Es gibt viele Gründe für Leckagen in Raumfahrzeugen, und die Notfallsanierungsmethode ist wunderbar

Vor Kurzem zeigte das russische Frachtraumschiff Progress MS-21 vor dem Verlassen der Internationalen Raumstation Anzeichen eines Lecks.

Der Unfall ähnelt dem, was Ende letzten Jahres dem russischen bemannten Raumschiff Sojus MS-22 passierte. Die russische Seite geht davon aus, dass sie höchstwahrscheinlich durch äußere Einflüsse verursacht wurden.

Tatsächlich gibt es viele spannende Fälle von versehentlichen Lecks aus Raumfahrzeugen. Was sind die Gründe dafür? Wie können Wissenschaftler und Astronauten gezielt Abhilfe schaffen?

Kühlmittelleck im bemannten russischen Raumschiff Sojus MS-22

Unbeabsichtigtes Auslaufen ist gefährlich

Die Arbeitsumgebung von Raumfahrzeugen ist rau. Es wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, beispielsweise Störungen in der Weltraumumgebung, extreme Temperaturschwankungen, Lärm, elektromagnetische Störungen, Vibrationen, Meteoroideneinschläge usw. Einzelne Komponenten sind fehleranfällig und es ist schwierig sicherzustellen, dass es während des Betriebs zu keinen Problemen kommt. Hinzu kommt, dass Raumfahrzeuge oft aus Hunderttausenden oder sogar Millionen von Komponenten bestehen, die Systemstruktur sehr komplex ist und die Zuverlässigkeit mit großen Herausforderungen verbunden ist.

Mit der rasanten Zunahme der Zahl der in den letzten Jahren von verschiedenen Ländern gestarteten Raumfahrzeuge und der kontinuierlichen Erprobung verschiedener neuer Technologien und Verfahren sind die Missionen und Strukturen der Raumfahrzeuge immer komplexer geworden und es kommt zu immer mehr unerwarteten Situationen. Im Weltraum betriebene Raumfahrzeuge können nicht zur Reparatur auf die Erde zurückkehren. Im Falle eines Ausfalls sind die herkömmlichen Möglichkeiten menschlicher Eingriffe begrenzt. Beispielsweise kann eine Fehlfunktion eines bemannten Raumfahrzeugs die Sicherheit der Astronauten gefährden und eine Katastrophe verursachen.

Als beispielsweise im Jahr 1971 das sowjetische Raumschiff Sojus 11 seine Andockmission an die Raumstation Saljut 1 abgeschlossen hatte und sich auf dem Rückweg zur Erde das Orbitalmodul vom Rückkehrmodul trennte, kam es zu einer Fehlfunktion eines Sprengsatzes, der die Lukendichtung zerstörte. Dadurch entwich die Luft im Rückkehrmodul rapide, und drei Astronauten kamen dabei ums Leben.

Als sich beispielsweise im Jahr 2003 die US-Raumfähre Columbia auf dem Weg in die Umlaufbahn befand, löste sich der Isolierschaum des externen Treibstofftanks und traf den linken Flügel, wodurch die Dichtung versagte. Dies wurde vom Überwachungsteam nicht beachtet. Als das Space Shuttle wieder in die Atmosphäre eintrat, drangen heiße Gase in das Innere der Tragfläche ein und lösten eine Reihe von Störungen aus, die zur Zerstörung des Space Shuttles und zum Tod von sieben Menschen führten.

Die Internationale Raumstation ist ein Ort, an dem sich Astronauten über lange Zeiträume aufhalten, und es kam dort schon zu vielen Hochrisikosituationen. Im August 2018 kam es auf der Internationalen Raumstation zu einem Gasleck. Nach einer Untersuchung entdeckten Astronauten ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 mm in der Wand eines bemannten russischen Raumschiffs. Wenn nicht rechtzeitig reagiert wird, kann der Sauerstoff in der Raumstation innerhalb von 18 Tagen erschöpft sein, was tödliche Folgen haben kann.

In jüngster Zeit kam es bei russischen Raumfahrzeugen, die an der Internationalen Raumstation angedockt waren, zu einer Reihe von Leckagen, die in der Außenwelt Besorgnis hervorriefen. Im vergangenen Dezember wurde die bemannte Raumsonde Sojus MS-22 von einem Mikrometeoroiden getroffen, und in der Nähe des Solarflügels entstand ein kleines Loch mit einem Durchmesser von etwa 0,8 mm. Das Kühlmittel trat aus und das Raumschiff konnte keine Passagiere mehr befördern. Am 11. Februar dieses Jahres wurde beim Frachtraumschiff Progress MS-21 eine defekte Dichtung und eine Fehlfunktion im Temperaturkontrollsystem festgestellt.

Das kleine Loch, das entstand, nachdem das bemannte Raumschiff Sojus MS-22 von einem Mikrometeoroiden getroffen wurde. Normalerweise ist die Wahrscheinlichkeit einer Unfallserie mit ausgereiften Raumfahrzeugen sehr gering, daher legt die russische Raumfahrtbehörde großen Wert darauf.

Die Unfalluntersuchung der beiden Raumfahrzeuge ist noch nicht abgeschlossen. Russische Techniker werden die Fehler am Boden reproduzieren, um die Analyse zu überprüfen und gezielte Reaktionsmaßnahmen zu entwickeln, um den Schutz und die Zuverlässigkeit des Raumfahrzeugs zu verbessern. Anschließend wird das bemannte Raumschiff Sojus MS-23 leer gestartet, um die Astronauten nach Hause zu bringen. Dabei dürfen keine Fehler passieren.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Situation im Orbit zu verbessern

Wenn es bei einem bemannten Raumfahrzeug zu einer Fehlfunktion oder Undichtigkeit kommt, ist die Gefahr extrem groß und muss so schnell wie möglich entdeckt und behoben werden. Die Astronauten der Internationalen Raumstation verfügen wahrscheinlich über die meiste Erfahrung auf diesem Gebiet und die Vorgehensweisen bei der Bewältigung des Fehlers können je nach den spezifischen Umständen des Fehlers sehr unterschiedlich sein.

Wenn Astronauten auf der Internationalen Raumstation auf ein gefährliches Luftleck stoßen, schließen sie die Luken nacheinander, um das Ausmaß des Fehlers zu verringern. Sobald an einer beliebigen Stelle in der Kabine ein Loch auftritt, führt die aus der undichten Stelle austretende Luft zu abnormalen Ultraschallsignaleigenschaften. Astronauten müssen tragbare Ultraschall-Scangeräte verwenden, um die Außenwand der Kabine schnell abzutasten und die undichte Stelle zu ermitteln. Im Jahr 2004 entdeckten Astronauten ein Leck am Bullauge des Labormoduls Destiny und stellten fest, dass die Dichtung an der Verbindung zwischen dem U-förmigen Rohr zum Luftdruckausgleich und dem Bullauge versagt hatte.

Analysten gehen davon aus, dass das U-förmige Rohr nicht mit der Aufschrift „Nicht ziehen“ gekennzeichnet war und sich in der Nähe des Bullauges kein Handlauf befand. Daher zogen die Astronauten häufig am U-förmigen Rohr, wenn sie sich in der Nähe bewegten, wodurch es sich verformte und lockerte, was mit der Zeit zu einem Luftleck führte. Später wurde bei der Internationalen Raumstation die U-förmige Röhre ersetzt und in der Nähe der Bullaugen spezielle Handläufe hinzugefügt.

Im Jahr 2018 entdeckten Astronauten ein Leck in der Kabinenwand des russischen Raumschiffs Sojus und beschlossen, Notfallabdichtungsmaßnahmen zu ergreifen: Zunächst wurde Klebeband zur vorübergehenden Abdichtung verwendet, anschließend Epoxidharzkleber und Gaze zur dauerhaften Abdichtung.

Diese scheinbar einfachen Methoden funktionierten gut und es traten keine Leckageprobleme auf, bis sich das Raumschiff von der Internationalen Raumstation trennte.

Im Vergleich zu bemannten Raumfahrzeugen führt ein Ausfall unbemannter Raumfahrzeuge vor allem zu wirtschaftlichen Verlusten, und es ist fraglich, ob sich eine Reparatur dieser Ausfälle lohnt. Ganz zu schweigen von den Raumsonden, bei denen eine spätere Wartung im Grunde unmöglich ist. Allein bei unbemannten Raumfahrzeugen in niedrigen Erdumlaufbahnen können die Kosten für die Entsendung von Astronauten oder den Start von Robotern zur Wartung höher sein als die Kosten für den Start von Ersatzfahrzeugen.

Mit der zunehmenden Popularität multifunktionaler Kleinsatelliten wird sich die Vorstellung „Bauen ist schlimmer als Reparieren“ wahrscheinlich weiter verbreiten. Wenn bei einem besonderen und wertvollen unbemannten Raumfahrzeug eine Fehlfunktion auftritt, ist es natürlich trotzdem notwendig, Menschen in den Weltraum zu schicken, um es zu reparieren.

In der Ära der Space Shuttles beinhaltete jeder Flug eine Reparaturmission. Immerhin konnte es sieben Astronauten befördern und war mit einem Roboterarm und verschiedenen Reparaturgeräten ausgestattet, was es zu einer idealen „Weltraumklinik“ machte.

Im Laufe der Jahrzehnte haben Astronauten viele wichtige Raumfahrzeuge gerettet. Das berühmteste davon ist das Hubble-Teleskop, das fünf Reparaturen durchlaufen hat, um sicherzustellen, dass es mehr als 30 Jahre lang in der Umlaufbahn in gutem Betriebszustand blieb. Leider verfügen die meisten unbemannten Raumfahrzeuge nicht über eine so gute „Behandlung“ und verlassen sich bei ihrem Versuch, Fehler zu beseitigen, hauptsächlich auf ein redundantes Design der Komponenten und einen Systemrekonstruktions-Steuerungsmodus. Wenn ein einfacher Fehler auftritt, verwenden Bodentechniker Fernsteuerungsbefehle und hochgeladene Daten, um Backup-Komponenten und Systembetriebsmodi umzuschalten, wichtige Steuerparameter zu ändern und sich um die Reparatur des unbemannten Raumfahrzeugs zu bemühen. Wenn ein komplexer Fehler auftritt, kann dieser irreparabel sein.

Dank des technologischen Fortschritts muss ein ungewöhnliches Leck in unbemannten Raumfahrzeugen nicht unbedingt ein Todesurteil bedeuten. Die Lebensdauer eines Raumfahrzeugs endet oft, weil der Treibstoff aufgebraucht ist. Deshalb haben einige Länder und kommerzielle Raumfahrtstreitkräfte Reparatur- und Betankungssatelliten gestartet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Weltraumroboter, die Treibstoff lagern, Ersatzteile und Reparaturwerkzeuge transportieren und im Orbit Wartungs- und Betankungsdienste leisten können.

Schematische Darstellung des Andockens eines Satelliten für Wartungs- und Nachschubarbeiten im Orbit

Im Jahr 2007 starteten die Vereinigten Staaten mit Orbital Express das erste unbemannte Testraumfahrzeug für die Weltraumwartung. Es besteht aus zwei Satelliten, von denen einer für Reparaturen zuständig ist und der andere einen Frachtraum mit verschiedenen Werkzeugen bietet. Die beiden Satelliten sind normalerweise miteinander verbunden. Nach Erhalt der Mission erreichen sie die Zielumlaufbahn, trennen sich und führen eine „Operation“ am Reparatursatelliten durch. Im Frachtraum werden verschiedene Ersatzteile bereitgestellt oder Treibstoffe aufgetankt, um den defekten Satelliten wieder in den Normalbetrieb zu versetzen.

Neue Technologien sorgen für Sicherheit

Im Laufe der Jahre der Entwicklung haben die Luft- und Raumfahrtindustrien verschiedener Länder einen großen Erfahrungsschatz und zahlreiche Lehren angesammelt. Die Fähigkeiten und das technische Niveau der Raumfahrzeugentwicklung wurden kontinuierlich verbessert und Zuverlässigkeit und Sicherheit gewährleistet. Gleichzeitig verbessert sich durch den Einsatz neuer Technologien und Materialien auch die Fähigkeit von Raumfahrzeugen, Fehler zu erkennen und sich selbst zu reparieren.

Im Hinblick auf die Fehlererkennung haben die Vereinigten Staaten eine neue Technologie zur Erkennung von Luftlecks für die Internationale Raumstation entwickelt. Dabei wird ein komplettes Sensorsystem an der Innenwand der Raumstationskabine installiert, um abnormale Vibrationssignale der Kabine zu analysieren. Wenn in der Raumstation ein Leck auftritt, erfassen und aggregieren die Sensoren die Signale, um das Leck schnell und genau zu lokalisieren.

Öffentlichen Informationen zufolge wurde das bemannte Raumfahrzeug-Testschiff der neuen Generation meines Landes im Jahr 2020 in die Umlaufbahn gebracht und führte eine Reihe wichtiger Technologietests und -überprüfungen durch, wie etwa Hochgeschwindigkeits-Wiedereintritt, Kontrolle und Bergung. Ein wichtiger Inhalt war der Test des Leckage- und Kollisionserkennungssystems.

Die Rückkehrkapsel des bemannten Raumschiff-Testschiffs der neuen Generation meines Landes

Das Kollisionsleckerkennungssystem besteht aus 1 Host und 8 hochempfindlichen Schallemissionssensoren. Trümmerkollisionen und Gaslecks in der Kabine erzeugen Schallwellen. Das System kann den Ort der Kollision oder des Lecks anhand der Zeitdifferenz zwischen den Schallwellen berechnen, die jeden Sensor erreichen. und kann anhand der Energie der Schallwellen den Grad der Kollision und Leckage bestimmen. Durch die Echtzeit-Erkennung winziger Veränderungen in der Raumfahrzeugstruktur kann das System potenzielle Fehler schnell erkennen und Lösungen zur Gewährleistung der Sicherheit der Astronauten bereitstellen.

Im Hinblick auf die Selbstreparatur sind intelligente selbstreparierende Materialien in den Fokus der Luft- und Raumfahrtforschung gerückt. Dieses Material nutzt die Selbstheilungsprinzipien von Organismen wie Geckos. Dabei werden Hohlfasern verwendet, um „Blutgefäßkanäle“ zu simulieren, und aus zwei nicht reaktiven Flüssigkeiten wird „Blut“ hergestellt, das im Material gespeichert wird. Wenn das Material einer äußeren Kraft ausgesetzt ist und Risse entstehen, platzen mit der Zeit einige der „Blutgefäße“, und die beiden Flüssigkeiten fließen aus und dringen in die Risse ein. Anschließend reagieren sie chemisch mit den umgebenden Strukturen, wodurch eine Selbstheilung des Materials und letztlich eine Selbstreparatur der strukturellen Schäden am Raumfahrzeug erreicht wird.

Amerikanische Forscher untersuchen ein weiteres selbstheilendes Material zum Schutz der Außenschicht von Raumfahrzeugen. Es hat eine dreischichtige Struktur, wobei die beiden äußeren Schichten aus festen, harten Polymeren und die mittlere Schicht aus flüssigem Harz bestehen. Wenn Weltraummüll die Außenhülle eines Raumfahrzeugs durchdringt, fließt flüssiges Harz aus der Innenseite des Materials. Gleichzeitig führt das aus dem Raumfahrzeug austretende Gas dazu, dass das Harz schnell aushärtet und das Loch versiegelt. Der Aushärtungsprozess dauert höchstens Millisekunden, wodurch eine Not- und Sofortreparatur möglich ist.

Mit Blick auf die Zukunft werden Raumfahrzeuge durch den kontinuierlichen Einsatz neuer Materialien und neuer Technologien sicherer und zuverlässiger und ermöglichen es Menschen, tiefer in den Weltraum zu gelangen. (Autor: Yang Shirui)