Die Raumfahrzeuge von morgen werden aus fortschrittlichen Materialien mit verblüffenden Eigenschaften gebaut.
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Sept. 16, 2002: „Was ich wirklich suche“, sagen Sie zum Verkäufer, „ist ein Auto, das mindestens 10.000 Meilen zwischen den Tankfüllungen fährt, sich selbst repariert, mit 500 Meilen pro Stunde fährt und nur ein paar hundert Pfund wiegt.“
Als er mit großen Augen dasteht, fügen Sie hinzu: „Ach ja, und ich kann nur etwa ein Viertel von dem ausgeben, was diese anderen Autos kosten.“
dramatisch verbesserte Raumfahrzeuge zu ermöglichen.
Mit so einem Wunsch wird man beim Autohändler sicher ausgelacht. Aber in vielerlei Hinsicht ist dieses Traumauto eine Metapher für die Raumfahrzeuge, die wir brauchen werden, um unsere Erkundung des Sonnensystems in den kommenden Jahrzehnten zu erweitern. Diese neuen Raumfahrzeuge müssen schneller, leichter, billiger, zuverlässiger, haltbarer und vielseitiger sein, und das alles zur gleichen Zeit.
Unmöglich? Bevor Sie antworten, überlegen Sie, wie ein Rancher vor 200 Jahren reagiert hätte, wenn ein Mann ein Pferd hätte kaufen wollen, das stundenlang mit 100 Meilen pro Stunde läuft, seine ganze Familie und ihr Gepäck trägt und ihm dabei seine Lieblingslieder vorsingt! Heute nennen wir sie Minivans.
Technologische Revolutionen – wie die industrielle Revolution, die Pferde durch Autos ersetzte – können das, was heute noch unmöglich erscheint, morgen schon alltäglich machen.
Eine solche Revolution findet gerade jetzt statt. Drei der am schnellsten wachsenden Wissenschaften unserer Zeit – Biotechnologie, Nanotechnologie und Informationstechnologie – konvergieren und ermöglichen den Wissenschaftlern eine nie dagewesene Kontrolle über die Materie auf molekularer Ebene. Aus diesem intellektuellen Goldrausch entsteht eine neue Klasse von Materialien mit erstaunlichen Eigenschaften, die eher in einem Science-Fiction-Roman als auf der Werkbank im Labor zu Hause sind.
Stellen Sie sich zum Beispiel eine Substanz vor, die 100-mal so stark ist wie Stahl, aber nur ein Sechstel des Gewichts hat; Materialien, die sich sofort selbst heilen, wenn sie durchstochen werden; Oberflächen, die die Kräfte, die auf sie einwirken, „spüren“ können; Drähte und Elektronik, die so winzig sind wie Moleküle; strukturelle Materialien, die auch Elektrizität erzeugen und speichern; und Flüssigkeiten, die sich nach Belieben sofort in einen festen Zustand verwandeln und wieder zurück. All diese Materialien gibt es schon heute … und weitere sind auf dem Weg.
Mit solchen verblüffenden Materialien scheint der Bau eines besseren Raumfahrzeugs gar nicht mehr so weit hergeholt.
Gewicht ist gleich Geld
Die Herausforderung der nächsten Generation von Raumfahrzeugen hängt von einigen Hauptproblemen ab. An erster Stelle stehen natürlich die Kosten.
„Selbst wenn alle technischen Hindernisse heute beseitigt wären, muss die Erforschung unseres Sonnensystems erschwinglich sein, um praktikabel zu sein“, sagt Dr. Neville Marzwell, Leiter der Abteilung für revolutionäre Luft- und Raumfahrttechnologie des NASA-Planungsteams für die nächste Dekade.
Die Kosten für die Raumfahrt zu senken bedeutet in erster Linie, das Gewicht zu reduzieren. Jedes eingesparte Pfund ist ein Pfund, das nicht angetrieben werden muss, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen. Leichtere Raumschiffe können kleinere, effizientere Triebwerke haben und benötigen weniger Treibstoff. Dadurch wird wiederum mehr Gewicht eingespart, was eine positive Spirale von Gewichts- und Kosteneinsparungen in Gang setzt.
Rechts: Diese voll beladene Saturn V Mondrakete wog 6,2 Millionen Pfund. Sie war schwer und teuer im Start.
Die Herausforderung besteht darin, das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Funktionalität zu erhöhen. Es reicht nicht aus, einfach nur Teile wegzulassen.
Wissenschaftler erforschen eine Reihe neuer Technologien, die bei der Verschlankung von Raumfahrzeugen helfen könnten. So könnten beispielsweise hauchdünne Materialien – also ultradünne Folien – für Antennen oder Fotovoltaik-Paneele anstelle der heute verwendeten sperrigeren Komponenten verwendet werden, oder sogar für riesige Sonnensegel, die für den Antrieb sorgen und nur 4 bis 6 Gramm pro Quadratmeter wiegen.
Verbundwerkstoffe, wie sie in Tennisschlägern und Golfschlägern aus Kohlefaser verwendet werden, haben bereits viel dazu beigetragen, das Gewicht in der Luft- und Raumfahrt zu verringern, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen. Doch eine neue Form von Kohlenstoff, die so genannten „Kohlenstoff-Nanoröhrchen“, versprechen eine dramatische Verbesserung der Verbundwerkstoffe: Die besten Verbundwerkstoffe haben die drei- oder vierfache Festigkeit von Stahl nach Gewicht – bei Nanoröhren ist es das 600-fache!
„Diese phänomenale Festigkeit kommt von der Molekularstruktur der Nanoröhrchen“, erklärt Dennis Bushnell, leitender Wissenschaftler am Langley Research Center (LaRC), dem NASA-Kompetenzzentrum für Strukturen und Materialien. Sie sehen ein bisschen aus wie Hühnerdraht, der zu einem Zylinder aufgerollt ist, wobei die Kohlenstoffatome an jeder Ecke des Sechsecks sitzen.
Typischerweise haben Nanoröhren einen Durchmesser von 1,2 bis 1,4 Nanometern (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter), was nur etwa dem 10-fachen Radius der Kohlenstoffatome selbst entspricht.
Oben: Das Gitter aus Kohlenstoffatomen in einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist wie ein Steckbrett, an das andere Atome und Moleküle gehängt werden können, um dem Nanoröhrchen besondere chemische, elektrische oder thermische Eigenschaften zu verleihen. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Abteilung für Physik der Pennsylvania State University.
Nanoröhren wurden erst 1991 entdeckt, aber schon jetzt hat das intensive Interesse der wissenschaftlichen Gemeinschaft unsere Möglichkeiten zur Herstellung und Nutzung von Nanoröhren enorm verbessert. Noch vor 2 bis 3 Jahren waren die längsten Nanoröhren, die hergestellt wurden, etwa 1000 Nanometer lang (1 Mikrometer). Heute sind die Wissenschaftler in der Lage, Röhren mit einer Länge von bis zu 200 Millionen Nanometern (20 cm) herzustellen. Bushnell weist darauf hin, dass weltweit mindestens 56 Labors an der Massenproduktion dieser winzigen Röhren arbeiten.
„Es werden große Fortschritte gemacht, so dass die Herstellung von Massenmaterialien mit Nanoröhren wahrscheinlich möglich sein wird“, sagt Bushnell. „Was wir nicht wissen, ist, wie viel von dieser 600-fachen Stärke von Stahl in einem Massenmaterial zu finden sein wird. Dennoch sind Nanoröhren unsere beste Wahl.“
Richtig: Die Zugfestigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren übertrifft die anderer hochfester Werkstoffe bei weitem. Beachten Sie, dass jeder Schritt auf der vertikalen Achse eine Potenz von 10 ist.
Nanoröhren sind nicht nur stark, sondern werden wahrscheinlich auch für einen anderen Teil des Plans zur Gewichtsreduzierung von Raumfahrzeugen wichtig sein: Materialien, die mehr als nur eine Funktion erfüllen können.
„Früher haben wir Strukturen gebaut, die nur dumme, gewichtslose Halterungen für aktive Teile wie Sensoren, Prozessoren und Instrumente waren“, erklärt Marzwell. „Jetzt brauchen wir das nicht mehr. Der Halter kann ein integraler, aktiver Teil des Systems sein.“
Stellen Sie sich vor, dass der Körper eines Raumfahrzeugs auch Energie speichern könnte, so dass keine schweren Batterien mehr benötigt würden. Oder die Oberflächen könnten sich selbst biegen, so dass keine separaten Aktoren mehr nötig wären. Oder dass Schaltkreise direkt in den Körper des Raumfahrzeugs eingebettet werden könnten. Wenn Materialien auf molekularer Ebene entworfen werden können, werden solche ganzheitlichen Strukturen möglich.
Raumschiffshäute
Menschen können selbst den kleinsten Nadelstich überall an ihrem Körper spüren. Das ist eine erstaunliche Selbstüberwachung, die möglich ist, weil die Haut Millionen von mikroskopisch kleinen Nervenenden und Nerven enthält, die diese Signale an das Gehirn weiterleiten.
Auch die Materialien, aus denen kritische Systeme in einem Raumschiff bestehen, könnten mit Sensoren im Nanometerbereich ausgestattet werden, die den Zustand der Materialien ständig überwachen. Wenn ein Teil zu versagen beginnt, sich also „schlecht anfühlt“, könnten diese Sensoren den Zentralcomputer alarmieren, bevor es zu einer Tragödie kommt.
Molekulare Drähte könnten die Signale all dieser eingewebten Sensoren an den Zentralcomputer weiterleiten und so die unpraktische Masse von Millionen und Abermillionen heutiger Drähte vermeiden. Auch hier könnten Nanoröhren diese Aufgabe übernehmen. Praktischerweise können Nanoröhren entweder als Leiter oder als Halbleiter fungieren, je nachdem, wie sie hergestellt werden. Wissenschaftler haben molekulare Drähte aus anderen länglichen Molekülen hergestellt, von denen sich einige sogar auf natürliche Weise zu nützlichen Konfigurationen zusammenfügen.
Links: Dieses piezoelektrische Material, das am Langley Research Center (LaRC) der NASA entwickelt wurde, kann Verformungen wie Biegung oder Oberflächendruck „spüren“ und erzeugt daraufhin eine kleine Spannung, die als Signal für einen zentralen Computer dienen kann. Bild mit freundlicher Genehmigung des Morphing-Projekts der NASA am LaRC.
Unsere Haut ist auch in der Lage, sich selbst zu heilen. Ob Sie es glauben oder nicht, einige fortschrittliche Materialien können das Gleiche tun. Selbstheilende Materialien aus langkettigen Molekülen, die Ionomere genannt werden, reagieren auf ein eindringendes Objekt wie eine Kugel, indem sie sich hinter ihm schließen. Raumschiffe könnten solche Häute verwenden, weil der Weltraum voller winziger Projektile ist – schnell fliegende Trümmerteile von Kometen und Asteroiden. Sollte eines dieser sand- bis kieselsteingroßen Objekte die Panzerung des Raumschiffs durchschlagen, würde eine Schicht aus selbstheilendem Material die Kabine luftdicht abschließen.
Meteoroiden sind nicht die einzige Gefahr; der Weltraum ist auch voller Strahlung. Raumschiffe in einer erdnahen Umlaufbahn sind im Wesentlichen durch das Magnetfeld unseres Planeten geschützt, das eine sichere Blase von etwa 50.000 km Breite im Zentrum der Erde bildet. Jenseits dieser Entfernung stellen jedoch Sonneneruptionen und kosmische Strahlung eine Bedrohung für Raumfahrer dar.
Richtig: Eine Sonneneruption schleudert energiereiche Strahlung ins All.
Wissenschaftler sind immer noch auf der Suche nach einer guten Lösung. Der Trick besteht darin, für eine angemessene Abschirmung zu sorgen, ohne das Raumfahrzeug mit viel zusätzlichem Gewicht zu belasten. Einige leichte Materialien zur Strahlenabschirmung werden derzeit in einem Experiment namens (MISSE) an Bord der Internationalen Raumstation getestet. Aber das allein wird nicht ausreichen.
Der wahre Bösewicht ist die galaktische kosmische Strahlung (GCR), die bei weit entfernten Supernovaexplosionen entsteht. Sie besteht zum Teil aus sehr schweren positiven Ionen – wie etwa Eisenkernen -, die mit großer Geschwindigkeit dahinsausen. Die Kombination aus hoher Masse und hoher Geschwindigkeit macht diese kleinen atomaren „Kanonenkugeln“ sehr zerstörerisch. Wenn sie die Zellen im menschlichen Körper durchdringen, können sie die DNA zerstören, was zu Krankheiten und sogar Krebs führen kann.
„Es hat sich herausgestellt, dass die schlechtesten Materialien, die man zur Abschirmung gegen GCR verwenden kann, Metalle sind“, stellt Bushnell fest. Wenn ein galaktischer komischer Strahl auf ein Metallatom trifft, kann er den Atomkern zerbrechen – ein Prozess, der der Kernspaltung in Kernkraftwerken ähnelt. Die bei diesen Kollisionen entstehende Sekundärstrahlung kann schlimmer sein als die GCR-Strahlung, die das Metall eigentlich abschirmen sollte.
Leichte Elemente wie Wasserstoff und Helium sind die beste Verteidigung gegen diese GCR-Riesen, da Kollisionen mit ihnen nur wenig Sekundärstrahlung erzeugen. Einige Leute haben vorgeschlagen, die Wohnräume des Schiffes mit einem Tank aus flüssigem Wasserstoff zu umgeben. Laut Bushnell würde eine 50 bis 100 cm dicke Schicht aus flüssigem Wasserstoff eine ausreichende Abschirmung bieten. Aber der Tank und das kryogene System sind wahrscheinlich schwer und unhandlich.
Auch hier könnten Nanoröhren nützlich sein. Ein Gitter aus Kohlenstoffnanoröhren kann Wasserstoff in hoher Dichte speichern, ohne dass extreme Kälte erforderlich ist. Wenn also unser zukünftiges Raumschiff bereits Nanoröhren als ultraleichtes Strukturmaterial verwendet, könnten diese Röhren dann auch mit Wasserstoff gefüllt werden, um als Strahlungsschutz zu dienen? Wissenschaftler untersuchen diese Möglichkeit.
Links: Wenn hochenergetische kosmische Strahlung auf die DNA von Astronauten trifft, kann sie Schäden verursachen, die zu Krebs oder anderen strahlenbedingten Krankheiten führen. Bilder mit freundlicher Genehmigung des NASA-Büros für biologische und physikalische Forschung.
Wenn man noch einen Schritt weiter geht, könnten Schichten dieses Strukturmaterials mit Atomen anderer Elemente versetzt werden, die andere Formen von Strahlung gut herausfiltern: Bor und Lithium, um mit Neutronen umzugehen, und Aluminium, um Elektronen aufzusaugen, zum Beispiel.
Camping im Kosmos
Die Erdoberfläche ist größtenteils sicher vor kosmischer Strahlung, aber andere Planeten haben nicht so viel Glück. Der Mars zum Beispiel hat kein starkes globales Magnetfeld, das die Strahlungsteilchen ablenkt, und seine Atmosphärendecke ist 140 Mal dünner als die der Erde. Aufgrund dieser beiden Unterschiede ist die Strahlungsdosis auf der Marsoberfläche nur etwa ein Drittel so hoch wie im ungeschützten Weltraum. Künftige Marsforscher werden einen Strahlenschutz benötigen.
„Wir können die meisten Materialien für einen langfristigen Schutz nicht mitnehmen, weil sie zu schwer sind. Deshalb arbeiten wir daran, aus den Elementen, die wir dort vorfinden, strahlenabschirmende Materialien herzustellen“, sagt Sheila Thibeault, eine Wissenschaftlerin am LaRC, die sich auf Strahlenschutz spezialisiert hat.
Richtig: Astronauten, die ihr Lager auf dem Mars aufschlagen, brauchen Schutz vor der Weltraumstrahlung. Bildnachweis: Frassanito and Associates, Inc.
Eine mögliche Lösung sind „Mars-Ziegel“. Thibeault erklärt: „Astronauten könnten strahlenresistente Ziegel aus lokal auf dem Mars verfügbaren Materialien herstellen und sie zum Bau von Unterkünften verwenden.“ Sie könnten zum Beispiel das sandartige „Regolith“, das die Marsoberfläche bedeckt, mit einem Polymer kombinieren, das vor Ort aus Kohlendioxid und Wasser hergestellt wird, die beide auf dem roten Planeten reichlich vorhanden sind. Wenn man diese Mischung mit Mikrowellen bestrahlt, entstehen plastikähnliche Ziegel, die auch als Strahlenschutz dienen.
„Durch den Einsatz von Mikrowellen können wir diese Ziegel schnell und mit sehr wenig Energie oder Ausrüstung herstellen“, erklärt sie. „Und das Polymer, das wir verwenden würden, trägt zu den strahlungsabschirmenden Eigenschaften des Regoliths bei.“
Mars-Behausungen bräuchten die Zuverlässigkeit von selbstsensorischen Materialien, die Haltbarkeit von selbstheilenden Materialien und die Gewichtsersparnis von multifunktionalen Materialien. Mit anderen Worten: Ein Haus auf dem Mars und ein gutes Raumschiff brauchen viele der gleichen Dinge. All dies wird von den Forschern in Betracht gezogen, sagt Thibeault.
Die Leute zu Hause
Die verblüffenden fortschrittlichen Materialien werden sich auch auf der Erde als nützlich erweisen.
„Die Forschung der NASA konzentriert sich sicherlich auf Raumfahrzeuge“, bemerkt Anna McGowan, Leiterin des Morphing-Projekts der NASA (ein Forschungsprojekt für fortschrittliche Materialien am Langley Research Center). „Die Grundlagenforschung könnte jedoch auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt werden. Es könnte Millionen von Nebeneffekten geben.“
Links: Aus intelligenten Materialien hergestellt, könnten die Flugzeuge von morgen selbstbiegende Flügel haben, die ohne Klappen funktionieren – und so den Luftwiderstand verringern und die Treibstoffkosten senken.
Aber noch nicht. Den meisten fortschrittlichen Materialien fehlt die technische Raffinesse, die für ein ausgefeiltes, robustes Produkt erforderlich ist. Sie sind noch nicht reif für die erste Stunde. Trotzdem ist es nur eine Frage der Zeit, sagen die Forscher: Irgendwann wird der Autoverkäufer aufhören zu lachen … und anfangen, Ihre Weltraum-Traummaschine zu verkaufen.
Web Links
Buck Rogers, pass auf! — Science@NASA-Artikel: NASA-Forscher studieren Insekten und Vögel und verwenden „intelligente“ Materialien mit unheimlichen Eigenschaften, um neue und verblüffende Flugzeugdesigns zu entwickeln.
Samples of the Future — Science@NASA article: Die fortschrittlichen Raumschiffe von morgen werden aus ausgefallenen Materialien gefertigt, die der rauen Umgebung des Weltraums außergewöhnlich gut standhalten. Das Materials International Space Station Experiment (MISSE) will herausfinden, welche Materialien am besten geeignet sind.
Rechts: Vor dem Hintergrund der aufgehenden Sonne ragt MISSE außerhalb der Internationalen Raumstation in den Weltraum.
Eingraben und in Deckung gehen – Science@NASA Artikel: Mond- und Marserde könnte Strahlungsschutz für die Besatzungen künftiger Missionen bieten. Siehe auch „Making Mars Bricks.“
Center for Nanotechnology (CNT) — am Ames Research Center der NASA.
Needs of future missions — Auflistung von Technologien, die für die zukünftige Weltraumforschung benötigt werden, und einige mögliche Lösungen, vom CNT.
Nanotube Links: Nanotubes & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Forschung in der molekularen Elektronik: ein Transistor im Nanomaßstab von IBM; ein einfaches Logikgatter aus Nanodrähten; ein anpassbares Nanoröhrchen für Drähte oder Strukturen von der Purdue University.
Wetter auf dem Mars — Science@NASA Artikel: Zukünftige menschliche Erforscher des Mars können ihre Regenschirme auf der Erde lassen, aber vielleicht sollten sie ihre Geigerzähler nicht vergessen! Ein NASA-Experiment auf dem Weg zum Roten Planeten will das herausfinden.
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