Künstliche Gravitation – woran hakts?

Ich lese gerade das Buch „Bemannte Raumfahrt“ von Wernher von Braun. Das Buch ist lesenswert auch heute noch, ab und an stolpert man aber auch über die damalige Euphorie. So die Prognose ein wiederverwendbares Startgefährt (das Buch wurde nach dem Brand von Apollo 1 geschrieben, also 1967, lange vor dem Space Shuttle) würde die Transportkosten von 1000 auf 100 Dollar pro Kilogramm drücken und was damit alles möglich wäre. Von Braun sieht eine der Aufgaben von Astronauten im All große Strukturen zusammenbauen. Dafür setzt er auf künstliche Schwerkraft. Nur so, die Argumentation könne man effektiv arbeiten. Zu der Zeit hatte man als einzige Erfahrung mit Gebiet nur die Weltraumspaziergänge bei Gemini – in den Kapseln selbst konnte man sich ja kaum bewegen. Die waren aber erst am Ende erfolgreich. Vorher hatte man massive Probleme Halt zu finden.

Heute ist das Thema Künstliche Gravitation tot. Im Gegenteil: Eines der Argumente, dass für die bemannte Raumfahrt angeführt wird, ist, dass die Erkenntnisse nutzbar wären in der Medizin, wenn Leute lange immobil sind. Man hat nämlich entdeckt, dass die Symptome eines Langzeitaufenthaltes an Bord einer Raumstation sehr ähnlich denen sind, die Personen haben, die lange im Bett liegen, bsp. Bettlägerige oder im Koma liegende. Inzwischen macht man daher auch „Bedrest“-Studien zur Erforschung der Schwerelosigkeit. Dabei dürfen die Probanden monatelang das Bett nicht verlassen – auch für nicht zum Essen oder für Hygiene.

Die Sache ist nun die: Wenn es wirklich mal eine Marsexpedition gibt, dann müssen die Astronauten nach rund 200 Tagen in der Schwerelosigkeit landen und dann gleich arbeiten – schließlich müssen sie ihre „Wohnung“ erst in Betrieb nehmen – an die Stromversorgung anschließen, Vorräte entpacken, jede Menge Sicherungen und Bänder entfernen und Gerätschaften in Betrieb nehmen. Das bei zwar 0,4 g, aber zumindest in den Außeneinsätzen in einem schweren Anzug mit Tornister und eingeschränkter Beweglichkeit. Alleine das Gewicht der Überlebensausrüstung dürfte die Anforderung auf das Level „Arbeiten unter 1 g bringen“. Heute werden Astronauten nach der Landung aus der Kapsel gehoben und ärztlich betreut. Wenn einer nach einigen Tagen wieder leicht joggen kann, ist das schon eine Erfolgsmeldung. Kurzum: so wie man es heute macht, bereitet man sich (Moment muss genau nachrechnen … ) Null Prozent auf die medizinischen Probleme einer Marsexpedition vor.

Dabei gäbe es viele Fragen zu erörtern, die auch wichtig für eine praktische Umsetzung wären:

  • Wie lange braucht der Mensch Schwerelosigkeit am Tag?
  • Wie hoch muss die künstliche Gravitation sein?
  • Wie kann man das konstruktiv am besten umsetzen?

Die Fragen sind nicht aus der Luft begriffen. So hat man dem Muskelabbau in der Schwerelosigkeit durch Training entgegen gewirkt. Heute müssen die Astronauten an Brod der ISS mehrere Stunden pro Tag trainieren. Immerhin bedeutet das, das man den größten Teil der Zeit des Tages „nutzen“ kann. In Anführungszeichen, weil die Astronauten auf dem Weg zum Mars eigentlich nichts zu tun haben. Das ist ja keine Forschungsstation wie die ISS. So gesehen wäre dauernde künstliche Gravitation die einfachste Lösung. Es wäre denkbar, dass man vielleicht nur einige Stunden künstliche Gravitation braucht. Die Bedrest-Studien zeigen ja, das für den Körper (das Herz muss das Blut gegen die Gravitation pumpen, d.h. Verhindern, dass es in die Füße absackt) schon das Liegen ein Analogon zur Schwerelosigkeit ist und dass tut jeder von uns schon 8 Stunden am Tag. Es gäbe als Alternative zur dauernden künstlichen Rotation auch die für einige Tage und dann wieder für Wochen Ruhe, das würde vielleicht die Arbeit an Bord erleichtern, da man in der Zentrifuge sich wohl kaum bewegen wird können.

Die Frage nach der Höhe der Gravitation ist eine andere. Da wir die Forschung vor allem für die Marsexpedition brauchen, auf dem dann 0,4 g herrschen, wäre es gut, wenn die Forschung zu der Erkenntnis kommt das weniger als 1 g ausreichend sind. Eventuell kann man auch mehr als 1 g einsetzen, dafür nur für kurze Zeit, wenn man die Arbeit in der Schwerelosigkeit als Vorteil ansieht und es beide Zustände geben soll.

Die Letzte ist die Frage die mich am meisten interessiert, denn es geht hier um die technische Umsetzung. Die einzige Möglichkeit, die es heute gibt, künstliche Gravitation zu erzeugen ist die Zentrifugalkraft. Sie entsteht wenn ein Körper rotiert und die Beschleunigung errechnet sich nach:

a = ω²r

bzw.

a= v²/r

Daraus folgt, das die künstliche Gravitation linear von dem Radius der Zentrifuge und quadratisch von der Winkelgeschwindigkeit bzw. absoluten Rotationsgeschwindigkeit abhängt.

Technisch gibt es zwei Umsetzmöglichkeiten: Entweder wir installieren eine Zentrifuge an Bord einer normalen Raumstation, wobei nur diese rotiert – dann müsste sie sehr rasch rotieren. Heutige ISS-Module haben maximal 4,8 m Durchmesser, wenn man 2 m als nutzbaren Radius ansetzt, dann müsste diese mit 4,43 m/s rotieren, und zwar mit rund 172 U/Min. Bei diesem kleinen Radius, kommt als weiteres Problem hinzu, dass die künstliche Gravitation an den Füßen viel kleiner als am Kopf ist, was nicht der Situation auf der Erde entspricht. Konstruktiv wird es ein Problem, diesen rotierenden Teil in den normalen, nicht rotierenden einzugliedern. Wenn das Modul ständig rotiert, wird man eine Verbindung schaffen müssen, die Leitungen für Gase, Wasser und Strom durchlässt. Das geht eigentlich nur in der Mitte, doch genau dort müssten ja auch die Astronauten das Modul betreten. Die Verbindung müsste also sehr weit sein. Selbst dann stellt sich die Frage wie die Astronauten es dann schaffen vom schwerelosen Teil an die Wand der Zentrifuge gelangen und sich dort verankern – bei über 100 U/min wohl ein Ding der Unmöglichkeit. Rotiert sie nicht dauernd, so ist das zwar ohne Probleme möglich, man handelt sich aber ein anderes Problem ein. Eine rotierende Struktur dieser Größe hat ein enormes Drehmoment, dass die ganze ISS zur Rotation bringen wurde – man kann es beim Start und Stopp durch Triebwerkszündungen wieder ausgleichen, doch wenn das nicht einmal sondern jeden tag stattfindet ist das ziemlich aufwendig und braucht auch viel Treibstoff. Wenn aber die ganze ISS rotiert dann braucht man eigentlich kein Modul mit einer Zentrifuge, sondern kann gleich sich in den Modulen aufhalten, die am weitesten von Mittelpunkt der Rotationsachse entfernt sind.

Die Rotationsgeschwindigkeit wird etwas kleiner, wenn man an größere Module denkt – Bigelows aufblasbare Station hat 8,2 m Durchmesser und passt in eine 5-m-Nutzlasthülle der Atlas. Übertragen auf die 10 m Hülle einer SLS wäre man dann bei 16 m Durchmesser – dann würde zumindest die 1,5 m Differenz zischen Kopf und Fuß keine Rolle mehr spielen und die Rotation dürfte auch 4-mal langsamer sein, trotzdem würde die Station knapp einmal pro Sekunde um die eigene Achse rotieren.

Diese Lösung halte ich für eine schlechte. Zu aufwendig, zu viele Nachteile.

Die meisten Vorschläge gehen daher von einem vollkommen rotierenden Körper aus. Doch der muss wirklich groß sein für eine künstliche Rotation, will man keine starke Gravitationsdifferenz im bewohnbaren Teil haben, so in etwa, wie in der Eingangsszene bei 2001 Odyssey im Weltraum wo der Astronaut in einem riesigen Rad läuft. So etwas heute zu bauen das gleichzeitig leicht ist (man muss es ja zum Mars und zurückbringen) dürfte ebenfalls ausgeschlossen sein.

Die heute am ehesten umsetzbare Technologie dürften zwei Module sein, die um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotieren. Das erprobte man schon im Geminiprogramm als man die Agena-Stufe und die Kapsel mit einem Seil verband. Das funktionierte, doch man beobachtete auch das die Schwingungen sich lange hielten. Bei einer Marsmission wäre das natürliche Gegenstück der Antriebsteil mit Treibstoffen. Der Schwerpunkt wäre anfangs dann nahe an diesem Teil. Auf dem Rückweg nach Verbrauch der Treibstoffe dagegen beim Wohnmodul. Gerade wegen der Notwendigkeit aber abzubremsen stelle ich mir das problematisch vor. Mit einem Seil geht das nicht, oder man müsste es vor allen Antriebsphasen (wozu auch kleine Korrekturen zu zählen sind) eingeholt werden und beide Module ankoppeln. Stabiler wäre eine leichtgewichtige Konstruktion aus Streben. Doch auch diese müsste den Schubkräften bei einem Antriebsmanöver standhalten. Sie hätte als weiteren Vorteil auch die Möglichkeit, dort ein sehr großes Solararray anzubringen. Bei Ionentriebwerken, die man nutzen könnte, hätte man dann auch den Nachteil von hohen Schüben nicht, könnte also die Verbindung leichtgewichtig auslegen.

Die Größe hängt von der Rotationsgeschwindigkeit ab. Bei einer Umdrehung pro Minute müsste der Radius schon 894 m betragen, also die Gesamtausdehnung schon 1,8 km. Streben mit der Länge werden dann auch nicht leicht. Also wird die Station schneller rotieren, was dann für die Streben eine hohe Zugbelastung darstellt. In jedem Falle könnte man es nicht auf der ISS erproben, man bräuchte eine eigene Station dafür – auch ein Grund, warum man es bis heute nicht ausprobiert. Neben den Kosten gäbe es wohl die Erklärungsnot – man entwickelt eine Station, die den Zustand wie auf der Erde mit hohen Kosten simuliert und das nur um eine Mission durchzuführen, die man bis heute nicht beschlossen oder finanziert hat. Immerhin. Wenn es diese Station gibt, (idealerweise mit Antriebsmodul) dann könnte man sie auch für die Marsexpedition nutzen.

Meine persönliche Ansicht: Das Thema ist auch deswegen tot, weil dann all die schönen Bilder von Astronauten in der Schwerelosigkeit wegfallen, die wohl das wichtigste öffentlichkeitswirksame Argument für die bemannte Raumfahrt sind. Man konzentriert sich darauf die Marsexpedition ganz ohne künstliche Schwerkraft umzusetzen, nur auch für diesen Plan gibt es ja auch keinerlei Vorarbeiten. Die Rekorde, die zu Sowjetzeiten an Bord von Saljut und Mir aufgestellt werden, werden nicht mal erreicht, routinemäßig bleiben Astronauten etwa 6 Monate im All, das sind 40% des längsten Fluges von Waleri Poljakow von 437 Tagen Dauer. Für eine Marsexpedition ist es immer noch zu wenig, die dauert bei Konjunktionsflügen im Mittel 33 Monate, leicht abhängig davon, wo sich Mars bei Hin- und Rückflug befindet (die Bahn ist stark elliptisch). Kurz – man müsste die Aufenthaltsdauer an Bord der ISS um das fünffache oder 2,5-fache des derzeitigen Rekords von Scott Kelly und Michail Kornijenko steigern. Bevor man das nicht erreicht hat, sollte man nicht an eine Marsexpedition denken. Das Vorerproben ist nicht ohne Vorbild: Die Gemini 7 Mission war mit 14 Tagen Dauer auch länger als eine Mondmission mit maximal 12 Tagen Dauer.

9 thoughts on “Künstliche Gravitation – woran hakts?

  1. Gehen wir mal von Strukturen aus, die schon vorhanden sind. Die Knoten der ISS erlauben das Ankoppeln von 4 radialen Modulen. Das gäbe bei Columbus einen Radius von 8m bis zum Boden. Beim Kibo Druckteil einen von 12m. Eine Seitwärtsbewegung wo die Rotation eventuell auffallen würde ist auf ca 3 m begrenzt. Die axialen Kupplungen könnten für das Antriebsmodul, und für das Mannschaftstransportmodul genutzt werden. Dadurch gäbe es keine so extreme Schwerpunktverlagerung und der Schub würde weitgehend symmetrisch auf die gesamte Struktur wirken. Bei den Radialen Modulen würden Zwischenböden mit Leitern oder Handgriffen eingesetzt werden. Das ergibt dann eine zum Zentrum hin nachlassende Schwerkraft.

  2. Sorry, das war mißverständlich ausgedrückt. Ich meinte nicht die ISS in Rotation zu versetzen, sondern eine Station aus bereits bekannten Modulen aufzubauen, und die dann nach Kopplung aller Module in Rotation zu versetzen. Also 1 Knoten 4 radial montierte Module, 2 axial montierte Module. Das wäre ein Verfahren, welches ich mir auch für den Aufbau und die Durchführung einer Marsexpedition vorstellen könnte. Ich stimme zu, dass großflächige Solarmodule bei Rotation eventuell schlecht auszurichten sind.

  3. Die erste Frage ist, ob man wirklich 1g braucht. Schon 0,3g würden ja helfen, zumindest nicht dauernd der Schwerelosigkeit ausgesetzt zu sein. Zudem kann so ein rotierender Teil der Raumstation gezielt zum körperlichen Training benutzt werden. Laufen die Astronauten dort in Rotationsrichtung, erhöhen sie ja die „Fliehkraft“ und damit ihre g-Belastungen entsprechend. Das ist ja im Film „Odysee im Weltraum“ ganz gut gezeigt, wie es gehen würde.

    Das rotierende Rad wird sich aber sicher innerhalb einer nicht rotierenden Hülle befinden. Andernfalls hätte man das Problem, einen rotierenden und einen nicht rotierenden Teil der Station gas- und druckdicht miteinander zu verbinden. Viel Spaß beim Konstruieren der Dichtung!

    Im rotierenden Teil benötigt man folglich auch keine Anschlussleitungen für Wasser oder Gase. Insbesondere die Lebenserhaltungssysteme befinden sich in der nicht rotierenden Hülle.

    Beim Ein- und Ausstieg in das rotierende Segment ist die Hauptgefahr eigentlich, dass den Astronauten schwindlig wird. Die von Dir genannte Drehzahl ist viel zu hoch! Bei 4,43 m/s und 2 m Radius, entsprechend 12,57 m Umfang, komme ich auf 21 U/min. Das Rad muss sich ja etwa alle drei Sekunden um sich selber drehen. In dem Rad wird man natürlich eine Leiter anbringen, auf der die Astronauten von und zur Mitte klettern können. Beim Einstieg „schweben“ die Astronauten in der Mitte in das Rad und halten sich dann an der Leiter fest, um den Drehimpuls aufzunehmen. Sie rotieren dann schon, sind aber weiterhin fast schwerelos, so dass sie sie problemlos mit den Armen festhalten können, um ihre Beine auf der Leiter zu positionieren. Beim Runterklettern an der Leiter ist dann merkwürdig, dass die Astronauten während des Kletterns seitlich beschleunigt werden. Je tiefer sie kommen, desto mehr spüren sie dann die Schwerkraft. Der Rückweg erfolgt dann genau umgekehrt.

    Hauptproblem des Betriebs eines solchen Rads sehe ich darin, dass es immer eine Unwucht haben wird – spätestens dann, wenn gerade Astronauten darin sind! Und damit ist es dann vorbei mit der schönen Mikrogravitation, die man eigentlich will.

  4. 1: ob 0,3 g genügen weis man nicht weil man es ja nicht erprobt hat.

    2: Das Hauptproblem ist das Du bei 2 m Radius ein starkes Gravitationsgefälle zwischen Mitte und Außenbereich hast, deswegen sind ja alle Räder in Science Fiction Filmen so groß, sonst ist immer noch der Kopf bei nahezu 0 g und die Fußballen bei 0,3 g.

    Wie Du bei dem Gravitationsgefälle in/aussteigen willst bei 21 U/min ist mir ein Rätsel. Wenn man das mit einem Ball auf einer rotierenden Fläche macht beschriebt der z.B. keine Gerade mehr sondern eine Kurve. Wird nicht ganz leicht sein.

  5. Unwucht könnte durch Umpumpen von Balllastwasser beseitigt werden. Wenn die Rotationsachse auf die Sonne ausgerichtet ist, gibt es kein Problem bei der Solarzellen-Ausrichtung.

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