Der Mensch will im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts den erdnahen Weltraum erobern, doch der größte Teil unseres Sonnensystems bleibt weiterhin Spielplatz für Robotersonden. Da die heutigen Antriebe an ihre Leistungsgrenzen stoßen, erschallt der Ruf nach neuen Technologien. Diese scheinen auf den ersten Blick der Phantasie Jules Vernes entsprungen zu sein, der bereits schon vor hundert Jahren meinte, dass eine Reise zum Mond möglich sei. Die neuen Technologien stammen aus den Denkfabriken renommierter Forschungs-Institutionen, wie dem NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. Dort planen Ingenieure neben anderen inzwischen umstrittenen und unter der Bezeichnung »X-Projects« bekannt gewordenen Raumfliegern den Bau einer »fliegenden Untertasse«. Dieses neuartige Raumfahrzeug soll in einigen Jahrzehnten mit Hilfe von Mikrowellenenergie wie von Geisterhand himmelwärts schweben können. Aber auch andere Projekte, wie z.B. der Ionenantrieb oder Sonnensegel sollen hier in einem kleinen Rahmen Erwähnung finden.

Die von Präsident Eisenhower am 29. Juli 1958 ins Leben gerufene zivile National Aeronautics and Space Administration koordiniert und leitet das Raumfahrt- und Weltraumforschungsprogramm der Vereinigten Staaten in enger Zusammenarbeit mit der Central Intelligence Agency, dem Department of Defense, dem National Reconnaissance Office, der National Security Agency und anderen Behörden. 1998 feierte die NASA ihren 40. Geburtstag. Ihr Name ist bereits ein stehender Begriff und Synonym für den Aufbruch in den Weltraum.

Dieses Forschungsprogramm der NASA, koordiniert durch das Marshall Space Flight Center, möchte mit Unterstützung einiger Partnerfirmen aus dem militärisch-industriellen Komplex neue Trans-port-Technologien entwickeln, mit denen die Öffentlichkeit in den nächsten Jahrzehnten konfrontiert werden soll.

Wir auf der Erdoberfläche leben in einem sogenannten »Schwerkraftbrunnen« als auch einem »Ozean aus Luft«. Um folglich in die Umlaufbahn zu gelangen, ist eine hohe Schubkraft erforderlich. Obwohl man jahrzehntelang fähig war, Nutzlasten und Menschen in die Umlaufbahn der Erde zu befördern, ist man nie in der Lage gewesen, es mit der Einfachheit und den niedrigen Kosten zu realisieren, mit denen wir routinemäßig Frachten mit dem Flugzeug transportieren.

Unter der Führung des Marshall Space Flight Center soll der Raumflug mittels neuartiger »wiederwendbarer Raumfahrzeuge« (Reusable Launch Vehicles = RLV) revolutioniert werden. Denn durch die Investition in konsequente Weiterentwicklungen sollen uns diese Technologien helfen, Flüge in den Weltraum zu durchzuführen, um möglichst bald den interstellaren Raum erobern zu können und schließlich wieder zurückzukehren.

Die heutigen hohen Kosten schränken die Raumfahrt ein. Die Regierung kann sich nur beim Militär und bei zivilen Raumfahrt-Missionen engagieren, um letztlich die Kosten zu senken. 1994 unterschrieb schließlich Präsident William J. Clinton die National Space Transportation Policy, die Ausgangspunkt für die Gründung des ASTP war. Der NASA wurde somit die Aufgabe übertragen, die Kosten um den Faktor 10 zu senken. Die 1996 unterschriebene National Space Policy beinhaltet die Richtlinien und Ziele der NASA, wie sie beim ASTP zukünftig in Augenschein genommen werden sollen. So lautet es in dieser Erklärung: „Reduzieren Sie die Nutzlastkosten für die Erdumlaufbahn von $ 10 000 pro Pfund (= 0,45 kg) auf $ 1 000 pro Pfund innerhalb von 10 Jahren und bis zu $ 100 pro Pfund in 25 Jahren. Und in den nächsten 40 Jahren sollen sich diese Kosten dann nur noch auf rund $ 10 pro Pfund belaufen."

Um diese Aufgaben verwirklichen zu können, muss die NASA neue Technologien entwickeln und die Einführungskosten einschränken, die gegenwärtig 25 % vom jährlichen Budget ausmachen. Zukünftig müssen die Systeme bei gleicher Leistung kostengünstiger sein.

Statistisch betrachtet erleiden heute zwischen 1 und 10 % der weltweit verwendeten Raketen einen Fehlschlag. Die NASA arbeitet gegenwärtig daran, diese Pannen innerhalb von 25 Jahren auf weniger als 0,1 % zu reduzieren. Daher beabsichtigt die Agentur, ihre Investitionen auf längere Zeit zu steigern, um die Zahl der Fehlschläge zu verringern.

Das SPACE SHUTTLE ist bisher bekannt als die Erste Generation wiederverwendbarerer Prinzipien bei Weltraumunternehmungen und repräsentiert nur einen Teil dessen, was wirklich möglich ist, um in den Weltraum zu gelangen. Das neue Ziel ist die Entwicklung der Zweiten Generation »Reusable Launch Vehicles«, die zehnmal billiger und zehnmal sicherer ist. Doch diese Entwicklung steht nach neuesten Meldungen auf wackligen Beinen.

Um die Weltraumfahrt günstiger zu gestalten, werden derzeit die experimentellen Fluggeräte der X-Serie entwickelt, ein Projekt, das bereits seit rund 50 Jahren in den Schubladen der Techniker liegt. Diese Antriebstechnologien haben zum Ziel, die Kosten eines bemannten Fluges in den planetaren Raum drastisch zu senken.

Allerdings hat nach neuesten Meldungen die NASA einen ihrer ehrgeizigsten Träume nach jahrelangen Entwicklungsarbeiten

X-34 der Firma Orbital Sciences mit einer Länge von 18m, einer Spannweite von 9m und einer Höhe von 3,5m

X-37 der Firma Boeing mit einer Länge von 9m und einer Spannweite von 5m.

wegen einer großen Zahl an Rückschlägen zu den Akten gelegt. Es handelt sich dabei um die VENTURE STAR, dem geplanten Nachfolger für ihre 20 Jahre alten SPACE-SHUTTLE-Raumfähren. Das von Lockheed Martin gebaute und bereits in den 60er und 70er Jahren erprobte einstufige Raketenflugzeug, hatte bereits Entwicklungskosten von einer Milliarde Dollar verschlungen und war der amerikanischen Weltraumbehörde angesichts der Fehlschläge nun einfach zu teuer geworden. Das Ende des umstrittenen Raketenflugzeugs bedeutet, dass das SPACE SHUTTLE, welches noch aus der Zeit stammt, in der es praktisch keine Computer gab, noch mindestens bis zum Jahr 2015 oder 2020 ins All fliegen wird. Das Ende der X-33 hatte sich bereits im vergangenen Jahr angedeutet, als der damalige Präsident Clinton vom Kongress die Erlaubnis erhielt, 4,5 Milliarden Dollar für die Erforschung neuer Antriebstechnologien und Fährenmodelle zur Verfügung zu stellen. Das Raumfahrzeug X-33 soll bereits in der ersten Runde des Rennens um die Forschungsgelder herausgefallen sein. Das im Design eines »Lifting Bodies« gebaute Raumfahrzeug, wo erstmals lineare »Aerospike Triebwerke« zum Einsatz kamen, sollte Nutzlasten deutlich billiger zur Internationalen Raumstation bringen und rasch wieder einsetzbar sein. Der Traum, vielleicht einmal mit diesem Weltraumflieger als »Normalbürger« abheben zu können, dürfte hiermit wohl vorerst beendet sein.

Von der amerikanischen Firma Orbital Sciences stammt die X-34, das Arbeitspferd der RLVs, denn der Flugkörper soll der Lastwagen der zukünftigen Raumfahrt werden. Dieses Flugvehikel ist 18 m lang, hat eine Spannweite von 9 m und ist rund 3,5 m hoch. Es wird von einem Flugzeug auf die nötige Starthöhe gebracht und kann bei einem Schub von 270 kN (entspricht 27 t) eine Flughöhe von 80 km und achtfache Schallgeschwindigkeit erreichen. Bereits im April 1999 hatte die erste von insgesamt drei zu bauenden X-34 ihren »Roll-out«. Im vergangenen Jahr erfolgten die »Tow-Tests«, bei denen der Flugkörper von einer Zugmaschine über die Wüstenpiste von Edwards gezogen wurde, bis eine Geschwindigkeit von 130 km/h erreicht war.

Von Flugzeuggiganten Boeing kommen Ideen zur X-37, die im Prinzip ein SHUTTLE im SHUTTLE ist. Ihre Länge beträgt 9 m und ihre Spannweite 5 m. Auch die X-37 muss sich erst einigen Landetests unterziehen, bevor sie dann in diesem Jahr an Bord des SHUTTLE erstmals in den Weltraum gebracht wird. Im Orbit wird sie mit dem Greifarm ausgeladen und führt den weiteren Flug selbstständig durch. Nach zwei Tagen kehrt sie nach Kalifornien zurück.

Im Jahr 2002 ist ein weiterer, dreiwöchiger Aufenthalt in der Umlaufbahn geplant. Die Spezialaufgaben sind sozusagen Tests im Orbit und in der Landephase.

Rescue Vehicle« für die Internationale Raumstation. Das Design ist entspricht dem der X-33. Nach der Rückkehr aus dem Weltraum wird die X-38 ähnlich wie das SHUTTLE ohne Antrieb zur Landung gleiten. Für die Endphase wird sie einen steuerbaren Gleitfallschirm benutzen, einen sogenannten »Parafoil«.

Spaceliner 100

Seit März 1998 laufen an der Edwards Air Force Base die »Atmospheric Drop Test« mit Unterstützung des NASA B-52. Die Versuche, bei denen das Freiflug- und Landemanöver getestet wird, laufen noch dieses Jahr. Die Dritte Generation der wiederverwendbaren Raumfahrzeuge soll nochmals verbessert werden, denn sie soll im Vergleich zu heute einhundertmal billiger und einhundertmal sicherer sein. Diese Technologie wird SPACELINER 100 genannt, ein raketenförmiges Geschoss, das auf einem Schienenkatapult starten und später zu den Planeten fliegen soll.

Der Plan des SPACELINER 100 wird für eine ganze Serie von Entwicklungen auf dem Boden sorgen. Dabei werden Flugversuche und Flugdemonstrationen während dieser Zeit durch klar definierte Programme koordiniert.

Sicherheit und Zuverlässigkeit stehen seit Jahrzehnten für einen erfolgreichen Flug-zeugbetrieb. Die NASA konzentriert sich dabei mehr auf die Fehlerfreiheit, ohne jedoch von der späteren technologischen Leistung der Systeme abzuweichen. Um die ehrgeizigen und wichtigen Sicherheitsziele langfristig zu erreichen, müssen Sicherheitskonzepte von Beginn an in die Forschungen integrieret werden _ denn Sicherheit kann man nicht erst nach der abgeschlossenen Entwicklung hinzufügen. Ausfälle innerhalb der Fahrzeuge müssen durch automatisierte Einheiten überwacht werden.

In der dritten Generation wiederverwend-barer Raumfahrzeuge könnte visionär betrachtet die Sicherheit um den Faktor 10 verbessert werden. Gleichzeitig müssen die Antriebseinheiten verbessert werden, die zu einem Triebwerk gekoppelt werden, was dreimal leichter als beim SHUTTLE sein wird. Um höhere Leistungen zu realisieren, ist Einiges an Entwicklungsarbeit nötig.

Ein Großteil des Treibstoffes entfällt auf den Sauerstoffträger, da eine Rakete auch im luftleeren Raum arbeiten muss. Je nach Treibstoff macht der Sauerstoff zwischen 57 % und 86 % des Treibstoffs aus. Da bietet es sich an, den Luftsauerstoff zu nutzen, solange dieser noch verfügbar ist. Das Ganze hat in der Praxis nur einen Haken: Eine Rakete benötigt Unmengen an Sauerstoff: bei der ARIANE 5 z. B. für das Haupttriebwerk jede Sekunde 230 kg. Zur Nutzung des Luftsauerstoffs muss die Rakete auf hohe Geschwindigkeit gebracht werden, bei welcher der Sauerstoff mittels Staustrahltriebwerken eingesammelt wird. Ein Raumgleiter, angetrieben durch ein Düsentriebwerk, wird auf über Mach 1 beschleunigt. Nach Erreichen von mehr als 12 km Flughöhe werden die Rotoren, die bisher das Gas verdichtet haben, eingefahren, und die Luft wird allein durch den Staudruck verdichtet. An der Grenze zum Weltraum wird der Raumgleiter bei Mach 6 bis 12 entlassen. Alle Forschungen, in die Bereiche von Mach 6 bis 12 vorzudringen, sind bislang allerdings an zwei Punkten gescheitert: der immer größeren thermischen Belastung (die Hülle wird mehrere 100 °C heiß, schon Mach 3 erzeugt Temperaturen von 200 bis 300 °C) und der aerodynamischen Belastung. Ein Flugzeug mit einer größeren Nutzlast benötigt breitere Flügel, die sich dann durch die hohen Kräfte verbiegen (Mach 12 entspricht einer Geschwindigkeit von über 14 000 km/h!). Zwar wäre Mach 3 erreichbar, jedoch ist dann die Nutzlast im Vergleich zum Erdboden nur wenig verringert. Gegenüber Mach 6 müsste eine 45 % höhere Nutzlast und gegenüber Mach 12 sogar eine 170 % größere Nutzlast transportiert werden. Das macht die Basisstufe groß und damit auch die technischen Probleme und Kosten. Und dies ist letztlich nicht der Sinn und Zweck des ASTP!

Folglich sollten zukünftige Raumfahrzeuge mit Materialien bestückt sein, die an der Außenhülle eine Kühlung bewirken. Es sind zwar schon Materialien verfügbar, die Temperaturen von über 2200 °C standhalten, aber diese können nicht ohne wesentliche Entwicklung für die Raumfahrt genutzt werden. Weiterhin sollen leichte Antriebsmaterialien das Gewicht verringern. Dieses Design wird die Zuverlässigkeit der kommenden Raumfahrtgeneration in den nächsten zehn Jahren um den Faktor zwei erweitern. Ein integriertes Schutzsystem überwacht und berichtet autonom von Ausfällen und verbessert somit die Zuverlässigkeit weiter um den Faktor fünf.

Die visionären Pläne der NASA ermöglichen letzten Endes eine Raumfahrt, die durch noch mehr Leistung und Zuverlässigkeit geprägt ist und die innerhalb der nächsten 25 Jahre Systeme hervorrufen soll, die um ein Vielfaches billiger und sicherer sind als die heutigen.

Microwave Lightcraft

Glaubt man der NASA, so wird bereits im Jahr 2040 die Vierte Generation neuer Technologien beginnen. Raumfahrzeuge und Verkehrsflugzeuge werden dann keinen Unterschied mehr aufweisen und fähig sein, die Erde nahtlos zu umkreisen. Man verspricht sich hierbei noch mehr an Sicherheit. Viele neue Ideen werden mit fortschrittlichen Gedanken genährt, wie das MICROWAVE LIGHTCRAFT und LASER LIGHTCRAFT, die äußerlich Ähnlichkeit mit einem UFO haben.

Bevor diese beiden visionären Fluggeräte näher betrachtet werden, soll kurz auf zwei andere zukünftige Fortschritte eingegangen werden: Ionenantrieb und Sonnensegel.

Sonnensegel

Für heutige Triebwerke benötigt man äußerst schnell ablaufende chemische Reaktionen, die blitzschnell große Energiemengen freisetzen. Als Raketentreibstoff wird gegenwärtig ein Gemisch aus einem flüssigen Brennstoff wie Alkohol oder auch Kerosin und flüssigen Sauerstoff verwendet. In Zukunft sollen die chemischen Treibstoffe durch elektrisch geladene Teilchen (Ionen) ausgetauscht werden. Der Ionenantrieb setzt sich aus einer Ionenquelle zusammen, in der neutrale Atome, vorwiegend Cäsium, Quecksilber oder Xenon, durch Abstreifen eines Elektrons oder mehrerer Elektronen aus der Atomhülle in Ionen verwandelt werden. Diese werden durch ein Elektrodensystem beschleunigt und können auf diese Weise eine eine Endgeschwindigkeit von 69 km/s erreichen.

Im Gegensatz zu den chemischen Antrieben können Ionentriebwerke längere Zeit arbeiten. Auf Grund dessen ist dieser Antrieb vor allem auch für langfristige Lage- und Kurskorrekturen von Satelliten interessant. Dazu kommt, dass die Treibstoffmenge geringer ist und daher mehr Nutzlast mitgeführt werden kann. In Zukunft plant die NASA die Erkundung des Sonnensystems mit kleineren Raumfahrzeugen, in denen diese Technik Einsatz finden kann.

Sonnensegel dagegen basieren auf einem ganz anderen Prinzip. Diese neuartigen Flugkörper sollen sich durch den Wind, der von der Sonne erzeugt wird, im Weltall fortbewegen.

Wie funktioniert das? Unser Zentralgestirn schickt zwei »Arten von Wind« auf den Weg: zum einen das Licht selbst, das sich als Photonendruck bemerkbar macht, und zum anderen den Sonnenwind, der aus einem anhaltenden Teilchenstrom besteht. Er verlässt die Sonne mit rund 400 km/s und streicht durch das gesamte Planetensytem. Einfangen wollen Experten den Sonnenwind mit einem hauchdünnen Segel, das aus einer mit aluminisierten Kaptonfolie bespannten Leichtbaukonstruktion besteht.

Damit will man später kleine Sonden aus miniaturisierten Subsystemen durch das All gleiten lassen. Das Sonnensegel wird sich im geostationären Orbit entfalten und ein Quadrat bilden. Im Zentrum befindet sich ein entfaltbarer Mast, an dessen Ende eine »Mikrosonde« angebracht wird, in der die Meßinstrumente enthalten sind. Steuerbar wird dieses Segel durch das Zünden von Kaltgasdüsen.

Eine wesentliche Bedingung des »Sonnensurfens« ist der Photonendruck. Das Licht übt dabei auf eine angestrahlte Oberfläche Druck aus. Es ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass die Grundvorstellung des Antriebs auf den russischen Raketenpionier Konstantin E. Ziolkovsky zurückgeht, der bereits 1921 diesbezüglich referierte. Das Makel der SPACE SAILS besteht darin, dass die Energie der Sonne quadratisch mit der Entfernung zu ihr abnimmt. Folglich sind auch Sonnenseglern gewisse Grenzen gesetzt.

Der letzte Teil dieser Einblicke einer Reihe interessanter Entwicklungen beschäftigt sich mit den schon vorher genannten UFO-ähnlichen Antrieben.

Laser Lightcraft - ein durch Laser-Energie angetriebener Flugkörper

Ein MICROWAVE LIGHTCRAFT ist ein unkonventionelles diskusförmiges Vehikel, dessen Antrieb auf Mikrowellenenergie beruht, die das Objekt wie von Geisterhand himmelwärts schweben lässt. Die angesprochenen Mikrowellen, die beispielsweise von einem Satellitennetzwerk abgestrahlt werden, bilden dabei vor dem Flugobjekt eine Schockwelle. Bei diesem Vorgang wird die umliegende Luft ionisiert und zum Leuchten gebracht. Wie die NASA mitteilte, sollen diese Ungetüme ab dem Jahre 2040 ganze 10 000 Mal pro Jahr abheben, um Erde, Raumstationen und Planeten miteinander zu verbinden. Die Kosten sollen sich noch stärker reduzieren, denn eine Bodenmannschaft sei angeblich nicht mehr erforderlich.

Bei der Recherche zu UFO-ähnlichen Raumfahrzeugen stieß ich auch auf ein LASER LIGHTCRAFT, woran die NASA-Forscherbereits arbeiten und das gewisse Ähnlichkeiten mit dem MICROWAVE LIGHT-CRAFT hat. So soll das Licht eines gewaltigen im Weltraum oder auf der Erde stationierten Lasers auf eine UFO-ähnliche Sonde Druck ausüben und diese antreiben. Bei ausreichend großen Anlagen sei angeblich eine Reise zu den nächsten Sternen wie Alpha Centauri möglich. Spitzengeschwindigkeiten von 50 000 km/s seien hier bereits vorstellbar. Mikrosonden, die nur wenige Gramm wiegen, könnten innerhalb von 25 Jahren bei unserem Nachbarstern sein.

Im Gegensatz zu Ionentriebwerken oder Sonnensegeln, die erst im Weltraum zum Einsatz kommen, lassen sich Laser zusätzlich als Starthilfe für Raumschiffe von Planetenoberflächen nutzen. Bereits im Oktober 1997 gelang es, auf dem »High Energy Laser System Test Facility« (Hochenergiesystem-Testgelände _ HELSTF) im White Sands Missile Range unter Einsatz eines leistungsstarken Kohlenstoffdioxid-Lasers ein ultraleichtes Testobjekt von der Form und Größe eines Kinderkreisels (15 cm im Durchmesser) in die Luft zu schleudern. Die gepulsten Laserstrahlen wurden dabei durch das parabolisch geformte Heck des LIGHTCRAFT in einer ringförmigen Kammer gebündelt. Von außen strömte Luft in die Kammern, die durch das Laserlicht zu einem bläulich leuchtenden Plasma mit einer Temperatur bis zu 30 000 °C erhitzt wurde. Dieser Vorgang geschah in einem Bruchteil einer Sekunde, so dass die erhitzte Luft explosionsartig entwich.

Mehrere erfolgreiche Tests sowohl im Labor als auch Freiversuche wurden inzwischen durchgeführt. Bei einem Versuch wurde das LIGHTCRAFT auf eine Höhe von 15 m getrieben, wobei diese Höhe derzeit durch Sicherheitsvorgaben des Testgeländes begrenzt ist. Durch den Einsatz der LIGHTCRAFT-Technologie ist es möglich, die Startkosten für kleinere Satelliten gegenüber der Verwendung von konventionellen chemischen Antrieben erheblich zu reduzieren. Es soll bereits Konzepte zum Bau von Laser-Startanlagen auf dem Mond und Mars geben.

...Nur 66 Jahre nach dem ersten Motorflug der Gebrüder Wright landete der erste Mensch auf dem Mond. Mit der Landung auf dem geheimnisumwitterten roten Planeten ist im Jahr 2016 zu rechnen. Der Mensch hat die Tür zum Kosmos geöffnet. Der legendäre Schritt von Neil Armstrong war gewiss nur der erste, zaghafte auf einem langen Weg hinaus in die Tiefen des Alls. Mit der Raumfahrt und der Entwicklung moderner Raketentechnik hat der Mensch die Chance, neue Ressourcen und ein unentdecktes Land zu erschließen.

Bemerkung: Der Autor erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Mit der Sonne segeln

Die Planetarische Gesellschaft, das Medienunternehmen Cosmos und die russische Marine möchten der NASA ein Schnippchen schlagen. Sie wollen als Erste ein Sonnensegel (siehe Aufsatz "Technologien der Zukunft", Seite 20) in Betrieb nehmen. Für Projektdirektor Louis Friedman ist die Mission ein „entscheidender Moment für die Erforschung des Weltalls". Beim „Space Sailing" spielen Windverhältnisse keine Rolle. Billionen Lichtteilchen, die von der Sonne ausströmen, drücken gegen die riesigen aufgespannten Segel und treiben sie an. Wenn die Entfernung zur Sonne zu groß wird, erzeugen massive, mit Sonnenenergie betriebene Laser die nötigen Lichtteilchen. Nach einem Testlauf im April soll im Oktober der erste tatsächliche Flug mit einem Sonnensegel in 850 km Höhe starten. Dann müssen sich die 600 m² großen Segel aus acht dreieckigen Blättern bewähren.