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Es müssen nicht immer Raketen sein – manchmal tut es ein einfaches Seil. Nach einem Prinzip, das in den 50er Jahren durch Arthur C. Clarke berühmt wurde, wollen amerikanische Firmen das erste Orbitalseil bauen – und damit die Weltraumfahrt revolutionieren.
Vielleicht habt ihr schon einmal vom indischen Seiltrick gehört – ein indischer Strassenzauberer (Fakir) wirft ein Seil in Richtung Himmel, doch anstatt wieder herunter zu fallen, bleibt es oben, ohne dass es von irgend was festgehalten würde. Dann klettert ein Junge daran hoch, verschwindet in den Wolken, das Seil trägt ihn scheinbar mühelos. Der Fakir folgt ihm, mit einem Messer bewaffnet, und bald darauf fallen Körperteile (jene des Jungen) in einen Korb neben dem stehenden Seil. Dann kommt der Fakir wieder herunter, legt ein Tuch über den Korb, und siehe da, der Junge entsteigt dem Korb völlig unverletzt, das Publikum tobt, die Vorstellung ist gelungen (Tatsächlich wurde dieser „Trick“ nachweislich von einer amerikanischen Zeitung in die Welt gesetzt, die hoffte, damit ihre Auflage zu stärken).
Erstaunlicherweise gibt es den indischen Seiltrick wirklich – er ist zwar nicht ganz so blutig, dafür aber könnte er unsere Zukunft entscheidend beeinflussen. Das ganze nennt sich Orbitalseil, manchmal auch Weltraumlift.
Schon in der Frühzeit der Raumfahrt fragte man sich, ob es denn möglich wäre, einen so hohen Turm zu bauen, dass seine Spitze ausserhalb der Atmosphäre zu liegen käme. Von dort aus liessen sich dann Satelliten und Raketen wesentlich einfacher (und ohne Luftreibung) starten, stellte man sich vor. Das Problem mit den hohen Türmen ist die Statik, die irgendwann versagt, und es verbietet, immer noch höhere Türme zu bauen. Doch wie steht es mit Seilen?
Diese Idee erscheint zunächst unlogisch: wie soll sich ein Seil ohne weitere Hilfe in der Luft halten können? Um das zu erklären, muss ich etwas ausholen.
Die Bewegung eines Objekts in Bezug auf die Erde hängt im luftleeren Raum von zwei Dingen ab. Einerseits von der Gravitation der Erde, die das Objekt in Richtung Erde ziehen möchte. Anderseits die Fliehkraft, die sich (wie bei einer Steinschleuder) aus der hohen Geschwindigkeit des Objekts ergibt und die es von der Erde wegziehen möchte. In einer Erdumlaufbahn, wie etwa jene, in der sich die internationale Raumstation ISS oder das Space Shuttle jeweils befinden, heben sich diese beiden Kräfte exakt auf – daher die Schwerelosigkeit. Die dazu erforderliche Geschwindigkeit hängt von der Entfernung zur Erde ab und wird „Orbitalgeschwindigkeit“ genannt. Ein Objekt, das sich schneller als mit Orbitalgeschwindigkeit bewegt, wird sich von der Erde entfernen, weil die Fliehkraft über die Gravitationskraft überwiegt. Im Gegensatz dazu wird ein Objekt, das sich langsamer als Orbitalgeschwindigkeit bewegt, auf die Erde zufallen, weil hier die Gravitationskraft über die Fliehkraft überwiegt.
Diese Orbitalgeschwindigkeit hängt, wie schon erwähnt, von der Entfernung zur Erde ab. In der Höhe, in der die ISS und das Space Shuttle kreisen, beträgt sie etwa 8 Kilometer pro Sekunde. In der Entfernung, in der die geostationären Fernseh- und Kommunikationssatelliten kreisen, beträgt sie nur noch etwa 3 Kilometer pro Sekunde, und der Mond kreist mit nur noch einem Kilometer pro Sekunde um die Erde. Die geostationären Satelliten heissen so, weil sie für eine Umkreisung der Erde genau 24 Stunden brauchen, also gleich lang, wie die Erde braucht, um sich einmal um sich selbst zu drehen – deshalb sind sie in Bezug auf die Erde (geo-) stationär, das heisst, sie stehen, von der Erde aus gesehen, immer am gleichen Punkt über dem Boden.
Aus diesem geostationären Orbit beginnen wir nun, ein Seil in Richtung Erde abzuwickeln. Da das untere Ende des Seils sich nicht schneller bewegen kann, als das obere Ende, wirkt auf das Seil bald eine Kraft in Richtung Erde, denn das untere Seilende bewegt sich langsamer als mit Orbitalgeschwindigkeit, wodurch die Gravitation an diesem Seilende überwiegt. Glücklicherweise gibt es aber eine Art, diesen Effekt zu kompensieren: wir bauen einfach auch ein Seil in die andere Richtung, von der Erde weg. Das erdferne Seilende bewegt sich nun zu schnell, verglichen mit der Orbitalgeschwindigkeit (die ja nach aussen immer mehr abnimmt, wie wir soeben gesehen haben). Damit ergibt sich eine Nettokraft nach aussen. Die beiden Kräfte, jene des unteren Seilendes, die nach unten zieht, und jene des oberen Seilendes, die nach oben zieht, gleichen sich exakt aus. Wir bauen nun das untere Seilende weiter in Richtung Erde, und das äussere weiter hinaus in den Weltraum, wobei wir immer darauf achten, dass sich die Kräfte die Waage halten. Wir beenden die Bauarbeiten, wenn das untere Seilende die Erdoberfläche berührt. Der Seiltrick ist geschafft!
Nun kann das Seil als Lift benützt werden, um Güter und Menschen vom Erdboden hoch hinauf in den Weltraum zu transportieren. Dies ist wesentlich günstiger als mit Raketen: der Kilopreis würde von heute über 10’000 Dollar auf 100 Dollar fallen: plötzlich könnten auch Staaten mit bescheidenen Geldmitteln Raumstationen bauen. Weltraumtourismus wäre billig und für alle verfügbar. Mit der Zeit könnten dutzende oder hunderte dieser Seile gebaut werden, und man könnte grosse Mengen an Material ins Weltall schaffen. Am oberen Ende des Seils angekommen, bräuchten einmal gebaute Raumschiffe das Seil bloss im richtigen Moment loszulassen, und würden dann allein von der Fliehkraft zu ihrem fernen Ziel im Sonnensystem geschleudert. All die Weltraumträume wären plötzlich in greifbarer Nähe.
Nun, ganz so einfach ist es leider nicht. Zunächst einmal gilt es, ein Material zu finden, dass diesen gewaltigen Kräften gewachsen ist. Das Seil ist über 100’000 Kilometer lang – und muss eine gewaltige Zugkraft aushalten. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass sogenannte Nanotubes (winzige Röhrchen aus Kohlenstoffatomen) gerade fest genug sein könnten, um den Bau eines solchen Seils zu ermöglichen.
Dann stellt sich die Frage, wer dieses Seil bauen würde und für welche Zwecke es gebraucht werden würde. Wer bekommt Zugang zum Weltraum? Wird die Bodenstation des Seils nicht plötzlich einen hohen strategischen Wert bekommen? Wer wird sie gegen Angriffe verteidigen? Was wird der Verteidiger dafür fordern?
Was passiert, wenn das Seil reisst? Der obere Teil des Seils würde in diesem Fall davon geschleudert und auf nimmerwiedersehen in den interplanetaren Raum geschleudert. Der untere Teil des Seils würde auf die Erde zurück fallen und zu einem grossen Teil in der Atmosphäre verglühen. Lediglich die untersten Kilometer des Seils könnten lokalen Schaden anrichten. Deshalb ist auch geplant, die Basisstation des Seils im offnen Meer zu bauen, etwa als schwimmende Plattform.
Bei allen Schwierigkeiten: das Orbitalseil hat eine grosse Zukunft, wenn es gelingt, die bestehenden Probleme zu überwinden. Orbitalseile sind nicht nur bei der Erde möglich: auch beim Mond ist ein solches denkbar, allerdings nach ein bisschen anderen himmelsmechanischen Prinzipien. Auch auf dem Mars könnte ein solches Seil gebaut werden. Das Seil könnte auch genutzt werden, um wertvolle Metalle, die auf dem Mond oder im Asteroidengürtel abgebaut wurden, unbeschadet und günstig auf die Erde hinunter zu bringen. Das Sonnensystem könnte zur neuen Rohstoffkammer der Erde werden.
Webseite zum Thema
Eine Webseite der NASA zum Thema
Der englische Wikipedia-Eintrag
Die Firma, die bis 2010 einen Weltraumlift bauen will
elevator2010.org will den Weltraumlift bis 2010 realisieren
Hier ein Link zu einem Bericht über ein neuartiges Material namens „Aerographit“. Der Artikel ist sehr interessant und evtl. wäre dieses Material ja zum Bau eines Orbitalseiles geeignet (sehr geringes Gewicht bei gleichzeitig sehr hoher Belastbarkeit und Leitfähigkeit). Was meinen die Physikexperten dazu? ;D
http://www.welt.de/regionales/hamburg/article108312386/Ultraleichtes-Material-befluegelt-Forscherfantasien.html
Carbon-Nanotubes sind ja schon interessante Dinge.
Sie wären genug belastbar um es realisieren zu können.
Ein weiteres Problem stellt ja die Energieversorgung dar.
Bis 100 km höhe sollte die Energieversorgung ja kein Problem darstellen, da bis da die elektrischen Verluste klein wären. Ich weiss jetzt gerade nicht, wie die Eigenschaften von Carbon-Nanotubes kombiniert werden können, eine solche Eigenschaften wäre eine sehr gute Leitfähigkeit(besser als Kupfer).
Ab 100 km sehe ich 2 andere Konzepte. Auf der einen Seite könnte man bei 100 km Solarzellen ausfahren. Da der Platz sehr knapp ist, müssten es Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad sein.
Einfacher wäre natürlich, wenn sich die Eigenschaften von Carbon-Nanotubes kombinieren liessen: Diese können bei niedrigen Temperaturen supraleitend sein. Da müsste aber noch geklärt werden, ob sie sich kombinieren lassen ohne an Stabilität einzubüssen und ob die Temperaturen genug niedrig sind.
@Bynaus
könnte man die gesamte Einheit (also Raumstation bzw. Gegengewicht, Seil und schwimmende Bodenstation) entlang des Äquators bewegen? Das ganze bringt in Summe ja sicher einges auf die Waage (wieviel eigentlich?). Denke man nur an zwei Satelliten, die sämtliche Berührungsängste überwinden oder Frauen, die beim Weltraumspaziergang ihre (Werkzeug)tasche verlieren. Solls ja alles schon gegeben haben. Die Möglichkeit einer außer Kontrolle geratenen, fliegenden Werkzeugkiste ausweichen zu können ist bestimmt kein Nachteil.
P.S.: Ich habe deine Seite erst vor kurzem entdeckt und finde sie sehr gelungen – ein wahres Schlaraffenland für all jene, die sich für solcherlei \“Milch und Honig\“ interessieren!
Also vielen dank für deine Mühe und viele Grüße
Oliver
siehe auch H.O.Ruppes 2 Bände über Raumfahrt von 1981
@Bynaus,
ich hab die Tage gelesen das es noch was besseres geben soll Ethen/ KNR-Seile. Das Zeug heist Graphen, eng. Graphene
kannst du nicht vll darüber was schreiben, als Erweiterung dieses Artikels?
Das Zeug scheint die kühnsten Träume zu übersteigen.
Ja, die Sache mit dem Gegengewicht ist natürlich eine Alternative. Allerdings, wenn man ein langes Seil baut, dann kann man daran emporklettern, um Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen – was meiner Meinung nach ein bestechender Vorteil ist.
Warum denn gleich ein zweites Seil in die Gegenrichtung?
Wäre es nicht weniger aufwendig(in Anbetracht der warscheinlichen Materialkostenunterschiede) ein größeres Gewicht(z.B.eine Raumstation von der das Seil heruntergelassen wird)zu Beginn auf Geostationärem Orbit zu halten und ihren Orbit in geringerem maße(in Bezug auf die ausgebrachte Seillänge) zu erhöhen (so das die Größere Masse die geringere Entfernung und somit geringere Radialbeschleunigung ausgleichen würde)?
Ja, du hast recht, es wirkt eine Kraft entgegen der Rotationsrichtung der Erde, während die Nutzlast aufsteigt. Aber: die Masse der Nutzlast ist gegenüber der Masse des Seils winzig: somit dürfte sie kaum dazu führen, dass das Seil gleich die Erde umwickelt.
Würde man dafür sorgen, dass stets etwa gleich viel Material zur Erde heruntergebracht wird wie hinauf, würden sich die Effekte kompensieren. Für den Austausch von Manschaften oder Touristen in der Geostationären Station reicht das also, für den Nettotransport von Material nach oben müsste man das obere Seilende bzw. das Gegengewicht mit Raketen beschleunigen. In einer späteren Phase könnte man dann Material vom Mond oder den Asteroiden (z.B. abgebaute Rohstoffe) gegen Material von der Erde (Raumschiffe, Raumsonden etc.) tauschen.
Am Äquator ist die Corioliskraft Null bei Bewegung nach Norden oder nach Süden. Aber selbstverständlich tritt sie auch am Äquator auf bei Bewegung senkrecht zur Erdoberfläche. Die Corioliskraft tritt in jedem rotierenden Bezugssystem auf, wenn ein Körper sich bewegt und dabei innerhalb dieses rotierenden Systems seinen Drehimpuls verändert.
Deswegen muss das Seil am oberen Ende der Transportstrecke entweder durch einen gewaltigen Turm verankert werden, oder Triebwerke an diesem Ende müssen den durch die transportierte Masse auf das Seil übertragenen Drehimpuls ausgleichen.
Das Seil wird in der Äquatorebene der Erde senkrecht nach oben gebaut – dort gibt es keine Corioliskräfte (siehe dazu die Definition der Corioliskraft unter de.wikipedia.org/wiki/Coriolis-Kraft).
Sowohl beim Bau des Seils als auch dann im Betrieb, wenn Material nach oben ober nach unten transportiert wird, treten Corioliskräfte auf. Anders ausgedrückt: Der Drehimpuls ist an jeder Stelle des Seils ein anderer. Da das Seil nur auf der Erde verankert werden kann, werden sich diese Kräfte bis zum anderen Ende des Seils forpflanzen. Je nach der Masse, die netto entweder nach oben oder nach unten transportiert wird, wird sich das Seil in der einen oder anderen Richtung letztendlich um die Erde biegen oder gar wickeln. Und beim Bau des Seils beschreibt dieses zunächst ein gigantisches \“S\“, das erstmal gestreckt werden müsste.
Bedenke, dass das Wettergeschehen sich unterhalb von 10 km abspielt: gemessen an den 100000 km des Seils macht das fast nichts aus (0.01%) – das Seil gerät dadruch nicht gross ins Schlingern. Mikrometeoriten sind ein Problem, allerdings ein lösbares, zumindest wenn es nach den Firmen geht, die diese Seile entwickeln. Die Seile werden recht breit (und flach) werden, also eher so eine Art Band darstellen. Es dürfte recht selten vorkommen, dass das Seil parallel zur Bandfläche von einem Mikrometeoriten getroffen wird. Wenn es runterfällt, richtet es kaum Schaden an: es ist relativ dünn, das heisst, es hat nicht besonders viel Masse, der grösste Teil verbrennt in der Atmosphäre, nur die untersten 20 km stellen ein Problem dar: ich persönlich bezweifle, dass das für einen Megatsunami ausreicht.
Es sind auf jeden Fall noch viele Probleme zu lösen, da gebe ich dir völlig recht. Ich hoffe, dass wir in ein paar Jahren, spätestens abe 2018, wenn das erste Orbitalseil gebaut werden soll, mehr wissen.
Die Sachen finde ich sehr problematisch: dieses Seil müsste extreme Kräfte aushalten und das möglichst, ohne sich großartig zu verbiegen. Ich meine hier hauptsächlich die Kräfte, die zum Beispiel der Wind in der oberen Biosphäre auf das Seil ausübt. Speziell das dürfte den Bau extrem schwierig gestalten, wenn man von oben runter bauen will: bis das Seil im Boden verankert ist, schlingert es durch die Naturgewalten hin und her. Auch ist das Seil im Weltraum recht ungeschützt. In dieser Region gibt es viel mehr kleine Meteoriten, die es Beschädigen könnten! Und wenn das Seil reißt, könnte es auch im Meer ziemlichen Schaden anrichten, indem es einen Mega-Tsunami auslöst…
Der Bau und die Wartung dieses (immerhin 100.000km langen!) Seils dürften letztendlich so teuer sein (wenn der Bau überhaupt gelingt!), dass es sich nicht mehr lohnt!
Ja, das stimmt – aber alles oberhalb der geostationären Umlaufbahn sollte „nach oben“ gezogen werden. Das ganze Seil ist dadurch im Gleichgewicht.
Mir scheint sich da ein kleiner logischer Fehler eingeschlichen zu haben. Unterhalb der geostationaeren Umlaufbahn ist doch die notwendige Orbitalgeschwindigkeit hoeher als die Geschwindigkeit des Seils. Braeche das Seil, wuerde alles unterhalb der geostat. Umlaufbahn zur Erde gezogen.