Wer nimmt die Stilllegung von Satelliten vor? Weltraumschlepper!

In fast jedem Hafen können wir einen seltsamen Schiffstyp sehen. Sie sind klein, haben ein hohes Vorschiff und ein flaches Heck. Diese Schiffe sind mit superstarken Motoren ausgestattet. Sie selbst können weder Fracht noch Menschen transportieren, aber sie können riesige Schiffe hinein- und hinausschleppen. Es sind Schlepper. Jetzt haben sie Brüder im Weltraum. Diese Raumschlepper könnten möglicherweise Raumfahrzeuge zum Mond und zum Mars schleppen.

Weltraumschlepper der Trägerrakete

Wofür wird ein Raumschlepper verwendet?

Bei herkömmlichen Satellitenstarts besteht häufig die Notwendigkeit, die Umlaufbahn zu ändern, also die Umlaufbahn des Satelliten zu verändern. Manchmal kann eine Rakete einen Satelliten nur bis zu einer bestimmten Höhe oder Neigung befördern, und dann ist der Satellit auf seinen eigenen Antrieb angewiesen, um sich allmählich in die vorgegebene Umlaufbahn zu bewegen. Am deutlichsten wird dies beim Start von Satelliten in eine geostationäre Umlaufbahn.

Darüber hinaus muss ein Satellit manchmal, nachdem er seine Mission in einer bestimmten Umlaufbahn erfüllt hat, in eine andere Umlaufbahn manövrieren. Wenn ein Satellit seine Mission vollständig erfüllt hat und zur Außerdienststellung bereit ist, muss er in eine Friedhofsumlaufbahn gebracht werden, um seine Umlaufbahnposition an seinen Nachfolger abzugeben und gleichzeitig zu vermeiden, dass er zu Weltraumschrott wird.

Traditionell wurde diese Arbeit von den Triebwerken des Satelliten selbst erledigt. Das Apogäumstriebwerk eines Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn ist ein Gerät, mit dem der Satellit aus der synchronen Transferbahn in die geostationäre Umlaufbahn gebracht wird.

Allerdings stellt es für den Satelliten eine große Belastung dar, einen derart großen Antrieb zur Bahnänderung mitzuführen. Zum Zeitpunkt des Starts wurde es als Teil eines Satelliten von einer Rakete ins All geschickt. Während der meisten Flugzeit des Satelliten befindet sich der Motor zur Bahnänderung im Leerlauf. Für die Aufrechterhaltung der Umlaufbahn ist nicht unbedingt ein Triebwerk mit hohem Schub zur Umlaufbahnänderung erforderlich. Wenn die Lebensdauer des Satelliten endet, wird er zusammen mit dem Satelliten in die Friedhofsumlaufbahn gebracht. Im Laufe des Lebens bleibt einem nicht viel Zeit, um etwas zu verändern. Auch der Antrieb zur Bahnänderung muss eine beträchtliche Menge Treibstoff mitführen. Wenn die Lebensdauer des Satelliten endet und der Treibstoff nicht verbraucht ist, wird er verschwendet.

Wissen Sie, jedes Gramm Gewicht, das Menschen ins All schicken, ist sehr wertvoll. Gibt es eine Möglichkeit, den Antrieb zur Bahnänderung vom Satelliten zu trennen und sie mithilfe anderer Raumfahrzeuge in die gewünschte Umlaufbahn zu schleppen? Luft- und Raumfahrtwissenschaftler denken über das Konzept eines Raumschleppers nach, bei dem es sich um ein Raumfahrzeug mit starkem Schub handeln würde, das in der Umlaufbahn eingesetzt wird. Es verfügt über keine Nutzlasten für Kommunikation, Fernerkundung oder Navigation und kann lediglich als Hochleistungsschlepper in einem Hafen eingesetzt werden, indem es anderen Schiffen beim Ein- und Auslaufen hilft und auch defekte Schiffe rettet.

Infolgedessen sind kommerzielle Raumschlepper in den letzten Jahren zu einem aufstrebenden Geschäft geworden. Wenn wir in den Luft- und Raumfahrtmedien nach dem Schlüsselwort „Spacetug“ suchen, werden mehrere unbekannte Unternehmen angezeigt, beispielsweise die australische „Space Machine Company“, die US-amerikanische „Space Flight Company“, die „Vector Company“ usw.

Der Schleppervorschlag von Space Machines

Wie sahen die ersten Raumschlepper aus?

Nur wenige wissen, dass das Konzept der Raumschlepper bereits in den 1940er Jahren aufkam. Eric Frank Russell erfand das Konzept 1942 in seiner Kurzgeschichte „Describing a Circle“. Es gibt keine chinesische Version dieses Romans und der Autor selbst ist unbekannt. Allerdings hat er das Wort „Spacetug“ erfunden. Einige Leute glauben auch, dass es der Science-Fiction-Autor Murray Leinster war, der dieses Konzept nach dem Zweiten Weltkrieg vorschlug. Er veröffentlichte einen Roman mit dem Titel „Space Tug“, die Fortsetzung von „Space Platform“. Doch es scheint, dass Russells Idee tatsächlich schon früher existierte.

In „Describing a Circle“ stellte sich Russell ein Raumschiff vor, die New Jersey, das mit Urantetrabromid betrieben wird und versucht, eine Kolonie auf dem Asteroiden Hector zu erreichen. Dieser Asteroid ist der größte der Trojanischen Asteroiden des Jupiters. Da es den Gesetzen der Asteroidenkolonie zufolge jedoch nicht möglich ist, die Triebwerke ausländischer Raumschiffe in einer Umlaufbahn von mehr als 100 Kilometern zu starten, entsandte die Kolonie einen atomgetriebenen Schlepper namens Brutus, um sie abzuholen. Brutus verwendet einen nuklearen thermischen Raketenantrieb mit Kernspaltungsmaterial, das in einer Quarzglaskammer eingeschlossen ist. Daher wird es auch als Nuklearbirne bezeichnet. Russell hatte auch eine sorgfältige Vorstellung von der Andockmethode der beiden nuklearbetriebenen Raumfahrzeuge: Sie müssen Nase an Nase stehen, und der mit dem Reaktor ausgestattete Antriebsteil muss sich hinter der entfernten Schutzabdeckung befinden und darf nicht direkt zum Cockpit zeigen.

Nach diesen frühen Konzepten handelte es sich bei den Raumschleppern um kleine, bemannte Fahrzeuge, die mit unverhältnismäßig großen Motoren und Manipulatoren ausgestattet waren, ähnlich dem Konzept eines Schleppers in einem Hafen. Schlepper haben zwei Möglichkeiten, ihre Objekte anzutreiben. Wird es geschoben, wird am Bug eine riesige Schubplatte eingebaut, die über einen Strukturkern verfügt, um den Schub des Motors auf die Schubplatte zu übertragen. Beim Schleppen befinden sich am Heck Kabel und Winden, und der Motor muss in einem bestimmten Winkel nach hinten geneigt werden, um das geschleppte Raumfahrzeug nicht zu verbrennen. Allerdings kommt es in diesem Fall zu einem leichten Schubverlust.

Was genau ist ein Raumschlepper?

Heute ist die Definition eines Raumschleppers klarer: Es handelt sich um ein Raumfahrzeug, das Objekte im Weltraum von einer Umlaufbahn in eine andere transportieren kann. Beispielsweise das Verschieben eines Raumfahrzeugs aus einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) in eine höhere Umlaufbahn, beispielsweise eine geostationäre Transferbahn, eine Mondtransferbahn oder eine Fluchtbahn.

Im Allgemeinen ist mit einem Raumschlepper ein wiederverwendbares, weltraumgestütztes Fahrzeug gemeint. Manche Leute nennen die Raketenoberstufe auch Raumschlepper. Die Oberstufe ist Teil der Trägerrakete und wird häufig verwendet, um Startmissionen mehrerer Satelliten mit einer Rakete durchzuführen, wie beispielsweise die Oberstufe Yuan Zheng 1 in China, die Oberstufe Centaur in den USA und die Oberstufe Breeze in Russland. Allerdings ist auch die Nutzungsdauer der Oberstufe begrenzt. Wenn alle Satelliten die vorgegebene Umlaufbahn erreicht haben, ist die Mission der Oberstufe beendet. Derzeit sind die meisten Komponenten der Oberstufe, einschließlich der Struktur, der Treibstofftanks, der Triebwerke sowie der Lage- und Bahnkontrollsysteme, in gutem Zustand. Es ist eine ziemliche Verschwendung, sie einfach ins All zu werfen. Darüber hinaus gibt es ein neues Konzeptraumfahrzeug, das von Befürwortern ebenfalls als Raumschlepper eingestuft wird. Dabei handelt es sich um das von Northrop Grumman gestartete Geostationary Satellite Life Extension Vehicle (MEV). Die verwendete Technologie weist viele Ähnlichkeiten mit Raumschleppern auf.

Die Wartung im Orbit wird manchmal als Schlepper bezeichnet

Es gibt jedoch immer noch Unterschiede zwischen Raumfahrzeugen, beispielsweise zwischen Raketenoberstufen, Geräten zur Verlängerung der Lebensdauer von Satelliten und Raumschleppern. Ein Raumschlepper ist einfach ein Gerät, das ein Raumfahrzeug zwischen verschiedenen Umlaufbahnen oder sogar verschiedenen Himmelskörpern schleppt. Sobald es an die richtige Stelle geschleppt wurde, trennen sich die beiden, genau wie ein Hochleistungsschlepper in einem Hafen.

Wie entwickelt sich der Weltraumschlepper jetzt?

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts haben viele Unternehmen versucht, Weltraumschlepper zu entwickeln. Das Konzept eines Weltraumschleppers namens Parom wurde 2005 von dem russischen Energieunternehmen vorgeschlagen. Damals erwog Russland die Entwicklung einer neuen Generation bemannter Raumfahrzeuge namens „Clipper“. Mit dem Schlepper Parom kann Clipper ohne Treibstoff ins All aufsteigen und wird nach dem Erreichen der Transferbahn mit einem Schlepper zur Internationalen Raumstation gebracht. Dies kann die Startkosten senken. Im Jahr 2015 schlug Lockheed Martin der NASA ein Konzept für einen Raumschlepper namens Jupiter vor, das auf den Entwürfen zweier früherer Raumfahrzeuge von Lockheed Martin, der Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission und Juno, basierte und über einen Roboterarm des kanadischen MDA verfügte. Aber die NASA finanzierte es nicht und Lockheed Martin gab auf.

Diese Modelle waren nicht erfolgreich, da die Raumschlepper nicht genügend Kunden fanden und es keine Grundlage für ihre Entwicklung und ihren Betrieb gab, da die Starts ins All noch nicht so häufig waren und der Markt für kommerzielle Starts noch nicht ausgereift war.

Heutzutage ähneln Weltraumstarts durch die häufigen Starts verschiedener Raketen immer mehr Flugoperationen. Die Falcon-9-Rakete hat bereits mehr als 40 Starts pro Jahr absolviert, also fast einmal pro Woche, und könnte in Zukunft möglicherweise zweimal pro Woche starten. Zusammen mit den Raketen, die in anderen Ländern entwickelt werden und das Potenzial für kommerzielle Flüge haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass in den nächsten Jahren täglich mehrere Raketenstarts stattfinden werden.

Bei Raketenstarts besteht die ideale Methode darin, Satelliten in eine bestimmte Umlaufbahn zu schicken und sie dann mit anderen Methoden in die vorgegebene Umlaufbahn zu bringen. Dies kann die Effizienz des Raketenflugs erheblich verbessern. Wäre es nicht ein lukratives Geschäft, wenn ein Schlepper über lange Zeiträume im Orbit operiert und ständig Satelliten aus ihren ursprünglichen Umlaufbahnen in ihre jeweiligen vorbestimmten Umlaufbahnen schleppt?

Solche Dienste sind in vielen Seehäfen verfügbar. Aufgrund ihrer Größe und mangelnden Manövrierfähigkeit kommt es bei vielen großen Schiffen beim Anlegen oder Verlassen von Häfen häufig zu Kollisionen. Derzeit werden Schlepper benötigt, um sie präzise an den vorgesehenen Ort zu liefern. Auch bei einer Havarie eines Schiffes auf See wird zur Bergung ein Schlepper benötigt. Manche Schiffe, deren Leistungsfähigkeit nachgelassen hat, können nur von Hochleistungsschleppern geschleppt werden, wenn sie längere Strecken zurücklegen wollen. Wenn ein Schiff verschrottet und zu einer Abwrackwerft geschickt wird, wird auch ein Schlepper benötigt, um das Schiff an den Strand zu schieben. Der Weltraumschlepper kann dieselbe Aufgabe erfüllen, die Szene wird jedoch in den Weltraum verlegt.

Aus Sicht der Luft- und Raumfahrttechnik selbst entspricht dies dem Aufbau einer Oberstufe, die lange Zeit im Orbit betrieben werden kann und von vielen Satelliten gemeinsam genutzt werden kann. Der Besitzer jedes Satelliten muss nur für seinen eigenen Flugabschnitt bezahlen, ohne ein komplettes Triebwerkssystem oder eine Oberstufe zur Bahnänderung kaufen zu müssen. Wenn man darüber nachdenkt, ist es ziemlich kostengünstig.

Aus diesem Grund haben viele neue Unternehmen das Konzept „Weltraumschlepper als Dienstleistung“ vorgeschlagen, in der Hoffnung, den Satellitenbesitzern mehr Flexibilität bei der Bereitstellung und Wartung von Satelliten zu geben.

Es besteht eine Marktnachfrage nach Raumschleppern, die als kommerzielle Zustelldienste für die letzte Meile gelten. „Space Tug hat das Potenzial, den Markt für Kleinsatelliten grundlegend zu verändern“, sagte Phil Bracken, Vizepräsident für Technik bei Spaceflight. „Mit diesem Dienst werden bisher unzugängliche Umlaufbahnen zu realisierbaren Optionen für Satellitenbesitzer und erfüllen so die wachsende Marktnachfrage nach Orbitaldiversität.“

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Kleinsatelliten in die Umlaufbahn gebracht, die meisten Kleinsatellitenkunden führen jedoch lediglich Technologiedemonstrationen und -überprüfungen durch. Einige Besitzer großer Konstellationen werden große Raketendienste erwerben, um ihre Konstellationen einzusetzen. Um jedoch die umsatzstärksten Dienste bereitstellen zu können, müssen viele Kleinsatelliten ganz bestimmte Umlaufbahnen erreichen. Dieser „extreme endgültige Orbitalzustand“ kann weder durch Huckepack-Startdienste, Rideshare-Startdienste noch durch spezielle kleine Trägerraketen erreicht werden, was die Möglichkeit für Raumschlepper eröffnet.

Darüber hinaus besteht Bedarf an Raumschleppern, um Weltraummüll zu reduzieren und veraltete Satelliten aus der Umlaufbahn zu nehmen. Einige Unternehmen haben bereits ihre Absicht bekundet, von der Wiege bis zur Bahre Raumschlepperdienste anzubieten.

Weltraumschlepper könnten zum Entfernen von Weltraumschrott eingesetzt werden

Beispielsweise hat das amerikanische Raumfahrtunternehmen ein System namens „Sherpa“ entwickelt. Es handelt sich eigentlich um ein Modell ähnlich einer Oberstufe mit Antriebs- und Energiesystemen. Im Dezember 2018 absolvierte Sherpa seinen Erstflug an Bord einer Falcon-9-Rakete und setzte 64 Kleinsatelliten aus 17 Ländern ein. Es ähnelt jedoch eher einer Oberstufe als einem wiederverwendbaren Schlepper.

Der Sherpa-Raumschlepper ähnelt eher einer Oberstufe

Das italienische Raumfahrtlogistik- und Transportunternehmen D-Orbit hat das Satellitenfahrzeug InOrbitNOW (ION) entwickelt. Am 25. Mai 2022 startete das Unternehmen sein sechstes Fahrzeug, Infinite Blue, auf der Transporter-5-Mission an Bord einer Falcon 9-Rakete.

Bei einem Weltraumschlepper gelangt der Satellit nach dem Start in eine Warteumlaufbahn und wird dann vom Schlepper in die vorgegebene Umlaufbahn gebracht. Mit solchen Diensten können die Eigentümer die Fähigkeit des Satelliten, seine Umlaufbahn zu ändern, reduzieren oder diese Fähigkeit sogar völlig ignorieren und sich aus Kostengründen ganz auf Schlepper verlassen.

„Space Tug hat das Potenzial, den Markt für Kleinsatelliten grundlegend zu verändern“, sagte Phil Bracken, Vizepräsident für Technik bei Spaceflight. „Mit Antriebsmöglichkeiten im Orbit werden Umlaufbahnen, die früher aufgrund der Kosten oder der Antriebsmöglichkeiten unerreichbar waren, zu realisierbaren Optionen und erfüllen so die wachsende Marktnachfrage nach einer Diversifizierung der Umlaufbahnen.“

Welchen Treibstoff sollte ein robuster Raumschlepper verwenden?

Da es sich um einen Schlepper für den Langzeitbetrieb handelt, ist die Verwendung schnell verbrauchter chemischer Treibstoffe wie beispielsweise wasserfreies Hydrazin nicht möglich. Ein Raumschlepper bräuchte eine Energieform, die jahrelang ohne Nachschub auskommt. Bisher gibt es zwei technische Möglichkeiten, solche Anforderungen zu erfüllen. Der erste ist der elektrische Raketenantrieb und der zweite ist der nuklearbetriebene Antrieb. Natürlich kann es zwischen diesen beiden Technologien zu Überschneidungen kommen. Elektrische Raketentriebwerke sind uns bestens vertraut. Sie nutzen Solar- oder Kernenergie zur Stromerzeugung und erzeugen Schub, indem sie Ionen mit hoher Geschwindigkeit ausstoßen. Das Problem bei diesem Triebwerkstyp besteht darin, dass sein Schub relativ gering ist, beispielsweise ein oder zwei Newton. Das Schleppen eines Satelliten kann relativ lange dauern, daher ist es für Kunden geeignet, die es mit der Inbetriebnahme des Satelliten nicht eilig haben. Es gibt auch zwei Arten von Kernenergie. Eine Möglichkeit besteht darin, mithilfe von Isotopenbatterien Strom für den Einsatz in Ionentriebwerken zu erzeugen. Der andere ist ein nuklearthermischer Raketengenerator, der mithilfe eines Reaktors ein Medium wie Wasser unter sehr hohem Druck in einen gasförmigen Zustand erhitzt und es dann mit einer Geschwindigkeit von über 9.000 Metern pro Sekunde ausstößt. Obwohl der spezifische Impuls eines nuklearthermischen Raketentriebwerks viel kleiner ist als der eines Ionentriebwerks, ist der erreichbare Gesamtschub sehr beträchtlich. Beispielsweise benötigt die von Russland vorgeschlagene Plasmarakete VASIMR für den Weg zum und vom Mond nur 9 Tonnen Argon-Treibstoff und kann 34 Tonnen Fracht aus der niedrigen Erdumlaufbahn in die niedrige Mondumlaufbahn transportieren.

Raumschlepper verwenden in der Regel Ionentriebwerke

Auch die Frage, wie ein Raumschlepper einen Satelliten abschleppen kann, ist ein technisches Problem, das gelöst werden muss. Wenn Sie einen Satelliten lediglich in eine Friedhofsumlaufbahn schleppen möchten, um ihn dort zu verschrotten, können Sie einfach eine Reihe von Manipulatoren auf dem Schlepper installieren, mit den Manipulatoren den alten Satelliten wahllos greifen, den Motor starten und in See stechen. Wenn Sie jedoch einen neuen Satelliten in eine funktionierende Umlaufbahn bringen möchten, besteht die Gefahr, dass der Satellit durch den groben Betrieb der Manipulatoren beschädigt wird. Daher muss für letzteren Zweck eine standardisierte Schnittstelle entwickelt werden, damit der Schlepper über einen Roboterarm oder eine andere Verbindung sicher mit dem zu wartenden Satelliten verbunden und anschließend in die vorgesehene Umlaufbahn geschleppt werden kann. Dabei handelt es sich eigentlich um ein Rendezvous und Andocken im Weltraum für ein gemeinsames Ziel. In dieser Hinsicht kann uns das Andocken bemannter Raumfahrzeugmodule viele technische Referenzen liefern, insbesondere die Verwendung standardisierter Schnittstellen zwischen dem Roboterarm der Raumstation und den Modulkomponenten, die gute Bedingungen für den Modultransfer durch den Roboterarm bieten.

Wenn Raumschlepper Dienste für die gesamte Luft- und Raumfahrtindustrie erbringen sollen, muss die Branche eine universell einsetzbare Schnittstelle standardisieren. Diese Arbeit wurde noch nicht vollständig auf die Tagesordnung gesetzt. Gemäß den allgemeinen Branchenregeln muss diese Angelegenheit im Rahmen des kommerziellen Wettbewerbs entschieden werden.