Die NASA-Ingenieure kämpfen darum, einen besseren Hitzeschild zu bauen

Ein Bild von Helen Hwang Jessica Chou

Monatelang schmolzen die Proben weiter. Das war nicht gerade überraschend — Die mit Kork gefüllte Glasfaserwabe wurde einem viermal stärkeren Hitzestoß ausgesetzt als die Vorderkante des Space Shuttles beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Es war, als würde man den heißesten Ofen der Welt mitten in seinen leistungsstärksten Windkanal stellen.

Die gleichen Materialien hatten bereits alle früheren amerikanischen Marslander vor der Hitze geschützt, die beim Aufprall auf die Marsatmosphäre mit fast 10.000 Meilen (16.000 Kilometern) pro Stunde auftrat. Aber das würde nicht mehr gut genug sein. Der Schild für das Mars Science Laboratory (MSL) müsste etwa 250 Watt Energie pro Quadratzentimeter aushalten — ungefähr zehnmal so heiß wie die Viking, Amerikas erster Mars-Lander, der 1976 auf dem Planeten landete. Das liegt daran, dass die MSL, die im August 2009 starten soll, dreimal schwerer wäre als die Viking. Der Rover Curiosity, den MSL tragen würde, war etwa fünfmal schwerer als die Rover Spirit und Opportunity, die 2004 sicher auf dem Mars gelandet waren. Die Größe und das Gewicht von MSL waren an sich keine unlösbaren Probleme. Computersimulationen zeigten jedoch, dass das enorme Gewicht der Sonde zu schweren Turbulenzen führen würde, was zu härteren Bedingungen führen würde, als alle früheren Hitzeschilde für den Eintritt in den Mars ausgehalten hätten. Und wenn sie das Hitzeschildmaterial seitwärts zum entgegenkommenden Heißluftstrom drehten, um Turbulenzen zu simulieren, platzten Wabenzellen darin, was zu einer Kettenreaktion von Ausfällen führte. Der Test sah anders aus als alles, was wir jemals zuvor gesehen hatten, erinnert sich Helen Hwang, eine Forscherin am Ames Research Center der NASA im Silicon Valley, die zu dieser Zeit für das Wärmeschutzsystem von MSL verantwortlich war.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2019

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Nach diesen Misserfolgen stand Hwangs Team vor einem ernsthaften Zeitdruck. Es war 2007 und der Start war in weniger als zwei Jahren geplant. Ihrer Meinung nach gab es zwei Möglichkeiten: die Mission umzugestalten, um zu versuchen, die Hitzebedingungen zu reduzieren, oder ein neues Hitzeschildmaterial zu entwickeln. Die erste Option würde einschränken, wo der Rover landen könnte und welche wissenschaftlichen Instrumente er tragen könnte. Die zweite Option bedeutete, dass sie in weniger als 18 Monaten einen neuen Hitzeschild entwerfen, entwickeln, testen und bauen müssten. Diese Option war riskant, aber sie würde es der Mission ermöglichen, all die Wissenschaft zu betreiben, für die sie bestimmt war.

Sie entschieden sich für die zweite Option.

Wenn die menschlichen Ambitionen im Weltraum wachsen, muss unser Einfallsreichtum mit ihnen mithalten. Um die dichten Atmosphären von Planeten wie Venus oder Saturn zu erkunden, benötigen wir ultrarobuste Hitzeschilde, die intensiven Drücken standhalten. Um Marsproben zurück zur Erde zu schicken, brauchen wir unzerstörbare Hitzeschilde, die verhindern, dass außerirdische Lebensformen unseren Planeten kontaminieren oder umgekehrt. Die Landung von Menschen auf anderen Planeten erfordert übergroße Aeroshells, die durch Hitzeschilde geschützte Eintrittskapseln mit Durchmessern von fast 20 Metern (66 Fuß) oder mehr haben. Noch nie zuvor wurde etwas in dieser Größenordnung zum Mars geflogen.

Die Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Technologien werden immens sein, aber auch die Belohnungen, wenn sie Roboter und Menschen sicher an neue Grenzen bringen. Ohne die neuesten Fortschritte bei Aeroshells und Hitzeschilden werden solche Missionen sinnlos sein – sie werden einfach in der Atmosphäre verglühen.

Wenn Sie in den Weltraum fliegen, gibt es zwei Gründe, langsamer zu werden: um zur Erde zurückzukehren oder an einem anderen Himmelskörper anzuhalten. Eine Möglichkeit, um langsamer zu werden, besteht darin, die gleiche Methode zu verwenden, die Sie zum Beschleunigen verwendet haben: Raketen. Dies bedeutet jedoch, dass mehr Raketentreibstoff mitgeführt wird, was das Gewicht erhöht. Aus praktischen Gründen ist es sinnvoll, die Atmosphäre zu verwenden, falls vorhanden. Aber um die entstehende Hitze zu überstehen, bedarf es cleverer Materialien und geschickt geformter Raumfahrzeuge.

Die cleveren Formen entstanden in den 1950er Jahren im Ames Research Center, dem gleichen Ort, an dem Hwang später an der Entwicklung des MSL-Hitzeschilds arbeitete. Harry Julian Harvey Allen, der Anfang der 1950er Jahre die Ames High-Speed ​​Research Division leitete, entwickelte den sogenannten stumpfen Körper, der eine flache, breite Seite hatte, um die Hauptlast der Hitze zu tragen. Allen und ein Kollege arbeiteten im Laufe des nächsten Jahres an der Theorie. Sie erkannten, dass ein stumpfer Körper eine starke Schockwelle vor sich erzeugen würde, die einen Großteil der Hitze vom Fahrzeug ablenkt. Dann setzten sie das zweite Puzzleteil zusammen: die Ablation. Dies bedeutet, dass Materialien verwendet werden, die sich beim Betreten zersetzen und erodieren, wodurch eine verkohlte Schicht entsteht, die die Wärme effektiv vom Fahrzeug wegdrückt.

Das Konzept des stumpfen Körpers stieß zunächst auf Skepsis und blieb bis 1957 geheim. Aber im Mai 1961, als Alan Shepard als erster Amerikaner den Weltraum besuchte, verwendete seine Friendship 7-Kapsel eine konische stumpfe Fläche, um sicher zur Erde zurückzukehren.

Aufgrund des Apollo-Programms waren neue ablative Materialien in den 1960er Jahren ein sehr aktives Forschungsgebiet. Für Apollo wandte sich die NASA an eine Firma namens Avco, die sich auf Materialien für Sprengköpfe für Langstreckenraketen spezialisiert hatte. Eine 2,7 Zoll dicke Schicht aus Avcoat, einem Hitzeschildmaterial aus Epoxidharz in einer Glasfasermatrix, absorbierte die schlimmste Hitze beim Wiedereintritt von Apollo.

HEEET ist für den Eintritt in extreme Umgebungen wie Saturn oder Neptun vorgesehen. Jessica Chou

Für die Viking-Missionen – die in den 1970er Jahren die ersten erfolgreichen Marslander starten sollten – verwendete die NASA ein neues Material namens SLA-561V. Wie Avcoat basiert SLA (für superleichten Ablator) auf einer Wabenstruktur, die mit ablativen Harztropfen gefüllt ist. Aber die Ingenieure von Martin Marietta, dem Unternehmen, das das Material entwickelt hat, integrierten auch leichtere Bestandteile wie Silikon und Kork, um die Dichte zu verringern.

Die erstmals in den 1980er Jahren gestarteten Raumfähren erforderten einen völlig neuen Ansatz. Die Shuttles sollten wiederverwendbar sein, und das galt auch für die Hitzeschilde. Anstelle einer Substanz wie SLA wurden die Shuttles mit verstärktem Kohlenstoff-Kohlenstoff an der Nasenkappe und den Vorderkanten der Flügel sowie durch Keramikfliesen an ihrem Bauch geschützt.

Hwang, der in einer kleinen Stadt in Iowa aufgewachsen ist, erinnert sich, wie er in einer Schulpräsentation mit einem Space-Shuttle-Kachel umgegangen ist. Die Erfahrung weckte den Wunsch, eines Tages an Hitzeschildtechnologien zu arbeiten. Nach ihrer Promotion in Plasmaphysik an der University of Illinois, Urbana-Champaign, nahm sie eine Stelle am Ames Research Center an, die jedoch nichts mit Hitzeschilden zu tun hatte. Mehrere Jahre arbeitete sie daran, mit Plasmen Schaltkreise in Mikrochips zu ätzen. Als die Finanzierung knapp wurde, wechselte sie zu Hitzeschilden und verwirklichte ihren Kindheitstraum.

Als Hwang 2006 den Auftrag erhielt, einen Hitzeschild für das MSL-Projekt zu erstellen, wandte sie sich zunächst an SLA. Aber es wurde ziemlich schnell klar, dass SLA nicht funktionieren würde. Wir konnten nie wirklich isolieren, was den Fehler verursachte, sagt Hwang, aber der Fehler war wiederholbar; Wir haben in vielen verschiedenen Einrichtungen getestet, und wir haben den gleichen Fehler unter verschiedenen Bedingungen gesehen.

Es gab jedoch nicht viele andere Optionen. Die einzig praktikable Wahl war ein sogenannter phenolisch imprägnierter Kohlenstoffablator (PICA), der in den 1990er Jahren in Ames für die Stardust-Mission entwickelt worden war – der erste, der Proben von einem Kometen zurückbrachte, und der schnellste Wiedereintritt in die Atmosphäre in der Geschichte. Stardust hatte ein durchgehendes Stück PICA verwendet, aber MSL war zu groß, als dass dieser Ansatz praktikabel wäre. Stattdessen mussten sie Fliesen aus dem Material herstellen und die Marssonde so gestalten, dass sie damit bedeckt war, und zwar so, dass die Stromlinien des Gases nicht entlang der potenziell gefährdeten Nähte zwischen den Fliesen fließen konnten. Es war der erste gekachelte ablative Hitzeschild und die größte jemals geflogene Aeroshell. (Die gleiche Lösung wird jetzt von SpaceX für seine Dragon-Kapsel verwendet. Die NASA hat Dan Rasky, einen der Designer von PICA bei Ames, an SpaceX ausgeliehen, um bei der Entwicklung des Hitzeschildmaterials des Dragon, bekannt als PICA-X, zu helfen.)

Ich möchte unser Sonnensystem erforschen. Wir waren nur an einer Handvoll Reisezielen. Ich möchte zu allen gehen.

Als die MSL-Startfrist näher rückte, sprengten Hwang und ihr Team PICA-Proben im Arc Jet Complex in Ames und verbesserten mit jedem neuen Test ihr Verständnis des Materials und der Lückenfüller. Sie perfektionierten ihren Schild rechtzeitig zum Start im Jahr 2009 – nur um zu sehen, dass die Mission auf 2011 verschoben wurde, um sicherzustellen, dass andere Systeme bereit waren. Die MSL landete schließlich im August 2012 auf dem Mars. Curiosity ist immer noch auf dem Mars aktiv und war so erfolgreich, dass die NASA jetzt eine weitere Mission entwickelt, den Rover Mars 2020, der auf einem ähnlichen Design basiert. Hwang hat ihre Rolle als Managerin des Wärmeschutzsystems wiederholt, das PICA erneut verwenden wird, um die Raumsonde beim Abstieg zum Mars Anfang 2021 abzuschirmen.

Jessica Chou

Eine der wichtigsten Aufgaben des Rovers Mars 2020 wird das Sammeln von Proben sein, die eines Tages von einem zukünftigen Lander zur Erde zurückgeschossen werden könnten. Während Wissenschaftler lernen, die nächste Generation von Raumfahrzeugen auf anderen Welten zu landen, arbeiten sie auch daran, verlockende außerirdische Umgebungen auf die Erde zurückzubringen.

Wenn Menschen auf dem Mars landen wollen, werden Hitzeschilde benötigt, die mindestens viermal so groß sind wie auf MSL. Aus diesem Grund entwickelt die NASA jetzt Konzepte für erweiterbare Aeroshells, die in die Hülle der Trägerrakete gesteckt und in einem größeren Schild im Weltraum eingesetzt werden können. Ein Großteil dieser Arbeit wird im Langley Research Center der NASA in Virginia durchgeführt. Am Morgen des 23. Juli 2012 startete eine Höhenforschungsrakete von der Wallops Flight Facility der NASA auf der anderen Seite der Chesapeake Bay von Langley an der Ostküste Virginias. Die Rakete trug eine entfaltbare Aeroshell, die als hypersonic aufblasbarer aerodynamischer Verzögerer (HIAD) bekannt ist, ein breiter, flacher Kegel, der aus einer aufblasbaren Struktur aus ringförmigen Röhren besteht. Das HIAD hatte einen Durchmesser von weniger als einem halben Meter, aber sobald es im Weltraum war, entfaltete es sich auf drei Meter. Wenn Sie den Schild breiter machen, wird die Hitze des Wiedereintritts über einen größeren Bereich verteilt.

Die Rakete flog 290 Meilen hoch – weit über die Grenze des Weltraums – und dann blähte sich die HIAD zu ihrer vollen Größe auf. Bordkameras nahmen einen Blick auf den Atlantischen Ozean auf, als die Struktur durch die Atmosphäre fiel. Das HIAD-Konzept hat sich bei diesen Flugtests gut bewährt, aber einige Leute scheuen sich immer noch vor der Idee, Mars-Astronauten mit einer aufblasbaren Aeroshell zu schützen. Viele Leute sagen: „Oh, Sie haben eine aufblasbare Struktur – sie wird sich wie ein Poolspielzeug biegen“, sagt Robert Dillman, Luft- und Raumfahrtingenieur in Langley und Mitglied des HIAD-Teams. Das Ding ist ziemlich solide. Es klingelt, wenn Sie darauf tippen.

Größere Aeroshells drücken Schockwellen weiter vom Raumfahrzeug weg und bieten mehr Schutz vor Eintrittshitze. Die verbleibende Hitze wird durch ein flexibles Wärmeschutzsystem abgewehrt, das die aufblasbare Struktur mit strapazierfähigen Außenstoffen und Isolierung umhüllt.

Das nächste geplante HIAD wird eine erdnahe Umlaufbahn erreichen und sich auf sechs Meter ausdehnen. Aber diese aufblasbaren Konzepte sind nicht die einzigen erweiterbaren Aeroshells, die in Arbeit sind. Ein Team bei Ames entwickelt einen faltbaren Schild namens Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Der Schild besteht aus flexiblen 3D-gewebten Kohlefasern, öffnet sich wie ein Regenschirm und wird von Metallstreben stabil gehalten.

Hwang ist auch an der Entwicklung des so genannten Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET) beteiligt, das Missionen zu Venus, Saturn, Uranus und Neptun ermöglichen könnte. HEEET ist wesentlich robuster als PICA und SLA-561V und daher besser für dichte Atmosphären geeignet. Traditionell hatte jede Mission einen einzigartigen Hitzeschild, aber das macht die Sache teurer. Hwang hofft auf Skaleneffekte – eine Art Ford Model T des Wiedereinstiegs.

Ich will unser Sonnensystem erforschen, sagt sie. Wir waren nur an einer Handvoll Reisezielen. Ich möchte zu allen gehen.

Becky Ferreira ist Wissenschaftsreporterin in Ithaca, New York. Ihre Arbeiten sind in Wired und der New York Times erschienen.

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