Columbia

Am 1.2.2003 zerbrach die Raumfähre Columbia in 60 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von 5.5 km/s beim Wiedereintritt nach der letzten Spacehab Mission bevor die wissenschaftliche Arbeit nur noch auf der Raumstation ISS durchgeführt werden sollte. Der Wiedereintrittskorridor verlief über die USA so dass dieses Ereignis breit beobachtet wurde.

Als man die Raumfähre verloren hatte war der Schock tief. Zum einen war dies die 113 Shuttle Mission. 87 Missionen waren seit Challenger fehlerfrei verlaufen. Man hatte nun also Zutrauen in die Raumfähre und erwartete Probleme beim Start, aber nicht beim Wiedereintritt. Vor allem wusste aber man zuerst nicht die Ursache. Bei Challenger zeigten die Kameras sehr schnell die Ursache durch die Rauchgasfahne beim Start und die sich entwickelnde Stichflamme an der Feststoffrakete und es gab natürlich die Besprechung bei der man die Bedenken vorgebracht hatte.

Die einzige Anomalie beim start war ein Stück Isoliermasse das 81 Sekunden nach dem Start auf den Flügel geprallt war. Derartiges war schon öfters vorgekommen und der Zwischenfall wurde auch untersucht, jedoch nicht als gravierend eingeschätzt. So tappte man im Dunkeln und vermutete z.B.. auch eine Kollision mit Weltraummüll oder einem Mikrometeoriten als Ursache. Was man wusste war das nach Radarbeobachtungen sich ein Stück von Columbia entfernte als diese schon im Orbit war und man hatte eben diesen Vorfall beim Start. Doch es war das einzige Vorkommnis und später fand man weitere Hinweise wie z.B.. orangene Ablagerungen auf Hitzeschutzkacheln. Das einsammeln der Bruchstücke die sich über 3 US Bundesstatten verteilten geriet zum Puzzlespiel.

Warum weigerte sich die NASA zuwest sehr lange (und noch während der Untersuchung) das Schaumstück als Ursache anzuerkennen? Nun der Space Shuttle tank besteht aus einer leichten Aluminiumlegierung welche weniger als 29 t wiegt und dabei über 700 t an Treibstoffen aufnimmt. Diese Treibstoffe sind flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff. Sie verdampfen bei -183 und -251°C, d.h. es ist eine Isolierung des Tanks notwendig um ein massives Verdampfen zu verhindern. Bei den alten Saturn Raketen war diese im inneren angebracht. Sie konnte also nie abplatzen. Bei anderen Hochstufen die wesentlich kleiner als der Tank sind handelt es sich um feste Schalten die aufgenietet oder gespannt werden. Beim Shuttle Tank hat man sich wegen der schieren Größe für ein Aufsprühen entschieden. Die Isolierung besteht aus Polyurethanschaum, den man auch auf der Erde für Isolierungen nimmt. Damit in diesen nicht Feuchtigkeit eindringt und beim Gefrieren durch die Kälte des Treibstoffs zu Eis wird (und Stücke der Isolierung absprengt) ist er mit einem orangener Lack besprüht, der die Oberfläche wasserabweisend macht. Trotzdem gab es immer wieder Fälle in denen kleine Stücke der Isolierung sich in der Vergangenheit gelöst hatten und mit dem Orbiter kollidierten. Man hatte diese Vorfälle untersucht dafür sogar ein eigenes Computerprogramm namens CRATER geschrieben und nie Beschädigungen festgestellt. Dies geschah auch diesmal nachdem man 2 Stunden nach dem Start die Kameraufnahmen ausgewertet hatte. Die Ergebnisse wurden am 24.1.2003 präsentiert und man sah keine Gefahr für die Mission.

Der Schaum ist eine feste, aber zerbrechliche Masse, vielleicht vergleichbar Styropor. Das Stück das abging war allerdings groß: 53-69 cm lang und 30-46 cm breit. Es stammte von der Y förmigen Stütze mit der der Orbiter am Tank befestigt war. Diese Stützen und Leitungen sind Hauptursachen von abplatzenden Stücken. Es wog wahrscheinlich etwa 800 g. Die Filmaufnahmen zeigten wie es aufschlug und dabei zerbröselte. Das wäre zu erwarten und sollte keine Gefahr für die Hitzeschutzkacheln sein.

Der Fehlschluss war, dass man sich auf die Hitzeschutzkacheln konzentrierte. Unter dem Rumpf befinden sich einige Tausend dieser Kacheln, ein keramisches Material aus Keramikfasern mit vielen Hohlräumen und einer Glasur. Selbst wenn ein Schaumstück eine oder mehrere Kacheln zerstört hätte, so macht dies nichts aus. Bei jedem Shuttle Flug gehen einzelne dieser Kacheln verloren. Solange die Fläche nicht zu groß ist schadet dies der Columbia nicht.

Was jedoch passiert war, zeigte erst die computerunterstützte Auswertung der Startaufnahmen. Das Bruchstück schlug nicht auf der Flügelunterseite auf, sondern der Kante zwischen den RCC Panels 5 bis 9.  RCC Panels sind Werkstoffe aus verstärkten Kohlestofffasern in einer Kohlenstoffmatrix, einem Material sehr unempfindlich gegen die Temperaturen von bis zu 1600 ° an den Flügelkanten, leicht. Aber auch sehr spröde. Zwar ist es hart, doch wenn s bricht, dann sind es größere Stücke.

Das nächste was man vergaß war wie schnell ein so leichtes Stück Schaumstoff abgebremst wird. Selbst in dieser Höhe ist die Luft noch dick genug um ein mit mehrfacher Überschallgeschwindigkeit fliegendes Teil innerhalb von Sekundenbruchteilen abzubremsen. Auswertungen der Videos ergaben eine Aufprallgeschwindigkeit von 670-920 km/h.

Erst als man ein originale RCC Panel mit Schaumstücken der angegebenen Größe mit einer Kanone auf 800 km/h beschleunigt beschoss durchschlug es das Panel und machte 40-45 cm große Löcher. Möglicherweise wurde das Panel nicht nur beschädigt sondern löste sich von der Fähre. Das wäre das Stück das sich im Orbit von der Raumfähre weg bewegte. So konnte heißes Plasma eindringen. Temperatursensoren im Flügel zeigten einen Anstieg in den Temperaturen, gefolgt von einem Ausfall. Der Flügel besteht aus Aluminium. Dieses schmilzt bei 670 °C und schon vorher erwicht es. Als Folge verlor der Flügel an Integrität und brach, der Orbiter kippte und brach auseinander.

Der Untersuchungsbereicht wunde am 26.8.2003 veröffentlicht und enthielt neben diesen Tatsachen auch Vorwürfe an das Management der NASA. Um Kosten zu sparen war die NASA noch abhängiger von Industriefirmen geworden. Nun übernahmen diese auch noch die ganze Wartung und Instandhaltung des Space Shuttles. Das führte zu einem Mangel an Kompetenz bei der NASA.

Das Problem war nun, das man nun zwar die Isolierung de Tanks verbessern konnte, so dass weniger Isolierung abgeht, jedoch nicht ausschließen konnte, das es nicht wieder vorkommt (und in der Tat löste sich beim nächsten Shuttleflug wieder ein Stück ab). Weiterhin gab es natürlich die Möglichkeit, dass die Raumfähre durch Weltraummüll beschädigt werden kann. So war eine Forderung, dass man die Besatzung für diesen Fall retten muss können. Eine Reparatur im Orbit ist nach heutigem Stand nicht unter allen Umständen möglich, dafür sind die Kacheln zu unterschiedlich in Form und Größe. In der Praxis bedeutete dies, dass der Space Shuttle nur noch zur ISS fliegen dürfte, da man dann dort ausharren könnte bis Russland einige Sojus Kapseln zur Rettung der Astronauten entsendet oder ein zweiter Shuttle startet um sie abzuholen. Erst nach 2 Jahren gab die NASA bekannt, dass man eine Servicemission für das Weltraumteleskop Hubble wird starten, nachdem man nun wieder genügend Vertrauen in das Space Shuttle hat. Ein zweites Shuttle soll dazu auf der zweiten Startrampe stehen um in einem Notfall die Besatzung zu bergen.

Als Folge des Unglückes kündigte George Bush am 14.1.2004 an, das die Space Shuttles nur noch die internationale Raumstation fertig stellen sollen und dann im Jahre 2010 ausgemustert werden. Für danach entwickelt die NASA nun wieder Kapseln wie bei Apollo die aber nicht vor 2014/15 zur Verfügung stehen werden.