Die Spaceline – ein neuartiger Zugang zur Mondoberfläche?

Der „Weltraumaufzug“ ist eine kreative Idee, die den Zugang zum Weltraum zu revolutionieren sollte. In einer ersten Variante wurde er bereits vom Raketenpionier Konstantin Ziolkowski 1895 vorgeschlagen, doch in seiner modernen Variante wird er seit ca. 1959 diskutiert. Dabei soll von einer Station im geostationären Orbit (in ca. 36’000 km Höhe, wo die Umlaufszeit um die Erde exakt einen Tag beträgt) ein Seil zur Erdoberfläche hinunter gelassen werden, während ein zweites Seil nach oben abgespult würde, optional mit einem Gegengewicht. Das Gewicht des nach unten hängenden Seils, und die Zentrifugalkraft des nach aussen abgespulten Seils (und des Gegengewichts) halten sich dabei exakt die Waage, so dass das System stabil bleibt: nun hat man, zumindest in der Theorie, ein von der Erdoberfläche her aufsteigendes, stehendes Seil, an dem dann z.B. solarbetriebener Lift in die Erdumlaufbahn aufsteigen könnte.

Das Problem bei diesem Konzept ist, dass die Zugkräfte im Seil gewaltig sind – sie übersteigen die maixmale Zugkraft aller heute verfügbaren Materialien. Eine theoretische Ausnahme stellen Kohlenstoff-Nanoröhrchen dar, aber diese können bisher höchstens in Längen von bis zu ca. 30 cm gefertigt werden. Aus diesem Grund ruht die Idee gegenwärtig in der „Theoretisch interessant, praktisch nicht umsetzbar“-Schublade. Obwohl das Thema gelegentlich wieder thematisiert wird, sind Raketen bis heute das einzige praktische Mittel geblieben, um von der Erdoberfläche aus den Weltraum zu erreichen – und das wird wohl auch in absehbarer Zukunft so bleiben.

Ein Team von zwei Wissenschaftlern aus Grossbritannien und den USA schlägt nun in einem arxiv-Preprint eine neue Variante des Weltraumlifts vor: die „Spaceline“. Im Gegensatz zum klassischen Weltraumaufzug setzt die Spaceline nicht an der Erdoberfläche, sondern an der Mondoberfläche an. Statt des geostationären Orbits hat sie den L1-Punkt (von Lagrange-1), ein Punkt zwischen Mond und Erde, an dem sich deren Gravitationskräfte die Waage halten, als Zentrum. Dieser befindet sich etwa 85% des Weges von der Erde zum Mond, 326’000 km von der Erde und ca. 58’000 km vom Mond entfernt. Im Gegensatz zum Weltraumaufzug ist die Spaceline mit heute verfügbaren Materialien (wie etwa Kevlar und Dyneema) umsetzbar.

Die Idee ist zwar nicht ganz neu: schon früher hatten andere vorgeschlagen, Weltraumaufzüge auf dem Mond oder Mars (oder anderen Himmelskörpern mit passenden Rotationseigenschaften: auf Venus und Merkur etwa sind sie nicht möglich weil die Länge des Aufzugs wegen der geringen Rotationsgeschwindigkeit grösser wäre als die Distanz dieser Planeten zur Sonne!) zu errichten. Die beiden Wissenschaftler sprechen dann in ihrer Arbeit auch von einer unabhänigigen Entwicklung der Idee. Doch mal unabhängig von der Frage der Originalität: was wären die Vorteile und Herausforderngen einer solchen Konstruktion, und könnte sie eine Alternative zu heutigen Mondplänen (mit Orbitalstationen und Landern) darstellen?

Zunächst einmal, wie schwer wäre das ganze Seil? Dies entscheidet zunächst einmal darüber, ob die Idee in naher Zukunft praktisch umsetzbar ist. Die beiden Wissenschaftler zeigen auf, dass die totale Masse des Seils vom gewählten Durchmesser abhängt. Die Masse für ein minimales „Pionier-Seil“ mit einem Durchmesser von ca. 0.4 mm beträgt total etwa 40 Tonnen. Das ist ein sehr vernünftiger Wert, etwa im Umfang der geplanten „Gateway“ Station der NASA, oder so schwer wie zwei Apollo-Mondlander zusammen. Eine solche Nutzlast könnte z.B. von einer SLS-Rakete (vom Block 1B, deren Entwicklung allerdings gegenwärtig gestoppt wurde) oder von einer SpaceX Superheavy/Starship in einem Flug transportiert werden – oder aber, in mehreren Teilen von bereits heute existierenden Schwerlastraketen wie der SpaceX Falcon Heavy.

Die beiden Wissenschaftler zeigen auch, dass das masseneffizienteste und gleicheitig praktikable Seil eines wäre, welches zunächst (in erdnähe) einen konstanten Durchmesser hätte. Oberhalb einer bestimmten Distanz zur Erde (die von den genauen Materialeigenschaften abhängt), würde es dann zunehmend breiter, um mehr Zugkraft aushalten zu können. Am dicksten wäre das Kabel im L1-Punkt (wo die Zugkraft auch am höchsten ist), danach würde der Durchmesser mit abnehmender Distanz zum Mond wieder geringer werden und könnte – wieder abhängig von Materialeigenschaften – nahe der Mondoberfläche wieder einen konstanten Durchmesser aufweisen.

Wie würde die Spaceline genutzt, um Material zum Mond zu bringen? Das untere Ende des Seils berührt die Mondoberfläche oder würde sogar dort verankert. Grundsätzlich könnte also jeder „Climber“ (ein solarbetriebener Lift), der irgendwo auf dem Seil abgesetzt wird, zur Mondoberfläche auf- bzw. absteigen (alles eine Frage der Perspektive…). Da das Seil nicht bis zur Erdoberfläche hinunter reicht, muss das erdnahe Seilende allerdings mit anderen Mitteln erreicht werden, zum Beispiel mit einer Rakete. Die Autoren zeigen, dass der energetische Aufwand, um das Seil zu erreichen, oberhalb des Geostationären Orbis bis zu 30% geringer wäre jener, der nötig ist, um einen zirkulären Orbit auf gleicher Höhe zu erreichen. Und natürlich weit geringer als der energetische Aufwand, der nötig ist, um die Mondoberfläche selbst mit einem Raketenantrieb zu erreichen.

Trotzdem gibt es Einschränkungen: das Seil darf nicht zu sehr durch zusätzliche Nutzlasten belastet werden, damit das Zentrum nicht zu sehr vom Gleichgewichtspunkt im L1 ausgelenkt und instabil wird. Die Autoren berechnen, dass das Seil in seiner minimalen Variante im geostationären Orbit mit nicht mehr als 2 Tonnen zusätzlich belastet werden darf. An dem Punkt, an dem der kleinste Energieaufwand nötig ist (ca. 25 Erdradien oder 160’000 km von der Erde entfernt), sind es sogar 6 Tonnen – je näher zum L1, desto mehr zusätzliches Gewicht kann das Seil tragen. Doch auf der anderen Seite von L1, wo sich das Seil der Mondoberfläche nähert, sinkt die Tragfähigkeit wieder schnell – an der Mondoberfläche selbst sind es nur noch ca. 100 kg.

Das heisst, das „Pionier-Seil“ (40 Tonnen) könnte nur relativ kleine Massen auf dem Mond absetzen oder von dort holen. Die Spaceline wäre aber sehr praktisch, um im L1-Punkt ein „Basis-Lager“ bzw. eine ausgedehnte Raumstation aufzubauen. Wenn diese erst einmal gebaut ist, so die Autoren, liesse sich in einem zweiten Schritt auch das Seil verbreitern, so dass der Abstieg zur Mondoberfläche z.B. für eine kleine Besatzung machbar würde.

Ein weiteres (wenn auch nicht unlösbares) Problem wäre, dass das Rendezvous der Transfer-Rakete mit dem Seil eine hastige Angelegenheit wäre: da die Transfer-Rakete auf einem Orbit ist, das Seil jedoch nicht, gibt es nur einen einzigen Punkt in Zeit und Raum, wo die beiden relativ zueinander still stehen. Es wäre in etwa so, wie wenn ein Zirkusakkrobat von einem Trampolin hoch springt, um einer weit oben im Zelt hängenden Kollegin einen Gegenstand zu übergeben: er hat dafür genau eine Chance, bevor er wieder zurück fällt. Weil die Umlaufzeit des Transfer-Orbits kleiner ist als jene der Erde, wäre er beim nächsten Aufstieg (im Gegensatz zum Akkrobaten) an einem ganz anderen Punkt im Raum.

Das grösste Problem mit diesem Konzept sehe ich aber in der Kollision mit künstlichen und natürlichen Kleinstteilchen. Im untersten Bereich des Seils ist es vor allem Weltraumschrott, der mit dem Seil kollidieren könnte – das Seil bewegt sich auf der Höhe des geostationären Orbits nur mit ca. 100 m/s, während die geostationären Satelliten mit 3 km/s unterwegs sind. Oberhalb des geostationären Orbits gibt es kaum noch Weltraumschrott – dort sind natürliche Mikrometeoriten (oder vermutlich korrekter „Mikrometeoroiden“) die grössere Gefahr für das Seil. Bei konstant 0.4 mm Durchmesser hat das Seil eine Querschnittsfläche von etwa 130 Quadratmetern (mehr wenn es in der Mitte dicker ist).

Eine solche Fläche wird etwa einmal pro Jahr von einem Mikrometeoroiden von 0.4 mm Durchmesser durchflogen (Quelle: Formel 2-2 in dieser Arbeit) – es erscheint also sehr plausibel, dass das „Pionier-Seil“ nicht lange halten würde. Je grösser der Seildurchmesser, desto kleiner wird dieses Problem: die Fläche steigt zwar, aber die Häufigkeit des Micrometeoroiden, der gerade noch das Seil durchschlagen kann, fällt viel schneller ab, zudem nimmt die Masse des Seils, die durch die Kollision verdampft werden muss, schneller zu als die Fläche. Eine grosse Spaceline ist also eine gute Idee – für eine etwas fernere Zukunft.

So wie es aussieht, werden wir auf absehbare Zeit weiter mit Raketen zum Mond fliegen müssen.

Update 29.09.2019: Konstantin Ziolkowski wird jetzt oben etwas weniger falsch geschrieben.