Der Animationsfilm „Die drei Sonnen“ wird veröffentlicht. Kann der Hightech-Weltraumaufzug Wirklichkeit werden?

Weltraumaufzüge sind ein häufig erwähntes Thema in vielen Science-Fiction-Werken, darunter auch in „Das Dreikörperproblem“. Was sind die technischen Schwierigkeiten dieses Projekts? Gibt es wirklich Hoffnung, dass die Zukunft Wirklichkeit wird?

Geschrieben von Reporter Duan Ran

Grafikeditor/Chen Yongjie

Redakteur für Neue Medien/Lv Bingxin

▲ Schematische Darstellung des Weltraumlifts (Bildquelle: NASA)

Der Animationsfilm „Three-Body“, eine Adaption von Liu Cixins gleichnamiger Science-Fiction-Romanreihe, wird auf Bilibili gezeigt. Der im Stück dargestellte „Weltraumlift“ hat bei vielen Menschen die Sehnsucht nach ihm geweckt. Steigen Sie in den Aufzug, drücken Sie die Aufwärtstaste und sausen Sie in den Weltraum. Ist das nicht cool?

Auf dem Internationalen Symposium zur friedlichen Nutzung der Weltraumtechnologie (Gesundheit) 2022, das vom 18. bis 20. November stattfand, schlug Peter Swann, Präsident des International Space Elevator Consortium und Mitglied der International Academy of Astronautics, vor, dass Weltraumaufzüge in Zukunft als permanente Logistikinfrastruktur Material und Personal in den Weltraum transportieren und so zu einem neuen Kanal für den Zugang zum Weltraum werden könnten.

Oft scheint die Grenze zwischen Science-Fiction und Wissenschaft so verschwommen. Können Menschen die andere Seite des Weltraums wirklich so einfach erreichen, indem sie einen Aufzug nehmen, wie es in Science-Fiction-Romanen dargestellt wird?

Science-Fiction-Autoren, die von Wissenschaftlern inspiriert wurden

Der Weltraumlift war schon immer ein heißes Thema für viele Science-Fiction-Autoren und taucht in unterschiedlichen Formen in zahlreichen Science-Fiction-Werken auf. Im Jahr 1979 beschrieb der britische Schriftsteller Sir Arthur Clarke in seinem Science-Fiction-Roman „Die Fontänen des Himmels“ erstmals den „Weltraumlift“, eine riesige Anlage, die den offenen Raum überbrückt. Der chinesische Science-Fiction-Autor Liu Cixin widmete in seinem Roman „Die drei Sonnen“ auch der detaillierten Beschreibung eines riesigen Geräts namens „Himmelsleiter“ viel Platz. Doch tatsächlich sind die für ihre Genauigkeit bekannten Wissenschaftler den Romanautoren weit voraus, wenn es um die Erforschung der „Weltraumleiter“ geht.

▲Der britische Schriftsteller Sir Arthur Clarke beschrieb den „Fahrstuhl zum Himmel“ erstmals in seinem Science-Fiction-Roman „The Fountains of Heaven“.

Schon im Jahr 1895, als der russische Raketenexperte und Weltraumpionier Ziolkowski den Eiffelturm in Paris besuchte, ließ er sich von der Konstruktion des Eisenturms inspirieren und schlug vor, einen ultrahohen Eisenturm auf dem Boden zu errichten, der die geosynchrone Umlaufbahn erreichen und mit dem Aufzug in den Weltraum gelangen könnte. Er entwarf auch einen detaillierten Entwurf des Turms und berechnete seine Höhe auf 35.786 Kilometer. Ziolkowskis Entwurf, der dem Turmbau zu Babel in der Bibel ähnelte, war der Ursprung des „Weltraumlifts“. Nach einer Reihe von Berechnungen kam er jedoch zu dem Schluss, dass es unmöglich sei, einen so extrem hohen Eisenturm zu bauen.

In den 1960er Jahren, als Menschen zum ersten Mal den Weltraum betraten, wurde von Wissenschaftlern erneut die Idee vorgeschlagen, einen Weltraumaufzug für den Weltraumflug zu bauen. Der sowjetische Ingenieur Juri Artschutanow hatte die Vision, einen „elektrischen Zug“ zwischen Luft und Boden zu bauen, um den Transport im Weltraum zu ermöglichen. Anders als Ziolkowskis Idee, einfach einen hohen Turm mit Stahlkonstruktion vom Boden aus zu errichten, schlug er einen Plan vor, der vom Weltraum bis zur Erde reicht. Das bedeutet, dass zunächst ein geostationärer Satellit gestartet wird, dann ein Seil vom Satelliten bis zur Erde gespannt und an einem Ende am Boden befestigt wird, um eine Laufstrecke für den „elektrischen Zug“ zu bilden.

Im Jahr 1970 entwickelte der amerikanische Wissenschaftler Jerome Pearson erstmals eine Theorie zum Konzept eines „Weltraumaufzugs“ und veröffentlichte seine entsprechenden Demonstrationen im Journal of Space Engineering. Ähnlich dem Plan der Sowjetunion für eine „elektrische Eisenbahn“ hatte Pearson die Vision, mehrere Kabel aus Spezialmaterialien mit hoher Zugfestigkeit von einem künstlichen Raumfahrzeug im Weltraum zur Erde „hängen“ zu lassen, um so die Hauptstruktur des Weltraumaufzugs zu bilden. Mit dieser Methode, ähnlich der Methode des „Drag-a-Kite“, sollte der Aufzug in den Himmel befördert werden. Pearsons Idee legte im Wesentlichen den Grundstein für die spätere Entwicklung von Weltraumaufzügen in der Wissenschaft. Später erweiterte Pearson dieses Konzept auf den Mond. Auf einer wissenschaftlichen Konferenz erläuterte er die Idee eines Weltraumlifts zwischen Erde und Mond und fasste die Hauptstruktur des Weltraumlifts als Konzept des „Weltraumdrahts“ zusammen. In Pearsons Vision wird das „Weltraumkabel“ der Zukunft ein dünnes Kabel aus Kevlar-Fasern oder anderen hochfesten Materialien sein, das nur geringfügig dicker als eine Bleistiftmine ist.

▲Pearson im hohen Alter und seine Idee eines Weltraumlifts (Bildnachweis: The Washington Post)

Allerdings verwendete Pearson recht komplexe wissenschaftliche Theorien, um die Machbarkeit von Weltraumaufzügen in der Zukunft und ihre geringen Kosten im Vergleich zu Trägerraketen zu demonstrieren. Doch seit die Menschheit in das Weltraumzeitalter eingetreten ist, sind Raketen das einzige technisch machbare Mittel, um ins All zu gelangen. Obwohl Pearsons wissenschaftliche Argumente in der akademischen Gemeinschaft große Beachtung fanden, ist der Weltraumlift ein Konzept, das seiner Zeit weit voraus ist. Aus diesem Grund wurde er von seinen Kollegen mit sarkastischen Bemerkungen verspottet, wie etwa: „Du könntest genauso gut Science-Fiction schreiben.“ Interessanterweise hatten Pearsons Ideen tatsächlich einen echten Einfluss auf die Science-Fiction-Welt. Der Romanautor Clarke, der zu dieser Zeit in Sri Lanka lebte, ließ sich von Pearsons Ideen zu „Raumlinien“ inspirieren und schuf in „Die Brunnen des Paradieses“ den „Fahrstuhl zum Himmel“.

Unüberwindbare technische Schwierigkeiten

Während des Wettlaufs ins All wurden keine Mühen gescheut, um Schub und Nutzlast von Trägerraketen zu erhöhen und so einen effizienteren Transport im Weltraum zu erreichen. Obwohl die Bau- und Betriebskosten von Raketen im Vergleich zu Weltraumaufzügen enorm sind, liegt der größte Vorteil von Raketen in der „technischen Machbarkeit“. Von Flüssig-/Feststoffmotoren über aerodynamische Formen bis hin zu Navigation und Kommunikation werden Raketen seit Jahrzehnten immer wieder als systematisches Ingenieurprojekt praktiziert. Obwohl Pearson und andere Unterstützer unermüdlich die Zweckmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit des Weltraumlifts demonstrierten, schien es damals noch zu viele unüberwindbare Probleme zu geben, Papierdaten in die Ingenieurpraxis umzusetzen.

Die größte Herausforderung ist nach wie vor das Material des Aufzugs. Ausgehend von Ziolkowskis superhohem Eisenturm haben die Wissenschaftler bei der Demonstration des Weltraumlifts die Baustelle in einer geosynchronen Umlaufbahn fixiert, um die Auswirkungen der Erdrotation auszugleichen und sicherzustellen, dass sich der Weltraumlift nicht relativ zu den Bodenanlagen bewegt.

Wenn Pearsons geplanter Weltraumlift hauptsächlich aus gewöhnlichen Stahlkabeln besteht, würde das Kabel, wenn es aus der geosynchronen Umlaufbahn auf die Erde fällt, weniger als 9.000 Meter von seinem eigenen Gewicht zerreißen, obwohl die geosynchrone Umlaufbahn mehr als 30.000 Kilometer von der Erde entfernt ist. Als Pearson für das Konzept der „Weltraumlinie“ argumentierte, schlug er nur vage vor, hochfeste Materialien als Hauptstruktur des Weltraumlifts zu verwenden. Welches konkrete Fasermaterial verwendet werden sollte, war bereits im damaligen Demonstrationsstadium ein unüberwindbares Problem.

Zweitens ist es notwendig, die Atmosphäre in einer Höhe von über 1.000 Kilometern zu durchqueren, um aus der geostationären Umlaufbahn die Erde zu erreichen. Die komplexen Klimabedingungen in der Troposphäre, die mit zunehmender Höhe steigende Temperatur in der Stratosphäre usw. sowie die Gravitationseffekte von Mond und Sonne stellen die Stabilität des Weltraumlifts direkt oder indirekt auf die Probe. Darüber hinaus durchqueren die Passagiere bei der Fahrt mit dem Aufzug ins All den hochintensiven Strahlungsgürtel in der äußeren Erdschicht. Eine weitere technische Herausforderung besteht darin, die Passagiere vor Beeinträchtigungen zu schützen.

▲Pearsons ursprüngliche Konzeption des Weltraumlifts (Bildnachweis: STAR.INC)

Da außerdem ein Ende des Weltraumlifts an die geostationäre Umlaufbahn „angebunden“ werden muss und am anderen Ende eine Basisstation in der Nähe des Erdäquators errichtet werden muss, ist die Auswahl eines Standorts für die Basisstation ebenfalls schwierig. Das Land in Äquatornähe besteht größtenteils aus tropischem Regenwald. Daher ist der Bau von Aufzugsbasisstationen sehr schwierig und angesichts der Transportkosten auch nicht kosteneffizient. Daher können schwimmende Basisstationen nur auf hoher See gebaut werden. Pearson und seine Nachfolger haben ähnliche Ideen vorgeschlagen, aber die Frage, wie der stabile Betrieb einer so großen Aufzugsbasisstation unter komplexen Meeresbedingungen sichergestellt werden kann, ist ebenfalls ein Problem.

Ein Hoffnungsschimmer

Seit den 1990er Jahren wurden in der Materialwissenschaft eine Reihe bedeutender Durchbrüche erzielt, die den Befürwortern von Weltraumaufzügen Hoffnung auf eine Lösung ihrer Materialprobleme geben. 1993 wurden Kohlenstoffnanoröhren erfunden und zwei Jahre später in Massenproduktion hergestellt. Dieses Material hat eine hohe Festigkeit (ähnlich wie Diamant), eine gute Flexibilität und kann zu Fasern verarbeitet werden. Es eignet sich sehr gut zur Herstellung des von Pearson vorgeschlagenen „Weltraumdrahtes“. Kohlenstoffnanoröhren gehören zu den stärksten bekannten Materialien der Welt und verfügen über eine intrinsische Zugfestigkeit von bis zu 100 GPa (Druckeinheit, d. h. Gigapascal, 1 GPa = 1.000.000.000 Pa), was dem 276-fachen der Zugfestigkeit pro Masseneinheit von Stahl entspricht. Theoretisch lässt sich damit der Effekt erzielen, dass man mit wenig Aufwand ein großartiges Ergebnis erzielen kann. Dies steht im Einklang mit Pearsons Idee, dass „die Linie im Raum nur geringfügig dicker ist als eine Bleistiftmine“.

Natürlich ist es mit der gegenwärtigen Technologie zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren noch ein weiter Weg, bis wir sie beim Bau von Weltraumaufzügen einsetzen können. Da beispielsweise die zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren verwendeten Katalysatoren in Umgebungen mit hohen Temperaturen leicht ihre Aktivität verlieren, ist die Länge der Kohlenstoffnanoröhren stark begrenzt. Die für einen Weltraumaufzug erforderliche Kabellänge beträgt mehr als 30.000 Kilometer. Allerdings arbeiten alle Länder intensiv an der Erforschung von Kohlenstoffnanoröhren, und mein Land hat in den letzten Jahren große Durchbrüche erzielt.

▲ Juri Altschutanow, ein ehemaliger sowjetischer Ingenieur, besichtigte auf der Nationalen Weltraumaufzugskonferenz 2010 das Design zukünftiger Weltraumaufzüge (Fotoquelle: Weltraumaufzugsblog)

Im Jahr 2013 gelang es einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Wei Fei vom Institut für Chemieingenieurwesen der Universität Tsinghua, nach umfangreichen Untersuchungen zum Wachstumsmechanismus, der strukturkontrollierbaren Herstellung und der Leistungscharakteristik ultralanger Kohlenstoffnanoröhren, die weltweit erste einzelne Kohlenstoffnanoröhre mit einer Länge von über einem halben Meter herzustellen und damit einen neuen Weltrekord aufzustellen. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, zukünftig die für Weltraumaufzüge benötigten Kabel zu bauen. Professor Wei Fei sagte einmal: „Die von uns hergestellten Kohlenstoffnanoröhren haben eine perfekte Struktur, hervorragende mechanische Eigenschaften und eine makroskopische Länge. Wir arbeiten derzeit an der Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren mit einer Länge von über einem Meter. Im nächsten Schritt hoffen wir, Kohlenstoffnanoröhren mit einer Länge von über einem Kilometer und einer makroskopischen Dichte herstellen zu können. Diese Arbeiten werden einen Hoffnungsschimmer für die Herstellung von Weltraumaufzügen eröffnen!“

Gerade weil in den letzten Jahren bei einigen Spitzentechnologien immer wieder Durchbrüche erzielt wurden, werden Weltraumaufzüge, die ursprünglich nur ein Zwischending zwischen Wissenschaft und Science-Fiction waren, mittlerweile von Wissenschaftlern in die technischen Konstruktionspläne aufgenommen. Im Jahr 1999 veröffentlichte das Marshall Research Center der National Aeronautics and Space Administration (NASA) einen Bericht mit dem Titel „Space Elevator: Advanced Space Infrastructure“, in dem die Machbarkeit des Weltraumlifts aus offizieller Sicht detailliert beschrieben wurde. Dies war das erste Mal, dass das Konzept des „Weltraumaufzugs“ offiziell anerkannt wurde.

▲ Die von der NASA veröffentlichte Konzeptkarte des zukünftigen Weltraumaufzugs (Bildquelle: NASA)

Seitdem haben viele große offizielle Luft- und Raumfahrtagenturen sowie Unternehmen, die in die Raumfahrtindustrie investieren möchten, ihre eigenen Pläne für einen Weltraumaufzug gestartet. Russland plant beispielsweise eine Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation beim Bau eines Weltraumlastenaufzugs. Die Vereinigten Staaten haben ein Unternehmen namens Lift Port Group gegründet, das sich auf die Forschung und Entwicklung von Weltraumaufzügen spezialisiert. Japan hat außerdem den Konstruktionsplan für das Aufzugskabel bekannt gegeben.

Natürlich sind die aktuellen Entwürfe von Weltraumaufzügen noch mit zahlreichen technischen Schwierigkeiten behaftet. Doch neben dem Raketenstart hat der Mensch bereits eine weitere Möglichkeit gefunden, den Weltraum mit der Erde zu verbinden. Ich bin davon überzeugt, dass sich die damit verbundenen Schwierigkeiten mit der kontinuierlichen Iteration und Weiterentwicklung der Technologie nach und nach lösen werden und der Weltraumaufzug möglicherweise nicht mehr weit entfernt ist.