Per Seilbahn zum Mond: Raumfahrtkongress AC 2020 diskutiert alternative Methoden

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Als sich im Jahr 1951 in London die International Astronautical Federation (IAF) gründete, war auch der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke dabei. Der beschrieb 1979 in seinem Roman "Fahrstuhl zu den Sternen" die Idee, dass die Menschen zukünftig keine Raketen mehr brauchten, um ins All zu reisen, sondern sich an einem Kabel in den Orbit heben lassen. Auf die Frage, wann er damit rechne, dass diese Vision Realität werde, soll er geantwortet haben: "Fünfzig Jahre, nachdem die Leute aufgehört haben zu lachen."

Ob bei der mittlerweile 71. Jahrestagung der IAF jemand über die dort präsentierten Ideen zu Weltraumfahrstühlen gelacht hat, ist nicht bekannt. Denn die Tagung findet wegen der Covid-19-Pandemie natürlich nur virtuell statt, ohne Applaus oder Gelächter. Gleichwohl ist klar: Das Konzept wird weiterhin erforscht.

Aufzug am Kabel

Momeo Terata (Shonan Institute of Technology) etwa berichtet von Experimenten mit einem Antrieb für einen "Climber", der sich mithilfe von Rollen entlang eines Kabels bewegt und bis zu 300 kg tragen können soll. Dafür wurde ein hybrider Antrieb entwickelt, bei dem die Position der Rollen zueinander verändert werden kann, je nachdem welche Reibungskräfte gerade erforderlich sind. So stehen die Räder zunächst versetzt zueinander, um die Last besser in Bewegung zu bringen, und werden dann, wenn eine höhere Geschwindigkeit erreicht ist, einander direkt gegenübergestellt.

Getestet wurde das Verfahren bei Wettbewerben wie der Space Elevator Challenge (SPEC) in Japan und der European Space Elevator Challenge (EUSPEC) 2018 in Deutschland. Der aus drei versetzt zueinander montierten Rollen bestehende Antrieb erreicht Geschwindigkeiten von 0,3 bis 0,5 m/s bei einer Betriebsdauer bis zu einer Stunde. Das Eigengewicht liegt bei 25 kg, insgesamt soll er 300 kg heben können. Irdische Baustellen seien neben dem Weltraum ein weiteres Anwendungsgebiet dieses Lifts, sagt die Forscherin.

Weltraumfahrstuhl mit zwei Kabinen

Taiko Okino (Shizuoka University) stellt eine Studie zur Machbarkeit eines Weltraumfahrstuhls vor, der mit zwei Kabinen operiert, die einander als Gegengewichte dienen. Beim bislang dominierenden Climber-Konzept mit einer einzelnen Kabine, die am Kabel auf und ab klettert, sei es schwierig, die Energieversorgung zu gewährleisten. Auch sei der Klettermechanismus kompliziert und schwer. Dagegen könne beim Gegengewicht-Konzept die potenzielle Energie der Kabinen genutzt werden. Ein Problem seien jedoch die durch Koriolis- und Gezeitenkräfte bewirkten Eigenbewegungen der Kabel.

Für eine direkte Verbindung zwischen Boden und dem geostationären Orbit in 36.000 Kilometer Höhe sei zudem der erforderliche Energieaufwand mit Spitzenwerten bis zu 100 Megawatt zu hoch. Die Forscher hätten daher eine Variante kalkuliert, bei der die Strecke in mehrere Etappen unterteilt wurde. Die erste Etappe führte in eine Höhe von 3.900 km, wo Mars-Schwerkraft herrscht, die zweite von dort zum Bereich der Mond-Schwerkraft in 8.900 km Höhe. Hier lag die maximal erforderliche Energie bei 15 Megawatt für die erste Etappe, für die zweite lag sie niedriger.

Energetischer Vergleich

Es zeigte sich aber, dass in größerer Höhe sich die Climber-Variante wieder als energetisch günstiger erwies, weil hier das höhere Gewicht des Climbers durch die geringere Schwerkraft ausgeglichen wird. Auch beim Weltraumfahrstuhl könnte sich demnach wie bei der Rakete das Mehrstufenprinzip durchsetzen: Die erste Stufe leistet die schwere Arbeit, nutzt bei der Überwindung der Erdschwerkraft diese aber auch zugleich selbst durch das Prinzip des Gegengewichts. Danach muss umgestiegen werden in die zweite Stufe, die es im wörtlichen Sinn dann schon leichter hat.

Vom Boden zur Mars-Höhe würde ein Climber 246 Megawattstunden benötigen, mit Gegengewicht seien dagegen nur 232 Megawattstunden erforderlich, sagt Okino. Vom dort zur Mondhöhe brauche der Climber dann nur noch 102 Megawattstunden, der Gegengewichtler jedoch satte 271.

Weltraumfahrstühle gut für die Umwelt

Peter A. Swan vom International Space Elevator Consortium (ISEC) nennt zwei Gründe, warum Weltraumfahrstühle gut für die Umwelt sind: Zum einen ermöglichten sie den Bau von Infrastrukturen wie großen Solarkraftwerken im All, zum anderen arbeiten sie mit elektrischer, von der Sonne gewonnenen Energie und seien dadurch emissionsfrei. Diese "Big Green Machine" habe sogar eine negative Kohlendioxid-Bilanz, da für das aus Graphen gefertigte Kabel eines Weltraumfahrstuhls 6.300 Tonnen Kohlenstoff verarbeitet würden.

Vom ISEC durchgeführte Studien seien in den letzten Jahren zum Ergebnis gekommen, dass eine duale Architektur aus Raketen und Weltraumfahrstühlen anzustreben sei, die das Beste beider Technologien nutzt: Raketen beförderten Menschen rasch durch die Strahlungsgürtel, während die Fracht langsamer, aber in größeren Mengen mit dem Fahrstuhl transportiert werde. Die fünf Millionen Tonnen Material, die für den Bau eines Solarkraftwerks erforderlich seien, ließen sich nur mithilfe eines Weltraumfahrstuhls in den geostationären Orbit transportieren, sagt Swan. Mit Raketen allein sei das nicht zu machen.

"Galaktischer Raumhafen"

Derzeit befinde sich das Konzept des Weltraumfahrstuhls im Übergang vom Nachweis der technologischen Machbarkeit zu ersten Validierungstest. Es gehe letztlich darum, so Swan, "die Raketengleichung zu schlagen". Diese vom Raumfahrtpionier Konstantin Ziolkowski entdeckte Formel zeige unerbittlich, dass zum Transport einer bestimmten Masse ein Vielfaches an Treibstoff nötig sei. So erreichten nur 4 Prozent der Startmasse den erdnahen Orbit, 2 Prozent den geostationären Orbit – und bei den Apollo-Missionen landeten sogar nur 0,5 Prozent auf dem Mond, 0,2 Prozent kehrten zur Erde zurück.

Als Alternative skizziert Swan einen "galaktischen Raumhafen", bestehend aus drei Weltraumfahrstühlen im Pazifik, Atlantik und im Indischen Ozean, deren Kabel jeweils 100.000 Kilometer weit ins All reichen. Je nachdem, in welcher Höhe eine Raumsonde von dort auf die Reise geschickt werde, könnten Geschwindigkeiten bis zu 7,76 km/s erreicht werden. Das könnte tägliche Transfers zu Mond und Mars ermöglichen und die Reisezeiten erheblich verkürzen. Swan gibt sie mit 14 Stunden zum Mond und 61 Tagen zum Mars an.

Der Mond, ein "Vorort der Erde"

Jean-Yves Prado von der Firma Platineo in La Rochelle geht noch einen Schritt weiter: Er will Erde und Mond gleich komplett durch ein Kabel miteinander verbinden. Das sollte vom Mond aus in fünf Etappen aufgebaut werden: Zunächst von der Mondoberfläche etwa 56.000 km bis zum Librationspunkt L1, von dort aus 232.000 km weiter Richtung Erde. Diese ersten beiden Abschnitte haben eine konstante Länge. Da die Entfernung von Erde und Mond aber nicht konstant ist, muss das dritte Kabel diese Schwankungen von etwa 50.000 km auffangen.

Diese kontinuierliche Bewegung, bemerkt Prado, könnte einen Dynamo antreiben, der das gesamte System mit Energie versorgt. Der vierte Abschnitt führt von dessen unterem Ende über ungefähr 10.000 km zu einer in 30 km Höhe schwebenden Station über der Antarktis, von wo aus die fünfte und letzte Etappe zum Boden führt. Eine solche Seilbahn, als deren Baumaterial Prado Kohlenstoff-Nanoröhren favorisiert, würde den Mond, wie er sagt, zu einem "Vorort der Erde" machen.

(axk)