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Fahrstuhl in den Weltraum : Die achtmillionste Etage

Solargetrieben wäre der Aufstieg erst ab 40 Kilometern Höhe möglich. Es gibt daher Ideen, die Talstation des Liftes erst in dieser Höhe anzulegen. Bild: ISEC/John Knapman

Es klingt wie reine Science Fiction, doch erste Pläne für einen Aufzug ins All werden derzeit auf Fachtagungen heiß diskutiert. Dabei ist der Traum vom Weltraum-Fahrstuhl so alt wie die Rakete. Ein solcher Lift würde die Raumfahrt revolutionieren.

          Es ist leicht, sich über diese Idee lustig zu machen: ein hunderttausend Kilometer langes Seil, gespannt zwischen Erdoberfläche und einem Satelliten, um daran Menschen und Material in den Weltraum emporzuziehen. Es ist natürlich auch einfach, allen, die das für Science-Fiction-Quatsch halten, zu entgegnen, so manche spätere Schlüsseltechnologie sei doch zunächst ebenfalls als Phantasterei abgetan worden. Man denke nur an das Flugzeug, von dem der berühmte Physiker William Thomson, 1. Baron Kelvin, 1895 öffentlich erklärte, dergleichen sei unmöglich, und acht Jahre später hoben die Gebrüder Wright ab. Aber bei wie vielen Technikträumen, von der Goldmacherei bis zur Pille gegen Krebs, blieb die Verwirklichung aus?

          Ulf von Rauchhaupt

          verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.


          Mit diesen beiden Beispielen hat der „Space Elevator“ (Weltraumaufzug) gemein, dass seine Verwirklichung keine Verstöße gegen die bekannten Naturgesetze verlangt – anders als etwa überlichtschnelle Flüge durch den Raum. Tatsächlich war es niemand anderes als der russische Mathematiklehrer Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski (1857 bis 1935), einer der Entdecker der Theorie der Rakete, der im gleichen Jahr, in dem sich Lord Kelvin vor der Technikgeschichte blamierte, Überlegungen zu einem 36000 Kilometer hohen Turm anstellte. Seine Spitze würde sich dort befinden, wo ein freigesetzter Körper die Erde in einem Tag umkreist, dem sogenannten geostationären Orbit, in welchem heute etwa Wetter- oder Fernsehsatelliten kreisen, damit sie stets über derselben Stelle auf der Erdoberfläche stehen. Wer ein solches Bauwerk bestiege, egal wie lange er dafür brauche, hätte allein dadurch die Erdschwerkraft überwunden.

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          Natürlich würde ein solcher Turm die Statiker vor tatsächlich unlösbare Probleme stellen. Doch 1960 erkannte Ziolkowskis 1929 geborener Landsmann Juri Arzutanow, dass es stattdessen auch ein leichtes, aber ausreichend festes Seil tut, das man von einem per Rakete in die geostationäre Umlaufbahn geschossenen Satelliten herablassen und auf der Erdoberfläche verankern würde. Das klingt immer noch verrückt genug. Arzutanow beschrieb die Idee denn auch lediglich in einem Zeitungsartikel der Komsomolskaja Prawda, und als 1966 eine Gruppe Amerikaner um den Ingenieur und Ozeanographen John Isaacs (1913 bis 1980) einen zweiseitigen Artikel mit einem ähnlichen Konzept an Science schickte, erschien der nur mit einem redaktionellen Vermerk, die Gutachter hätten doch erhebliche Zweifel gehabt.

          Der Raketenantrieb in der Krise

          Heute aber beschäftigt sich eine ganze Anzahl von Physikern und Ingenieuren sehr ernsthaft mit der Idee. Noch weitgehend abseits der großen, öffentlich finanzierten Weltraumorganisationen veranstalten sie Technologiewettbewerbe und Fachtagungen, die jüngste fand vor vier Wochen in Seattle statt, mit Microsoft als Hauptsponsor. Im Jahr 2008 bildete sich das International Space Elevator Consortium (ISEC), und im Oktober 2013 veröffentlichte die ehrwürdige International Academy of Astronautics (IAA) einen 350 Seiten starken Bericht über den Forschungsstand.

          Diese Aktivität ist auch ein Krisenphänomen. Schon Ziolkowski hatte seine Turm-Idee, als er noch keine andere Möglichkeit sah, das All zu erreichen – seine Raketengleichung stellte er erst 1903 auf. Und die ersten ausführlichen Berechnungen veröffentlichte der amerikanische Luftwaffeningenieur Jerome Pearson, Jahrgang 1938, im IAA-Fachjournal Acta Astronautica im Jahre 1975. In den Jahren davor war das Apollo-Programm vorzeitig beendet und das amerikanische Programm zur Entwicklung nuklearer Raumantriebe eingestellt worden. Die Raumfahrt war in eine veritable Krise gerutscht. Die jüngste Welle des Interesses am Weltraumaufzug schließlich begann um die Jahrtausendwende, als das Ende des Space- Shuttle-Programms absehbar wurde

          Die Raumfracht würde angeliefert, wo die Vakuumrohre den Meeresspiegel treffen. Von dort könnte sie mit einem transrapid-ähnlichen System zum eigentlichen Lift hinaufgeschickt werden.


          Das Space Shuttle war wegen seiner Wiederverwendbarkeit zunächst als besonders kostengünstiger Weg ins All gedacht gewesen. Doch nun zeigte sich, dass nicht so sehr das Einweg-Prinzip die Raumfahrt daran hinderte, sich weiterzuentwickeln, sondern die Idee der Raketen selbst. Um die Erdanziehung zu überwinden, müssen Raketen ihren Treibstoff mitschleppen. Für die Nutzlast chemisch getriebener Vehikel bleibt weniger als fünf Prozent der Startmasse, beim Space Shuttle waren es sogar nur 1,2 Prozent. Ein Kilogramm mit Trägerraketen wie den amerikanischen Typen Atlas oder Delta in den geostationären Orbit zu befördern, kostet heute 80000 Dollar, in erdnahe Umlaufbahnen wie dem der Internationalen Raumstation sind es immerhin noch 10000 Dollar. „Und das trotz 50 Jahren Erfahrung und Optimierung von Raketenkosten“, sagt der Nürnberger Physiker Martin Lades, der sich beim ISEC engagiert. „Es wird nicht mehr viel billiger.“

          Läuft der Lift, werden Science-Fiction-Träume wahr

          Diese enorme Abhängigkeit der Startkosten von der zu startenden Materialmenge ist die mit Abstand größte Spielverderberin der Raumfahrt. Sie bremst nicht nur die ökonomische Nutzung des Alls – und verhindert damit technische Entwicklungen, wie sie es immer erst gibt, wenn jemand damit viel Geld verdienen kann, sondern ist auch das eigentliche Argument aller Kritiker der bemannten Raumfahrt. Wäre das All wirklich kein Ort für Menschen, wären es Hochgebirge, Polargebiete und schon das offene Meer auch nicht. Auf dem Mond oder dem Mars fehlt Homo sapiens heutzutage nicht deswegen, weil er dort nicht hingehörte, sondern weil es momentan schlicht zu teuer ist, wohnliche Raumschiffe und zugehörige Lebenserhaltungssysteme dem Schwerefeld der Erde zu entreißen. 

          Gelänge es aber, solch ein Seil ins All zu spannen und daran Aufzüge emporklettern zu lassen, sähe die Rechnung am Ende völlig anders aus. Was aber brauchte man dazu?

          Wenn heute über Weltraumaufzüge nachgedacht wird, dann geschieht das meist auf Grundlage eines Szenarios des Amerikaners Bradley Edwards aus dem Jahr 2003. Demnach hat ein Weltraumaufzug fünf Komponenten.

          Seillänge Hundertausend Kilometer

          Da wäre zunächst das Seil, dessen Schwerpunkt im geostationären Orbit in knapp 36000 Kilometer Höhe kreist. Es würde von einem dorthin mit konventionellen Raketen geschossenen Satelliten ausgerollt. Dieser Satellit würde dabei immer höher steigen, bis auf etwa 100000 Kilometer, und dort als Gegengewicht, der zweiten Komponente, durch seine Fliehkraft das Seil straff halten. Je mehr Masse diesem Gegengewicht mitgegeben wird, desto kürzer ließe sich die Gesamtlänge halten. „Nimmt man ein Seil der Länge 144000 Kilometer, braucht man kein Gegengewicht“, erklärt der Physiker Markus Landgraf von der European Space Agency. „Dann dient der Teil des Seils oberhalb des geostationären Orbits als Gegengewicht. Der zusätzliche Vorteil des oberen Seilstücks ist, dass man von dort aus ohne Antrieb ins Sonnensystem abfliegen kann, bis etwa zum Saturn.“

          Für Fracht und Passagiere mit Reiseziel Erdorbit wäre aber in der geostationären Basis, der Komponente Nummer drei, Endstation. Die vierte Komponente wäre dann die Bodenstation. Die aktuellen Konzepte, so auch die des IAA-Berichts, haben hier be-reits sehr konkrete Vorstellungen über den Standort. Ideal wäre eine schwimmende Plattform im Pazifik, tausend Kilometer westlich der Galapagos-Inseln. Dort ist die See meist ruhig, die Gefahr tropischer Wirbelstürme gering, und Gewitter gibt es auch nicht so oft.

          Das Problem der Energieversorgung

          Bleibt fünftens die eigentliche Aufzugskabine, von den Ingenieuren meist „Climber“ (Kletterer) genannt. Der Climber verfügte über einen eigenen Antrieb und über Räder oder besser gesagt Walzen, denn heutige Konzeptstudien, wie auch die in dem IAA-Bericht vorgestellten, gehen statt von einem Seil mit rundem Querschnitt von einem etwa einen Meter breiten Band aus. Eines der beiden Hauptprobleme des Weltraumaufzugs ist die Energieversorgung dieses Antriebs. Treibstoff für die 36000 Kilometer lange Reise mitzunehmen ist nicht sinnvoll – denn dann hätte man wieder dasselbe Problem wie bei der Rakete. Stattdessen könnte der Climber über einen starken Laserstrahl versorgt werden. Leistungsfähige Fotozellen an Bord des Climbers würden die Laserenergie dann in elektrischen Strom umwandeln.


          An Modellsystemen werden solche Antriebe – aber auch das „Powerbeaming“ mittels starker Scheinwerfer oder Lasern im Bereich einiger Kilowatt Leistung – seit einigen Jahren in Form sogenannter „Challenges“ studiert, also Wettbewerben, in denen (oft studentische) Teams ihre Entwicklungen gegeneinander antreten lassen und bestimmte Vorgaben erfüllen müssen, um zu gewinnen. Bei der jüngsten Veranstaltung Anfang August in Japan galt es, Climber zu bauen, die ein 1200 Meter langes, von einem Ballon gehaltenes Seil bezwingen. 2012 fand am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik der TU München in Garching bereits die zweite „European Space Elevator Challenge“ statt. Noch aber reichen die Sponsorengelder nicht, um mehr als symbolische Summen als Preise auszuloben. Etwas mehr Pioniergeist, gerade bei öffentlichen Raumfahrtinstitutionen, könne hier aber noch einiges mehr bewegen, meint Martin Lades.


          Der Climber eines fertigen Weltraumaufzugs, wie ihn sich etwa der IAA-Bericht vorstellt, wöge typischerweise 20 Tonnen, davon 14 Tonnen Nutzlast, und wäre bis zur geostationären Raumstation etwa acht Tage unterwegs. Bis zu sieben Climber wären gleichzeitig am Seil; ob ihre Energie tatsächlich mit Laserlicht geliefert werden kann, ist eine in der Space-Elevator-Szene derzeit heiß diskutierte Frage. „Laser würden eine enorme Infrastruktur am Boden benötigen“, sagt Peter Swan, der Präsident des ISEC und leitender Herausgeber des IAA-Berichts. „Man brauchte sieben Strahlen, für jeden Climber einen, dazu adaptive Optik und Zielsysteme. Die Energie für diese gewaltigen Laser müsste von Generatoren auf hoher See geliefert werden – und wir reden hier von mehreren Gigawatt!“

          Grüner klettern mit Sonnenpower

          Der IAA-Bericht stellt daher eine alternative Energiequelle in den Mittelpunkt seiner Betrachtung: „Aufgrund der jüngsten Fortschritte und absehbarer Entwicklungen in der Photovoltaik ist es nun möglich, sich auf Entwürfe von Climbern zu konzentrieren, die ihre gesamte Energie direkt aus Sonnenlicht gewinnen“, heißt es in dem Bericht. So können sich die Ingenieure Climber vorstellen, die mehrere Flächen mit Solarzellen hinter sich herziehen.

          Realistisch ist der reine Solarantrieb allerdings erst ab einer Höhe von 40 Kilometern. 
Darunter drohen nicht nur Wolken die Energieversorgung zu beeinträchtigen, vielmehr wären die fragilen Solarpaneele auch Wind und Wetter ausgesetzt.

          Eine mögliche, wenn auch gigantomanische Lösung dieses Problems wäre, das untere Ende des Aufzugs nicht am Boden, sondern als „High Stage One“ bereits in 40 Kilometern Höhe zu bauen. Dafür würde man dann wohl auf die Idee der sogenannten Lofstrom-Loops zurückgreifen, einen Satz Hunderte von Kilometern langer Vakuumröhren, in denen Endlosbänder so schnell laufen, dass ihre Zentrifugalbeschleunigung für eine nach oben gerichtete Kraft sorgt. Der Transport von der Erdoberfläche bis zur „High Stage One“ könnte elektromagnetisch entlang der Vakuumröhren erfolgen.


          Einfacher wäre es, tatsächlich am Boden mit dem senkrechten Aufstieg zu beginnen und die Solarflächen während der ersten 40 Kilometer zusammengefaltet in einer schützenden Hülle zu verbergen. Die Energie würde dann während dieser ersten Etappe  vom Boden zugeführt werden müssen, entweder doch mit Lasern oder durch ein mit hinaufgezogenes Stromkabel oder – und das wäre die mit Abstand eleganteste Lösung – dadurch, dass man das Seil (oder Band) an der Bodenstation unter Energieaufwand in der erforderlichen Länge aufspult, dann erst den Climber dranhängt und schließlich die Spule wieder loslässt. Dadurch würde die Zentrifugalkraft des Seils und des Gegengewichts den Climber in die Hochatmosphäre ziehen, bis die Sonne die Energieversorgung übernehmen kann.

          Fortschritte bei der Materialfrage


          Ob dergleichen möglich ist, hängt stark davon ab, welches Material für das Seil oder Band einmal zur Verfügung steht. Und dieser Punkt ist die zweite und alles entscheidende Herausforderung, vor der sich die Space-Elevator-Visionäre gestellt sehen. Denn es gibt bis heute kein Material, das stabil und zugleich leicht genug ist, um damit einen Weltraumaufzug zu bauen. Es geht also um die spezifische Festigkeit, für welche die Weltraumaufzugsforscher eine eigene physikalische Einheit eingeführt und zu Juri Arzutanows Ehren „Megayuri“, kurz MYuri, genannt haben. Ein Megayuri entspricht einem Gigapascal pro Gramm und Kubikzentimeter. Ein weltraumlifttaugliches Band muss es auf mindestens 20 Megayuri bringen, besser wären 50. Stahl ist mit etwas über einem halben Megayuri um bis zu einen Faktor hundert zu schwach, und noch 1975, als Jerome Pearson seine Berechnungen vorlegte, war kein Material auch nur in Sicht, dessen spezifische Festigkeit ausgereicht hätte.


          Genau das aber hat sich inzwischen geändert. 1991 entdeckten japanische Wissenschaftler eine Form des Kohlenstoffs, die Jahrzehnte zuvor bereits in Russland beobachtet worden war, ohne dass dies im Westen bekanntwurde: Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die seither intensiv studiert werden, da sie auch elektronisch interessante Eigenschaften haben. Diese Röhrchen sind molekulare Seile mit geradezu phantastischer Stärke. Sie haben die Weltraumlift-Visionen ganz entscheidend beflügelt, insbesondere als im Jahr 2000 bei einzelnen solchen Nanofasern spezifische Festigkeiten jenseits der 20 Megayuri beobachtet wurden. Der bisherige Rekord ist ein zehn Zentimeter langes Kohlenstoff-Nanoröhrchen, bei dem 2011 über 100 Megayuri gemessen wurden.


          Nun wird fieberhaft daran gearbeitet, die Wunderfaser zu einem Garn vergleichbarer Festigkeit zu spinnen, aus dem dann Seile oder Bänder beliebiger Länge hergestellt werden können. Bei einigen hundert Metern ist man schon, wenn auch nur bei Nanofaser-Garnen, die für leichtgewichtige elektrische Leitungen optimiert sind. Garne jenseits der 20 Megayuri könnten laut IAA-Bericht bereits 2015 vorgestellt werden. Wie lange Strukturen man daraus dann wird produzieren können, hängt auch davon ab, wie gut die Forscher das Problem der Defekte in den Rohrmolekülen in den Griff bekommen. Theoretisch würde ein einziges fehlendes Kohlenstoffatom in einem ansonsten perfekten, 30000 Kilometer langen Röhrchen die Festigkeit um 20 Prozent senken.

          Korrosion und Weltraumschrott

          Dennoch sind die IAA-Autoren zuversichtlich: Wenn sich der bisherige Trend fortsetzt, schreiben sie, werden Nanoröhrchen in Kilometerlänge um das Jahr 2022 herum verfügbar. Aus denen müsste sich das Band zu den Sternen schließlich weben lassen.
          Aber auch dann wären noch weitere Fragen zu klären, bevor ein Weltraumaufzug endgültig als technisch machbar eingestuft werden kann. Etwa die, ob sich die Wunderfaser auch beschichten lässt, um der Korrosion in den chemisch aggressiven Zonen der oberen Atmosphäre zu trotzen.


          Eine andere Sorge gilt dem Weltraumschrott. Treffer kleinerer Trümmer unterhalb 10 Zentimetern Größe könne man nicht vorhersehen, sagt Martin Lades, und sie werden statistisch gesehen alle zehn Tage vorkommen. Das Band muss also so ausgelegt werden, dass es auch mit einem oder mehreren Löchern noch hält. Zudem wird es leicht gekrümmt sein, damit auch ein einzelner Mikroschrott-Treffer genau auf die Kante es nicht komplett durchsäbeln kann. Überhaupt müssten Wartungs-Climber das Band regelmäßig inspizieren und, wo nötig, flicken. Mehrmals im Jahr würde das Band aber von Schrottteilen von der Dimension seiner Breite getroffen werden. Diese allerdings kann man per Radar im Auge behalten und ihnen etwa durch Bewegung der schwimmenden Bodenstation ausweichen.


          Was aber, wenn es mal dumm kommt und das Aufzugsband trotzdem reißt? Die größte Wahrscheinlichkeit dafür liegt in etwa 800 Kilometern Höhe, wo die Dichte umherfliegenden Schrotts am höchsten ist. Aber jede Trennung unterhalb der geostationären Station würde diese samt dem oberen Bandfragment in einen höheren Orbit befördern, während das untere zur Erde fällt, wobei es sich schnell aus der Vertikalen schräg stellt. Der größte Teil des unteren Bandfragments wäre dann kurzfristig ein sehr langes Stück Weltraumschrott, das für erdnahe Satelliten und Raumstationen zur Gefahr werden könnte, aber bald in der Atmosphäre restlos verglühen würde. Nur die unteren hundert Kilometer fielen bis hinunter auf die Erdoberfläche. Hundert Kilometer des foliendünnen Kohlenstoffbands wögen weniger als hundert Kilogramm und dürften in den Weiten des Pazifiks kaum viel Schaden anrichten.


          Am ärgerlichsten wäre solch eine Havarie wohl für Astronauten, die sich gerade im Fahrstuhl befänden. Für die Bergung ihres Climbers müssten wahrscheinlich spezielle Raumschiffe bereitgehalten werden, was aber finanziell drin sein sollte angesichts der dann nach heutigen Schätzungen auf 500 Dollar pro Kilo gesunkenen Kosten für Raumfracht. Keinesfalls aber möchte man zum Wiederaufbau des Weltraumaufzugs wieder eine chemische Trägerrakete aus dem Museum holen müssen. „Das Erste, was wir machen werden, wenn wir einen Weltraumaufzug gebaut haben, ist, einen zweiten zu bauen. Und einen dritten“, sagt Peter Swan. „Nie wieder wollen wir uns im Schwerefeld der Erde einsperren lassen.“

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