Wissenschaft auf Suborbitalflügen
BLOG: Zündspannung
Bei der Konferenz wurden viele Vorschläge für mögliche Wissenschaft mit Suborbitalflügen gemacht. Dabei werden zwei Dinge ausgenutzt: einerseits sind, wie Michael Khan ja richtigerweise erläutert, auch Suborbitalflüge im Endeffekt Parabelflüge. Sie wollen dabei etwa vier Minuten Mikrogravitation bieten, was deutlich länger ist als bei den bisher üblichen Parabelflügen, aber weniger als einige der verfügbaren Raketentrajektorien erreichen. (Ich werde im folgenden trotzdem der Einfachheit halber weiter den sprachlichen Unterschied zwischen ‘Parabelflügen’ und ‘Suborbitalflügen’ machen.)
Ein großer Vorteil von Suborbitalflügen ist es, dass die Wissenschaftler ihre Experimente begleiten und direkt steuern können und zudem ihr Experiment wieder bekommen. Für die Biologen ist es außerdem interessant, dass die erste Phase der Anpassung an die Schwerelosigkeit untersucht werden kann – dafür sind Parabelflügen zu kurz, und bei den Flügen in den Orbit werden Experimente erst gestartet, wenn der Orbit sicher erreicht ist.
Ein anderer Vorteil, den einige Wissenschaftler ausnutzen wollen, hat gar nichts mit der Schwerelosigkeit zu tun, sondern mit der Umgebung, durch die das Flugzeug fliegt. Einerseits durch die gesamte Erdatmosphäre, also auch durch die Teile, die vom Boden aus nur schlecht zugänglich sind. Andererseits ist man dann im Weltraum und kann von dort aus Beobachtungen machen, die vom Boden nicht möglich sind.
Das ganze soll ähnlich leicht durchführbar sein wie Parabelflüge. Im Moment werden viele Wissenschaftlern von sehr langen und teuren Vorbereitungszeiten vor einem Experiment auf der Raumstation abgeschreckt. Einen großen Anteil daran hat auch die bei vielen Weltraumagenturen ausufernde Bürokratie – die Wissenschaftler wollen ihre Zeit lieber mit ihren Experimenten als mit Dokumentation verbringen. Wenn die Suborbitalflüge tatsächlich günstig und mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden können, kann man auch neue Konzepte testen und viel mehr riskieren als bei den aufwendigen Experimenten auf der ISS.
Hier eine sehr subjektive Auswahl an möglichen Experimenten, die von den Vorträgen kommt, die ich seit Montag besucht habe:
Es gibt eine Reihe von biologischen und medizinischen Experimenten, die auf Suborbitalflügen durchgeführt werden könnten. Über die offensichtlichen medizinischen Experimente werde ich nichts weiter schreiben. Spannend fand ich aber beispielsweise Bakterien, die durchaus auch von physikalischen Effekten beeinflusst werden und daher auch auf Gravitation reagieren. So ist beispielsweise das Wachstum der Bakterien in der Schwerelosigkeit einerseits langsamer, führt dann aber andererseits zu höheren Konzentrationen.
Auch Pflanzen spüren die Schwerkraft bzw. deren Fehlen. In den ersten Minuten nach Start der Mikrogravitation ändert sich in ihnen zum Beispiel die Wärmeverteilung und der Flüssigkeitstransport. Wie genau diese Anpassungen geschehen, ist im Moment nicht bekannt.
Auch in der Physik sind viele Experimente auf Suborbitalflügen vorstellbar. Beispielsweise ist das Verhalten von Flammen in der Schwerelosigkeit interessant. Auf der Erde bewegen sich Flammen üblicherweise mit dem Wind, in der Schwerelosigkeit auf Wind zu. Der Grund dafür ist es, dass in Schwerelosigkeit der Sauerstoff am Ort der Flamme fehlt und sie sich in Richtung des höheren Sauerstoffgehalts bewegt. In der Fluidphysik gibt es auch noch viele offene Themen, die ohne den Einfluss der Gravitation besser untersucht werden können. Beispielsweise gibt es ohne Schwerkraft keine natürlich Konvektion, und so können schwächere Effekte in der Schwerelosigkeit untersucht werden.
Ein großes Thema bei der Konferenz waren Experimente zur Planetenentstehung. Schon in wenigen Minuten kann viel erreicht werden – die Kollision von Staubteilchen mit niedrigeren Geschwindigkeiten als bei Parabelflügen, das Herunterkühlen des gesamten Experiments, um Eisteilchen verwenden zu können (was auf der Raumstation deutlich komplizierter wäre).
Ein Wissenschaftler hat hierbei eine Anekdote von einem Experiment erzählt, das seine Gruppe auf der ISS hatte: Der Astronaut sollte am Anfang des Experiments Staubteilchen mit einem Gaspuff durcheinander wirbeln und dann mit einer Kamera aufnehmen, wie sie zusammenballen. Dabei hatte sich ganz am Anfang ein sehr großer Ballen aus Teilchen gebildet, der anscheinend die anderen Teilchen anzog. Nun hatte der Astronaut ja die Aufgabe, alle Teilchen durcheinander zu wirbeln und hat sich in den nächsten Minuten damit beschäftigt, die Kammer zu schütteln. Ein Wissenschaftler hätte vermutlich erkannt, dass das anfängliche Verhalten schon sehr interessant war – wieso zieht der Haufen Teilchen die anderen an? – und wäre vom ursprünglichen Plan abgewichen, um das neue Verhalten zu verstehen.
Sogar Astronomen wollen Suborbitalflüge verwenden. Die Erdatmosphäre blockiert bestimmte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, die dann außerhalb der Atmosphäre sichtbar sind. Dies könnte beispielsweise für Beobachtungen von der Venusatmosphäre genutzt werden, wenn der Planet von hinten von der Sonne beleuchtet wird.
Es gibt auch eine ganze Reihe an Dingen, die über die Erdatmosphäre noch unbekannt sind, und die mit häufigen Flügen durch diese Schichten der Atmosphäre erforscht werden könnten – das Kühlen der Atmosphäre, der Einfluss von Material aus Meteoren, die Dichte der Elektronen in bestimmten Schichten, usw. Einige Wissenschaftler träumen schon von Flügen durch Polarlichter.
Wurde auf der Konferenz denn auch etwas zu den Kosten der neuen suborbitalen Forschung gesagt (zum Beispiel pro Kilogramm Nutzlast oder Minute Schwerelosigkeit) – und zwar ganz besonders im Vergleich zu Parabelflügen oder Höhenforschungsraketen? Technisch würde ja nichts dagegen sprechen, schon heute jeden Tag ein paar unbemannte Forschungsraketen mit mehreren Minuten Schwerelosigkeit zu starten, nur kann oder will das niemand bezahlen.
Wo soll dann (von der Anschubfinanzierung für den neuen Industriezweig einmal abgesehen) plötzlich das Geld für Forschung auf bemannten Suborbitalflügen herkommen?
Kosten
Nein, genaue Kosten wurden nicht genannt, das hätte mich auch interessiert. Die Flüge sollen ja auch nach der Entwicklungsfrage viel billiger werden, weil alles wiederverwertbar und wartungsarm sein soll. Wenn die Kosten so hoch bleiben wie im Moment ist das natürlich alles illusorisch.
Wiederverwertbar heißt nicht billig
Es ist fast schon eine Mantra des Raumfahrtzeitalters, dass alles billiger werden soll, wenn es endlich wiederverwertbar sein wird. Bis jetzt hat alle Erfahrung mit wiederverwertbaren Systemen aber gezeigt, dass genau das nicht der Fall ist, und zwar genau deswegen, weil damit nicht weniger, sondern mehr Wartungsaufwand anfällt. Es hat sich aber auch gezeigt, dass die gemachte Erfahrung erfolgreich ignoriert oder verdrängt wurde.
Aber unabhängig vom Kostenargument teile ich durchaus Ihre Meinung, dass sich suborbitale Flügen als Plattform für wissenschaftliche Experiment eignen. Es gibt sicher Experimente, bei denen die Anwesenheit des Wissenschaftlers vonnöten ist.
Es gibt aber auch solche, bdie dene auf die Anwesenheit von menschen verzichtet werden kan und bei denen telepräsenz ausreicht. Da könnte ich mir viorstellen, dass eine neue Klasse suborbitaler Flugzeuge entsteht, die unbemannt sind und viel kleiner und einfacher als die Geräte, die eigentlich für touristische Flüge ausgelegt sind. Solche Flugzeuge könnten sogar von Universitäten oder Forschungseinrichtungen gebaut und betrieben werden und mit hoher Startfrequenz und niedrigen Missionskosten operieren und damit deutlich billiger und verfügbarer sein als die jetzigen Höhenraketen.
Eigene Flugzeuge
Wenn ich mir vorstelle, dass z.B. das DLR so ein unbemanntes Suborbitalflugzeug hätte, wir unser Experiment kurz von Garching nach Oberpfaffenhofen fahren, das dort einbauen, damit eine Kampagne machen mit mehreren Flügen, es dann wieder ausbauen und einfach zurück ins Labor stellen – wow. Das wäre wirklich was. 🙂
Suborbitale, unbemannte Kleinflugzeuge
Das hier wäre wohl das optimale Szenario:
Genau. Idealerweise ginge das so.
Um Missverständnisse zu vermeiden, möchte ich gleich betonen, dass es mir nicht um einen Streit “bemannt gegen unbemannt” geht. Ich bin überzeugt, dass es suborbitale Schwerelosigkeitsforschng gibt, bei der ein unbemanntes Gefährt ausreicht, aber ebenso auch Forschung, bei der die direkte Interaktion des Wissenschaftlers wesentlich ist.
Nur meine ich in der Tat, dass ein unbemanntes Kleinflugzeug, das weitestgehend wiederverwendbar und zu suborbitalen Flügen mit mehrminütigem schwerelosem Freiflug imstande ist, sowohl vom technischen Aufwand wie auch von den Kosten her durchaus im Rahmen der Machbarkeit für ein Forschungsinstitut oder eine Universität sein dürfte.
Wie die rechtliche Seite aussieht, müsste noch eruiert werden, d.h., dürfte man so ein Flugzeug von einem normalen deutschen Flugplatz aus operieren? Ich hoffe schon … Es würde ja wie ein normales Flugzeug mit einem Düsenantrieb starten und landen.
Ansonsten wäre es immer noch nicht ausgeschlossen, aber wesentlich aufwändiger und damit unattraktiver: Der betrieb müsste dann von einem abgelegenen Standort wie Kiruna in Schweden aus stattfinden.
Da ich hier offenbar mit einer potenziellen Interessentin rede: Was wären denn in etwas die zu erwartenden Anforderungen für Experimente?
Abmessungen, Masse, Leistungsaufnahme, Datenvolumen, Kühlungsbedarf usw.. Kann man diesen Parametern zumindest grobe Zahlenwerte zuordnen?
Parameter
Bei dem ersten Parabelflug, bei dem ich mit war, haben wir unser Hochgeschwindigkeitsdatenerfassungssystem mitgenommen. Da werden die Videos von einer 1 MPixel Kamera mit 1000 Bildern pro Sekunde auf mehreren Festplatten verteilt aufgenommen. Das hat inklusive Rack 370 kg gewogen und bis zu 1000 W verbraucht. Die Größe des Racks ist etwa 150 x 90 x 110 cm. Wenn nun keine Leute mitfliegen, bräuchten wir idealerweise zusätzlich noch Telescience mit Videoübertragung und Übertragung der ganzen Kommandobefehle. Für das Live-Video würde dann aber eine niedrigere Bildrate reichen, z.B. 25 fps oder sogar weniger.
Das ganze könnte man natürlich noch runterskalieren, um Strom und Gewicht zu sparen, wie das bei den Experimenten auf der ISS ja auch gemacht wird. Allerdings wäre eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme gerade bei kürzeren Schwerelosigkeitsphasen ja wünschenswert, weil dann andere, schnellere Effekte als auf der Raumstation untersucht werden können.
Ach ja…
… gekühlt wurde das ganze in unserem Fall einfach durch die Luft – bei dem großen Rackvolumen und der relativ kurzen Betriebsdauer reichte das aus.