Per Lift in die Galaxis

„Endstation geostationärer Erdorbit. Bitte alle aussteigen.” So ähnlich könnten künftig Astronauten im All empfangen werden. Das zumindest glauben Wissenschaftler und Raumfahrtingenieure in den USA. Die Forscher sind überzeugt, dass es schon bald möglich sein wird, Satelliten, Raumsonden und Menschen – Astronauten oder Weltraumtouristen – per Lift in luftfreie Höhen weit oberhalb der Atmosphäre zu befördern.

Dieser Fahrstuhl ins All, erklärt David Smitherman, Forscher am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama), wird mehrere Zehntausend Kilometer weit ins All hinaus ragen. Bestehen wird er im wesentlichen aus einem dünnen und zugleich extrem stabilen Seil, das an seinem unteren Ende auf der Erde verankert ist. Sein Massenschwerpunkt befindet sich in 35 786 Kilometer Höhe – dem Abstand der geostationären Umlaufbahn von der Erdoberfläche. In dieser Höhe umkreisen Objekte den Globus – im Gleichgewicht zwischen Fliehkraft und Erdanziehungskraft – mit einer Umlaufdauer von genau einem Tag. Sie scheinen daher über ein und demselben Punkt der Erde zu „stehen”. Das nutzt man aus, um etwa Fernsehübertragungs- und Wettersatelliten im geostationären Orbit über bestimmten Orten zu platzieren.

Auch der Weltraum-Lift würde in einer festen Position über der Erde verharren. Mehrere Transportfahrzeuge könnten sich entlang des überdimensionalen Kletterseils zwischen verschiedenen Plattformen auf und ab bewegen – etwa, indem sie wie eine Magnetschwebebahn berührungslos über das Seil geführt würden. Auf diese Weise könnte man Erdbeobachtungssatelliten in eine niedrige und Kommunikationssatelliten in eine geostationäre Umlaufbahn hieven. Sonden, die auf eine Mission zum Mond oder hinaus ins Sonnensystem geschickt werden sollen, ließen sich in eine Position bringen, von der aus sie fast ohne Schubkraft der Erdanziehung entrinnen könnten. Menschen fänden mit dem Lift – und von dort weiter mit einem Raumtransporter – ihren Weg zur Internationalen Raumstation oder zu künftigen Weltraumhotels in der Erdumlaufbahn.

Die Idee, einen Fahrstuhl als Beförderungsmittel ins All zu errichten, ist nicht neu. Bereits 1960 schlug der russische Ingenieur Yuri Artsutanow in einem Beitrag für das sowjetische Parteiorgan Prawda ein solches Bauwerk vor. Im Westen nahm jedoch kaum jemand davon Notiz. Ebenfalls wenig Beachtung fand ein ähnliches Konzept, das der amerikanische Ozeanograph John Isaacs sechs Jahre später im Wissenschaftsmagazin Science publizierte. Erst als Jerome Pearson, ein Wissenschaftler an den Forschungslabors der US-Luftwaffe, die Idee eines Weltraum-Lifts 1975 erneut aufgriff, wurde man bei der NASA aufmerksam. Seit einigen Jahren fördert die amerikanische Raumfahrtagentur die Forschung zum „Space Elevator” mit mehreren Hundert Millionen Dollar.

Der Grund für das Interesse der NASA sind die finanziellen Vorteile, die ein Weltraum-Lift gegenüber der heute üblichen Methode, Satelliten und Astronauten mit Raketen ins All zu befördern, bieten würde: „Während man derzeit mit Startkosten von rund 22 000 Dollar pro Kilogramm transportierter Masse kalkulieren muss, ließen sich die Kosten durch einen Aufzug auf etwa 1,50 Dollar pro Kilogramm senken”, sagt NASA-Experte Smitherman. Die für den Bau eines Weltraum-Lifts nötigen Investitionen von geschätzten 10 Milliarden Dollar würde sich rasch amortisieren.

Doch die Realisierung des Aufzug-Konzepts erschien bislang allenfalls in ferner Zukunft vorstellbar. Ein großes Probleme ist das Material des Seils. Es muss stabil genug sein, um seine eigene Masse und die an ihm entlang geführten Lasten tragen zu können. Dazu müsste es eine Zugfestigkeit von über 60 Gigapascal haben, wie Berechnungen der NASA zeigten. Bisherige Materialien können eine solche Stabilität nicht bieten. Fasern aus Graphit, Aluminiumoxid oder Quarz bringen es auf eine Zugfestigkeit von maximal 20 Gigapascal.

Seit rund 15 Jahren kennt man jedoch ein Material, das die Anforderungen eines Weltraum-Lifts erfüllen könnte: Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünnen, aber viele Mikrometer langen röhrenförmigen Moleküle bestehen aus Kohlenstoff-Atomen, die in einem Muster aus sechseckigen Waben angeordnet sind. Die Mini-Röhren sind extrem stabil – Labormessungen zufolge haben sie eine Zugfestigkeit von rund 45 Gigapascal. Theoretisch sollten aber noch weit höhere Werte erreichbar sein. Nanoröhrchen wären damit fest genug, um die Struktur eines Weltraum-Lifts tragen zu können. Noch aber lassen sie sich nicht in ausreichender Menge produzieren und zu langen, stabilen Fasern verbinden.

Eine andere Herausforderung ist die Energieversorgung. Der Bedarf an elektrischer Energie für die Versorgung der Transportvehikel wäre zu groß, um den Strom durch ein dünnes Kabel schicken zu können. Daher schlagen einige Forscher vor, den Strom durch Photozellen zu erzeugen, die an den Transportvehikeln befestigt sind und Licht in elektrische Energie umwandeln. Das nötige intensive Licht soll durch starke Laser geliefert werden, die den Lift von der Erde aus beleuchten.

Trotz aller ausgefeilten technologischen Konzepte ist Ulrich Walter, ehemaliger Astronaut und Professor am Lehrstuhl für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München, skeptisch. „ Im Prinzip wäre es zwar möglich, einen Weltraum-Lift zu bauen, da die Gesetze der Physik mitspielen”, sagt er. „Ich glaube aber, dass die praktische Umsetzung Probleme bereiten würde.” So könnten Eigenschwingungen das Seil zum Reißen bringen, fürchtet Walter. „Ich halte es für schwierig, solche Eigenschwingungen zu dämpfen”, sagt der Experte für Raumfahrttechnik. Auch der um die Erde kreisende Weltraumschrott könnte dem Lift den Garaus machen.

Doch dafür haben die Lift-Visionäre eine mögliche Lösung parat. Sie wollen das Seil nicht am Erdboden, sondern an einer im Meer schwimmenden Plattform verankern. Damit, so die Idee, könnte der Lift heranbrausenden Weltraummüll-Brocken ausweichen, indem die Plattform vor einer Kollision in eine andere Position bewegt würde.

Die Umsetzung der Pläne für einen Weltraum-Lift soll in den nächsten Jahren näher rücken. Zu diesem Zweck hat die Space Foundation – eine mit öffentlichen Geldern finanzierte US-Organisation zur Förderung der Weltraumfahrt – den Wettbewerb „ Space Elevator: 2010″ gestartet. Forscherteams sollen Technologien für Bauelemente, Stromversorgung und Transportvehikel eines Weltraum-Fahrstuhls entwickeln. In jährlich veranstalteten Technik-Shows sollen die Entwürfe an einer miniaturisierten Version eines solchen Bauwerks vorgeführt, getestet und prämiert werden. Die besten Entwürfe werden mit Preisen von 50 000, 20 000 und 10 000 Dollar ausgezeichnet. Der erste Wettstreit der Space-Elevator-Konstrukteure wird im Juli in San Francisco stattfinden. ■

Ralf Butscher