Die Erschließung von Ressourcen im gesamten Sonnensystem erfordert diese neuen Technologien!

Kürzlich haben die Luft- und Raumfahrtexperten meines Landes einen Fahrplan für die Erschließung von Ressourcen im gesamten Sonnensystem vorgeschlagen. Aufgaben wie die Erschließung extraterrestrischer Wassereisvorkommen, der Bergbau auf fremden Planeten und die Durchführung von Weltraumflügen erfordern künftig die Erforschung, Entwicklung und Anwendung neuer Luft- und Raumfahrttechnologien, um einen höheren Mehrwert zu schaffen. Welche ehrgeizigen Ziele können im Vergleich zu den Erkundungsmissionen des Sonnensystems in der Geschichte der Weltraumforschung bei der zukünftigen Erschließung der Ressourcen des Sonnensystems erreicht werden? Welche neuen Technologien werden benötigt? Welche Herausforderungen müssen Forscher bewältigen?

Imaginäres Bild einer Ozeansonde unter der Eisschicht eines fremden Planeten

„Heavenly Creations“-Layout für groß angelegte Entwicklung

Vor nicht allzu langer Zeit fand in Peking das erste akademische Austauschtreffen der Chinesischen Gesellschaft für Astronautik zum Thema Weltraumwissenschaft und -experimente statt. Bei dem Treffen stellte Wang Wei, ein Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, einen Bericht mit dem Titel „Konzepte für die Entwicklung eines Systems zur Entwicklung von Weltraumressourcen“ vor und startete die Initiative „Himmlische Schöpfungen“.

Der Bericht schlägt die Idee vor, schrittweise ein System zur Entwicklung von Weltraumressourcen von nah bis fern aufzubauen, mit der Entwicklung strategischer Mineralressourcen als Ziel, der Nutzung extraterrestrischer Wassereisressourcen als Grundlage und den Lagrange-Punkten L1/L2 zwischen den beiden großen Himmelskörpern als Knotenpunkten.

Einerseits werden wir nach und nach Einrichtungen zur Erschließung von Wassereisressourcen auf dem Mond, erdnahen Asteroiden, dem Mars, Asteroiden des Hauptgürtels und den Jupitermonden errichten und Schritt für Schritt ein Versorgungsstationssystem für Weltraumressourcen aufbauen, das den Mond, den Mars, Ceres, Jupiter usw. einbezieht und in der Lage ist, Ressourcen im gesamten Sonnensystem zu erkunden und zu erschließen.

Andererseits ist geplant, eine Weltrauminfrastruktur aufzubauen, beispielsweise Versorgungsstationen für Weltraumressourcen, Transportkanäle für Weltraumressourcen, Stationen zum extraterrestrischen Bergbau, Stationen zur Verarbeitung von Weltraumressourcen und kostengünstige Rückführungskanäle für Weltraumressourcen. Außerdem soll schrittweise ein System zur Entwicklung von Weltraumressourcen geschaffen werden, das den Mond, erdnahe kleine Körper, Asteroiden des Hauptgürtels, Planeten usw. einbezieht und die Fähigkeit besitzt, Weltraumressourcen in großem Maßstab und kommerziell zu entwickeln und zu nutzen.

Darüber hinaus liegt der Schwerpunkt auf der Gestaltung von Technologien für den Ein- und Austritt ins All, den Weltraumtransport, die Weltraumversorgung, den Weltraumbergbau und die Verarbeitung von Weltraumressourcen, wobei der Schwerpunkt auf Durchbrüchen bei gemeinsamen Schlüsseltechnologien wie der kostengünstigen Ressourcenrückführung, dem fluggestützten Weltraumressourcentransport, Weltraumressourcenversorgungsstationen, extraterrestrischen Bergbaustationen und Weltraumressourcenverarbeitungsstationen liegt.

Kurz gesagt schlägt der Bericht Ziele für die Phasen „Erkundung, Abbau und Nutzung“ vor und bietet vorläufig einen vierstufigen Entwicklungsfahrplan für die Erschließung der Ressourcen im gesamten Sonnensystem bis 2035, 2050, 2075 und 2100, um eine sprunghafte Entwicklung im Bereich der Entwicklung und Nutzung von Weltraumressourcen in meinem Land zu fördern.

Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, ist es für das Luft- und Raumfahrtpersonal notwendig, mutige Innovationen hervorzubringen und eine Reihe neuer Technologien zu entwickeln und anzuwenden.

Exploration, ein tieferes Verständnis des Sonnensystems

Um die Ressourcen des Sonnensystems zu erschließen, besteht die oberste Priorität darin, ausreichend genaue Untersuchungen außerirdischer Körper durchzuführen.

Mit den vorhandenen Methoden der Raumfahrtforschung ist es möglich geworden, Informationen über die Oberflächenressourcen außerirdischer Planeten zu sammeln. Dazu gehören der Einsatz von Sonden zur Aufdeckung der Verteilung der Wassereisvorkommen an den Mondpolen, hochauflösende Bilder der Marsoberfläche und die Verwendung von bodengestütztem Radar zur Analyse der Hauptbestandteile der Oberflächen erdnaher Asteroiden.

Allerdings ist es mit der bestehenden Technologie schwierig, sowohl eine detaillierte als auch eine großflächige Erfassung der Oberflächen fremder Planeten zu ermöglichen. So hat beispielsweise die hochauflösende Kamera des Mars Reconnaissance Orbiter in über 10 Jahren nur etwa 5 % der Marsoberfläche gescannt. Bei der zukünftigen Erforschung der Ressourcen des Sonnensystems werden Bilderkennungssysteme mit größerer Breite und höherer Präzision unverzichtbar sein.

Darüber hinaus ist auch die Erforschung von Ressourcen tief im Inneren außerirdischer Körper ein neues Gebiet, das erschlossen werden muss. Unter der dicken Eisschicht auf der Oberfläche der Satelliten von Riesenplaneten wie Europa, Enceladus und Triton befindet sich aufgrund der Restwärme im Inneren der Satelliten und der Anziehungskraft der Riesenplaneten wahrscheinlich ein riesiger Ozean. In Zukunft könnten diese unterirdischen Ozeane möglicherweise dazu beitragen, Raumfahrzeuge auf ihren Missionen in den tiefen Weltraum mit Energie zu versorgen, oder sogar dazu genutzt werden, die Wasserreserven der Erde aufzufüllen.

Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass die Untersuchung dieser Eissatelliten den Einsatz von Bohrern und Tauchbooten erfordert, um kilometerdickes Eis zu durchdringen, indem das Eis erhitzt und geschmolzen wird, und um den unterirdischen Ozean zu erkunden. Um die Betriebsbedingungen langfristig aufrechtzuerhalten und die Systemkomplexität sowie die Gesamtkosten zu reduzieren, müssen diese Geräte mit radioaktiven Isotopen betrieben werden.

Darüber hinaus sollen leistungsfähigere boden- und weltraumgestützte Radargeräte die Ressourcenzusammensetzung erdnaher Asteroiden und Hauptgürtel-Asteroiden genauer untersuchen und feststellen, ob sich ihre Entwicklung lohnt.

Angesichts der großen Entfernungen und der unbekannten, risikoreichen Umgebung werden unbemannte Sonden auf Basis künstlicher Intelligenz zu „Pionieren“ der Erforschung werden. Sie werden versuchen, mehr Ergebnisse zu geringeren Kosten zu erzielen und den Grundstein für die Einrichtung bemannter Außenposten im Weltraum zu legen. Um sich an die raue Strahlungsumgebung außerirdischer Körper anzupassen, müssen die Rechenleistung der künstlichen Intelligenz und die Kommunikationsfähigkeiten unbemannter Sonden kontinuierlich verbessert werden.

Sammlung, großflächiger Zugang zum Weltraum

Heute hat die Sonde die Rückführung von Mondproben geschafft und die Probenrückführungsmission zum Mars wird beschleunigt. Allerdings wird sich die Gesamtmenge der außerirdischen Ressourcen, die in Zukunft kontinuierlich abgebaut werden, im Vergleich zu der geringen Menge an Proben, die für wissenschaftliche Forschungszwecke entnommen werden, zwangsläufig deutlich erhöhen. Hierzu ist es notwendig, dass Astronauten die Fähigkeit beherrschen, in großem Maßstab in den Weltraum vorzudringen und über ausreichend leistungsfähige Raumtransportkapazitäten verfügen.

Hochleistungsraketen und flugbasierte Luft- und Raumfahrttransportfahrzeuge, die wiederverwendbar sind und einen hohen Gesamtnutzen bieten, sollten in der Lage sein, „die Führung zu übernehmen“. Sie werden chemische Energie nutzen, Startmissionen in erdnahen Umlaufbahnen schubweise durchführen, eine integrierte Montage implementieren und Weltraumeinrichtungen bauen, die größer und großartiger sind als die Internationale Raumstation. Bei den häufigen Weltraumflügen verfügen chemische Antriebsmotoren jedoch über einen begrenzten spezifischen Impuls und eine geringe Antriebseffizienz. Daher ist der Einsatz effizienterer Antriebstechnologien auf Basis von Solar- und Kernenergie erforderlich.

Wie wir alle wissen, nimmt die Intensität der Sonnenstrahlung stark ab, wenn sich das Raumfahrzeug entfernt. Nach dem Überschreiten der Umlaufbahn des Jupiters kann die Effizienz der Stromerzeugung durch Solarmodule die Missionsanforderungen kaum noch erfüllen. Durch den Einsatz neuer Technologien und der Verwendung von Reflektoren zur Intensivierung des auf die Solarflügel fokussierten Sonnenlichts kann der Einsatzbereich von Solarflügeln zukünftig theoretisch auf die Umlaufbahn des Saturn ausgeweitet werden.

Atombetriebene Raumfahrzeuge werden wahrscheinlich für routinemäßige Reisen innerhalb des Sonnensystems eine notwendige Option sein. Aufgrund der geringen technischen Reife von Raketentriebwerken auf Basis von Kernspaltungsfragmenten, Kernfusionsantrieben und anderen Lösungen erscheinen Kernthermoantriebe und Kernelektroantriebe realistischer.

Ein Bild einer nuklearbetriebenen Rakete auf einer Weltraummission

Das Prinzip des nuklearen thermischen Antriebs besteht darin, Wasserstoff und andere Arbeitsflüssigkeiten direkt durch den Reaktorkern fließen zu lassen, um ihn zu erhitzen und Schub zu erzeugen. Erste Versuche dazu gab es bereits in den 1960er Jahren. Ausländische nuklearthermische Raketen mit niedriger Kernbrennstoffkonzentration werden voraussichtlich innerhalb von fünf Jahren ihren Erstflug absolvieren. Zu ihren Zielen gehört es, Raumsonden so zu steuern, dass sie innerhalb von zwei Jahren den Jupiter und innerhalb von drei Jahren den Saturn erreichen.

Allerdings gibt es beim Kernwärmeantrieb derzeit noch einige Probleme, beispielsweise die lange Start-/Stoppzeit. Darüber hinaus kann es bei den Brennstäben im Reaktorkern im Dauerbetrieb zu anormalem Kriechen, einer Fragmentierung der Ummantelung, einem Festigkeitsverlust und anderen Problemen kommen. Zudem sind mehrere Starts und die Dauerbetriebszeit begrenzt.

Der Kernantrieb erfordert den Einsatz komplexer und hochentwickelter mechanischer Strukturen, eine aktive Zirkulation von Kühlmitteln und das Fehlen einer redundanten Sicherung, was zu einer geringen Zuverlässigkeit in den Tiefen des Weltraums führt. Die Lebensdauer beträgt oft nur einige zehn Tage, und die riesige Wärmeableitungsvorrichtung führt außerdem dazu, dass das Raumfahrzeug „übergewichtig“ ist.

Tatsächlich müssen Raumfahrzeuge enorme Herausforderungen bewältigen, um im großen Stil Ressourcen auf der Oberfläche fremder Planeten abzubauen. Dazu gehört etwa die Entwicklung noch besserer flexibler Roboterarme. Zudem müssen sie in grundlegenden Bereichen wie Materialien und Strukturdesign Fortschritte erzielen.

Neben der Förderung technologischer Innovationen sollen auch neuartige Ideen für das Design von Raumfahrzeugen in die Praxis umgesetzt werden. Astronauten könnten beispielsweise den Einsatz von Triebwerken in Betracht ziehen, um kleine Himmelskörper mit ausreichenden Ressourcen näher an die Erde zu „bewegen“, die Gestaltung der Landung oder Probenentnahme von Raumfahrzeugen zu vereinfachen und sich stattdessen auf die Steuerungstechnologie der Kombination aus Raumfahrzeug und kleinen Himmelskörpern zu konzentrieren.

Auslastung, das Ganze hat ein neues Niveau erreicht

Im Zuge der intensiven Erschließung der solaren Ressourcen werden die gesammelten Weltraummaterialien nicht mehr vollständig zur Erde zurücktransportiert, sondern möglichst im Orbit in nutzbare Ressourcen umgewandelt.

Beispielsweise demonstrieren Forscher die Nutzung der Elektrolyse von Wassereisressourcen auf außerirdischen Planeten zur Erzeugung von Wasserstoff, Sauerstoff usw. zur Versorgung von Raumfahrzeugen oder Raumfahrern. die Verwendung gesammelter Roherzen, um sie zu metallischen Ressourcen zu verarbeiten, die direkt verwendet oder sogar zu Zubehör für die Montage von Raumfahrzeugen im Orbit verarbeitet werden können; die Nutzung von Kohlendioxid und Wasserstoff auf der Marsoberfläche zur Erzeugung von Methan durch die Sabatier-Reaktion und zur weiteren Synthese organischer Stoffe und sogar Nahrungsmittel; Mit der Weiterentwicklung von Materialien und Intelligenz für Raumfahrzeuge können wir darüber nachdenken, mit radioaktivem Material angereichertes Kernmaterial von außerirdischen Planeten zu sammeln, um daraus Brennstäbe für Reaktoren herzustellen, oder Edelgase und elektrische Antriebsflüssigkeiten aus der Atmosphäre riesiger Planeten zu gewinnen.

Kurz gesagt: Mit der großflächigen Verbreitung von Raumfahrzeugen für Weltraummissionen und der schrittweisen Verbesserung der Weltrauminfrastruktur werden mehr außerirdische Ressourcen für den Betrieb von Außenposten benötigt, und manchmal wird sich der Transport dieser Ressourcen zurück zur Erde nicht lohnen. Derzeit führen die Luft- und Raumfahrtindustrien vieler Länder Experimente zur Ressourcennutzung vor Ort auf dem Mond, dem Mars und anderen äußeren Planeten durch oder sind dabei, dies zu tun. Diese Experimente sollen dazu beitragen, neue Modelle für die Entwicklung außerirdischer Ressourcen zu erforschen.

Ein Bild einer außerirdischen Bergbauszene

Die Entwicklung einer In-situ-Ressourcennutzung auf außerirdischen Planeten und die Durchführung von Weltraumproduktionsaktivitäten werden der Trend bei der zukünftigen Ressourcenentwicklung des Sonnensystems sein, und das Problem der Energieversorgung kann nicht ignoriert werden. Zu diesem Zweck ist es notwendig, eine Weltrauminfrastruktur wie etwa Weltraum-Solarkraftwerke aufzubauen, um die Konstruktion von Raumfahrzeugen und Weltraumfabriken zu vereinfachen.

Ein weiteres Problem für Weltraumfabriken wird die Wärmeableitung sein: Die Effizienz der Strahlungswärmeableitung ist gering und das Schmelzen von Metallen bei hohen Temperaturen auf fremden Planeten ohne Flüssigkeiten und Atmosphäre ist riskant. Es scheint, dass sich Weltraumfabriken für den Bau auf Himmelskörpern mit Atmosphäre wie dem Mars und Titan eignen.

Wenn Weltraumfabriken zur Herstellung von Präzisionsgeräten Realität werden, können Astronauten in der Zukunft vielleicht die Schwerelosigkeit nutzen, um ein „Weltraumdock“ zu bauen und riesige Raumfahrzeuge zusammenzubauen, die in der Erdumgebung nur schwer zu realisieren wären, um längere Reisen zu ermöglichen oder mehr Fracht zu transportieren.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist zu einem „Feld der Hoffnung“ geworden, in das Länder auf der ganzen Welt um Investitionen konkurrieren, denn die nahezu unbegrenzten Weltraumressourcen und die technologischen Errungenschaften, die während des Erkundungs- und Entwicklungsprozesses erzielt werden, bedeuten eine vielversprechende Zukunft für die nationale Entwicklung und den strategischen Wettbewerb. Mit dem technologischen Fortschritt wird das Konzept der Erschließung von Weltraumressourcen allmählich Wirklichkeit. Dennoch müssen die Luft- und Raumfahrtarbeiter ihre Bemühungen mit nachhaltigen Investitionen fortsetzen. (Autor: Zhang Chen)