Schattenblick →INFOPOOL →NATURWISSENSCHAFTEN → TECHNIK

RAUMFAHRT/716: Europa bezieht sein Weltraumquartier (research*eu)


research*eu Nr. 57 - Juli 2008
Magazin des Europäischen Forschungsraums

Europa bezieht sein Weltraumquartier

Von Stéphane Fay


Mit dem Andocken des Weltraumforschungslabors Columbus und dem ersten Einsatz des automatischen Weltraumfrachters ATV (Automated Transport Vehicle) steigt Europa nun, im Jahr 2008, vollends in die Internationale Weltraumstation ein. Eine doppelte Leistung, mit der die europäische Raumfahrt auf gleiche Augenhöhe mit den USA und Russland aufsteigt.


Das Abenteuer der Internationalen Weltraumstation begann mitten im Kalten Krieg, Anfang der 1980er Jahre. Als Antwort auf die russische Saljut und vor allem auf Mir wollten die Amerikaner damals ihre eigene Weltraumstation mit dem Namen Freedom bauen. Aber mit dem Zusammenbruch des Ostblocks verlor diese ihre Existenzberechtigung. Anfang der 1990er Jahre nahmen die Vereinigten Staaten, Russland, Japan, Kanada und die Mitgliedstaaten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) Verhandlungen für den Bau einer - diesmal - internationalen Weltraumstation auf, die ursprünglich Alpha hieß und schließlich in International Space Station (ISS) umbenannt wurde. "Durch dieses Projekt konnte die ESA eine echte Kooperationspolitik entwickeln, indem sie 17 Mitgliedstaaten der Union gemeinsam an dem Projekt arbeiten ließ und weil sie dabei half, eine Brücke zwischen Russen und Amerikanern zu schlagen", erzählt Franco Bonacino, Sprecher des Generaldirektors der ESA. Und allen, die meinen, dass die NASA alles an sich gerissen habe, antwortet er, dass "eine internationale Kooperation niemals einfach ist; man muss das richtige Gleichgewicht finden, damit jeder auf seine Kosten kommen kann."

Die NASA konnte schließlich auch nicht alles allein machen und hat die Beteiligung Europas an der ISS sehr geschätzt. "Mit zwei zentralen Elementen ist diese Beteiligung beachtlich. Es handelt sich um das Columbus-Labor, das seit dem 11. Februar 2008 an die ISS montiert ist, und um den Weltraumfrachter ATV, der den Nachschub für die Raumstation sicherstellen soll. Das erste Exemplar, Jules Verne, hat seine Mission bereits am vergangenen 3. April erfolgreich ausgeführt."


Columbus, eine lange Geburt

"Columbus und der ATV sind die Ecksteine der europäischen Programme für die bemannte Raumfahrt", erklärt ESA-Sprecher Markus Bauer. Für Columbus beginnt die Geschichte im Januar 1985 in Rom mit der Verabschiedung des gleichnamigen Programms durch die ESA. Zu jenem Zeitpunkt ging man von der Konstruktion von drei Modulen aus: dem APM (Attached Pressurized Module), das an die Raumstation montiert werden sollte, dem Weltraumlabor MTFF (Man-tended Free-Flyer), das frei im Weltraum schweben sollte, um seine schwerelose Umgebung von der Masse der Station zu trennen, und eine autonome Plattform auf polarer Umlaufbahn für die Erdbeobachtung. Schließlich wurde nur das heute unter dem Namen Columbus bekannte APM-Modul genehmigt.

Dessen Konstruktion wurde in die Hände mehrerer europäischer Partner gelegt. Der italienische Flugzeugbauer Alenia erhielt den Auftrag für die mechanischen, thermischen und lebenserhaltenden Systeme. Das Unternehmen EADS Astrium Space Transportation sollte die Konzeption des Weltraumlabors Columbus und der Avioniksysteme übernehmen. Der Start des Drucklabors, eines Zylinders mit 4,5 m Durchmesser und 6,8 m Länge, war ursprünglich für 2004 geplant gewesen, aber wegen des schrecklichen Unfalls der amerikanischen Weltraumfähre Columbia, die im Februar 2003 über Texas explodiert war, wurde dieser um drei Jahre verschoben. Am 27. Mai 2006 wurde das in Bremen (DE) zusammengebaute Modul an Bord eines Beluga-Airbus zum Kennedy-Raumfahrtzentrum in Cape Canaveral, Florida, transportiert.

Am 7. Februar 2008 fliegt das Weltraumlabor Columbus schließlich mit der Weltraumfähre Atlantis zur ISS. Nach Erreichen seiner Zielposition in der Nähe der Station werden 12,8 Beiladung mithilfe des Roboterarms der ISS aus der Raumfähre Atlantis ausgeladen. Vier Tage später gelingt es den beiden ESA-Astronauten Hans Schlegel (DE) und Léopold Eyharts (FR) endlich, das Weltraumlabor Columbus an die Station zu montieren und es in Betrieb zu nehmen. Dennoch wird das Labor vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (DE) aus kontrolliert. Die Kosten für dieses europäische Forschungslabor belaufen sich, ohne Startkosten, auf 880 Mio. EUR, von denen 51 % von Deutschland, 23 % von Italien, 18 % von Frankreich und 8 % von den USA und Kanada gemeinsam bereitgestellt werden.


Die Wissenschaft des Weltraumlabors Columbus

Die Lebenserwartung dieses dritten ISS-Labors - nach den Labors der USA und Russlands - wird auf rund zehn Jahre geschätzt. "Danach soll Columbus aus der Umlaufbahn manövriert werden und im freien Fall in der Erdatmosphäre über dem Pazifik verglühen."(1) Von der Erde aus können die Forscher Tausende Experimente in der Schwerelosigkeit über Benutzerzentren oder sogar von ihrem Büro aus durchführen. In dem 75 m³ großen Zylinder haben drei Personen und zehn Standardforschungsmodule (International Standard Payload Racks - ISPR) sowie eine Art Laborschrank für wissenschaftliche Experimente (fünf für die NASA und fünf für die ESA) Platz. "Die NASA versorgt Columbus mit Energie, Telekommunikation, Robotik und Kühlung. Im Gegenzug hat sie Anspruch auf die Nutzung von 49 % des Labors."

Welche Experimente werden in den europäischen Standardforschungsmodulen durchgeführt? Das erste Modul ist ein Labor, in dem das Verhalten von Flüssigkeiten in Mikrogravität untersucht wird. Normalerweise führt Gravitation nämlich bei Flüssigkeiten zu Ablagerung, Schichtung und schwerkraftabhängigem Auftrieb, wodurch dynamische Phänomene, wie zum Beispiel der Massetransfer bei der Kristallisation, verdeckt werden. Von diesen Forschungen erwartet man eine Verbesserung bei der Fertigung von Produkten wie Halbleitern. Ein zweites Forschungsmodul ist der menschlichen Physiologie gewidmet. Wenn der Mensch sich zu neuen Abenteuern in die Weiten des Weltraums aufmachen will, muss man wissen, wie sein Körper auf eine längere Reise in der Schwerelosigkeit reagieren wird. Mit diesem Experiment wird auch unser Verständnis von altersbedingten Problemen, wie Muskelschwund oder Osteoporose, erweitert.

Mit dem dritten Modul werden Experimente an Mikroorganismen, kleinen Pflanzen oder auch Wirbellosen durchgeführt. Das Ziel ist es, die Auswirkungen der Mikrogravität auf das gesamte komplexe Spektrum des Lebens, von der einzelnen Zelle bis zum Menschen, zu erkunden. Ergebnisse werden für die Immunologie oder Zellbiologie erwartet, zum Beispiel für Reparaturprozesse von Zellen. Das vierte Modul enthält Schubladen, in denen verschiedene standardisierte Experimente untergebracht werden können, dies kann man als Aufbewahrungsort und als Arbeitsplatz nutzen. Außer den Forschungsmodulen wurden zwei weitere Elemente an der Außenseite von Columbus montiert. Eines dient der Beobachtung der Sonne und ihrer Strahlung in verschiedenen Wellenlängen, mit dem anderen können Experimente dem freien Weltraum ausgesetzt werden.

Trotz dieser verlockenden wissenschaftlichen Aussichten gibt es Stimmen, die einwenden, dass die an Bord der ISS durchgeführten Experimente auch auf der Erde möglich wären bzw. bei erheblich geringeren Kosten mithilfe von Parabelflügen, die für wenige Sekunden den Zustand der Schwerelosigkeit herstellen, oder mit einfachen Raketen ausgeführt werden können. "Columbus ist kein Ersatz für die auf der Erde verfügbaren Mittel, sondern ergänzt sie. Für manche Experimente sind stabile Bedingungen der Mikrogravität oder auch solche, die im freien Weltraum herrschen, erforderlich. Kein Flugzeug und keine Rakete können diese Versuchsbedingungen herstellen. Wie soll man die Anpassung des Menschen an die Schwerelosigkeit besser studieren als im All?" Die Argumente Franco Bonacinos sind genauso überzeugend: "Für die ISS werden nur 15 % des Jahreshaushalts der ESA benötigt, und wir haben bereits mehr Anfragen für Experimente, als wir wahrscheinlich durchführen können. Die Mehrheit der Wissenschaftsgemeinschaft scheint zufrieden zu sein."


Der Weltraumfrachter: eine Nabelschnur

Natürlich könnten weder die Astronauten noch die Experimente ohne eine Nabelschnur zur Erde überleben. Diese Funktion übernimmt der europäische Weltraumfrachter, der auch den europäischen Sachbeitrag zum Betriebsaufwand der ISS darstellt. "Es ist ein zu 100 % europäisches Projekt, mit dem uns eine Unabhängigkeit gegeben wurde, die wir bislang nicht hatten. Jetzt sind wir im Weltraum autonom - aber auch für eine Zusammenarbeit bereit, wenn diese notwendig ist."

Mit dem ATV kann Europa auch seiner eigenen Industrie Arbeit verschaffen, anstatt Gelder an die Partner zu überweisen. "Dank des ATV haben wir Schlüsseltechnologien erworben und entwickelt, wie zum Beispiel die Rendezvous-Manöver im Weltraum und die automatische Ankopplung. Damit erreicht die europäische Weltraumindustrie eine Spitzenstellung und kann für Jahrzehnte qualifizierte Arbeitsplätze schaffen und erhalten. Außerdem finden diese Technologien auch ihren Weg zu Anwendungen auf der Erde, zum Beispiel im Telekommunikationssektor oder in der Robotik. In diesem Sinn können sie auch als Triebfeder für andere Bereiche neben dem Weltraum betrachtet werden."

Die Projektleitung des ATV liegt in der Hand des Unternehmens EADS Astrium Space Transportation. Nicolas Chamussy, Direktor des Programms ATV Astrium, erläutert die Rolle des Unternehmens: "Nach einer Ausschreibung der ESA erhielt Astrium den Zuschlag für die Entwicklung des ATV sowie für die Herstellung und Tests des ersten Exemplars. Dazu gehörte unter anderem, auf der Grundlage der von der ESA vorgegebenen Spezifikationen das Fahrzeugkonzept auszuarbeiten, die Detailpläne zu erstellen und ein Industriekonsortium zu bilden, dem wir die Entwicklung und Herstellung der Teilkomponenten (Ausrüstung und Subsysteme) übertragen haben. Schließlich mussten in Kourou nur noch die letzten Details am Fahrzeug durchgeführt werden, um es für die 'Flugfreigabe' am Starttag klar zu machen, und es mussten der ESA die notwendigen Sachkenntnisse für den Flug vermittelt werden. Die aus dem Betrieb gewonnene Erfahrung kann auch in künftigen, noch ehrgeizigeren Projekten, beispielsweise für Mond- oder Marsmissionen, wiederverwendet werden. Insgesamt sind 30 Unternehmen aus zehn europäischen Ländern - plus acht russische und amerikanische Unternehmen - am ATV beteiligt.

Das ATV ist ein glatter, 10,3 m langer Zylinder mit einem Durchmesser von 4,5 m, der mit kreuzförmigen Sonnenkollektoren ausgestattet ist. Es kann 7,7 t Nutzlast aufnehmen und diese zur Station in 400 km Höhe transportieren. Damit ersetzt es den russischen Transporter Progress, der nur halb so viel Kapazität besitzt. Das ATV kann bis zu 100 kg Luft (Sauerstoff und Stickstoff) für die Atmosphäre an Bord der ISS, 840 kg Trinkwasser für die Mannschaft und Treibstoff für die ISS (UDMH und Stickstofftetroxid) sowie 4,7 t Treibstoff in seinen Tanks als Nutzlast mit sich führen. Dazu kommen weitere 4,5 Versorgungsgüter, die in einem Druckmodul transportiert werden.

Mithilfe von vier Hauptmotoren und 28 kleineren Triebwerken soll das API die ISS alle zehn bis 45 Tage in eine höhere Umlaufbahn anheben. Dies ist nötig, weil die Weltraumstation wegen der Reibung mit der Restatmosphäre der Erde pro Tag bis zu mehrere 100 m an Höhe verliert. Auch müssen manchmal Manöver durchgeführt werden, um Trümmern auszuweichen, die durch den Weltraum irren.


Jules Verne im Weltraum

Der erste Weltraumfrachter wurde am 9. März 2008 vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana mit einer Ariane-Trägerrakete gestartet. Vier weitere Exemplare sollen noch gebaut werden, wodurch alle 17 Monate ein neuer Start möglich sein wird. Nach dem Abwurf der Trägerrakete werden die Triebwerke des ATV gezündet und die Navigationssysteme aktiviert. Zur Annäherung an die Station besitzt das ATV ein hochpräzises Leitsystem, das von der russischen Firma RSC Energia geliefert wird. Nach drei bis fünf Tagen im Orbit (15 für Jules Verne) erreicht der Frachter die Station und unternimmt zwei Annäherungsversuche, während er zwei zusätzliche Runden auf der Umlaufbahn dreht.

Obwohl die Station und das ATV mit 28.000 km/h durch den Weltraum rasen, beträgt ihre relative Geschwindigkeit nur wenige Zentimeter pro Sekunde. Wenn ein Zusammenstoß droht, wird ein Notverfahren eingeleitet, entweder von der Bodenstation aus oder automatisch. Dabei werden die Triebwerke drei Minuten lang gezündet, um eine Notbremsung durchzuführen und den Frachter aus der 200-Meter-Zone rund um die Station zu entfernen. Dieses System wurde am 14. März 2008 erfolgreich mit Jules Verne getestet. Dieser hat am 2. April 2008 wie vorgesehen an die Station angedockt. Der Frachter wird sechs Monate lang an die ISS angekoppelt bleiben. Bis dahin wird er 6,4 t Abfall aufnehmen. Nachdem seine Luken geschlossen sein werden, wird er sich automatisch von der Station abkoppeln. Seine Triebwerke werden ihn in einem sehr steilen Winkel mit Kurs zur Erde schicken, wo er in einem festgelegten Bereich über dem Pazifik verglühen wird.


Das ATV der Zukunft

Auch über die fünf geplanten Exemplare hinaus ist das ATV sehr erweiterungsfähig. Es könnte zu einem automatischen Labor umgebaut werden, in dem angesichts seiner vergleichsweise geringen Masse noch bessere Bedingungen der Mikrogravität herrschen könnten. Es könnte für Wartungszwecke an die ISS ankoppeln, ein Konzept, das an jenes des MTFF erinnert. Im Notfall könnte es auch die Crew der ISS aufnehmen, die dort bis zur Ankunft einer Weltraumfähre oder einer Sojus ausharren könnte. Noch verwegener ist die Idee, mehrere ATV wie Waggons aneinanderzureihen und so eine Mini-Raumstation zu bilden. Aber die fantastischste Möglichkeit wäre, das All/zu einem Transportfahrzeug für die Weltraumerkundung weiterzuentwickeln. Es ist tatsächlich der leistungsfähigste Weltraumfrachter, der jemals gebaut wurde, und er könnte als Materialtransporter zu Mond- oder Marsumlaufbahnen eingesetzt werden. "Durch unsere Beteiligung an der ISS haben wir sehr viel über Kooperationen gelernt. Dies ist ein wichtiger Punkt für zukünftige internationale Weltraummissionen, der unseren Partnern auch unsere Verlässlichkeit demonstriert."

Der europäische Beitrag zur ISS über das Columbus-Modul bzw. das ATV ist letztendlich ein gutes Geschäft. Außer den zahlreichen Experimenten unter Mikrogravität, die im Weltraumlabor kontinuierlich durchgeführt werden, bedeutet der Bau des ATV für Europa auch, dass sich durch neue Fähigkeiten auch neue Möglichkeiten wie die der bemannten Raumfahrt eröffnen. Nun sind nur noch die Mittel in ausreichender Höhe aufzubringen, damit dieser Wettlauf für den Fortschritt im Weltraum auch zu Ende geführt werden und Europa alle Vorteile daraus ziehen kann.


Anmerkung
(1) Alle Zitate stammen - wenn nicht anders vermerkt - von Markus Bauer.


Ein paar Schlüsseldaten zur Konstruktion der ISS

November 1998:
Mit einer Proton-K-Rakete wird das russische Modul Sarja, das Antrieb und Startleistung der Station sicherstellen sollte, geliefert.

Dezember 1998:
Die Weltraumfähre Endeavour liefert den Verbindungsknoten und Koppelungsadapter Unity, mit dem die Verbindung zwischen den Wohn- und Arbeitsmodulen der ISS hergestellt wird.

Juli 2000:
Wohnanlage, die lebenserhaltenden Systeme, Datenverarbeitung sowie Flug- und Triebwerkskontrolle enthält.

Februar 2001:
Die Weltraumfähre Atlantis liefert das amerikanische Forschungslabor Destiny.

April 2001:
Die Endeavour liefert den kanadischen Roboterarm Canadarm2. Nach seiner Montage an der Station ermöglicht er das Be- und Entladen und unterstützt das Andocken der Weltraumfähren.

Juli 2001:
Die Atlantis liefert die Luftschleuse Quest, durch die der Aufenthalt außerhalb der Station von der amerikanischen Seite aus ermöglicht wird.

Februar 2003:
Die Columbia explodiert über Texas und verzögert die Lieferung von Columbus.

Oktober 2007:
Die Weltraumfähre Discovery liefert das Modul Harmony, das Lebensrettungssysteme enthält und die Verbindung zwischen den amerikanischen, europäischen und japanischen Laboren herstellt.

Februar 2008:
Die Atlantis liefert das europäische Weltraumlabor Columbus.

März 2008:
Die Atlantis liefert den ersten Teil des japanischen Labors Kibo. Eine Ariane setzt Jules Verne im Orbit ab.


Info
ATV, www.esa.int/SPECIALS/ATV/
Columbus, www.esa.int/SPECIALS/Columbus/


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 30 + 31: Montage des Columbus-Moduls: erster Weltraumspaziergang Schlegels während der Mission STS 122.

Abb. S. 32: 22. Mai 2006. Das in den EADS-Werken in Bremen fertiggestellte Columbus-Modul steht zur Verfrachtung zum Kennedy Space Center der NASA in Florida bereit.

Abb. S. 33: Montage einer Komponente am Kopf des Jules Verne mithilfe eines "fliegenden Steuers".

Abb. S. 33: Transfer des Weltraumlabors Columbus mit der Weltraumfähre Atlantis.

Abb. S. 33: Das ATV Jules Verne aus der ISS bei der Annäherung am 29. März 2008


*


Quelle:
research*eu Nr. 57 - Juni 2008, Seite 30 - 33
Magazin des Europäischen Forschungsraums
Copyright: Europäische Gemeinschaften, 2008
Herausgeber: Referat Information und Kommunikation der
GD Forschung der Europäischen Kommission
Chefredakteur: Michel Claessens
Redaktion: ML DG 1201, Boîte postale 2201, L-1022 Luxembourg
Telefon: 0032-2/295 99 71, Fax: 0032-2/295 82 20
E-Mail: research-eu@ec.europa.eu
Internet: http://ec.europa.eu./research/research-eu

research*eu erscheint zehn Mal im Jahr und wird auch
auf Englisch, Französisch und Spanisch herausgegeben.


veröffentlicht im Schattenblick zum 14. Januar 2009