Ein Weltraumaufzug ist mit der heutigen Technologie möglich, sagen Forscher (wir müssen ihn nur vom Mond baumeln lassen)

Foto-Illustration des Weltraumaufzugs Originalbilder: Michel Paz, Jeremy Thomas | Unsplash; herausgegeben von MIT Technology Review

Die vielleicht größte Hürde für die Expansion der Menschheit im gesamten Sonnensystem sind die unerschwinglichen Kosten, um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen. So sagen Zephyr Penoyre von der University of Cambridge in Großbritannien und Emily Sandford von der Columbia University in New York.

Das Problem besteht darin, dass Raketentriebwerke Masse in eine Richtung abwerfen, um Schub für ein Raumschiff in der anderen Richtung zu erzeugen. Und das erfordert riesige Mengen an Treibstoff, der letztendlich verworfen wird, aber auch zusammen mit dem Raumschiff beschleunigt werden muss.

Das Ergebnis ist, dass das Platzieren eines einzigen Kilogramms in der Umlaufbahn im Bereich von Zehntausenden von Dollar kostet. Die Anreise zum Mond und darüber hinaus ist noch teurer. Es besteht also ein erhebliches Interesse daran, kostengünstigere Wege in den Orbit zu finden.

Eine Idee ist, einen Weltraumaufzug zu bauen – ein Kabel, das sich von der Erde in den Orbit erstreckt und eine Möglichkeit bietet, in den Weltraum zu steigen. Der große Vorteil ist, dass der Steigvorgang mit Solarenergie betrieben werden kann und somit keinen Treibstoff an Bord benötigt.

Aber es gibt auch ein großes Problem. Ein solches Kabel müsste unglaublich stark sein. Kohlenstoffnanoröhren sind ein potenzielles Material, wenn sie jemals lang genug hergestellt werden können. Aber die heute verfügbaren Optionen sind einfach zu schwach.

Betreten Sie Penoyre und Sandford, die die Idee mit einer Wendung überarbeitet haben. Sie sagen, dass ihre Version eines Weltraumaufzugs, den sie Spaceline nennen, mit Materialien gebaut werden könnte, die heute im Handel erhältlich sind.

Zuerst etwas Hintergrund. Ein herkömmlicherweise konzipierter Weltraumaufzug würde aus einem Kabel bestehen, das am Boden verankert ist und sich über die geostationäre Umlaufbahn hinaus erstreckt, etwa 42.000 Kilometer (26.098 Meilen) über der Erde.

Ein solches Kabel hätte eine beträchtliche Masse. Um es also am Herunterfallen zu hindern, müsste es am anderen Ende durch eine ähnliche umlaufende Masse ausgeglichen werden. Der gesamte Aufzug würde dann von Zentrifugalkräften getragen.

Viele Jahre lang haben Physiker, Science-Fiction-Autoren und Visionäre aufgeregt die Größe dieser Kräfte berechnet, nur um durch das Ergebnis traurig entmutigt zu werden. Kein bekanntes Material ist stark genug, um diesen Kräften standzuhalten – nicht Spinnenseide, nicht Kevlar, nicht einmal die stärksten modernen Kohlefaserpolymere.

Penoyre und Sandford haben also einen anderen Ansatz gewählt. Anstatt das Kabel auf der Erde zu verankern, schlagen sie vor, es auf dem Mond zu verankern und zur Erde baumeln zu lassen.

Der große Unterschied kommt von den Zentrifugalkräften. Ein herkömmlicher Weltraumaufzug würde jeden Tag eine vollständige Drehung ausführen, die der Erdrotation entspricht. Aber die mondgestützte Weltraumlinie würde nur einmal im Monat umkreisen – eine viel langsamere Rate mit entsprechend geringeren Kräften.

Außerdem sind die Kräfte anders angeordnet. Bei der Verlängerung vom Mond zur Erde würde die Weltraumlinie durch eine Region des Weltraums verlaufen, in der sich die terrestrische und die lunare Schwerkraft gegenseitig aufheben.

Dieser als Lagrange-Punkt bekannte Bereich wird zu einem zentralen Merkmal einer Raumlinie. Darunter, näher an der Erde, zieht die Schwerkraft das Kabel zum Planeten. Aber darüber, näher am Mond, zieht die Schwerkraft das Kabel zur Mondoberfläche.

Penoyre und Sandford zeigen schnell, dass die Verlängerung des Kabels vom Mond bis zur Erdoberfläche Kräfte erzeugt, die für heutige Materialien zu groß sind. Aber das Kabel muss sich nicht ganz dehnen, um nützlich zu sein.

Das Hauptergebnis der Forscher besteht darin, zu zeigen, dass die stärksten Materialien von heute – Kohlenstoffpolymere wie Zylon – problemlos ein Kabel tragen könnten, das sich vom Mond bis zur geosynchronen Umlaufbahn erstreckt. Sie schlagen weiter vor, dass ein Proof-of-Principle-Gerät aus einem Kabel von der Dicke einer Bleistiftmine zu einem Preis von Milliarden Dollar vom Mond baumeln könnte.

Das ist eindeutig ambitioniert, aber keineswegs übertrieben für moderne Weltraummissionen. Indem wir eine auf dem Mond verankerte Leitung bis tief in die Schwerkraft der Erde verlängern, können wir ein stabiles, durchquerbares Kabel konstruieren, das eine freie Bewegung von der Nähe der Erde zur Mondoberfläche ermöglicht, sagen Penoyre und Sandford.

Die Einsparungen wären enorm. Es würde den Treibstoff, der benötigt wird, um die Mondoberfläche zu erreichen, auf ein Drittel des derzeitigen Werts reduzieren, sagen sie.

Und es würde eine völlig neue Region des Weltraums für die Erforschung eröffnen – den Lagrange-Punkt. Das ist interessant, weil sowohl die Schwerkraft als auch der Gravitationsgradient in diesem Bereich Null ist, was ihn für Bauprojekte viel sicherer macht. Im Gegensatz dazu führt der Gravitationsgradient in einer niedrigen Erdumlaufbahn dazu, dass Umlaufbahnen viel weniger stabil sind.

Wenn Sie ein Werkzeug von der Internationalen Raumstation abwerfen, scheint es sich schnell von Ihnen weg zu beschleunigen, weisen Sie auf Penoyre und Sandford hin. Der Lagrange-Punkt hat einen fast vernachlässigbaren Gravitationskraftgradienten; das heruntergefallene Werkzeug bleibt viel länger griffbereit.

In dieser Region gibt es auch keine nennenswerten Trümmer. Der Lagrange-Punkt war von früheren Missionen größtenteils unberührt geblieben, und die Umlaufbahnen, die hier hindurchgehen, sind chaotisch, was die Menge an Meteoroiden stark reduziert, sagen sie.

Aus diesen Gründen sagen Penoyre und Sandford, dass der Zugang zum Lagrange-Punkt ein großer Vorteil der Weltraumlinie ist. Das Basislager am Lagrange-Punkt ist unserer Meinung nach das Wichtigste und einflussreichste für die frühe Nutzung der Weltraumlinie (und für die bemannte Weltraumforschung im Allgemeinen), sagen sie. Ein solches Basislager würde den Bau und die Wartung einer neuen Generation weltraumgestützter Experimente ermöglichen – man könnte sich Teleskope, Teilchenbeschleuniger, Gravitationswellendetektoren, Vivarien, Stromerzeugung und Startpunkte für Missionen zum Rest des Sonnensystems vorstellen.

Das ist eine interessante Arbeit, die dazu einlädt, sich erneut auf die Idee eines Weltraumaufzugs zu konzentrieren. Der billige Zugang zum Lagrange-Punkt, zum Mond und zu Punkten darüber hinaus ist möglicherweise erheblich billiger und wahrscheinlicher geworden.

Ref: arxiv.org/abs/1908.09339 : Die Spaceline: Eine praktische Alternative zu Weltraumaufzügen, die mit aktueller Technologie erreichbar ist

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