,3 km/s erreichen. Aber um vom Punkt L2 zu gehen, wären sie nur etwa 1 km / s. Das bedeutet deutlich weniger Treibmittel. Mehr Hardware, Menschen und Fracht können zum Roten Planeten transportiert werden.
Stellen Sie sich eine Mission vor, bei der eine Rakete von der Erde abhebt und dann die obere Stufe zum Punkt Erde-Mond L2 Lagrange fliegt. Es wird im Versorgungsdepot aufgetankt und hat jetzt den Treibstoff, den es braucht, um eine riesige Nutzlast zum Mars zu transportieren.
Keine massiven neuen Raketen erforderlich.
Es gibt natürlich Herausforderungen. Flüssiger Wasserstoff und Sauerstoff müssen auf unglaublich kalten Temperaturen gehalten werden, oder sie verdampfen aufgrund der Wärme von Sonne und Erde. Aber blockieren Sie das Licht der Sonne mit einem Sonnenschirm, und Sie können diese Abkochraten im Wesentlichen auf Null reduzieren.
Die United Launch Alliance schlug die Advanced Common Evolved Stage oder ACES vor, die auf einer Technologie basiert, die einige Jahre zuvor von Boeing und Lockheed Martin entwickelt wurde.
Jede ACES-Oberstufe würde doppelt so viel Treibstoff enthalten wie ein herkömmlicher Centaur-Oberstufen-Booster – 41 Tonnen Treibstoff. Und eine gestreckte Version hätte 73 Tonnen an Bord.
Das Treibstoffdepot selbst würde aus zwei dieser oberen Stufen bestehen, die miteinander verbunden sind, mit einer Sonnenblende, um sie vor der Hitze der Sonne zu schützen.
Dann könnte Bulk-Treibstoff in 26-Tonnen-Schritten zum Depot gebracht werden, um es aufzufüllen und als Treibstofflager für zukünftige Missionen bereitzustellen.
ULA schlug 2011 einen Test für das ACES-System vor, der weniger als 100 Millionen US-Dollar gekostet hätte, aber politische Themen durchzogen das Programm , was jede weitere Entwicklung verzögert.
Was schade ist, denn es ist eindeutig die Zukunft. Erst jetzt erwägt SpaceX ernsthaft die Betankung im Orbit, und diese Technologie hätte ein Jahrzehnt voraus sein können.
In einem aktuelles Interview mit Ars Technica , ULA-Präsident Tory Bruno sagte, dass die Entwicklung von ACES noch auf der Roadmap stehe, aber es werde passieren, wenn die nächste Generation der vulkanischen Rakete fliegt. Das werden also Jahre.
Orbitalbetankung wird die Zukunft sein.
Space Launch System-Rakete der NASA. Credits: NASA/MSFC
Schwere Trägerraketen wie das Saturn V und das Space Launch System sind kompliziert und teuer. Es ist viel sinnvoller, sich für kleinere, wiederverwendbare Raumschiffe zu entscheiden und sie dann mit weltraumgestützter Betankung dorthin zu bringen, wo sie hin wollen.
Die Technologie wurde im kleinen Maßstab getestet, aber es ist eindeutig an der Zeit, die Dinge auf die nächste Stufe zu heben.
Wenn wir in das Sonnensystem vordringen, ist es sinnvoll, die Infrastruktur aufzubauen, um unsere Exploration zu unterstützen. In der Zukunft können wir erwarten, über das Sonnensystem verstreute Treibstoffdepots zu sehen, die bereit sind, Treibstoff für Missionen zu liefern, die von Welt zu Welt reisen.
