Ins oberste Stockwerk, bitte!

Auf der zweiten "Space Elevator Conference" beraten Wissenschaftler und Techniker über den Bau eines Weltraumfahrstuhls

Die Idee ist so abenteuerlich wie einleuchtend: Im geostationären Orbit in etwa 36.000 Kilometer Höhe kreisen Objekte in der gleichen Zeit um die Erde, in der diese sich um ihre eigene Achse dreht. In der Ebene des Äquators scheinen Satelliten daher über einem Punkt des Erdbodens still zu stehen. Theoretisch wäre es demnach möglich, zwischen den beiden Punkten ein Kabel zu spannen, an dem entlang ein Fahrstuhl den Transport ins All ausführen könnte.

Weltraumfahrstuhl. Bild: Nasa

Erstmals formulierte der russische Ingenieur Juri N. Artsutanow diesen Gedanken im Jahr 1960 in der Sonntagsbeilage der Zeitung "Prawda". Der Artikel fand allerdings außerhalb der Sowjetunion nur wenig Aufmerksamkeit, ebenso wie die 1966 in "Science" publizierten Gedanken des amerikanischen Ozeanographen John Isaacs. Erst der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke verschaffte dem Konzept des Weltraumfahrstuhls einige Popularität mit seinem 1979 verfassten Roman "Fountains of Paradise" (deutsch: "Fahrstuhl zu den Sternen").

Inzwischen hat sich der Orbitallift nicht nur als SF-Thema etabliert, sondern wird ernsthaft erforscht. Die neuesten Erkenntnisse werden vom 13. bis 15. September in Santa Fe auf der Second Space Elevator Conference präsentiert, die mit einem live aus seiner Heimat Sri Lanka übertragenen Grußwort Clarkes eröffnet wird.

Clarke beantwortete die Frage, wann die Idee realisiert werden könnte, einmal mit den Worten: "Wahrscheinlich 50 Jahre nachdem alle aufgehört haben zu lachen." Die optimistischsten Schätzungen kommen mittlerweile zu dem Ergebnis, dass wir bereits in 15 Jahren mit dem Fahrstuhl ins All gelangen könnten.

Einer dieser Optimisten ist Bradley Edwards vom Institute for Scientific Research in Fairmont, West Virginia, der das Konzept im Auftrag der NASA seit einigen Jahren erforscht. In einer kürzlich vorgelegten Studie, die er selbst als die "erste wirklich quantitative Überprüfung des Konzepts eines Weltraumlifts" bezeichnet, kommt er zu dem Ergebnis, dass ein solcher Lift für etwa 10 Milliarden US-Dollar gebaut werden könnte. Damit könnten die Transportkosten ins All, ausgehend vom heutigen Niveau, um mehr als das Hundertfache auf etwa 200 US-Dollar pro Kilogramm reduziert werden. Die für den Bau erforderlichen Technologien seien vorhanden, mit Ausnahme des für die tragende Struktur benötigten hochstabilen Materials.

Unsere Studie hat außerdem ergeben, dass sich dieses Material in Entwicklung befindet und voraussichtlich in zwei Jahren zur Verfügung stehen wird.

Bislang gibt es keinen Stoff, aus dem sich ein mehrere zehntausend Kilometer langes Kabel fertigen ließe. Ein solches Kabel müsste eine Zugfestigkeit von etwa 100 Gigapascal haben, das ist eine Kraft, die ungefähr dem 10-Millionenfachen des atmosphärischen Drucks entspricht. Die Lösung sieht Edwards in den 1991 von dem Japaner Sumio Iijima entdeckten und seitdem intensiv erforschten Kohlenstoff-Nanoröhren.

Nanoröhren sind winzige Zylinder aus aufgerollten Kohlenstoffplättchen, auf denen die Kohlenstoffatome wie Bienenwaben in regelmäßigen Sechsecken angeordnet sind. Der Durchmesser dieser Röhren liegt im Bereich von wenigen Nanometern, ihre Länge dagegen kann bei heutigen Fertigungsmethoden bis zu einem Millimeter, also dem Millionenfachen, betragen. Damit sind Nanoröhren die größten derzeit bekannten Objekte rein molekularer Natur. Aufgrund ihrer ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften wie auch ihrer extremen Stabilität gelten sie als Baustoff des 21. Jahrhunderts.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Die Frage ist, ob und wann sich Nanoröhren in der benötigten Menge zu vertretbaren Kosten produzieren lassen. Auch für ihre Verarbeitung zu stabilen Faserverbundstoffen müssen erst noch Verfahren entwickelt werden. Das gegenwärtige Tempo der Forschung aber lässt Edwards hoffen, dass ein geeignetes Material bereits in den zitierten zwei Jahren zur Verfügung stehen kann.

Noch vor vier Jahren hatte ein wissenschaftlicher Workshop am Marshall Space Flight Center (MSFC) der NASA in Huntsville, Alabama, den Weltraumlift als Projekt für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts, also deutlich später als Edwards, bezeichnet. Die erwarteten Transportkosten ins All bezifferten die hier versammelten Wissenschaftler dagegen mit weniger als 10 US-Dollar pro Kilogramm um mehr als eine Größenordnung günstiger. Der Bericht von diesem Workshop gibt einen guten Überblick über das Design eines Fahrstuhls ins All.

Umgebaute Ölinsel als Bodenstation. Bild: Brad Edwards and HighLift Systems

Als Bodenstation soll eine künstliche Insel in internationalen Gewässern auf Äquatorhöhe dienen, entweder frei schwimmend oder am Meeresboden verankert. Das erscheint zum einen aus rechtlichen Gründen ratsam, da ein solches Projekt wahrscheinlich nur in internationaler Kooperation realisierbar ist. Zum anderen mindert die Lage an einem entfernten Ort im Ozean das Schadensrisiko im Fall eines katastrophalen Zusammenbruchs der Struktur. Wahrscheinlich hätte die Bodenstation die Gestalt eines kleinen Touristenortes, mit Flughafen, Promenade, Hotels und Geschäften.

Das zentrale Bauwerk ist jedoch ein gigantischer Turm, der mehrere Kilometer bis in die dünneren Schichten der Atmosphäre aufragt. Von dessen Spitze erstrecken sich mehrere Kabel bis zur Raumstation in 36.000 Kilometern Höhe und weiter. Der Entwurf des Workshops sieht sechs Stränge vor, an denen sich elektromagnetisch betriebene Fahrzeuge kontinuierlich in beiden Richtungen bewegen, drei für den Transport von Menschen und Fracht sowie drei Wartungsfahrzeuge.

Vision eines Climbers. Bild: Institute for Scientific Research

Damit die Raumstation den Schwerpunkt der gesamten Anlage bildet, sieht das Konzept des MSFC-Workshops ein Gegengewicht in 47.000 Kilometern Höhe vor, etwa in Gestalt eines kleinen Asteroiden. Von dort aus könnten Passagiere und Nutzlasten auf Transferorbits zum Mond oder zu anderen Planeten gebracht werden.

Die Konstruktion der Seilstrukturen könnte zunächst an kleineren Weltraumfahrstühlen erprobt werden, deren Schwerpunkt in einer erdnäheren Umlaufbahn liegt. Das untere Ende ist dann nicht fest mit dem Erdboden verbunden, sondern würde beispielsweise in 150 Kilometern Höhe von Hyperschallflugzeugen angeflogen werden, um die Nutzlasten oder Passagiere dort umzuladen. Die könnten dann mithilfe des Fahrstuhls weiter in einen höheren Orbit reisen und erneut umsteigen, um mit relativ geringem zusätzlichen Schub zu ferneren Zielen, etwa zum Mond oder zum Mars, zu gelangen. Dort könnten ähnliche Fahrstühle wiederum die Landung erleichtern.

Anders als Fahrstühle in konventionellen Gebäuden, könnte ein Weltraumlift nicht mithilfe von Antriebsrädern an Kabeln in die Höhe gezogen werden. Erforderlich ist vielmehr eine wartungsarme, möglichst berührungslose Fortbewegung ohne bewegliche Teile. Die Kabinen werden daher voraussichtlich mit einer den Magnetschwebebahnen vergleichbaren Technik auf hohe Geschwindigkeiten von mehreren tausend Kilometern pro Stunde beschleunigt werden, um die Reisezeit in den geostationären Orbit auf einige Stunden zu begrenzen.

Andere Anwendungsgebiete dieser Technologie sind mehrere Kilometer lange, leicht nach oben geneigte Startrampen, die Raumschiffen ihren Anfangsschub verleihen und quasi wie eine fest installierte erste Stufe fungieren. Solche Startsysteme, an denen heute bereits gearbeitet wird, könnten die Transportkosten ins All und damit auch die Baukosten eines Weltraumlifts erheblich reduzieren. Sie könnten seinen Bau allerdings auch komplett überflüssig machen.

Bislang ist keinesfalls einigermaßen zuverlässig abgeschätzt, ob der Bau eines Weltraumfahrstuhls tatsächlich Kostenvorteile bringen würde. Bis er seinen Betrieb aufnehmen kann, könnten andere wiederverwendbare Transportsysteme entwickelt worden sein, die eine ebenso günstige oder sogar günstigere Beförderung zum geostationären Orbit ermöglichen. Die für den Bau des Fahrstuhls erforderlichen leichten, widerstandsfähigen Materialien können schließlich auch für neue Raumschiffe verwendet werden.

Auf jeden Fall wird der Weltraumlift kaum als gigantisches Bauprojekt in einem Zug entstehen, sondern er müsste stufenweise gebaut werden. Jede einzelne Stufe muss dabei technisch und wirtschaftlich für sich stehen können. (Hans-Arthur Marsiske)

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