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Das Space Shuttle als Versorgungssystem der ISS

Das Space Shuttle

Das Space Shuttle hatte nach den ursprünglichen Planungen nicht nur eine zentrale Rolle beim Aufbau der Raumstation, sondern auch bei der Versorgung. Während der Aufbauphase kann das Space Shuttle nicht sehr viel Fracht transportieren, es ist seine Hauptaufgabe die Module und Bauelemente zu befördern.

Später sollte das Space Shuttle alle 3-6 Monate die ISS anfliegen. Die normale Besatzung eines Space Shuttle besteht aus maximal sieben Personen, davon sind zwei der Commander und der Pilot. Bis zu fünf Passagiere wären dann die neue Besatzung für die ISS und die alte Crew kehrt nach drei bis sechs Monaten zurück. Zusammen mit einem Sojusraumschiff ergab sich so eine Stammbesatzung von sieben Personen.

Das Space Shuttle verfügt über einen sehr großen Frachtraum von 4,80 m Durchmesser und 18,38 m Länge. Dessen Aufteilung ist variabel. Es können mehrere Paletten, ein MPLM oder ein Spacehab Modul transportiert werden. Es kann auch ein Bauteil zur ISS und eine Palette transportiert werden, abhängig von dessen Gewicht und Größe. Weiterhin können die Treibstoffvorräte des Shuttles zum Anheben der Station genutzt werden. Zu den internen Vorräten könnten theoretisch Zusatztanks installiert werden. Davon wurde nicht Gebrauch gemacht. Die Anhebung der ISS mit den Triebwerken des Space Shuttle ist aus zwei Gründen ineffektiv: Das Shuttle braucht selbst dann mehr Treibstoff zum Landen und es wird nicht nur die ISS, sondern auch das 104 t schwere Shuttle mit angehoben. Anders als Progress und ATV kann das Space Shuttle auch nicht die räumliche Lage der Station verändern.

Die Höhe der Nutzlast des Space Shuttle zur ISS ist stark abhängig von ihrer Bahnhöhe. Für die Transporte zur Raumstation wurde der Super-Lightweight-Tank (SLWT) eingeführt, der 2,7 t leichter als der alte Tank war und die Nutzlast von 15.876 kg auf 18.600 kg anhob (für eine Bahn in 407 km Höhe). Von dieser Nutzlast gehen aber 1.800 kg für den Dockingadapter und meistens noch 260 kg für zwei EVA-Anzüge mit ihren Subsystemen ab, sodass die Maximalnutzlast bei etwa 16.500 kg liegt.

Die Kosten einer Shuttle-Mission werden seit zwei Jahrzehnten nicht mehr publiziert. Wird der Quotient gebildet, aus den Haushaltsmitteln für die Shuttle-Flotte und den Flügen, so betragen diese etwa 600-700 Millionen Dollar pro Start ab 2006 und rund 400-480 Millionen Dollar vorher. (die Kosten sind gleich geblieben, aber die Startzahl ist von 6-7 auf 4-6 gesunken).

Trotzdem wäre das Space Shuttle für die ISS der ideale Versorger gewesen - es wurde ja ursprünglich auch mal zum Aufbau und Versorgung einer Station entworfen. Das zeigt sich an den Ausgaben die nun zur Versorgung zu leisten sind:

Ein "Sitz" also ein beförderter Astronaut an Bord einer Sojus zur ISS kostet 2011 63 Millionen Dollar. Das Space Shuttle hätte pro Flug bis zu 5 Astronauten zur ISS bringen können. Selbst wenn es nur 3 sind, so spart dies schon 190 Millionen Dollar pro Flug ein.

Für den Transport von 20 t Fracht zur ISS zahlt die NASA Orbital 1,9 Milliarden Dollar, SpaceX 1,6 Milliarden Dollar. Für die Entwicklung der Raumfahrzeuge wurden weitere 900 Millionen Dollar gezahlt. Allerdings nimmt die Nutzlast um rund 25 bis 30 kg pro Kilometer Bahnhöhe ab, das war auch der Grund warum die Raumstation solange sie vom Space Shuttle aufgebaut wurde in 350 bis 370 km Höhe blieb und dann vor allem von ATV Transportern sukzessive in 407 km Höhe gebracht wurde. Diese 60 km mehr hätten die Nutzlast um rund 1,7 t abgesenkt.

Die NASA kompensierte den Wegfall des Shuttles der auch die Experimente regelmäßig austauschen sollte indem sie effektivere Systeme zur Rückgewinnung des Wassers und des Sauerstoffs zur Station brachte. Mit dem Space Shuttle war die Versorgung kein Problem. Vier Flüge pro Jahr zum Besatzungsaustausch hätten rund 40 t transportieren können. Soviel hätte man nicht gebraucht. Die neuen US-Transporter werden nur 8-10 t pro Jahr transportieren.

Space Shuttle

Länge:

37,20 m

Durchmesser:

6,60 m

Spannweite:

23,80 m

Höhe:

17,30 m

Nutzlastraum:

4,80 m Durchmesser, 18,38 m Länge

Leergewicht:

78.400 – 79.200 kg

Startgewicht:

104.000 kg

Fracht:

18.600 kg zur ISS (350 Km Höhe), 14.500 kg von der ISS zurück zur Erde

Triebwerke:

2 × OAMS mit je 26,7 kN Schub

Maximal 5.100 kg Treibstoff für ISS Bahnanhebungen (nur während der Anfangsphase genutzt)

 

Die MPLM

Für den Frachttransport setzt das Space Shuttle drei Frachtmodule ein, die von Italien stammen, und den Namen Multi-Purpose Logistics Module (MPLM) tragen. Es handelt sich um zylindrische Module. Sie werden vom Canadarm des Space Shuttle aus dem Frachtraum gehoben und dann an die ISS angedockt. Die MPLM wurden von der italienischen Raumfahrtagentur ASI in Auftrag gegeben. Auf ihnen basiert die Struktur des Columbus Moduls, das von der gleichen Firma, Thales Alenia Space, gefertigt wurde. Die Frachtmodule sind fähig, Strom an die Fracht vom Start bis zur Kopplung an die ISS zu liefern (wichtig für tiefgefrorene oder gekühlte Lebensmittel und Proben). Ursprünglich sollte Boeing diese Frachtmodule entwickeln, doch Italien offerierte mit Entwicklungskosten von nur 400 Millionen Dollar ein weitaus preiswerteres Angebot.

Die Ursprünge der MPLM gehen bis ins Jahr 1991 zurück, als sie noch Mini Pressurized Logistics Modules hießen. Der Vertrag zwischen ASI und NASA wurde 1997 unterzeichnet. Für die Lieferung von drei Modulen erhält die ASI 0,85% der NASA-Ressourcen der Station. Als Bestandteil der Vereinbarung sollte die NASA drei italienische Astronauten als Bestandteil einer Space Shuttle Besatzung (Kurzzeitmissionen) und drei weitere als Bestandteil der ISS Stammbesatzung (Langzeitmissionen) befördern. Bisher waren zwei italienische Astronauten bei Missionen zur ISS beteiligt, doch waren dies ESA-Astronauten. Der erste Astronaut der ASI wird Roberto Vittori auf der Mission STS-134 sein.

Die Fracht wird in Standard-Racks untergebracht. Das MPLM hat CBM-Kopplungsadapter an beiden Stirnseiten. Das MPLM basiert in der Basiskonstruktion auf dem Spacelab, ist jedoch erheblich leichter als dieses. Jedes MPLM hat genug Platz, damit zwei Astronauten darin arbeiten können. Es verfügt über eigene elektrische Leitungen um einzelne Racks zu kühlen, Anschlüsse für ein Lebenserhaltungssystem und einen Rauchmelder. Von den Racks besitzen fünf einen Anschluss für Kühlflüssigkeiten und Strom. Sie können genutzt werden, um Fracht in Kühlschränken zu transportieren. Die Stromversorgung und die Versorgung mit Kühlflüssigkeit erfolgt durch das Space Shuttle oder die ISS, wenn es dort angedockt ist. Das MPLM hat sein eigenes Lebenserhaltungssystem und eine interne Stromversorgung. Diese ist jedoch nur für kurze Betriebszeiten ausgelegt, um während Start, Landung und der Kopplungsmanöver die Stromversorgung der Fracht zu sichern. Allerdings wurde nur das Modul „Donatello“ für solche Missionen mit aktiver Stromversorgung ausgerüstet.

Jedes MPLM kann sechs Monate lang an der ISS angekoppelt bleiben, bevor es von einem Shuttle wieder zurückgeholt wird. Bisher wurde jedes MPLM aber nur kurzfristig an die Station angedockt und vor der Rückkehr des Space Shuttles wieder in die Nutzlastbucht transferiert und zur Erde zurückgebracht.

Die Produktion der MPLM ging sehr schnell und preiswert. So wurde mit der Herstellung des ersten Moduls „Leonardo“ im April 1996 begonnen und schon im August 1998 konnte es an die NASA übergeben werden. „Raffaello“ folgte im August 1999 und das Modul „Donatello“ am 1. Februar 2001.

Die drei Module sind von Italien nach berühmten Künstlern benannt worden:

Insgesamt zehn Flüge der MPLM sind geplant. Spezifiziert ist jedes für 25 Flüge in zehn Jahren. In der ursprünglichen Planung wären die MPLM nach Ausbau der ISS zur Frachtversorgung eingesetzt worden. Sie brachten den Hauptteil der Inneneinrichtung zur ISS. Alle drei Labormodule sind beim Start so schwer, dass sie nur teilweise mit Experimenten ausgestattet waren. Der Rest wurde mit den MPLM transportiert. Dann kamen aus dem gleichen Grund Werkzeuge und Einrichtungsgegenstände zur ISS. Zuletzt versorgten die MPLM die Besatzung mit Nahrung und Trinkwasser. Als einziges System sind die drei MPLM derzeit in der Lage, sperrige Fracht von der ISS wieder zur Erde zurück zubringen. Experimente können so ausgetauscht werden. Das MPLM Leonardo wurde umgebaut, als Permanent Multipurpose Module (PMM) endgültig an der Station verbleiben. Es wurde dazu mit einem zusätzlichen Meteoritenschutzschild ausgerüstet.


MPLM

Länge:

6,40 m

Durchmesser:

4,60 m

Leergewicht:

4.100 – 4.500 kg

Fracht:

9.100 – 9.400 kg

Racks:

16, davon 5 mit Stromversorgung (nur Donatello)

Volumen:

31 m³

Eigenstromversorgung:

3 kW Leistung (nur Donatello)

Spacehab-Module

Älter als die MPLM sind die Spacehab-Module, die schon bei den Shuttle-Mir Kopplungen zum Einsatz kamen. Die Firma Spacehab bietet verschiedene modulare Frachtmodule an, die auch kombiniert werden können. Für die Flüge zur ISS kommen die Logistic Double Module (LDM) und einmal ein Logistics Single Module (LSM) zum Einsatz. Es handelt sich dabei um Module, die an der Shuttle Luftschleuse fest angebracht sind. Die Fracht muss daher vom Modul über den am Ende des Verbindungstunnels angebrachten Kopplungsadapter in die ISS transportiert werden, bevor das Space Shuttle ablegt. Eine Ankopplung der Module an die ISS ist nicht möglich. Gleichzeitig gibt es dieselben Einschränkungen bezüglich der Größe der Ausrüstung wie bei den russischen Kopplungsadaptern, da der PMA-Adapter auch auf ein russisches Design zurückgeht und schon bei der Shuttle-Mir Ankopplung eingesetzt wurde.

Das Spacehab-Modul ist von quaderförmiger Form, wobei beim Double Module zwei Module hintereinander gepackt sind. Die Fracht wird in standardisierten Shuttle Middeck Lockern (MDL) verstaut, die auch auf der ISS für kleinere Experimente zum Einsatz kommen. Zusätzlich sind acht Racks an den Wänden angebracht. Verglichen mit dem MPLM bietet das Spacehab-Modul keine Vorteile. Bei fast gleicher Startmasse weist es nur die halbe Nutzlast auf und es ist auch nicht wesentlich kompakter. Zudem bedeutet das manuelle Umladen während der kurzen Zeit, in der das Space Shuttle angedockt ist, eine hohe Arbeitsbelastung für die Besatzung. Es kam daher vor allem bei den ersten Flügen zum Einsatz, bis die MPLM verfügbar waren.


Spacehab

Länge:

6,10 m (LDM), 3,05 m (LSM)

Breite:

4,26 m

Höhe:

3,41 m

Leergewicht:

4.500 kg

Fracht:

Maximal 4.500 kg

Verstaumöglichkeiten:

61 MDL (0,44 × 0,513 × 0,253 cm), jeweils 57 l Inhalt.
Maximal 28 kg pro Schublade.
Leergewicht pro Schublade: 5,4 kg
4 doppelt breite Racks

Volumen:

31 m³ (LSM), 62,2 m³ (LDM)

Paletten

Die zweite wichtige Transportmöglichkeit für Fracht sind Paletten im Nutzlastraum. Sie nehmen Fracht auf, die nicht unter Druck stehen muss. Es gibt zwei Systeme – die älteren ICC und die neuen Express-Paletten.

ICC-Paletten

Das erste System sind die ICC-Paletten von Spacehab. Die Integrated Cargo Carrier (ICC) Paletten sind flache Paletten. Sie bieten die Möglichkeit, auf der Oberseite und Unterseite der Palette Nutzlasten anzubringen. Dazu gibt es jeweils sechs Befestigungspunkte pro Seite. Genutzt werden standardisierte Boxen der Firma Spacehab, aber auch eigene Konstruktionen. Die ICC-Paletten sind eine sehr flexible und günstige Möglichkeit, auch weil Spacehab Inc. Subaufträge an andere Unternehmen vergeben hat. Die Struktur der Paletten aus Aluminium stammt von RSC Energija, die Befestigung an der Shuttle-Nutzlastbucht basiert auf der des Spacelabs und wird von EADS/Astrium hergestellt.

Es gibt mehrere Versionen der ICC Paletten. Die Daten in der Tabelle sind die der „Generic Deployable“ die bei ISS Missionen eingesetzt wurden. Meistens wurde ihr Einsatz mit einem Spacehab-Modul kombiniert.


ICC Palette

Länge:

2,44 m

Breite:

4,20 m

Höhe:

0,26 m

Leergewicht:

875 kg

Fracht:

2.722 kg

Verstaumöglichkeiten:

6 SHOSS Boxen

Fläche:

9,60 m²

Express-Paletten

Das zweite System sind die Express-Paletten (Expedite the Processing of Experiments to Space Station). Sie wurden entworfen, um an der Außenseite der Station befestigt zu werden. Dies vereinfacht den Austausch von Experimenten gegenüber den ICC-Paletten bedeutend und macht keine Außeneinsätze von Astronauten nötig. Sie können vom Shuttle-Kran an ihren Befestigungspunkt an der ISS gehoben werden. Später kann sie die „Hand“ der ISS (Dextre) dort aufnehmen und verschieben. Auch das Kibō Labor hat im Exposed Facility die Möglichkeit, Express Paletten aufzunehmen. Sie werden mit dem ISS Strom- und Datennetz verbunden und können so mit elektrischer Energie versorgt werden. Verfügbar sind ein Niedrigdatenmodus im MIL-1553 Standard und ein Hochdatenmodus. Kommandos werden nur über den MIL-1553 Bus übertragen. Allerdings benötigt jedes Experiment ein eigenes aktives Thermalkontrollsystem. Dieses wird nicht von den Paletten gestellt.

Die Express-Paletten wurden von der Agência Espacial Brasileira entwickelt und sind der brasilianische Teil der Station. Brasilien hat allerdings keine eigenen Express-Paletten eingesetzt. Heute fertigen EADS und Boeing diese Paletten. Da die NASA auch Racks innerhalb der ISS mit der Abkürzung „Express“ belegt, wurden die Paletten inzwischen in „ExPRESS Logistics Carrier“ (ELC) umbenannt.


Express Palette

Länge:

2,30 m

Breite:

3,90 m

Leergewicht:

1.350 kg (ohne Befestigung am Shuttle)

Fracht:

4.400 kg

Experimente:

6

Fläche:

8,90 m²

Volumen:

30 m³

Datenverbindungen:

MIL-STD 1553B Bus (1 Mbit/s Daten und Kommandos)

Ethernet (6 Mbit/s pro Experiment)

High Data Link (Glasfasernetz) 95 Mbit/s für alle externen Experimente zusammen

Die folgende Tabelle führt alle Logistikflüge auf, bei denen Paletten, Spacehab oder MPLM Module eingesetzt wurden oder ihr Einsatz geplant ist.


Datum

Mission

Space Shuttle

Nutzlast

27.05.1999

STS-96

Discovery

Spacehab + ICC

19.05.2000

STS-101

Atlantis

Spacehab + ICC

08.03.2001

STS-102

Discovery

Leornardo

19.04.2001

STS-100

Endeavour

Raffaello

10.08.2001

STS-105

Discovery

Leornardo

08.09.2001

STS-106

Atlantis

Spacehab + ICC

05.12.2001

STS-108

Endeavour

Raffaello

05.06.2002

STS-111

Endeavour

Leornardo + ICC

26.07.2005

STS-114

Discovery

Raffaello + ICC

04.07.2006

STS-121

Discovery

Leornardo

10.12.2006

STS-116

Discovery

Spacehab

8.8.2007

STS-118

Endeavour

Spacehab

15.11.2008

STS-126

Endeavour

Leornardo

29.8.2009

STS-128

Atlantis

Leornardo

18.9.2009

STS-129

Discovery

ELC 1+2

18.3.2010

STS-131

Discovery

Raffaello

14.5.2010

STS-132

Atlantis

Rasswet + ICC

24.2.2011

STS-133

Discovery

Leonardo PMM


Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 144 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation , das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV Jules Verne wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV.

Das Buch Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation ist eine kompakte Einführung in die ISS. Es wird sowohl die Geschichte der Raumstation wie auch die einzelnen Module besprochen. Wie der Titel verrät liegt das Hauptaugenmerk auf der Technik. Die Funktion jedes Moduls wird erläutert. Zahlreiche Tabellen nehmen die technischen Daten auf. Besonderes Augenmerk liegt auf den Problemen bei den Aufbau der ISS. Den ausufernden Kosten, den Folgen der Columbia Katastrophe und der Einstellungsbeschluss unter der Präsidentschaft von George W. Bush. Angerissen werden die vorhandenen und geplanten Transportsysteme und die Forschung an Bord der Station.

Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.

Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.

Das bisher letzte Buch Skylab: Amerikas einzige Raumstation ist mein bisher umfangreichstes im Themenbereich bemannte Raumfahrt. Die Raumstation wurde als einziges vieler ambitioniertes Apollonachfolgeprojekte umgesetzt. Beschrieben wird im Detail ihre Projektgeschichte, den Aufbau der Module und die durchgeführten Experimente. Die Missionen und die Dramatik der Rettung werden nochmals lebendig, genauso wie die Bemühungen die Raumstation Ende der siebziger Jahre vor dem Verglühen zu bewahren und die Bestrebungen sie nicht über Land niedergehen zu lasen. Abgerundet wird das Buch mit den Plänen für das zweite Flugexemplar Skylab B und ein Vergleich mit der Architektur der ISS.  Es ist mein umfangreichstes Buch zum Thema bemannte Raumfahrt. Im Mai 2016 erschien es nach Auslaufen des Erstvertrages neu, der Inhalt ist derselbe (es gab seitdem keine neuen Erkenntnisse über die Station), aber es ist durch gesunkene Druckkosten 5 Euro billiger.

Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert. Die Bücher kann man auch direkt beim Verlag bestellen. Der Versand ist kostenlos und wenn sie dies tun erhält der Autor auch noch eine etwas höhere Marge. Sie erhalten dort auch die jeweils aktuelle Version, Bei Amazon und Co tummeln sich auch die Vorauflagen.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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