Shenzhou-17 wird die erste Außenbordwartung einer Raumstation in der Geschichte des chinesischen Raumfahrtprogramms durchführen! Wie wird man ein Weltraum-„Mechaniker“?

Am 26. Oktober brachte das bemannte Raumschiff Shenzhou 17 drei Astronauten zur Raumstation Tiangong. Neben Routinearbeiten wie der Pflege der Montageplattform der Raumstation, Experimenten im Orbit und der Durchführung von Aktivitäten zur Popularisierung der Wissenschaft und zum Gemeinwohl werden sie auch die Kabine verlassen, um kleinere Schäden an den Solarmodulen der Raumstation zu reparieren, die durch den Aufprall winziger Partikel im Weltraum verursacht wurden. Damit werden sie die erste externe Wartungsoperation an einer Raumstation in der chinesischen Raumfahrtgeschichte abschließen. Welche Probleme müssen also bei verschiedenen Aufgaben der Raumwartung gelöst werden? Welche neuen Technologien können Luft- und Raumfahrtforscher zur Erfüllung ihrer Missionen nutzen?

Die Weltraumforschung erfordert „Wartungsarbeiter“

Bei der Erforschung des Universums durch den Menschen treten häufig verschiedene unerwartete Probleme auf.

Im Weltraum beispielsweise kann es aufgrund des fehlenden Schutzes vor der Erdatmosphäre und dem Magnetfeld zu unerwarteten Ausfällen der elektronischen Komponenten eines Raumfahrzeugs durch kosmische Strahlung kommen. Während eines Hochgeschwindigkeitsflugs erzeugt die ständige Reibung zwischen der Oberfläche des Raumfahrzeugs und der scheinbar dünnen Atmosphäre außerdem hohe Temperaturen, was die Alterung und Beschädigung der externen Ausrüstung des Raumfahrzeugs beschleunigt. Darüber hinaus nimmt mit der fortschreitenden Erforschung des Weltraums auch die Menge des von Menschen hinterlassenen Weltraummülls zu. Darunter befinden sich viele winzige Fragmente, die schwer zu erkennen sind und deren Kollision mit Raumfahrzeugen unvermeidlich ist.

Astronauten bei Weltraumwartungsmissionen

Wenn es bei einem Raumfahrzeug zu verschiedenen Unfällen und Störungen kommt, müssen die Astronauten über gute Fähigkeiten zur Weltraumwartung verfügen, um den reibungslosen Ablauf der Weltraummissionen zu gewährleisten.

Die Weltraumwartung ist ein wichtiges Thema und ein wichtiges Bindeglied in der Luft- und Raumfahrt. Dabei geht es hauptsächlich um die Technologie zur Reparatur und Wartung verschiedener Raumfahrzeuge wie Satelliten, Raumstationen und Raumtransportfahrzeuge im Weltraum. Zu den Wartungsobjekten zählen im Einzelnen die äußeren und inneren Strukturen des Raumfahrzeugs, die für das Leben und Arbeiten der Astronauten notwendigen Unterstützungssysteme, verschiedene elektronische Geräte und Leitungen sowie die Wiederherstellung des Betriebszustands des Raumfahrzeugs und die Bahnkorrektur.

Als Teil der Weltraumerkundungsmission ist die Weltraumwartung unverzichtbar und steht in direktem Zusammenhang damit, ob das Raumfahrzeug stabil und über einen langen Zeitraum betrieben werden kann und ob der normale Missionsverlauf gewährleistet werden kann. Bei bemannten Raumfahrzeugen hängen die Lebenssicherheit und Gesundheit der Astronauten direkt von der Effizienz und Qualität der Weltraumwartung ab. Darüber hinaus kann eine effiziente Weltraumwartung die Lebensdauer von Raumfahrzeugen verlängern, die Entstehung von Weltraummüll reduzieren und zu einer nachhaltigen Nutzung der Weltraumumgebung beitragen.

In der Vergangenheit haben andere Länder bereits viele Male erfolgreich Wartungsmissionen im Weltraum durchgeführt. So wurden beispielsweise mit dem Space Shuttle Roboterarme eingesetzt, um verlassene Satelliten zu bergen, oder Astronauten, die persönlich Aufgaben wie die Reparatur der lichtempfindlichen Detektoren des Hubble-Teleskops und das Abdichten von Luftlecks in der Internationalen Raumstation übernahmen. In Zukunft werden Menschen den Weltraum tiefer erforschen und die wertvollen Erfahrungen, die sie in niedrigen Erdumlaufbahnen sammeln, werden voraussichtlich dazu beitragen, Weltraummissionen sicherer zu machen.

Problemlösung in verschiedenen Bereichen

Betrachtet man die Weltraummissionen und Zukunftspläne verschiedener Länder, lassen sich die Wartungsarbeiten im Weltraum in zwei Kategorien unterteilen: bemannt und unbemannt, wobei jede Kategorie ihre eigenen technischen Herausforderungen mit sich bringt, die gelöst werden müssen.

Derzeit ist die Wartung im Orbit durch Astronauten die gängigste Methode der Weltraumwartung. Durch Außenbordaktivitäten können Astronauten notwendige Wartungs- und Reparaturarbeiten an Raumfahrzeugen durchführen, um die Flugsicherheit und den Abschluss der Mission zu gewährleisten. Angesichts der rauen Umgebung außerhalb der Kabine müssen Astronauten spezielle Außenbord-Raumanzüge tragen. Diese mehrere zehn Kilogramm schweren Raumanzüge schützen die Astronauten vor äußerer Strahlung und Weltraummüll, schränken aber auch das Beobachtungsfeld, den Bewegungsspielraum und die körperliche Kraft der Astronauten stark ein, was die Durchführung des Weltraumaufenthalts erschwert.

Darüber hinaus ist die Krafteinwirkung aufgrund des Einflusses der Mikrogravitation komplizierter. Viele Operationen, die auf der Erde problemlos durchgeführt werden können, werden im Weltraum schwieriger. Astronauten müssen einen relativ stabilen Bewegungszustand und eine zuverlässige Zwangsbeziehung zum Raumfahrzeug aufrechterhalten. Obwohl spezielle Hilfsmittel wie Sicherheitsseile und Magnethandschuhe den Astronauten dabei helfen können, sich an die Weltraumumgebung anzupassen, verringern sie auch die Effizienz der Weltraumwartung.

Trotz vieler erfolgreicher Erfahrungen bleibt die Weltraumpflege eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe. Einfach ausgedrückt sind mit der Weltraumwartung, an der Astronauten beteiligt sind, mindestens drei Hindernisse verbunden.

Erstens herrscht in der Weltraumwartungsumgebung nahezu Schwerelosigkeit und Wartungsgeräte und -teile schweben im Weltraum umher. Astronauten müssen Wartungsarbeiten durchführen und gleichzeitig sicherstellen, dass viele kleine Teile unter Kontrolle sind. Daher benötigen sie zur Erledigung dieser Aufgabe speziellere Werkzeuge und Ausrüstung.

Zweitens ist die Umgebung der Weltraumwartung mit hoher Strahlungsenergie aus verschiedenen Richtungen belastet, was sich nicht nur negativ auf die Zuverlässigkeit und Leistung elektronischer Geräte auswirkt, die Betriebsergebnisse der Astronauten beeinträchtigt und eine reibungslose Kommunikation mit dem Bodenpersonal behindert, sondern auch eine Gefahr für die körperliche und geistige Gesundheit der Astronauten darstellt.

Schließlich ist die Weltraumwartungsumgebung in Hochgeschwindigkeitsbewegung. Wenn Astronauten während Außenbordeinsätzen die Verbindung zum Raumschiff verlieren, kann es für sie schwierig sein, problemlos zum Raumschiff zurückzukehren.

Schematische Darstellung eines Weltraumroboters, der an einen Satelliten andockt, um Dienste im Orbit bereitzustellen

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz richten Luft- und Raumfahrtforscher ihre Aufmerksamkeit zunehmend auf den Bereich der unbemannten Weltraumwartung. Sie hoffen, professionelle Weltraumroboter einsetzen zu können, um alltägliche Wartungsaufgaben effizienter und sicherer durchzuführen und bei Bedarf gefährliche Situationen zu lösen. Allerdings haben Weltraumroboter bei der Durchführung von Wartungsaufgaben im Orbit immer noch mit einigen Schwierigkeiten zu kämpfen.

Einerseits sind bei der Konstruktion bestehender Raumfahrzeuge kaum Wartungsarbeiten vorgesehen. Es fehlen sogenannte „Referenzmarker“ und auch speziell für Roboter vorgesehene Greifvorrichtungen. Daher ist es für Weltraumroboter nicht einfach, sich bewegende Satelliten und andere Raumfahrzeuge visuell zu lokalisieren, und es ist noch schwieriger, ein effektives Greifen und Fixieren zu implementieren. Mit anderen Worten: Weltraumroboter sind nur kurzfristig für bestimmte passende Raumfahrzeuge geeignet und ihre Vielseitigkeit und Kosteneffizienz sind stark eingeschränkt.

Andererseits ist die Kommunikationsverzögerung zwischen dem Weltraumroboter und dem Kontrollteam immer noch schwer zu ignorieren. Bei einem Weltraumroboter, der in einer geostationären Umlaufbahn operiert, kommt es aufgrund der großen Entfernung zu einer Kommunikationsverzögerung von mindestens mehreren Sekunden zwischen ihm und dem Kontrollteam. Dies erfordert zwangsläufig, dass der Roboter selbst heikelste Arbeiten selbstständig ausführen und Notfälle bewältigen kann. Dies verringert beim derzeitigen Stand der Technik zweifellos die Zuverlässigkeit von Weltraumrobotern und erhöht die Missionsrisiken.

Modernste Technologie unterstützt

Auch die Weltraumwartung wird von der Entwicklung neuer Technologien in zahlreichen Bereichen stark profitieren und die Effizienz, Kosteneffizienz und Sicherheit des Personals werden sich voraussichtlich deutlich verbessern.

Es wird erwartet, dass die Automatisierungstechnologie relativ einfache und wiederkehrende Raumwartungsarbeiten durch den Einsatz automatisierter Werkzeuge unterstützt oder ersetzt. Beispielsweise nutzt der Roboterarm die Positionierungsfunktion jeder Komponente, um verschiedene Personen oder Geräte innerhalb und außerhalb der Raumfahrzeugkabine präzise aufzunehmen, zu bewegen, zu positionieren und freizugeben. Bei der Weltraumwartung kann der Roboterarm mithilfe einer Technologie, die den autonomen Betrieb der Astronauten im Orbit mit einer Fernsteuerung kombiniert, umfangreiche Wartungsarbeiten außerhalb der Raumstation oder anderer Orbiter durchführen oder als Unterstützungsplattform für Astronauten und große Komponenten dienen, um bei der Durchführung komplexer Aufgaben außerhalb der Kabine zu helfen. Dadurch wird die Wartungseffizienz effektiv verbessert, menschliche Fehler verringert und versteckte Gefahren gemindert.

Der Roboterarm unterstützt Astronauten bei Außenbordeinsätzen

Mithilfe der 3D-Drucktechnologie können benötigte Teile und Werkzeuge schnell im Weltraum hergestellt werden, was neue Lösungen für Wartungsarbeiten im Weltraum bietet. Wenn kritische Komponenten eines Raumfahrzeugs beschädigt werden, müssen die Reparaturen im Weltraum in sehr kurzer Zeit abgeschlossen werden. Der begrenzte Platz und die hohen Transportkosten von Raumtransportfahrzeugen haben jedoch traditionell die Effizienz eines Ersatzteilaustauschs beeinträchtigt. Mithilfe der 3D-Drucktechnologie können Astronauten schnell unregelmäßig geformte Teile erhalten und Reparaturen und Ersatzteile zeitnah durchführen. Dadurch werden Wartezeiten und Transportkosten erheblich reduziert, was ausreicht, um die Flexibilität und Zuverlässigkeit der Mission zu verbessern und das potenzielle Risiko von Verzögerungen bei der Weltraumwartung zu vermeiden.

Mit der Entwicklung der Weltraum-Erde-Kommunikationstechnologie wird die Fernwartung im Weltraum, ähnlich der Telemedizin, allmählich Realität. Mithilfe von Echtzeitkommunikation und -überwachung sowie der Unterstützung intelligenter Hilfssysteme können Bodenprofis Fernsteuerung und -bedienung implementieren, was zweifellos die Effizienz der Weltraumwartung verbessern wird. Bei komplexen Wartungsaufgaben an elektronischen Geräten können Fachkräfte am Boden beispielsweise die Einzelheiten des Fehlers in Echtzeit erfassen, die Funktionsprinzipien der entsprechenden Komponenten erklären, rasch einen Wartungsplan erstellen und bei Bedarf mithilfe automatisierter Geräte eine Fernsteuerung durchführen, um Astronauten bei der Gefahrenbeseitigung und bei Wartungsaufgaben zu unterstützen. Dadurch wird die Arbeitsbelastung der Astronauten deutlich verringert und ihre Trainingsintensität sowie ihre Wissensreserven werden reduziert.

Mithilfe der Landsimulationstechnologie werden ungefähre Weltraumszenen erstellt und Unterstützungsbedingungen bereitgestellt, die für Einsatzumgebungen im Weltraum geeignet sind. Es kann Astronauten dabei helfen, eine Reihe von Weltraummissionstrainings am Boden durchzuführen, ihre Fähigkeiten im Weltraumbetrieb zu verbessern und sich mit den Arbeitsprozessen im Weltraum vertraut zu machen. Bei simulierten Wartungsarbeiten an Land führen Astronauten beispielsweise in einem neutralen Auftriebswassertank Wartungsvorgänge mit mehreren Anforderungsstufen durch, simulieren den Umgang mit Problemen, die bei der Wartung im Weltraum auftreten können, und trainieren die Kommunikation und Koordination des Teams sowie die Anpassungsfähigkeit der Koordination, was zweifellos die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Wartungsmissionen im Weltraum verbessern wird.

Kurz gesagt: Die Weltraumwartung bietet sicheren und zuverlässigen Schutz für Raumfahrzeuge. Von der Rettung von Satelliten bis zur Reparatur von Raumstationen haben Menschen im Bereich der Weltraumwartung mutige Versuche unternommen und bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Ich bin davon überzeugt, dass sich die Weltraumwartung mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie in Zukunft in eine effizientere, sicherere und automatisiertere Richtung entwickeln wird. Die große Zahl der Forscher aus der Luft- und Raumfahrtwissenschaft wird die Weiterentwicklung und Anwendung der Weltraumtechnologie vorantreiben und der Menschheit auf ihrer Reise ins Universum solidere Garantien bieten. (Autor: Li Ruopeng; einige Bilder von der NASA; Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)