Neue Tricks für die Weltraumverarbeitung: Raumfahrzeugtrümmer in Schätze verwandeln

Kürzlich startete eine Falcon-9-Rakete aus den USA eine große Zahl kommerzieller Nutzlasten. Eine der Nutzlasten war nur wenige Stunden im Weltraum im Einsatz, bevor sie wieder in die Atmosphäre eintrat und verglühte. Allerdings erregte es große Aufmerksamkeit in der Luft- und Raumfahrtbranche, die davon überzeugt war, dass es bei zukünftigen Marsmissionen und in der Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle spielen und beim Recycling von Weltraumschrott helfen könnte.

Kostensparender Weltraum-Goldrausch

Diese Mission trägt den Namen „Mars Outpost Demonstration-1“. Die Nutzlast ist relativ einfach und kann nicht einmal als vollständiger Satellit betrachtet werden, sondern lediglich als funktionsfähiges Modul. „Outpost“ suggeriert, dass es sich bei der Marsmission eher um einen Ausblick auf ein langfristiges Ziel handelt. Laut dem Projektinitiator besteht das Hauptziel der Missionsnutzlast darin, das spanlose Schneiden von Metall im Weltraum zu demonstrieren.

Jeder, der schon einmal Metall geschnitten hat, weiß, dass, egal aus welchem ​​Material das Werkzeug besteht, bei der Berührung mit Metall bei hoher Geschwindigkeit zwangsläufig ein kleiner Teil des Metalls abblättert und in winzige Metallsplitter verwandelt wird. In Zerspanungswerkstätten fallen täglich große Mengen Späne an, die zugleich die Hauptquelle für festen Abfall in Fabriken darstellen.

Auf der Erde können diese Metallschrotte als metallurgische Rohstoffe genutzt werden und in den großen Kreislauf der Maschinenbauindustrie einfließen. Allerdings gibt es im Weltraum keinen groß angelegten Abfallsammeldienst und es herrscht dort Mikrogravitation. Beim Metallschneiden auf herkömmliche Weise fliegen die Späne mit einer hohen Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde und die Kraft kann erschreckender sein als die von Maschinengewehrkugeln.

Warum also Metall im Weltraum schneiden? Denn der Projektinitiator ist der Ansicht, dass das derzeitige Modell zur Herstellung bemannter Raumfahrzeuge zu teuer ist! Ob Satellit, Tiefensonde, Raumfahrzeug oder Raumstation: Sie alle werden auf der Erde gebaut und dann ins All geschickt. Wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, werden sie oft zu Weltraumschrott und sind schwer zu recyceln. Allerdings sind die meisten Materialien des Raumfahrzeugs leistungsstark und wertvoll, und es wäre schade, sie direkt zu entsorgen. Um Raumfahrzeuge in den Weltraum zu schicken, sind zudem häufig Raketenoberstufen erforderlich, was die Kosten erhöht. Raketen müssen große Mengen teurer Raumfahrttreibstoffe verbrauchen, um riesige Raumfahrzeuge ins All zu befördern und ihnen zu ermöglichen, eine ausreichende Geschwindigkeit und Umlaufbahn zu erreichen.

Mit dem anhaltenden Wachstum der kommerziellen Raumfahrt haben Kosteneinsparungen zunehmend die Aufmerksamkeit der Akteure der Raumfahrtindustrie auf sich gezogen. Dem US-Unternehmen SpaceX und anderen ist es bereits gelungen, die erste Stufe von Raketen zu bergen und wiederzuverwenden. Können also auch die verschrotteten Raumfahrzeuge im Orbit in Betracht gezogen werden, um „Müll in Schätze zu verwandeln“?

Die Herstellung und das Recycling von Raumfahrzeugen im Orbit in einer Weltraumumgebung ist ein langjähriges Forschungsthema in der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber es ist noch weit davon entfernt, formal in großem Maßstab in die Praxis umgesetzt zu werden. Schließlich ist die Schwierigkeit in dieser Hinsicht viel größer als das Recycling elektronischer Produkte auf der Erde.

Als hochintegriertes und äußerst komplexes Industrieprodukt bestehen Raumfahrzeuge aus unzähligen elektronischen Komponenten und mechanischen Präzisionsteilen und verwenden Metalle, Keramik, Gummi und verschiedene Verbundwerkstoffe. Nehmen wir beispielsweise Metalle: Dazu gehören Aluminiumlegierungen, das Hauptmaterial der Raumfahrzeugstruktur, sowie legierte Stähle und Titanlegierungen. Mancherorts werden auch Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin verwendet. Mit der Entwicklung elektronischer Geräte für die Luft- und Raumfahrt werden neben der Verwendung traditioneller Metallmaterialien wie Kupfer und Zink auch Stromversorgungsgeräte wie Lithiumbatterien immer komplexer.

Theoretisch besteht beim Weltraum-Goldrausch großes Potenzial, Geld zu verdienen. Am gefragtesten dürften Leiterplatten sein, denn die Kontakte elektronischer Geräte müssen mit Gold, Silber, Platin etc. beschichtet werden. Werden diese mit speziellen Flüssigkeiten aufgelöst und veredelt, besteht die Hoffnung auf die Gewinnung großer Mengen an Edelmetallen.

Leider verbirgt sich hinter den enormen Gewinnen auch ein hoher Schwierigkeitsgrad. Auf der Erde ist das Recycling gebrauchter elektronischer Produkte mühsam und kompliziert, und allein die Demontage- und Zerlegungsvorgänge erfordern viel Arbeitskraft. Dies ist jedoch im Weltraum unrealistisch, da insbesondere beim Zerfall von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften für die Astronauten große Risiken bestehen. Wir können nur hoffen, dass die Technologie der künstlichen Intelligenz eine neue Stufe erreicht.

Das verborgene Geheimnis der Raketenschnitt-Simulation

Michelle Smith, Senior Vice President von NanoStack, dem Initiator der Mars Sentinel Validation-1-Mission, sagte: „Wenn die Menschheit in den Weltraum, zum Mars oder an andere Orte vordringen will, muss sie das Raumfahrzeug im Weltraum bauen, anstatt sich ausschließlich darauf zu verlassen, alle Teile vom Boden aus zu starten und dann zusammenzubauen. Die Mars Sentinel Validation-1-Mission ist der erste Schritt in diese Richtung. Zukünftig wird es mehr Nutzlasten geben, um Weltraumtechnologien wie Metallschneiden, Schweißen und andere zu testen.“ Um die Kosten weiter zu senken, ist es zudem nicht notwendig, alle diese Metalle vom Boden aus zu schleudern, da der Weltraumschrott ausreichend Rohstoffe liefert.

Das Funktionsmodul „Mars Outpost Verification-1“ besteht den Berichten zufolge aus sechs Komponenten: Mess- und Steuerantenne, Mess- und Steuerfunkgerät, Nutzlast, Nutzlastantenne, Nutzlastfunkgerät und Serviceplattform. Unter anderem kann die Serviceplattform Strom, Wärmekontrolle und strukturelle Unterstützung für die Nutzlast bereitstellen. Das gesamte Modul ist recht einfach und verfügt nicht einmal über ein Subsystem zur Haltungskontrolle.

Auf der Serviceplattform sind keine herkömmlichen Solarpanele vorhanden, es sind lediglich zwei Lithiumbatterien verbaut. Dies bedeutet, dass es unmöglich ist, dass es längere Zeit im Orbit arbeitet und die effektive Demonstrationszeit dieser Mission 10 Minuten nicht überschreitet.

Konkret handelt es sich bei der Nutzlast von „Mars Outpost Verification-1“ um eine versiegelte Box, die drei korrosionsbeständige Stahlproben enthält. Das Material ist dasselbe wie die Oberstufenschale der Vulcan-Centaur-Rakete, die die USA demnächst starten werden, und hat etwa die Größe eines Einkaufscoupons. Das wichtigste Gerät ist ein Roboterarm, der von der US-amerikanischen Maxar Corporation entwickelt wurde. Es verfügt über ein Schneidwerkzeug am vorderen Ende und kann sich mit hoher Geschwindigkeit drehen. Es nutzt die durch Reibung erzeugte hohe Temperatur, um korrosionsbeständigen Stahl mit wenig oder gar keinen Spänen zu schneiden.

Dem von zwei Kameras vor Ort bereitgestellten Betriebsvideo zufolge schnitt der Roboterarm drei Metallproben entlang eines gekrümmten Pfads. Infrarot-Wärmesensoren erfassen jederzeit Daten und überwachen den gesamten Testvorgang. Sowohl das Video als auch die Daten wurden rechtzeitig zur Erde zurückgesendet.

Im nächsten Schritt plant NanoStack, ähnliche Experimente in einer sonnensynchronen Umlaufbahn mit einem Apogäum von 538 Kilometern, einem Perigäum von 531 Kilometern und einer Neigung von 97,5 Grad durchzuführen. Zu den zukünftigen Verarbeitungszielen werden auch verschrottete Satelliten in sonnensynchroner Umlaufbahn gehören.

Auf Grundlage der Testmaterialien nimmt NanoStack als Vorsichtsmaßnahme die Oberstufe der Rakete als Objekt für die Weltraumschneideverarbeitung ins Visier. Der Aufbau der Raketenoberstufe ist relativ einfach. Obwohl es auch einige elektronische Komponenten enthält, besteht der Hauptkörper immer noch aus zylindrischen Metallkomponenten wie der Außenhülle, dem Vorratstank und dem Motor. Die Hauptmaterialien sind Aluminiumlegierungen und legierter Stahl, die sich mit Robotern besser verarbeiten lassen.

Tatsächlich ist das Zerlegen der Oberstufe der Rakete in Stücke nur der erste Schritt – die Beschaffung der Rohstoffe für die Raumfahrtproduktion. Als nächstes können wir den Umbau der Oberstufe der Rakete in ein neues Raumfahrzeug in Erwägung ziehen, doch die damit verbundenen Schwierigkeiten sind beträchtlich. Schließlich sind die Konstruktion und Herstellung von Raumfahrzeugen nicht von komplexen Prozessen und Verfahren zu trennen, die auf der Erde schwierige Aufgaben darstellen. Wenn sie mit Altgeräten im Weltraum hergestellt werden, kann nicht einmal die Installationsgenauigkeit garantiert werden.

Aus der Tatsache, dass der Projektname „Mars“ enthält, kann die Außenwelt wahrscheinlich schließen, dass das Hauptziel von NanoStack nicht darin besteht, fertige Produkte direkt im Weltraum herzustellen. Obwohl eine einfache Verarbeitung einiger experimenteller Module nicht ausgeschlossen ist, liegt der Schwerpunkt auf der Verarbeitung von Weltraummüll zu Rohstoffen und deren anschließendem Transport in die Nähe des Mars für den großflächigen Einsatz.

Heute ist der 3D-Druck im Weltraum ein wichtiges Forschungsgebiet in der Luft- und Raumfahrtfertigung. Wenn Aluminiumlegierungen, legierte Stähle usw. im Weltraum zu Pulver verarbeitet und 3D-Druckern zugeführt werden können, können komplexe neue Teile hergestellt werden. Da es jedoch schwierig ist, Schredder für Schwermetalle im Weltraum einzusetzen, könnte es eine praktikable Lösung sein, Roboter zu schicken, die die ausrangierten Raumfahrzeuge in kleine Stücke schneiden und diese dann transportieren und zerkleinern.

Dies bringt jedoch ein neues Problem mit sich: Welche Art von Vermögenswerten sind verschrottete Raumfahrzeuge im grenzenlosen Universum? Es mag relativ einfach sein, den „Besitz“ eines intakten, außer Dienst gestellten Raumfahrzeugs zu bestimmen, aber wie sieht es mit einer gewissen Menge an Trümmern aus? Es lässt sich leicht vorhersagen, dass sich die Streitigkeiten zwischen Unternehmen und Ländern zwangsläufig verschärfen werden, solange Recycling- und Wiederverwendungstechnologien im Orbit in großem Maßstab eingeführt werden und Weltraumschrott wieder an Wert gewinnt. Wenn wir aus Weltraumschrott einen Schatz machen wollen, müssen wir daher nicht nur technische Schwierigkeiten überwinden, sondern dürfen auch rechtliche Fragen nicht außer Acht lassen.