Der erste Holzsatellit der Welt steht kurz vor seiner Enthüllung. Warum verwenden die Vereinigten Staaten und Japan Holz zum Bau von Satelliten?

Im Jahr 2024 werden die Vereinigten Staaten und Japan den Campus Belle der Northwestern Polytechnical University zum Bau eines künstlichen Satelliten nutzen. Klingt dieser Satz nicht irrelevant? Seien Sie nicht ungeduldig, lassen Sie es mich erklären.

Alle Studenten der Northwestern Polytechnical University wissen, dass unsere Schulblume die weiße Magnolie ist, die jedes Frühjahr überall auf dem Campus blüht und so schön ist. Die Weiße Magnolie ist eine Pflanze der Gattung Magnolia. Tischler sagen, dass das Holz dieser Pflanzenart ein hervorragendes Material mit gerader Textur und feiner Struktur ist und sich daher für die Herstellung von Möbeln eignet.

Warum sollte man etwas, das für die Herstellung von Möbeln geeignet ist, für die Herstellung von Satelliten verwenden? Die Logik dahinter ist folgende:

Wir alle wissen, dass die Menschheit immer mehr Satelliten in die Erdumlaufbahn bringt. Wenn diese Satelliten sterben, werden sie zu Weltraumschrott. Insbesondere gilt: Je näher die Umlaufbahn an der Erde liegt, desto kleiner ist der Abstand und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit anderen Raumfahrzeugen. Glücklicherweise weist die erdnahe Umlaufbahn die Eigenschaft auf, dass sich in dieser Höhe mehr oder weniger Luft befindet, die das Raumfahrzeug hier sehr langsam abbremst. Daher nimmt die Umlaufhöhe des Raumfahrzeugs hier tatsächlich allmählich ab. Nachdem die Satelliten in erdnaher Umlaufbahn verschrottet wurden, werden auch sie allmählich an Höhe verlieren und schließlich in die Atmosphäre eintreten und herabstürzen.

Dann stellt sich erneut die Frage: Wenn ein Satellit vom Himmel fällt, hätten Sie Angst? Was würden Sie tun, wenn es die Blumen und Pflanzen trifft? Obwohl die Erde so groß ist, dass die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, wird die Wahrscheinlichkeit, dass dicht besiedelte Gebiete getroffen werden, steigen, wenn die Häufigkeit von Satellitenstarts und -abwürfen in Zukunft hoch ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die Vorteile von Holzsatelliten deutlich. Die hohe Temperatur, die durch die Wechselwirkung mit der Atmosphäre während der Rückkehr entsteht, wird ihn vollständig verbrennen. Die verbleibenden Metallteile werden sehr klein sein und wie ein Meteor verbrennen können, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass er Blumen und Pflanzen trifft, viel geringer ist.

Was also ist das Besondere daran, Satelliten aus Holz zu bauen? Es geht hauptsächlich um mechanische Eigenschaften. Wood verfügt in dieser Hinsicht über einige Erfahrung, da die ersten Flugzeuge aus Holz hergestellt wurden. Allerdings ist die Festigkeit und Steifigkeit von Holz im Vergleich zu Metall nicht höher. Mit der sogenannten Stärke ist die Eigenschaft gemeint, nicht so leicht kaputt gehen zu können. Beispielsweise kann die Zugfestigkeit einer Aluminiumlegierung 200 bis 300 MPa erreichen, während die Zugfestigkeit des stärksten Holzes nur über 100 liegt, wenn es entlang der Richtung seiner längsten Maserung gezogen wird. Die sogenannte Steifigkeit bezeichnet die Eigenschaft, sich nicht so leicht verformen zu lassen, vereinfacht ausgedrückt handelt es sich dabei um Weichheit und Härte. Zieht man Holz entlang der Holzmaserung, beträgt der Elastizitätsmodul mehr als 10.000 MPa, bei einer Aluminiumlegierung liegt er bei 70.000 MPa.

Glücklicherweise sind die Anforderungen an die strukturelle Festigkeit von Satelliten im Vergleich zu Flugzeugen nicht so hoch, da sie keinen aerodynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Sie müssen lediglich der Überlastung und Vibration beim Raketenstart standhalten. Die Belastungen, denen zentrale Bauteile eines Flugzeugs ausgesetzt sind, sind deutlich geringer. Darüber hinaus unterscheidet sich die Weltraumumgebung von der Umgebung auf der Erde. Unter der Belastung durch Hochvakuum und hohe Strahlung kann es zu einer Leistungsminderung des Holzes kommen.

Ich habe einen von der Beijing Forestry University veröffentlichten Artikel gelesen. Der Artikel bewies durch Experimente, dass nach der Bestrahlung mit Gammastrahlen die Zellulose im Holz abgebaut wird und einige Molekülketten aufgebrochen werden, was zu einer Schwächung der Zug-, Biege-, Druck- und Schlagfestigkeit führt. Daher wurde Magnolienholz nicht von Anfang an als Holz für die Luft- und Raumfahrt identifiziert. Anfang des Jahres wurde es zusammen mit Kirsch- und Birkenholz an Bord der Internationalen Raumstation gebracht. Nach Tests und Auswahl stellte sich heraus, dass sich seine Leistung in der Weltraumumgebung am wenigsten veränderte, und so wurde es als Satellitenmaterial etabliert.

Auch der erste Satellit, den er baute, war experimenteller Natur. Es war sehr klein, nur so groß wie eine Kaffeetasse. Stellen Sie sich vor: Bei einem kleinen Satelliten muss die Struktur weniger Last tragen, er transportiert weniger Testnutzlast und der Start ist billiger, sodass die Kosten gering sind. Selbst wenn es nach dem Start ins All zerstört wird, ist der Verlust gering und es ist daher relativ sicher. Wie groß ein Satellit aus Holz in Zukunft sein kann, hängt von seiner Leistung ab, nachdem er morgen ins All gestartet ist.

Hey, die Campus-Schönheit ist im Weltraum, wann kann ich da hoch? Ich bin Gou Sheng und ich werde Ihnen tiefgreifendes und interessantes Wissen über die Luft- und Raumfahrt vermitteln. Klicken Sie einfach auf „Gefällt mir“ und folgen Sie mir, dann können Sie beim Verlassen des Unterrichts mitmachen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Liang Yichen (Lehrer Gou Sheng), Dozent an der Xi'an Aviation University

Gutachter: Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.