Ära des vertikalen Transportraums

Von Science-Fiction zu praktikablen technischen Lösungen und einem aufstrebenden Markt

von Yuval Valiano-Rips und Maya Glickman-Pariente

Dieses Papier wurde auf dem International Elevator & Escalator Symposium 2022 in Barcelona, ​​Spanien, vorgestellt. 

1. Abstrakt

Der Space Elevator ist ein bekanntes Konzept für ein kabelbasiertes vertikales Transportmittel (VT) vom Boden bis in die geostationäre Umlaufbahn. Im vergangenen Jahrhundert haben Science-Fiction-Autoren und Wissenschaftler diese noch zu bewältigende Herausforderung diskutiert.

Obwohl der mögliche Markt für einen Weltraumaufzug riesig ist, müssen die für den Bau benötigten Materialien noch kommerzialisiert und die Technologie ausgereift werden.

Parallel dazu wird Anfang der 2030er Jahre mit Missionen zum Mond und zum Mars ein neuer Markt für VT entstehen, in dem Aufzugsunternehmen eine führende Rolle einnehmen müssen.

Nur wenige Weltraumprogramme wurden bereits initiiert und finanziert, um menschliche Siedlungen auf dem Mond, dem Mars und darüber hinaus zu errichten. Das Hauptprogramm ist die internationale Mission „Artemis“, die von der NASA geleitet wird und den Bau bewohnter Basislager auf der Oberfläche des Mondes bis 2025 und des Mars bis 2035 umfasst.

Diese neuen Siedlungen werden verschiedene Arten von VT-Lösungen benötigen – sowohl für Personen als auch für Fracht.

Die Bewältigung von Herausforderungen, wie z. B. das Ab- (und Auf-)bringen großer Mengen an Ausrüstung von vertikal landenden Raumschiffen an die Oberfläche, der vertikale Transport von Materialien, die zur Unterstützung des Lagers aus unterirdischen Minen benötigt werden, oder einfach die Reise von der Oberfläche in die Sicherheit des unterirdischen Habitats, erfordern uns, Aufzüge neu zu denken: andere Schwerkraft, andere Dichte und Zusammensetzung der Atmosphäre, stärkere Strahlung und andere Herausforderungen, denen sich unsere Branche stellen sollte. 

Zu diesen neuen VT-Anwendungsfällen gesellen sich neue Weltraumhotels, die bereits von mehreren Unternehmen geplant werden. Raumstationen, die für ausgefallene Ferien in Low Earth Orbits (LEO) um die Erde gebaut wurden, würden auch Lösungen brauchen, um Menschen herumzubewegen.

Weltraumbezogene Industrien, Eisenbahn- oder Autoindustrie oder andere Technologieunternehmen könnten diese Probleme lösen. Aber wir glauben, dass die VT-Branche bereit sein muss, sich den Anforderungen der nächsten Jahrzehnte zu stellen, bevor eine andere Branche die Führung übernimmt.

In unserem Papier haben wir die Herausforderungen für diesen neuen Markt untersucht (Weltraumumgebung, Marktchancen, aktuelle Architekturen usw.) und schlagen verschiedene Lösungen mit einer Roadmap für Aufzugsunternehmen vor, die ihr Geschäft in den Weltraum bringen möchten.

Die Rolle der Aufzüge im neuen Weltraumzeitalter wird derzeit nur von weltraumbezogenen Unternehmen angegangen, die den Weltraum verstehen, aber keine Aufzüge.

Die wichtigste Schlussfolgerung des Papiers ist, dass jetzt der beste Zeitpunkt für Aufzugsunternehmen ist, mit der Forschung und Entwicklung der Beziehung zwischen Aufzügen und der Weltraumumgebung zu beginnen, um weltraumerprobte Aufzugsmodule zu erhalten, die einbaufertig sind.

Dieses Papier ist ein Aufruf zum Handeln für unsere Branche.

2. Papiermotivation – Aufzüge und der neue Raum 

In den letzten 20 Jahren gab es eine konstante menschliche Präsenz im Weltraum. In den kommenden Jahrzehnten werden wir in die Ära eintreten, in der die Menschen ihre ersten Schritte als multiplanetare Spezies beginnen. Menschliche Lebensräume auf Mond und Mars sind bereits in Planung. Diese Einrichtungen benötigen VT-Lösungen zum Entladen von Ausrüstung, Vorräten und Menschen von den Landern in Krater, Lavaröhren und Höhlen unter der Oberfläche sowie für unterirdische Aktivitäten, bei denen wir den Mond- und Marsboden für unterirdisches Eis und Baumaterialien ernten werden. Immer größere Raumschiffe und Raumstationen – einige sind als riesige „Weltraumhotels“ geplant – müssen auch Menschen über lange Strecken sowohl vertikal als auch horizontal transportieren.

2.1 Unsere ganzheitliche Sichtweise

In den kommenden Jahren werden wir eine steigende Nachfrage nach VT-Lösungen sehen, die in außerirdischen Umgebungen eingesetzt werden: Mond, Mars und Weltraumhotels. Daher glauben wir, dass es jetzt an der Zeit ist, Konzepte zu entwickeln, Materialien zu finden und Designs zu erstellen, die alle Anforderungen dieser Aufzüge erfüllen.

In diesem Jahrzehnt wird sich ein kommerzielles Umfeld für weltraumerprobte Aufzugsmaterialien und -komponenten entwickeln, und die Aufzugsindustrie weltweit muss Teil dieser wichtigen Bemühungen sein. Wenn wir nicht die Führung übernehmen, wird eine andere Branche die Rolle der Planung und des Baus dieser Transportlösungen übernehmen: Raumfahrtindustrie, Eisenbahnunternehmen oder andere Technologie- oder Transportindustrien.

Darüber hinaus wird das Erstellen und Testen von aufzugsbezogenen Materialien und Produkten für die Raumfahrtindustrie zu den „normalen“ Aufzügen hier auf der Erde zurückkehren, indem stärkere, leichtere und effizientere Aufzugsmaterialien, -komponenten und -prozesse hier am Boden eingeführt werden .

2.2 Was ist bereits im Bau?

Jedes Raumfahrtunternehmen oder jede Organisation, die plant, Menschen oder Fracht auf einem anderen Himmelskörper zu landen, baut ihre VT-Lösung gemäß den Anforderungen, die sie für ihre Fahrzeuge und Missionen definieren. Einige der aktuellen weltraumgestützten Architekturen, die eine Art außerirdischen Aufzug benötigen, sind SpaceX (plant, Menschen bis 2025 auf dem Mond und bis 2035 auf dem Mars mit seiner „Starship“ -Flotte zu landen), NASA (plant, Menschen auf dem Mond zu landen im Jahr 2024) und weitere werden folgen.

Andere visionäre Pläne umfassen Weltraumhotels, die eine Art vertikaler und horizontaler Transportlösungen benötigen. In Zukunft werden sie auf jeden Fall künstliche Schwerkraft mit Zentripetalkräften einsetzen, und dann werden VT-Lösungen entscheidend sein.

3. Die Herausforderung

Wenn Menschen an Weltraum und Aufzüge denken, kommt ihnen immer das Konzept eines Weltraumaufzugs (oder des Mondaufzugs) in den Sinn. Aber es gibt eine viel dringendere Transportlösung, die in diesem Jahrzehnt implementiert wird: VT-Lösungen für Lander auf dem Mond und dem Mars. Diese Lander, die vertikal landen, 30 bis 50 m hoch sind und viele Lagerebenen haben können, benötigen VT-Lösungen zum Be- und Entladen von Ausrüstung und Menschen auf der Oberfläche des Mondes und des Mars.

In den folgenden zehn Jahren planen wir, immer größere Weltraumbasen und sogar Kolonien auf Mond und Mars zu sehen, wahrscheinlich teilweise unterirdisch oder in großen Höhlen und Lavaröhren. Diese menschlichen Lebensräume benötigen Aufzüge, die für die rauen Umgebungen und Bedürfnisse geeignet sind. Diese Kolonien werden so viele Materialien wie möglich aus dem lokalen Boden abbauen und ernten, da die Lieferung von Waren von der Erde sehr teuer ist. Diese Arbeitsfelder und Steinbrüche erfordern auch VT-Lösungen.

In der Zukunft, bis zum Ende dieses Jahrzehnts, könnten wir erwarten, dass größere Weltraumstrukturen gebaut werden, sogar für die Erholung, mit oder ohne künstliche Schwerkraft. Auch sie werden Aufzüge und Fahrsteige brauchen.

4. Herausforderungen der Weltraumumgebung

Der Weltraum ist eine der extremsten Umgebungen, die man sich vorstellen kann. Außerhalb der Schutzatmosphäre der Erde sind Objekte sowohl heißen als auch kalten Temperaturextremen, schnellen Temperaturgradienten und einer deutlich erhöhten Gefahr von Strahlungseffekten ausgesetzt. Auch das Vakuum im All ist durch ein Phänomen namens „Outgassing“ eine große Herausforderung für Mensch und Material. 

Die erste extreme Bedingung, mit der ein Raumfahrzeug fertig werden muss, ist die des Starts. Alle Raumfahrzeuge und Menschen werden mit Raketen ins All geschossen. Die Raketen und Raumfahrzeuge müssen Tonnen von Treibstoffen mitführen, um ihnen genug Energie zu geben, um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen. Je größer und schwerer die Objekte, die Sie in den Weltraum bringen möchten, desto größer und schwerer werden die Raketen und das Treibmittel aufgrund der Anziehungskraft der Erde sein. Die Rakete, die das Raumfahrzeug und/oder den Satelliten in die Umlaufbahn bringt, erzeugt auch mechanische Stöße und Vibrationen und schlägt mit extrem lauten Schallwellen darauf ein.

Die Temperaturen im Weltraum oder auf dem Mond können von extrem kalt, nahe dem absoluten Nullpunkt, bis zu vielen hundert Grad darüber bei direkter Sonneneinstrahlung reichen. Hinzu kommen extreme Temperaturgradienten, die um die 200°C/min erreichen.

Strahlung von unserer eigenen Sonne und von anderen Sternen im Universum kann aufgrund energetisch geladener Teilchen wie Elektronen, Protonen, Alpha-Teilchen und Gammastrahlen für elektronische Geräte äußerst gefährlich sein und auch Atomverschiebungen oder eine lang anhaltende vollständige Ionisierung verursachen Dosiseffekte.

4.1 Materialien im Weltraum

Die Umweltauswirkungen des Weltraums (oder des Mondes und des Mars) auf Materialien sind sehr schwerwiegend und komplex, da orbitale Umgebungen wie hochenergetische Strahlungspartikel, atomaren Sauerstoff, Mikrometeoroide, orbitale Trümmer und ultraviolette Strahlung synergistisch zusammenwirken, zusammen mit thermischer Belastung . Darüber hinaus kann eine mit Verunreinigungen verbundene Oberflächenverschlechterung die Optikleistung negativ beeinflussen. In einem Aufzugsfall werden die Aufhängungskabel, die Kabine und andere Komponenten alle durch die raue Weltraumumgebung beeinträchtigt. Daher müssen Aufzugskonstrukteure ein tiefes Verständnis für die spezifische Umgebung haben, in der der Aufzug betrieben wird, um die geeignete Auswahl von Materialien zu ermöglichen, um die Sicherheit und die technische Leistung zu maximieren, die Lebensdauer des Einsatzes zu verlängern und das Risiko zu verringern.

Weltraummissionen erfordern Materialien, die ihre Funktionstüchtigkeit unter extremer Hitze, thermischen Gradienten, Stößen und Strahlung bewahren können. Einige der im Weltraum verwendeten Materialien sind Aluminium, Nickel, Titan und deren Legierungen, Stahl und Füllmaterialien; Kevlar, Kieselsäure und Materialien auf Kieselsäurebasis, Polymere auf der Basis von Acryl- und Methacrylpolymeren, Polycarbonat und einige Polystyrolsorten.

5. Aufruf zum Handeln

Während des Schreibens dieses Papiers haben wir uns mit einigen der dominantesten Personen in Organisationen getroffen, die mit außerirdischen Aufzügen zu tun haben. Sie waren sich alle einig, dass es an der Zeit ist, dass die bedeutenden Aufzugsunternehmen eingreifen und eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung dieser neuen, bahnbrechenden VT-Lösungen übernehmen und den Weg für den Aufbau des Ökosystems weltraumerprobter Aufzugskomponenten und -materialien zur Unterstützung der Zukunft von ebnen VT in der New-Space-Ära.

6. Der Weltraumaufzug – Geschichte und wissenschaftlicher Status 

6.1 Was ist ein Weltraumaufzug?

Wir können dieses Papier nicht schreiben, ohne an das Space Elevator-Konzept erinnert zu werden, das die Köpfe von Forschern und Science-Fiction-Autoren seit Jahrzehnten begeistert und bis zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Papiers die einzige Verbindung von Aufzügen und Weltraumfeldern war. 

Der Space Elevator ist ein 100 Jahre altes Konzept für ein kabelbasiertes (angebundenes) VT-Fahrzeug, das am Boden verankert und in die geostationäre Umlaufbahn gespannt wird, die sich etwa 35,800 km über dem Erdäquator befindet. In dieser Höhe erscheint ein Objekt im Orbit stationär, was bedeutet, dass es fast über demselben Punkt auf der Erdoberfläche bleibt.

Daher bleibt ein leichtes und ausreichend starkes Kabel (Halteseil), das von einem Objekt in der geostationären Umlaufbahn herabgelassen und an der Erdoberfläche verankert wird, unter konstanter Spannung, und das Objekt dreht sich direkt über dem Anker.

In der Vergangenheit wurde der Weltraumaufzug als nichts weiter als eine Science-Fiction-Idee betrachtet, aber aufgrund der vielen Forschungsarbeiten, die in den letzten zehn Jahren durchgeführt wurden, und technologischer Verbesserungen sind wir jetzt näher an dem Moment, an dem diese Idee Wirklichkeit werden kann.

6.2 Warum kann die Menschheit nicht ewig Raketen benutzen?

Derzeit ist die einzige Alternative der Menschheit, Nutzlasten in den Orbit zu bringen, der Einsatz von Raketen, was riskant, extrem umweltschädlich und teuer ist.

Tabelle 1 zeigt eine Annahme des Weltraumlieferungsbedarfs der Menschheit in Tonnen pro Jahr für einige geschätzte Großprojekte, die in diesen Jahren ihre Reife erreichen sollten.

Nachfrage in Tonnen	2031	2035	2040	2045
Weltraum-Solarenergie	40,000	70,000	100,000	130,000
Entsorgung von Nuklearmaterial	12,000	18,000	24,000	30,000
Asteroidenabbau	1,000	2,000	3,000	5,000
Interplanetare Flüge	100	200	300	350
Innovative Missionen für GEO	347	365	389	400
Besiedlung des Sonnensystems	50	200	1,000	5,000
Marketing, Werbung und Technologien	15	30	50	100
Sonnenschirme bei L-1	5,000	10,000	5,000	3,000
Aktuelle GEO-Satelliten + LEOs	347	365	389	400
Gesamte Tonnen pro Jahr	58,859	101,160	134,128	174,250

Obwohl Raketen immer effizienter werden, müssen sie alle der Tsiolkovsky-Raketengleichung entsprechen: 

Wo:

Δ𝑣 ist die maximale Geschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs (ohne Einwirkung äußerer Kräfte).
𝑚₀ ist die anfängliche Gesamtmasse, einschließlich Treibmittel, „Nassmasse“.
𝑚_𝑓 ist die endgültige Gesamtmasse ohne Treibmittel, auch Trockenmasse genannt.
𝑣_𝑒 ist die effektive Abgasgeschwindigkeit, wobei:
𝐼_𝑆𝑃 ist der spezifische Impuls in der Zeitdimension.
𝑔₀ ist die Standardgravitation.
𝑙𝑛 ist die natürliche Logarithmusfunktion.

Daher benötigen alle Raketen immer noch eine große Menge Treibstoff, um einen Bruchteil der Raketenmasse ins All zu bringen. Wir können uns das nächste Beispiel für eine Mondlanderakete ansehen:

Gesamtmasse der Rakete beim Start = 100 %, daraus:

• Die Booster-Stufen + Kraftstoff, um LEO zu erreichen, betragen etwa 95%
• Die Masse des Treibstoffs und des Motors, um GEO (Geostationary Earth Orbit) zu erreichen, beträgt etwa 1.6%
• Die Masse des Brennstoffs zum Einbringen in die Umlaufbahn des Mondes beträgt etwa 1.5%
• Die Masse zum Deorbitieren und Landen auf dem Mond beträgt etwa 1.4%

Die Endmasse auf dem Mond beträgt nur 0.5 % der Anfangsmasse der Rakete!

Außerdem tragen Raketen durch CO zur globalen Erwärmung bei₂ Emission in die Atmosphäre.

In den vergangenen Jahren wurde zu diesem Thema von vielen weltraumbezogenen Agenturen, Unternehmen, Universitäten und anderen Organisationen viel geforscht – wie dem International Space Elevator Consortium (ISEC), das heute führend auf diesem Gebiet ist, der LiftPort Group, die die Mond- verankertes Space Elevator-Konzept und Forschung, NSS (National Space Society), NASA, European Space Agency, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und viele mehr – die sich den technischen Bemühungen für einen Space Elevator angeschlossen haben.

Im Jahr 2018 schickte JAXA zusammen mit der Shizuoka University in Japan ein auf Würfelsatelliten basierendes Space Elevator-Experiment in den Weltraum, bei dem eine Miniatur-Aufzugskabine mithilfe eines Kabels zwischen zwei Satelliten gefahren wurde.

In den letzten 15 Jahren gab es viele Wettbewerbe für die Entwicklung von Space Elevator-Komponenten, angeführt von X Prize, JSEA (Japan Space Elevator Association), BASPEC (Bavarian Space Elevator Challenge) und vielen mehr.

6.3 Weltraumaufzug-Architekturen

Seitdem der Space Elevator ursprünglich vorgeschlagen wurde, wurden viele verschiedene Architekturen erforscht und veröffentlicht. Fast alle enthalten die gleichen vier Grundkomponenten:

1. Die Basisstation – ein Anker an der Oberfläche
2. Das Gegengewicht – eine orbitale Raumstation.
3. Das Halteseil (das Hauptkabel)
4. Der Bergsteiger (die Aufzugskabine)

Eine der größten Herausforderungen bestand darin, ein Kabelmaterial zu finden, das den extremen Zugkräften standhält, aber auch der rauen Weltraumumgebung standhält. Bis in die letzten Jahre waren Kohlenstoffnanoröhren das Hauptzielmaterial. Diese Nanometerröhren-ähnlichen Stränge könnten, wenn sie rein und ohne Defekte sind, die Spannungsanforderungen erfüllen. Aber selbst nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung in vielen Forschungslabors auf der ganzen Welt gibt es immer noch niemanden, der weiß, wie man ein Material herstellt, das rein genug ist für mehr als ein paar Dutzend Zentimeter Länge, um nicht zu sagen Tausende von Kilometern. Dennoch werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen erforscht und die Herstellungsmethoden im Laufe der Jahre verbessert.

Da das Kabel des Space Elevators seine Masse vom Boden bis in die geostationäre Umlaufbahn und weiter in den Weltraum gegen die Schwerkraft der Erde tragen muss, ist die Zugfestigkeit des Kabels eine große Herausforderung, die erforscht wird. Die Masse des Kabels ist sehr schwer genau abzuschätzen, da sie von der endgültigen Architektur des gesamten Systems abhängt. Unter vernünftigen Annahmen der Architektur beträgt die für das Kabel erforderliche akzeptable Festigkeit etwa 50 GPa (das sind 50,000 MPa, was mehr als 490 Atmosphären entspricht), sodass Stahlkabel oder Kabel, die heute für Aufzüge auf der Erde verwendet werden, nicht stark genug sind.

Ein weiteres neu erforschtes Material, das die Antwort sein könnte, ist einkristallines Graphen. Wie bei Kohlenstoffnanoröhren ist einkristallines Graphen eines der jetzt erforschten Materialien, das den extremen Spannungsanforderungen standhalten kann, hauptsächlich weil es ein 2D-Material ist, das etwa ein Molekül dick ist (manchmal als „Molekül im Makromaßstab“ bezeichnet). Dadurch ist sein Gewicht auch für viele Kilometer Länge fast vernachlässigbar. Diese Materialbahnen wurden erfolgreich auf ihre hohe Haltbarkeit, Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit untersucht und werden nun in immer größeren Längen und Herstellungsraten getestet – derzeit auf Zugfestigkeit von 130 GPa getestet.

6.4 Autonome Wartung

Da der Space Elevator der rauen Weltraumumgebung ausgesetzt sein wird, einschließlich Strahlung und kleinen Einschlägen von Weltraumschrott (dh alles von kleinen Meteoroiden bis hin zu künstlichem Weltraumschrott, der sich im Orbit um die Erde befindet), ist es entscheidend, intelligent und schnell zu sein und autonome Wartungsmechanismen und andere Schutzvorrichtungen für die gesamte Struktur, einschließlich natürlich des Kabels (Tether), aber auch für die Autos (die Kletterer), die Anker und die Stromversorgung.

Wie wir alle leider wissen, kann es bei Aufzügen während ihrer Lebensdauer zu entscheidenden Sicherheitsvorfällen kommen. Notfallsicherheitsoperationen sind eine große Herausforderung, wenn das Kabel mehr als 35,800 km lang ist und sich die Aufzugskabine mit extrem hohen Geschwindigkeiten bewegt, die erforderlich sind, um diese lange Reise in einem angemessenen Zeitrahmen von ein oder zwei Tagen zurückzulegen. Um Risiken zu minimieren, müssen effektive, schnelle und autonome Wartungslösungen entwickelt werden, die eine ausgefeilte vorausschauende Wartung beinhalten.

7. Die Quintessenz

All diese und weitere Herausforderungen müssen von der Aufzugsindustrie bewältigt werden, die über jahrzehntelange Erfahrung im sicheren und vertikalen Transport von Personen, Vorräten und Ausrüstung verfügt und einen großen Teil der neuen Weltraumära der Menschheit übernehmen muss. Wenn wir warten, könnten wir den Aufzug verpassen!

Wir haben unsere Fähigkeiten gebündelt, um Aufzüge außerhalb der Erdatmosphäre in das neue Weltraumzeitalter zu bringen, und heißen alle Aufzugs- und Raumfahrtunternehmen willkommen, die sich der Initiative anschließen möchten.

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Bibliographie

[1] „Dual Space Access Architectures – Rockets & Space Elevators“, Dr. Peter Swan, ISEC (International Space Elevator Consortium), ein Webinar, Juli 2021.

[2] JSEA (Japan Space Elevator Association) home Seite jsea.jp

[3] BASPEC (Bavarian Space Elevator Challenge) home Seite baspec.schillergym.de

[4] „Weltraumaufzüge werden zum ersten Mal im Weltraum getestet“, ein Artikel von David Grossman in der Zeitschrift Popular Mechanics, September 2018, popularmechanics.com/space/satellites/a22985989/space-elevators-getting-first-test-in-space/

[5] NASA Commercial Space Lecture Series, „Graphene infused space industry“, 2019. nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/space_portal_nixene_publishing.pdf

[6] „Architecture Engineering and the Galactic Harbour“, Michael Fitzgerald, Chief Architect and Board Member, ISEC EVP & Co-Founder – Galactic Harbor Associates, Inc., ein Webinar, August 2020.

[7] SPACEMATDB – Datenbank für Weltraummaterialien. spacematdb.com/spacemat

[8] Das Arthemis-Programm der NASA und verwandte Medien. nasa.gov/specials/artemis

[9] „Space Elevator Technology and Hraphene“, ein Interview mit Adrian Nixon, CEO von Nixor Ltd., August 2018. azom.com/article.aspx?ArticleID=16371

[10] Während der Erstellung dieses Papiers hatten wir zwischen 2021 und 2022 entsprechende Treffen mit:

• Dr. Pete Swan, Präsident von ISEC
• Dr. Eliad Peretz, leitender Forscher für neue Weltraummissionen am NASA Goddard Space Flight Center.
• Herr Michael Laine, Präsident, Chief Strategic Officer der LiftPort Group
• Viele andere Weltraum- und Aufzugsfachleute, die uns ihre Perspektive für Aufzüge im Weltraumzeitalter mitteilten.