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Jul 08, 2023

Weltraumtraktorstrahlen sind möglicherweise nicht der Stoff für die Wissenschaft

1. Juni 2023 Dieser Artikel

1. Juni 2023

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von Daniel Strain, University of Colorado in Boulder

Am 10. Februar 2009 ereignete sich Hunderte Kilometer über der Sibirischen Halbinsel eine Katastrophe. An diesem Abend kollidierte ein nicht mehr existierender russischer Satellit, der die Erde umkreiste, mit einem Kommunikationssatelliten namens Iridium 33, der sich mit einer Geschwindigkeit von Tausenden Meilen pro Stunde bewegte. Beide Raumschiffe explodierten in einem Schrapnellregen, der mehr als 1.800 Trümmerbrocken um den Globus schleuderte.

Es kamen keine anderen Raumschiffe (oder Menschen) zu Schaden, aber für viele Luft- und Raumfahrtingenieure war das Ereignis ein Vorzeichen für die Zukunft. Der Weltraum schien überfüllt zu werden.

Die NASA schätzt, dass derzeit etwa 23.000 Trümmerbrocken in der Größe eines Softballs oder größer durch den Weltraum wirbeln. All dieser Müll bedeutet, dass eine weitere Kollision wie die, die Iridium 33 zerstört hat, von Jahr zu Jahr wahrscheinlicher wird – nur könnten die Folgen dieses Mal noch viel schlimmer sein.

„Das Problem mit Weltraummüll besteht darin, dass nach einer Kollision noch mehr Weltraummüll entsteht“, sagte Julian Hammerl, Doktorand der Luft- und Raumfahrttechnik an der CU Boulder. „Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer weiteren Kollision kommt, erhöht sich, wodurch noch mehr Trümmer entstehen. Es gibt einen Kaskadeneffekt.“

Hammerl und ein Team um Professor Hanspeter Schaub haben einen Plan, um diese Kaskaden zu stoppen, bevor sie beginnen. Die Forscher greifen auf einen der ältesten Tropen der Science-Fiction zurück: Traktorstrahlen, wie sie das Raumschiff Enterprise verwendet, um Asteroiden sicher aus dem Weg zu räumen.

Stellen Sie sich Folgendes vor: In nicht allzu ferner Zukunft könnte eine Flotte kleiner Raumschiffe um die Erde sausen und sich in einer geosynchronen Umlaufbahn um den Planeten mit toten Metallbrocken treffen. Mithilfe von Geräten namens „Elektronenstrahlen“ würden diese Weltraum-Müllcontainer diese Trümmer dann langsam in Sicherheit bringen, ohne sie jemals berühren zu müssen – und das alles unter Nutzung derselben Art von Physik, die dafür sorgt, dass Ihre Socken im Trockner an Ihrer Hose kleben.

„Wir erzeugen eine anziehende oder abstoßende elektrostatische Kraft“, sagte Schaub, Vorsitzender der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik von Ann und HJ Smead. „Er ähnelt dem Traktorstrahl, den man in Star Trek sieht, ist aber bei weitem nicht so stark.“

Zunächst müssen Schaub und seine Kollegen eine Reihe von Herausforderungen lösen, die sie in zahlreichen aktuellen Studien beschrieben haben. Die Forscher nutzen beispielsweise eine neue Anlage, um die überraschend komplexe Umwelt rund um die Erde nachzubilden. Sie planen auch, wie Traktorstrahlen eines Tages Trümmer aus der Region zwischen Erde und Mond entfernen könnten.

„Das Berühren von Dingen im Weltraum ist sehr gefährlich. Objekte bewegen sich sehr schnell und oft unvorhersehbar“, sagte Kaylee Champion, eine Doktorandin, die mit Schaub zusammenarbeitet. „Dies könnte viele sicherere Möglichkeiten für die Wartung von Raumfahrzeugen eröffnen.“

Champion und ihre Forscherkollegen erkunden diese Möglichkeiten jetzt von einem Labor aus mit Blick auf die Flatirons auf dem Ostcampus der Universität.

Eine Handvoll Schüler scharen sich um einen Zylinder von der Größe eines Whiskyfasses. Es besteht aus einer dicken Schicht Edelstahl und verfügt über mehrere bullaugenartige Fenster, durch die man hineinschauen kann. Diese Vakuumkammer mit dem Namen Electrostatic Charging Laboratory for Interactions between Plasma and Spacecraft (ECLIPS) ist jetzt an ihrer Basis geöffnet. Doch mit dem Summen eines Motors senkt sich der Zylinder langsam ab, bis er einrastet.

Bald wird eine Pumpe damit beginnen, den Druck in der Kammer abzubauen. In etwa einem Tag wird keine Luft mehr drin sein – eine kleine Lücke mitten in Boulder. Schaub und sein Team haben die Kammer selbst entworfen und sie ist anders als jede andere Forschungseinrichtung im Land.

Dieser Miniaturraum steht im Mittelpunkt der Experimente der Gruppe mit elektrostatischen Traktoren. Im Inneren kann die Gruppe die Umgebung um die Erde nachbilden, die nicht leer ist, sondern von einem dünnen Gas aus freien Elektronen und geladenen Atomen, dem sogenannten Plasma, überschwemmt ist. Mithilfe von Würfeln oder komplexeren Formen aus Metall kann die Gruppe sogar Trümmer in dieser Kammer simulieren.

Heute versuchen die Forscher, die Bedingungen in einem „teuren Grundstück“ im Weltraum nachzuahmen, wie Schaub es nannte.

Die geosynchrone Umlaufbahn der Erde, oder „GEO“, beginnt etwa 22.000 Meilen von der Planetenoberfläche entfernt, eine weite Strecke von der erdnahen Umlaufbahn, oder „LEO“, entfernt, wo Iridium 33 seinen Untergang erlebte. Dort befinden sich einige der teuersten Satelliten, die je gebaut wurden – Militär- und Telekommunikationsraumschiffe, die die Größe von Schulbussen erreichen und weit über eine Tonne wiegen.

„GEO ist wie das Bel Air des Weltraums“, sagte Schaub.

Es wird auch langsam voll. Ingenieure schätzen, dass es etwa 180 potenzielle geostationäre Orbitalparkplätze gibt, in die sich Satelliten hineinzwängen können. Alle sind beansprucht oder bereits belegt.

Traktorstrahlen, sagte Schaub, könnten alte Raumschiffe sicher aus dem Weg räumen und Platz für die nächste Generation von Satelliten schaffen.

Für Hammerl ist das Forschungsprojekt eines, von dem er als junger Student in seiner Heimatstadt Wien, Österreich, nicht hätte träumen können. Hammerl studierte Maschinenbau als Student, zog dann aber für die Graduiertenschule nach Boulder, um seiner Leidenschaft für die Weltraumforschung nachzugehen. (Österreich hat kein eigenes Raumfahrtprogramm.)

Als er ankam, hatte er keine Ahnung, wie komplex diese scheinbar leere Fläche sein könnte.

Im einfachen Sinne, erklärte er, funktioniert das Konzept des Teams für einen „elektrostatischen Traktor“ ein bisschen so, als würde man einen Ballon auf dem Kopf reiben, sodass einem die Haare zu Berge stehen. Zunächst näherte sich ein Wartungsschiff einem verlassenen Satelliten aus einer Entfernung von etwa 15 bis 25 Metern (49 bis 89 Fuß) und traf ihn dann mit einem Elektronenstrahl. Diese Elektronen würden dem Weltraumschrott eine negative Ladung verleihen und gleichzeitig den Träger positiver machen.

Wie das Sprichwort sagt: Gegensätze ziehen sich an.

„Mit dieser Anziehungskraft kann man die Trümmer praktisch wegziehen, ohne sie jemals zu berühren“, sagte Hammerl. „Es verhält sich wie das, was wir einen virtuellen Tether nennen.“

Es scheint auch zu funktionieren. Basierend auf Experimenten in ECLIPS und Computermodellen berechnen die Forscher, dass ein elektrostatischer Schlepper einen tonnenschweren Satelliten in zwei bis drei Monaten etwa 200 Meilen weit ziehen könnte. Das ist ein langsames Tempo, aber gut genug, um die im Grunde verherrlichten Briefbeschwerer aus den wertvollen Orbitalschlitzen zu entfernen.

Wissenschaftler haben andere Strategien zur Entfernung von Trümmern aus der Umlaufbahn vorgeschlagen, beispielsweise das Ergreifen abtrünniger Satelliten mithilfe von Harpunen. Aber all diese Ansätze erfordern den direkten Kontakt mit Müll.

In der Praxis ist der tatsächliche Einsatz eines Traktorstrahls im Weltraum jedoch voller Komplikationen.

Zunächst einmal stehen stillgelegte Satelliten normalerweise nicht still und können sogar wild durch den Weltraum taumeln. In Studien haben Schaub und seine Studenten gezeigt, dass man möglicherweise ihre Rotation verlangsamen kann, wenn man diese Metallbrocken mit einem rhythmischen Elektronenpuls statt mit einem gleichmäßigen Strahl trifft, sodass man die Satelliten sicher wegziehen oder sich ihnen sogar nähern kann für Reparaturen.

Das Team hat auch begonnen, über eine Region des Weltraums nachzudenken, in der sich heute nur noch wenige Trümmerteile befinden, in der es jedoch deutlich geschäftiger zugeht: den „cislunaren“ Weltraum oder die Zone zwischen der Erde und ihrem Mond. Hier können die Bedingungen wirklich wild werden.

Champion erklärte, dass die Sonne einen nahezu konstanten Plasmastrom ausstößt, der als Sonnenwind bezeichnet wird. Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde kann diese Plasmaumgebung unvorhersehbar werden. Durchfliegende Fahrzeuge können den Plasmafluss stören und hinter sich eine Spur von Ionen erzeugen, fast wie ein Segelboot, das durch Wasser gleitet. Diese Wellen könnten wiederum die Leistung eines elektrostatischen Traktors beeinträchtigen.

„Das macht diese Technologie so herausfordernd“, sagte Champion. „Im erdnahen Orbit gibt es völlig unterschiedliche Plasmaumgebungen, im Vergleich zum geosynchronen Orbit und um den Mond herum. Damit muss man klarkommen.“

Um genau das zu erreichen, haben Champion und ihre Laborkollegen ECLIPS mit einer „Ionenkanone“ erweitert, einem Gerät, das schnell fließende Argonionenströme in der Kammer erzeugen kann.

Sie hofft, dass ihre Arbeit eines Tages die Bemühungen der NASA im Rahmen ihres Artemis-Programms unterstützen könnte, Menschen zurück zum Mond zu schicken – und von dort noch weiter darüber hinaus.

„Sobald wir Menschen wieder auf den Mond bringen, ist das ein Sprungbrett für die Reise zum Mars“, sagte Champion.

Schaub bemerkte, dass Weltraumtraktorstrahlen möglicherweise nicht mehr lange Gegenstand von Science-Fiction sein werden. Er geht davon aus, dass sein Team mit der richtigen Finanzierung in nur fünf bis zehn Jahren in der Lage sein wird, einen Prototyp eines elektrostatischen Traktors ins All zu schicken.

„Das Spannende an dieser Technologie ist, dass dasselbe Wartungsfahrzeug im Laufe seiner Lebensdauer zwei, drei oder sogar Dutzende von Objekten bewegen kann. Das senkt Ihre Kosten erheblich“, sagte Schaub. „Niemand möchte eine Milliarde Dollar ausgeben, um Müll zu transportieren.“

Zur Verfügung gestellt von der University of Colorado in Boulder