Explorationsforschung – Aufbruch in den Weltraum
Einige internationale Raumfahrtagenturen verfolgen das Ziel, Menschen in den nächsten 20 Jahre auf die Oberfläche des Mondes zu bringen und später auch auf den Mars. Nach mehreren Jahrzehnten gibt es nun auch wieder Raketen, die leistungsstark genug sind, um Astronaut:innen außerhalb des Erdorbits zu transportieren – ein wichtiger Schritt, um ferne Planeten zu erreichen. Doch bevor wir die Erkundung des Weltraumes realistisch umsetzen können, sind noch wichtige Fragen offen. Auf einige davon werden am ZARM Antworten gesucht: Wie können wir die Reichweite eines Raumtransporters erhöhen und bereits im Vorfeld für die höchstmögliche Sicherheit an Bord sorgen? Wie sieht der Aufenthalt einer Crew auf Mond und Mars aus, wenn sie einmal dort ist? Wie können die Astronaut:innen ohne Nachschub von der Erde mit Nahrung und Treibstoff versorgt werden?
Das Mars-Habitat "MAMBA"
Wenn wir zu fernen Planeten reisen, müssen wir davon ausgehen, dass wir dort eine Umgebung vorfinden, die für uns Menschen lebensfeindlich ist. Und natürlich existieren dort keine Unterkünfte für einen langfristigen Aufenthalt. Deshalb brauchen wir sogenannte Habitate, in denen wir leben und arbeiten können.
Rund um den Globus haben Wissenschaftsler:innen bereits zahlreiche Habitate für die Forschung entwickelt. Diese sind allerdings nur für den Einsatz auf der Erde konzipiert und dienen dazu, organisatorische und psychologische Fragestellungen zu untersuchen. Noch gibt es kein einziges Habitat, das den extremen Bedingungen auf Mond oder Mars tatsächlich standhalten könnte.
Im Projekt MaMBA (Moon and Mars Base Analog) wird am ZARM ein Habitat für den langfristigen Aufenthalt auf Mond und Mars erforscht. Das Konzept sieht sechs Wohn- und Arbeitsräume vor, Module genannt, die jeweils verschiedene Funktionen erfüllen. Das „Labormodul“ ist ein zentraler Ort, an dem tagsüber gemeinsam gearbeitet wird. Dieses Modul wurde als Mock-Up, also Demo-Version in Originalgröße, mit kompletter Labor-Ausstattung am ZARM aufgebaut, so wie es als Bestandteil eines Habitats auf Mond und Mars zum Einsatz kommen könnte.
Ähnlich wie bei einem „Tiny House“ ist das Ziel, die Ausstattung bestmöglich auf den gering verfügbaren Platz anzupassen. Denn je kompakter gebaut wird, desto niedriger sind die nicht unerheblichen Transportkosten der Bauteile von der Erde zum Mond oder Mars. Das Mock-up des Labormoduls wurde bereits für mehrere Simulationen genutzt, bei denen Wissenschaftler:innen für jeweils eine Woche an ihren aktuellen Forschungsprojekten gearbeitet haben.
Gefahren von innen und außen: Schutz der Astronaut:innen
Bei der Entwicklung eines Habitats steht die Sicherheit an erster Stelle. Deshalb müssen verschiedenste Szenarien potentieller Gefahren innerhalb der Module im Voraus bedacht werden. Sollte es in einem Moduls zu lebensbedrohlichen Situationen kommen, wenn z.B. Chemikalien austreten oder ein Feuer ausbricht, kann sich eine Crew in nicht betroffene Module retten. Der gefährdete Bereich wird abgeschottet und die Verbindung zu den anderen Modulen unterbrochen. Entsprechend sind für das gesamte Habitat zwei voneinander unabhängige Lebenserhaltungssysteme vorgesehen, sodass auch hierfür stets ein „Back-up“ bereitsteht.
Auch von außen droht permanent Gefahr: Anders als auf der Erde existiert auf Mond und Mars keine ausreichend schützende Atmosphäre, wodurch spezielle Anforderungen an das Habitat gestellt sind. Es muss die Bewohner:innen vor der Weltraumstrahlung, den Temperaturen und dem Vakuum schützen. Auch kann es zu Bedrohungen durch Meteoriteneinschläge oder Sandstürme auf dem Mars kommen. Diese Gefahren werden abgeschwächt, wenn das Habitat von einer meterdicken Schutzhülle aus dem vor Ort vorhandenen Gestein umschlossen ist.
Auch psychologische Aspekte werden bei der Konzeption der Habitate berücksichtigt. Denn wenn sich Menschen in ihrer Umgebung wohlfühlen, können sie besser arbeiten. Bei einer Mond- oder Marsmission leben Astronaut:innen für lange Zeit an einem Ort. Hier sehen sie jeden Tag die gleichen Personen, mit denen sie kooperieren müssen. Anders als auf Erde, können sie nicht kurz „an die frische Luft“ gehen, um sich abzulenken oder eine Runde zu joggen. Zudem ist vom Mars aus der Kontakt zu Familie und Freunden auf der Erde durch die langen Signallaufzeiten eingeschränkt. Ein wichtiges Ziel bei der Konzeption des Habitats ist es daher, eine möglichst wohnliche Umgebung zu schaffen, die keine zusätzliche Belastung darstellt. Im Gegenteil, sie soll sogar helfen, die Umstellung auf das Leben auf einem anderen Planeten leichter zu bewältigen. Ein Beispiel für eine bauliche Maßnahme, die speziell gegen klaustrophobische Gefühle helfen soll, ist die großzügige Deckenhöhe: in den Gemeinschafts- und Freizeitmodulen ist sie mit etwa fünf Metern vorgesehen.
Das MaMBA Habitat in Bildern
Das zweistöckige Labormodul ist das Herzstück des Habitats. Dort werden die Wissenschaftler:innen viel Zeit verbringen, um ihre Forschung voranzutreiben. In der unteren Etage werden die Arbeitsplätze sein, die obere Etage ist als Lagerraum geplant.
Eine modulare, also flexibel einsetzbare Einrichtung gewährleistet dabei gutes Arbeiten auf begrenzter Arbeitsfläche. In die Außenwand des Moduls soll ein Tank zur Vermehrung von Cyanobakterien integriert werden, die unter anderem Sauerstoff produzieren und damit Teil des Lebenserhaltungssystems sind.
Wenn Menschen zum Mars reisen, muss ihnen dort eine große Menge an Versorgungsgütern zur Verfügung stehen: Nahrungsmittel, Wasser, Sauerstoff, aber auch andere Dinge wie Medikamente. Für einen dauerhaften Aufenthalt kann der lebenswichtige Nachschub jedoch nicht fortlaufend von der Erde kommen, die Transportkosten und -risiken von Versorgungsmissionen sind einfach zu groß. Ziel der Mikrobiologie-Forschung am ZARM ist es, ein autarkes Ökosystem zu erschaffen, das in der Lage ist, alle erforderlichen Verbrauchsgüter aus lokalen Ressourcen zu generieren, um auf dem roten Planeten unabhängig leben zu können. Hier könnten die blaugrünen Cyanobakterien bald eine Schlüsselrolle einnehmen.
Bei uns sind Cyanobakterien hauptsächlich als Blaualgen in Badeseen bekannt. Die unliebsamen Sommergäste genießen keinen guten Ruf, denn sie sorgen oftmals für Badeverbote. In zu hoher Konzentration werden die Bakterien für den Menschen gefährlich. Bei Hautkontakt können Allergien ausgelöst werden oder durch Schlucken des toxischen Wassers Magenprobleme und Durchfall auftreten.
Ihre Vielseitigkeit macht die Mikroorganismen für die Raumfahrt jedoch zu wahren Superhelden. Wie Pflanzen betreiben sie Photosynthese, produzieren Sauerstoff und bilden Biomasse. Das kann in einer sauerstoff- und ressourcenarmen Umgebung, wie auf dem Mars, ein überlebenswichtiger Vorteil sein. Kurz gesagt: Cyanobakterien sind richtige Allround-Talente.
LASM in Bildern
Im Labor für angewandte Weltraum-Mikrobiologie (LASM – Laboratory for Applied Space Microbiology) am ZARM wird erforscht, welche atmosphärischen Bedingungen das Wachstum dieser Mikroorganismen optimal fördern. Zu diesem Zweck wurde hier der Atmos (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems) – ein Unterdruck-Photobioreaktor – entwickelt, mit dem sich Mikroorganismen außerhalb ihrer natürlichen Umgebung züchten lassen.
Mit Hilfe von Atmos arbeitet das ZARM-Forschungsteam daran, die optimalen atmosphärischen Bedingungen für das Wachstum der Cyanobakterien zu bestimmen und zugleich die technische Umsetzbarkeit auf dem Mars zu berücksichtigen. In Atmos wurden in verschiedenen Testreihen die Anteile der Gase sowie der Umgebungsdruck verändert und die entsprechende Entwicklung der Bakterien beobachtet. Ziel der Untersuchungen war es, sich so weit wie möglich der Marsatmosphäre anzunähern während gleichzeitig noch ein starkes Wachstum der Cyanobakterien erhalten bleibt.
Künstliche Photosynthese – Sauerstoffherstellung im Weltraum
Für uns auf der Erde ist es ganz normal, dass wir uns keine Gedanken darüber machen, wo unser lebensnotwendiger Sauerstoff herkommt: Pflanzen und Cyanobakterien produzieren ihn beinahe wie selbstverständlich seit 2,3 Milliarden Jahren. Wie gut, dass wir unsere Pflanzenwelt haben! Aber was ist, wenn wir im Weltraum sind?
Wir sind an das Phänomen gewöhnt, dass die natürliche Photosynthese von Pflanzen in Bruchteilen einer Sekunde immer wieder dasselbe Wunder vollbringt: mit Hilfe von Sonnenenergie wird Wasser und Kohlenstoffdioxid in Zucker und Sauerstoff umgewandelt – wobei der entstehende Sauerstoff hierbei nur ein „Abfallprodukt“ des biologischen Prozesses ist.
Es ist daher völlig klar, dass alle astronautischen Raumfahrtmissionen – egal ob zur Internationalen Raumstation (ISS), zum Mars oder zum Mond – ein wichtiges Problem lösen müssen: Wie produzieren wir nachhaltig, effizient und über einen langenZeitraum hinweg Sauerstoff? Und wie recyceln wir das Kohlenstoffdioxid, das die Crew ausatmet? Derzeit werden Sauerstoff und Wasserstoff auf der ISS durch die Elektrolyse von Wasser im sog. „Oxygen Generator Assembly“ (OGA) gewonnen. Die Energie hierzu kommt vom Sonnenlicht, das über Solarzellen außerhalb der Raumstation in den Elektrolysator eingespeist wird. Dann klappt ja schon alles?!
Nicht ganz. Der fehlende Auftrieb bedingt durch die Schwerelosigkeit auf der ISS behindert die Ablösung von Gasblasen von den Elektroden im Elektrolysator und die produzierten Gase (Sauerstoff und Wasserstoff) können nur mittels zusätzlicher Rotation abgelöst und weiterverwendet werden. Das kostet unheimlich viel Energie: 1.5 kW der 4.6 kW, die das gesamte "Environmental Control and Life Support System" (ECLSS) der ISS benötigt, werden von dem OGA verwendet, um Sauerstoff für die Crew bereitzustellen. Für Langzeitmissionen zum Mond oder Mars müssen die Lebenserhaltungssysteme, die auf Sonnenlicht als einzige Energiequelle angewiesen sind, wesentlich effizienter werden.
Wir wir die natürlichen Photosynthese nachahmen
Wissenschaftler:innen am ZARM forschen an alternativen Methoden, um Sauerstoff und andere Chemikalien (wie z.B. Wasserstoff) unter Weltraumbedingungen möglichst effizient und nachhaltig bei minimalem Energieaufwand herzustellen: Ihr Ziel ist es, die elementaren Schritte der natürlichen Photosynthese nachzuahmen, um sog. „artifizielle Photosynthese-Bauteile“ zu entwickeln. Anstelle von Chlorophyll als Lichtabsorber verwenden sie Halbleiter, die mit Elektrokatalysatoren versehen werden, wodurch die Prozesse der Lichtabsorption, Ladungstrennung und Katalyse integriert werden können. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, Sauerstoff und Wasserstoff zu erzeugen in einer Apparatur, die weniger Gewicht und Volumen hat, als herkömmliche Elektrolyseure.
Halbleiter und Elektrokatalysatoren können zudem für verschiedenste Reaktionen energetisch optimiert werden: So arbeitet das Forschungsteam nicht nur an der Entwicklung eines autarken Sauerstoff- und Wasserstoffproduktions-Bauteil, sondern auch an der (photo-)elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid und der Herstellung anderer Chemikalien wie z.B. Urea (als Düngemittel) oder komplexeren Ausgangsstoffen für Medikamente.
Ein Brand an Bord eines Raumfahrzeugs ist eines der gefährlichsten Szenarien in der Raumfahrt. Es gibt kaum Möglichkeiten, sich in Sicherheit zu bringen, Hilfe zu holen oder von Bord zu fliehen und die Raumfähre zu verlassen. Daher ist es entscheidend, das Verhalten von Bränden unter diesen speziellen Bedingungen grundlegend zu verstehen.
Bereits seit 2016 führt das ZARM-Forschungsteam Experimente zur Ausbreitung von Bränden in der Schwerelosigkeit durch. Die Umgebungsbedingungen entsprechen in etwa denen auf der ISS – mit einem Sauerstoffanteil in der Atemluft und einem Umgebungsdruck ähnlich wie auf der Erde, sowie einer erzwungenen Luftzirkulation. Diese Experimente haben gezeigt, dass sich Flammen in der Schwerelosigkeit völlig anders verhalten als auf der Erde:
Ein Feuer brennt mit kleinerer Flamme und breitet sich langsamer aus, wodurch es lange Zeit unbemerkt bleiben kann. Es brennt allerdings heißer und kann dadurch auch Materialien entzünden, die auf der Erde prinzipiell nicht brennbar sind. Zudem können aufgrund von unvollständiger Verbrennung mehr giftige Gase entstehen. Und was am meisten überraschte, in der Schwerelosigkeit neigt eine Flamme dazu, sich entgegengesetzt zur Luftströmung auszubreiten. Der Versuch, eine Flamme auf einem Raumschiff auszublasen, wäre demnach eine denkbar schlechte Idee!
Warum verhalten sich Flammen in der Schwerelosigkeit so anders?
Auf der Erde strömen die Luftschichten, die eine Flamme umgeben, nach oben. Dafür sorgt die Schwerkraft: Die Luftschichten dehnen sich durch die Erwärmung aus, werden so leichter und steigen auf. Indem neue Luft von unten nachströmt, wird der Flamme permanent Sauerstoff zugeführt.
Verbrennung unter Schwerelosigkeit verhält sich anders. Ohne die sie umgebende Luftströmung nimmt die Flamme eine Kugelform an. Die Verbrennungsgase wandern nur langsam aus der Flamme heraus, und es kommt kaum Sauerstoff an die Flamme heran. Das führt dazu, dass die Flamme heißer und kleiner brennt und nach einiger Zeit von alleine erlischt.
Trotz vermeintlich geringerer Brandentwicklung in Schwerelosigkeit, kann ein Feuer auf einer Raumstation ein großes Problem werden. Durch die vielen technischen Geräte an Bord besteht auf einer Raumstation generell eine hohe Brandgefahr. Bei einer Überlastung können diese ein Feuer auslösen. Durch Lüftungsanlagen, die einen kleinen Luftzug verursachen, wird ein Feuer am Leben erhalten, das eigentlich von alleine erlöschen würde. Dieses Verhalten wurde bei Experimenten beobachtet, als Plexiglasscheiben im Weltraum entzündet wurden: Nach dem geplanten Beobachtungszeitraum wurde die Lüftung ausgeschaltet, um das Feuer erlöschen zu lassen. Unerwarteterweise blieb die Temperatur noch lange Zeit sehr hoch, so dass das erneute Anschalten der Lüftung das Feuer wieder entfachte. Selbst nach sieben Stunden Abkühlzeit wurden an der Plexiglasprobe noch 60 Grad Celsius gemessen.
Feuerexperimente im Weltraum
2021 nutzte ein Team von 25 internationalen Wissenschaftlern das CYGNUS-Versorgungsfahrzeug der ISS, um Experimente zu Bränden im All durchzuführen. Während des "SAFFIRE" (Spacecraft Fire Safety Demonstration) Experiments sammelten sie Datenmaterial und fertigten Tausende von Einzelfotos an, die dokumentierten, wie die Verbrennung einer fünf Zentimeter breiten und einer ein Zentimeter dicken Plexiglasprobe verlief.
Eine aktuelle Experimentreihe mit sehr dünnen Plexiglasfolien wird unter Schwerelosigkeit im Fallturm Bremen durchgeführt. Hier untersucht das ZARM-Team die Flammenausbreitung und beobachtet, wie das Feuer reagiert, wenn man jeweils einen der drei Faktoren – Luftdruck, Sauerstoffanteil und Strömungsgeschwindigkeit – stufenweise verändert. Der Grund dafür ist, für zukünftige Raumfahrtmissionen plant man derzeit mit veränderten atmosphärischen Rahmenbedingungen, nämlich einem niedrigeren Umgebungsdruck bei einem zugleich höhren Sauerstoffanteil in der Atemluft für die Crew – und das kann im Brandfall gefährliche Auswirkungen haben.
Grundsätzlich sind Missionen mit einer Crew als Besatzung immer für einen Hin- und Rückflug konzipiert. Daher darf das Raumfahrzeug nur so weit fliegen, dass es mit dem mitgeführten Treibstoff auch wieder zurückkehren kann. Allzu weite Sprünge zu fernen Planeten sind so nicht machbar. Doch Tankstellen oder Treibstoffdepots im Weltraum könnten die Flugreichweite von Raumfahrzeugen bis in die Tiefen des Alls verlängern. Zukünftige Langzeit-Missionen wären so besser zu realisieren, aber auch die Lebensdauer von Satelliten könnte deutlich erhöht werden. Ein "Nachtanken" im Weltraum ist somit für nicht nur für astronautische Missionen interessant.
Will man eine voll betankte Raumfähre ins Weltall befördern, so verbraucht allein der Raketenstart – um der Anziehungskraft der Erde zu entfliehen – je nach Gewicht ihrer Nutzlast unglaubliche Mengen an Treibstoff. Eine Alternative wäre, Raumfähren, die ohne Besatzung zur Erkundung des Weltraums dienen, mit leerem Tank auf die Trägerrakete zu packen und erst im Weltraum zu befüllen. Durch den leeren Tank spart man Gewicht und benötigt für den Raketenstart folglich weniger Treibstoff. Außerdem kann der Transport des Treibstoffdepots und des Treibstoffs zum vorhandenen Depot im Weltraum mit reinen Frachtraketen (also ohne Crew) erfolgen. Für diese Raketen gelten geringere Sicherheitsanforderungen als für Raketen, die zur Personenbeförderung zugelassen sind, und sie dürfen daher größere Mengen an Treibstoff transportieren. Das ist effizienter und spart Kosten.
Konzepte für Treibstoffdepots im Weltall
Auf der Erde haben wir ein engmaschiges Netz an Tankstellen, um Treibstoff nahezu überall bereitzustellen. In ähnlicher Weise könnte Tankstellen im Orbit oder auf der Oberfläche von Mond oder Mars unseren Bewegungsradius deutlich erhöhen.
Eine wichtige Voraussetzung für dieses ambitionierte Vorhaben ist die kontrollierte Handhabung von Flüssigkeiten im Weltraum – ein Thema, dem sich die Arbeitsgruppe „Mehrphasenströmungen” am ZARM seit vielen Jahren widmet. Ihr aktuelles Projekt „Zero Boil-Off Tank Experiment – Befüllung und Transfer” untersucht das Befüllen von leeren oder teilweise leeren Tanks von Raumfahrzeugen mit Wasserstoff oder Methan, um langfristig eine Tankstelle im Weltraum realisieren zu können. Ganz konkret geht es um die Problemstellungen der Bedrückung eines Gebertanks sowie der Abkühlung und Befüllung eines Empfängertanks unter besonderer Berücksichtigung der gegebenen Beschleunigung und Temperatur.