4. Anzustrebende Transportkosten:

Um einen wirklich revolutionären Sprung in der Raumfahrt auszulösen, bedarf es einer extremen Kostensenkung. Natürlich wäre auch eine Halbierung der gegenwärtigen Start- Kosten ein großer Vorteil, aber es würde noch nichts an der relativen Unzugänglichkeit des Raumes für Wirtschaft und private Nutzung ändern.

Eine radikale Forderung:

10 Dollar pro kg Nutzlast in den stationären Orbit (GEO)5000 Dollar pro Person (bis GEO, incl. Rückfahrt)

Das klingt sehr kühn, ist so ein Preisniveau überhaupt erreichbar? Grundvoraussetzung dafür wäre, daß ein Kabel von beispielweise 200 000 Tonnen Gesamtmasse, entsprechend einer Transportkapazität von ca. 100 000 Tonnen oder 10 000 Personen pro Jahr, nicht mehr als 25 Milliarden Dollar an Baukosten verschlingt und die laufenden Betriebskosten nicht allzusehr über den reinen Stromkosten liegen.

Es darf also nicht zu ständigen Ausfällen, Reperaturen etc. kommen, und die "Fahrstuhlgondeln" müssen fast unbegrenzt oft verwendbar und leicht zu beladen, bzw. abzufertigen sein. 25 Milliarden Dollar sind nun nicht viel Geld für das höchste Bauwerk der Menschheitsgeschichte, (146 000 km sind es von der Erdoberfläche bis zum Endpunkt). Es wird garantiert nicht möglich sein, für diesen geringen Betrag einen kleinen, kohlenstoffhaltigen Asteroiden der Amor-Klasse (von ca. 0.5 Mill. Tonnen Masse) "einzufangen", in den stationären Orbit zu bugsieren und dann dort vor Ort in der Kabelfabrik zu verarbeiten. Auch wenn es gelänge, die Transportkosten von der Erde aus mittels Raumflugzeugen, großen wiederverwendbaren Raketen ("big dump boosters") und elektromagnetischen Katapulten in einen erträglichen Rahmen von beispielsweise 500 $ pro kg Nutzlast (LEO) abzusenken, könnte dieses Projekt nicht für 25 Milliarden Dollar finanziert werden.

Etwa 100 bis 200 Milliarden Dollar erscheinen da realistischer, (und mit so primitiven und unökonomischen Transportsystemen wie dem Space Shuttle bräuchte man gar nicht erst anzufangen). Also, wird man fragen, geht es denn auch anders?Ja, indem man nämlich das Kabel quasi portionsweise herstellt. Es wird zunächst ein sehr dünnes Kevlarseil (bzw. Superkevlar, noch in der Entwicklung), auf der Erde hergestellt, zweckmäßigerweise nicht in einem Stück, sondern in sehr langen Teilstücken. Diese werden mit wiederverwendbaren Schwerlastraketen (zumimdest wiederverwendbaren Unterstufen) nach und nach zur Montagestation im GEO gebracht und dort zusammengeschweißt. Dann werden sie langsam hinunter und "hinauf" gelassen, bis die Endlänge von insgesamt 146 000 km erreicht ist. Die Gesamtmasse dieses Seiles beträgt z.B. 10 000 Tonnen, dies ist relativ wenig. Daraus folgt, daß das Seil sehr dünn ist, mit einer entsprechend geringen Tagfähigkeit.Man kann deshalb nur sehr kleine Frachtpakete unten anhängen (maximal 1-2 Tonnen, incl. Gondelgewicht), denn an den beiden Enden ist das Seil natürlich am dünnsten, also am geringsten belastbar. Die jährliche Transportkapazität ist mit maximal 50 % der Gesamtmasse des Seiles anzusetzen, also mit ca. 5000 Tonnen. Personenverkehr scheidet natürlich aus, wegen des zu großen Kabinengewichtes (man denke an den Lebensraum für zwei bis drei Leute, mit allem drum und dran, für 3 - 4 Tage!). Aber auch Satellitenbauteile, Maschinen, große Konstruktionselemente etc. können noch kaum befördert werden.

 

 

Aber zunächst werden ja nur Seilstücke portionsweise befördert. Ein Super-Kevlarseil von einer Tonne Masse und 1.0 cm2 Querschnittsfläche ist immerhin 10 km lang, (1 Million cm3 zu je 1.0 g). Es gibt zwar auch "dickere" Seilabschnitte (in Nähe der Zentralstation) aber auch viel "dünnere", an den beiden Enden.

Wenn also durchschnittlich 20 km lange Seilstücke in den Orbit befördert werden, sind demnach 7300 einzelne Abschnitte nach und nach zu verschweißen. Die Arbeit zieht sich über zwei Jahre hin, es sind also 10 Verschweißungen pro Tag vorzunehmen. Nach zwei Jahren kommt das untere Ende des zweiten Seiles an der Erdoberfläche an. Es wird verankert und nun existieren zwei parallele Kevlarseile, in einem Abstand von vielleicht drei bis fünf Metern.Diese beiden verfügen nun zusammen über eine verdoppelte Transportkapazität. Sie können im Tandembetrieb arbeiten, d.h. die Frachtgondel holt sich ihren Strom aus beiden Kabeln. Nun können zwei Jahre lang 10 000 Tonnen in den Orbit geliftet werden. Nach dieser Zeit gibt es also vier Kabel, später acht, dann sechzehn. Ab dieser Anzahl existiert so etwas wie ein Korb aus elektrisch leitfähigen Zugseilen, in deren Schutz, abgeschirmt von Sonnenwind und kosmischer Strahlung, auch schwere Frachtgondeln mit echter Nutzlast auf- und nieder gleiten können.

 

 

Ein "Bündel" oder Korb aus 20 Seilen hat zwar die gleiche Masse wie ein Seil von 200 000 Tonnen, aber es ist viel preiswerter hergestellt worden, weil dieses Bündel sich zu 95 % "selbst hochgezogen" hat. Außerdem ist dieser "Korb" mit seinem Durchmesser von mehreren Metern, durch Meteoriten und kleine Raumschrottpartikel weniger verwundbar. Und- nicht zu vergessen- die Bauzeit kann etwas verringert werden, weil die Geschwindigkeit mit welcher die fertigen, verschweißten Seilstücke herabgelassen werden, größer sein kann als der Fertigungsfortschritt eines Seiles aus Rohmaterial, in einer orbitalen Fabrik. Der Kostenrahmen von 25 Mrd. Dollar ist bei dieser Vorgehensweise nicht mehr ganz unrealistisch, und dann könnten auch die oben erwähnten sensationell niedrigen Transportkosten realisiert werden, zumindest die Größenordnung ist erreichbar.5. Die BasisstationDas stationäre Seil (bzw. die Seile) muß ja im Erdboden fest verankert werden, wie im Abschnitt 2 beschrieben wurde). Eine solche Basis stellt nun einen strategisch enorm wichtigen Weltraumbahnhof dar, poetisch ausgedrückt, ein Tor zur Unendlichkeit und zur Ewigkeit. Um die Station herum wird sich allmählich eine ganze logistische Infrastruktur gruppieren. Wenn es erst richtig brummt, tummeln sich Hotels, ein Flughafen, Raum-Cargofirmen, Zulieferer etc. im weiteren Umkreis. Da wird es nun sehr wichtig, wo die Basisstation liegt. Eines ist klar, sie muß aus physikalischen Gründen auf dem Äquator liegen. Der Äquator ist nun zwar 40 000 km lang, aber nur ca.7000 km befinden sich auf dem Festland. Überwiegend handelt es sich dabei um unerfreuliche Gegenden, entweder klimatisch oder politisch oder beides. Ideal wäre das Hochland von Kenia / Uganda geeignet, zumindest klimatisch und tektonisch, aber ob bis dahin politische und soziale Zustände herrschen, die es erlauben, diesen Ländern eine derart verantwortungsvolle Rolle zu überlassen, ist fraglich.

Das Amazonasgebiet ist denkbar, aber klimatisch ungünstig. Das Andenhochland in Equador ist tektonisch instabil. Vielleicht ist dieses Problem beherrschbar, obwohl ein schweres Erdbeben den ganzen Lift in Schwingungen versetzen würde.Vom Kongobecken will ich gar nicht erst reden. Sumatra oder Borneo, vor allem die Galapagosinseln sind da noch entschieden vorzuziehen. Wer sich den Globus aufmerksam anschaut, merkt, so riesig viele gute Möglichkeiten gibt es gar nicht.Aber wie sieht es eigentlich mit seegestützten Basisstationen aus? Prinzipiell ist das machbar. Man muß auch nicht unbedingt auf dem Grund verankern, dies würde ja eine Beschränkung auf das Schelf bedeuten, womit man leicht in die 200- Meilenzone von bestimmten Ländern geraten würde, denen man keinen Zugriff einräumen möchte. Es geht auch mit einer schwimmenden Plattform. Sie muß nur tief genug eintauchen und genügend Eigengewicht aufweisen.

 

 

Ein hohler Betonkubus, in den Abmessungen 100 m x 100 m x 100 m, also 1 Million Tonnen Wasserverdrängung bei vollem Eintauchen. Schimmend oder auf dem Seegrund verankert. Eintauchtiefe über Lenzpumpen regulierbar - in Abhängigkeit vom Wetter. Landebahn, Hotels, Cargo-Einrichtungen, Kraftwerk, Anlegedocks, Büros.

Im Atlantik auch in Küstennähe, im Pazifik und Indischen Ozean nur im freien Ozean zu empfehlen (Tsunamis!) Aktive Lageregulierung erforderlich, wenn es ein Schwimmkörper ist. Bei Verankerung kann dies entfallen. Für eine Verankerung (z.B. mit Pfählen) kommt nur das Schelf in Betracht, Kontinentalhang und Tiefsee scheiden aus.)

 

 

6. Wo liegen die Grenzen des Transportsystems?

Es können sehr viele Weltraumlifte erbaut werden, wenn dann irgenwann mal der erste und zweite nicht mehr ausreichen, weil Millionen Menschen und Millionen Tonnen Fracht zu bewegen sind.Man hat sich dann für die fernere Zukunft, falls wirklich ein so extremer Transportbedarf bestehen sollte, ein ganzes System von hunderten oder tausenden von Weltraumlifts vorzustellen.Aber auch für ein solches System gibt es natürlich eine Obergrenze. Auf der Gesamtlänge des Äquators (40 000 km) können nicht 40 000 Anlagen plaziert werden, jeweils im Abstand von einem Kilometer. Damit wären ja der Luftraum und alle Seewege unpassierbar und Nord- u. Südhalbkugel weitgehend voneinander getrennt. Auch bei nur 1000 Liften, also jeweils 40 km Abstand, ergeben sich schon Sicherheitsprobleme. Es würden daher sicherlich jeweils 5, 8 oder 10 Lifte dicht nebeneinander gestellt, mit entsprechend großen Abständen zur benachbarten Gruppe. So können Schiffahrtslinien und breite Luftkorridore ausgespart werden und die trotzdem erforderliche Luftraumüberwachung zur Abwehr von Kollisionen für eine ganze Gruppe zusammengelegt werden.

Falls tatsächlich einmal 1000 leistungsstarke Weltraumlifts (von je 200 000 Tonnen Masse oder mehr) existieren, steht eine jährliche Transportkapazität von entweder 100 Millionen Tonnen Fracht oder 50 bis 100 Millionen Personen zur Verfügung. Der Schwerpunkt liegt sicherlich bei der Personenbewegung, in erster Linie ist dabei an Auswanderer von der Erde zu denken, aber auch Dienst- u. Geschäftsreisende, Monteure, Raumtouristen und Rückwanderer. Wenn eine 10 - Milliarden- Menschheit einen vernünftigen Geburtenüberschuß von 0.5 - 1.0 % aufwiese, könnte dieser Überschuß gerade noch von 1000 Liftanlagen bewältigt werden, zuzüglich von ein paar hunderttausend Tonnen an hochwertiger Fracht, z.B. Maschinen, Computer, Spezialchemikalien, einige Metalle, die auf dem Mond oder den Asteroiden nicht vorkommen, aber vielleicht auch ausgefallene irdische Luxusartikel wie Kaviar, Edelhölzer oder Meißener Porzellan, die niemals im All erzeugt werden können.All dies wird nun für einen sehr geringen Preis in den GEO in 36 000 km Höhe transportiert.Von dort aus müssen die Leute bzw. muß die Fracht weitertransportiert werden- zum Mond, nach L 4 und L 5, zum Mars, zum Asteroidengürtel, in das ganze Sonnensystem. Dies wird in der Regel auf die klassische Weise mit Raketen, also mit dem Rückstoßprinzip geschehen, seien es nun chemische, elektrische, nukleare Antriebe. Dies klingt wieder sehr teuer, aber dem ist nicht so. Denn das ganze dafür benötigte Equipment, sowie die erforderliche Rückstoßmasse ist ja selbst auf kostengünstige Weise dorthin verbracht worden: mit den Liften, oder mit Katapulten vom Mond etc.

Und dazu kommt, daß die Raketen aus verschiedenen Gründen, vor allem wegen der geringeren Triebwerksbelastung pro Zeiteinheit, mehr geschont werden und mehrfach verwendet werden können, vielleicht ist es sogar möglich, bei Pendelfähren eine Lebensdauer wie bei Flugzeugen zu erreichen, mit tausend Flügen und mehr pro Lebenszeit, selbst 10 Flüge wären schon enorm kostensenkend.

Aber ein Punkt ist noch gar nicht erwähnt worden: die OberlängeDas stationäre Seil reicht vom GEO aus gerechnet noch 108 000 km weiter. Sein äußeres Ende umkreist die Erde natürlich ebenfalls einmal in 24 Stunden, legt dabei aber eine Strecke von 985 000 km zurück. Daraus ergibt sich die erfreulich hohe Geschwindigkeit von 11.2 km / sec. Diese Geschwindigkeit wird manchem irgendwie bekannt vorkommen. Natürlich, das ist die Fluchtgeschwindigkeit der Erde, das 1.41-fache ihrer Kreisbahngeschwindigkeit.Jeder Körper, der entlang der Oberlänge nach außen gleitet, erhält "kostenlos" diese Geschwindigkeit. Er ist übrigens in jedem Abschnitt der Oberlänge physikalisch gesehen "zu schnell", so wie an jedem Punkt der Unterlänge "zu langsam" ist und eigentlich herunterfallen müßte.

 

Darstellung einer "Klettermaschine" mit Energiezuführung durch Laser

 

Der Geschwindigkeitszuwachs zwischen dem GEO und dem Endpunkt des Seiles beträgt übrigens 8.0 km/sec, dies entspricht der Kreisbahngeschwindigkeit um die Erde in Meeresspiegelhöhe. Die Geschwindigkeit, die ein Körper in 146 000 km Höhe braucht, um nicht "herunter zu fallen", beträgt nur 1.630 km / sec. Somit besitzt er einen Geschwindigkeitsüberschuß von 9.6 km /sec, mit dem er aus seiner Umlaufbahn um die Erde ausbrechen kann. Wenn der richtige Ort und der richtige Zeitpunkt zum Ausklinken gewählt wird, kann auf diese Weise ein entferntes Ziel (z.B. der Ceres oder der Mars präzise angesteuert werden.Somit kann die Oberlänge als kosmische Schleuder dienen, welche einen sehr hohen Prozentsatz an Treibstoff einsparen kann. Richtig interessant wird es aber erst, wenn auch anderswo Raumlifte installiert sind, die zum Einfangen ankommender Körper dienen können.

7. Der MarsliftDer Mars ist derjenige Planet, der im ganzen Sonnensystem am Besten geeignet ist für den Bau eines Raumliftes. Er besitzt ein geringes Gravitationspotential und trotzdem eine relativ hohe Rotationsgeschwindigkeit. Ersteres wirkt sich positiv auf die Zugkräfte aus, die an dem Seil abwärts ziehen, letzteres begünstigt hohe Fliehkräfte, welche zur Gewichtsverminderung beitragen.Raumlifte können auch auf dem Mond oder einigen anderen Himmelskörpern errichtet werden, aber bei weitem nicht so günstig wie auf dem Mars. Ein stationäres Seil von der Marsoberfläche zur Mars-Synchronbahn und dann darüber hinaus, bräuchte nur einen Bruchteil der Masse wie sein terrestrisches Pendant und könnte außerdem aus normalem, jetzt schon verfügbarem, Kevlar hergestellt werden.(R. Foreward und Hans Moravec berechneten schon 1980, das ein space elevator auf dem Mars nur 42 mal schwerer sein müßte als seine Tragkraft. D.h. man könnte 100 Tonnen gleichzeitig transportieren, wenn das gesamte Seil 4200 Tonnen Masse hat.)

 

Schema eines Marsliftes

 

Der Deimos stört dabei gar nicht, im Gegenteil, er kann als Rohstofflieferant für das Kevlarmaterial sein (das aus aromatisierten Amiden, also speziellen organischen Säureverbindungen, besteht). Diese enthalten z.B. Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff etc., diese Elemente lassen sich alle auf dem Deimos gewinnen. Aber der Phobos irritiert bei diesem Projekt. Wie jeder sehen kann, liegt seine Bahn innerhalb der Marssynchronbahn!

Dies ist so, als ob die Erde einen Mond hätte, der niedriger als 36 000 km flöge. Der Phobos scheint deshalb auch vom Mars aus gesehen, falsch herum zu laufen, aber das liegt nur daran, daß er jeden Punkt auf der Marsoberfläche überholt, da er ja schneller um den Marsmittelpunkt laufen muß als der Mars selbst rotiert. Wie gesagt, dieser Phobos stört nun ganz ungemein. Er schneidet bei jedem Umlauf die Ebene des stationären Seiles und wird dieses trotz seiner Bahnneigung über kurz oder lang unweigerlich treffen und zerreißen. Ein eleganter Ausweg aus diesem Dilemma existiert nicht.Ganz unmöglich ist es, den Phobos auf eine andere Bahn zu zwingen oder gar darauf zu warten, daß er endlich auf den Mars stürzt. Letzteres kann noch einige Millionen Jahre dauern und wird dort außerdem ähnlich "reinhauen" wie der bekannte Killerasteroid, der die Saurier am Ende der Kreidezeit ausrottete. Eine Bahnänderung des Phobos zu erzwingen, heißt aber, ihm eine Geschwindigkeitsänderung zu erteilen. Diese beträgt zwar höchstens einen Kilometer pro Sekunde, aber die zu beschleunigende Masse ist gewaltig. Ohne allzu tief in die Physik einzusteigen, kann sich jeder eine Vorstellung machen, was es heißt, eine Masse von 30 Billionen Tonnen um 1000 m / sec zu beschleunigen. Grob kalkuliert, erfordert dies nämlich 10 Billionen (1012) Tonnen an LH2 / LOX- Treibstoff. Oder, wenn man für eine Bahnänderung die gewaltsame Methode wählt, die Energie einiger Millionen Wasserstoffbomben.Nun könnte man vielleicht eine permanente Ausbiegung des stationären Seiles erzwingen, nämlich dort, wo alle 7 Stunden der Phobos angesaust kommt. Dies erfordert ständigen Energieeinsatz mit kleinen Ionentriebwerken, die an dem Seil befestigt sein müssen, ihre elektrische Energie aus diesem beziehen und in großen Abständen mit geeignetem ionisierbarem Treibstoff (z.B. Quecksilber oder Xenon) betankt werden müssen.Die erforderliche maximale Auslenkung des 60 000 km langen Seiles beträgt nur 20 oder 30 km, das klingt nicht dramatisch, aber es ist doch eine ständige Verschiebe-Arbeit zu leisten gegen die Marsgravitation und gegen die Fliehkraft, die beide das Seil straffen.

Ein Leser dieser Seite brachte den guten Tipp ein, einen Tandem-Marslift in der Phobosbahn mittels einer robusten Quersteife soweit zu spreizen, daß der Phobos hindurch fliegen kann.  Klingt zunächst einfach, aber der Teufel steckt wie immer im Detail.

Wenn diese Sondermaßnahme technisch praktikabel und ökonomisch noch tragbar geleistet werden kann, dann wird eine Frachtsendung von der Erdoberfläche zur Marsoberfläche extrem einfach und geradezu „spottbillig“, was natürlich in Relation zu den jetzigen exorbitanten Kosten zu sehen ist. An diesem Beispiel läßt sich das geradezu unglaubliche Einsparpotential des Weltraumfahrstuhles erkennen. Seine positiven Auswirkungen auf alle Raumfahrtunternehmungen des Menschen im Sonnensystem können gar nicht hoch genug eingeschätzt werden.8. AusblickIn jüngster Zeit ist eine Wiederbelebung der Idee erkennbar. So ließ die NASA 2002/2003 das Konzept des Weltraumfahrstuhles neu untersuchen mit der Beschreibung eines möglichenen Raumfahrtprogramms (NIAC - Institute for Advanced Concepts).Ganz zum Schluß leider noch ein Wermutstropfen: Wenn die Raumschrottvermeidung und die Raumschrottbeseitigung nicht bald erhebliche Fortschritte machen, können wir den Weltraumlift glatt vergessen!!

Autor: Michael Boden

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