„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Raketen

Wer heute etwas mit einer Rakete ins All schießen lassen will, muss im Durchschnitt für jedes Kilo mehr als 20.000$ berappen. Kein Pappenstiel, und Schuld am hohen Wechselkurs ist die Gravitationskraft der Erde.

Die Gravitation zieht erdnahe Gegenstände zur Erde. Es gilt ihr also eine stärkere Kraft entgegenzusetzen, um sie zu überwinden und eine Rakete in den Orbit zu katapultieren. Die dazu benötigte Energie zieht die Rakete aus den Treibstofftanks. Der Treibstoff wird auch als Stützmasse bezeichnet und ist Teil der Gesamtmasse der Rakete. Da das Gravitationsfeld der Erde sehr groß und recht stark ist und auch noch andere Gegenspieler wie der Luftwiderstand die Rakete abbremsen, braucht sie von vornerein schon sehr, sehr viel Treibstoff um ihre Reise ins All starten zu können. Aber auch dieser Treibstoff braucht wieder mehr Energie aus Treibstoff, da sich mit ihm die zu befördernde Masse erhöht und auch dieser Treibstoff für den Treibstoff fliegt nicht von alleine ins Weltall usw. Schlussendlich steht man vor einer hunderte Tonnen schweren Rakete, die neunzig Prozent ihrer Masse hinten rauspresst um nach vorne zu kommen und kann mit ihr somit doch nur eine tatsächlich Nutzlast von wenigen Tonnen ins All befördern. Hätten wir keine Energieträger mit einer genug hohen Energiedichte, könnten wir uns den Menschheitstraum Raumfahrt gleich abschminken.

Zum Glück haben wir jedoch entsprechende Energieträger. Trotzdem: die Raumfahrt ist gegenwärtig sehr teuer, ressourcenaufwendig und nur im kleinen Stil überhaupt realisierbar. Wir können nur ein paar Gerätschaften zu ein paar Himmelskörpern im unmittelbaren Umfeld der Erde schicken. Doch das alles könnte sich schon in den nächsten Jahrzehnten ändern: Der Weltraumlift hat das Zeug für eine fundamentale Revolution der menschlichen Astronautik, des Weltraumtourismus und der Besiedlung anderer Planeten durch den Menschen.

Weltraumlift

Ein Space Elevator (deutsch auch: Weltraumlift oder Weltraumaufzug) ist eine Aufzugsanlage, die von der Planetenoberfläche in den Weltraum führt. Zurzeit gibt es kein praktisch realisierbares Konzept für den Bau eines Weltraumlifts, prinzipiell spricht aber nichts gegen die generelle Möglichkeit eines Weltraumlifts.

# Ein Mann geht in einen Aufzug und sagt: „Grüß Gott!“

Sagt ein anderer Mann: „Glauben Sie, den finde ich da oben im All?“

und drückt den Knopf zur dreimillionsten Etage.

Historie

Die Idee für den Aufzug zu den Sternen stammt von Konstantin Ziolkowski, ein Physiker der originellerweiße auch schon die Raketengrundgleichungen und damit die ganze Geschichte mit der Stützmasse und so niederschrieb, mit der die Raumfahrt bis heute rechnet.

Mindestens genauso originell ist aber, wie Ziolkowski auf diese Idee kam: 1895, noch 60 Jahre vor dem ersten Raketenstart also, besuchte er die Pariser Weltausstellung und sah dort den extra für diese Ausstellung gebauten Eiffelturm. Der Eiffelturm sollte damals als imposantes Eingangsportal für die Ausstellung anlässlich des 100. Jahrtages der Französischen Revolution dienen und inspirierte Konstantin Ziokowski zu seiner grandiosen Idee. Mit rund 325 Meter war der Tour Eiffel damals das höchste Gebäude (heute ist es der Burj Khalifa) auf der ganzen Welt. „Warum aber nicht noch höher?“, dachte sich Ziolkowski so oder so ähnlich wohl. Warum keinen Turm bauen, der bis ins Weltall ragt?

kein Turm

Leider klingt Ziolkowskis Idee vom Himmelsturm nicht nur utopisch, sie ist es auch. Um es unmissverständlich zu sagen: Sie wird auf ewig eine Idee bleiben. Denn der Sockel des Gebäudes müsste ja das Gewicht der tausende Kilometer hohen Konstruktion über ihn tragen. Kein heute bekanntes Material hat die nötige Druckfestigkeit, um dieses Gewicht zu stemmen bzw. der Sockel müsste ein Durchmesser von mehreren hundert Kilometer aufweisen. Und selbst wenn nicht der Sockel, so würde dann doch der gesamte Turm in die Erdkruste einsinken. 

ein Seil

Die Idee an sich ist aber gut, wäre ein Turm doch eine bessere Alternative zum Raketenflug. Vielleicht muss man ja nicht ein Turm bauen und vielleicht nicht von unten nach oben? Diese entscheidende Blickwechsel kamen vom ebenfalls russischen Physiker Juri Artsutanow im Jahre 1960. Warum nicht einfach den Turm weglassen, ein Aufzug ohne allem Drumherum quasi.

Von einem Satelliten aus könnte man ein Seil zur Erde herablassen und dort irgendwie verankern. Dieses Seil zwischen All und Erde fungiert dann als Grundgerüst für einen Weltraumlift.

abnehmender Querschnitt

Aber auch jedes zehntausende-kilometerlange Seil aus jedem bekannten Stoff würde zwangsläufig unter seinem eigenen Gewicht zerreißen. Der Knackpunkt ist zwar kleiner und liegt jetzt am oberen, statt am unteren Ende, er ist aber immer noch da.

Eine erste Schlüsselidee zur Behebung dieses Problems hatte der 1975 US-Amerikaner Jerome Pearson. Wir haben ja immer noch die Seile aus unserem Alltag, die an jedem Punkt den gleichen Querschnitt haben, im Kopf. Unser Seil muss doch aber nicht überall gleich dick sein. Ganz oben, wo das Seil zu reißen droht, muss es sehr dick sein, weil es hier durch sein komplettes Eigengewicht nach unten gezogen wird. Unten aber kann das Seil extrem dünn und leicht sein, da ja kein Seilabschnitt mehr darunter hängt und es deshalb kein Gewicht mehr halten können muss. Das Seil sollte also von oben nach unten dünner werden, dann hat der Knackpunkt oben auch weniger Seil zu tragen.

geostationärer Orbit

In welcher Höhe sollten wir so ein Seil idealerweise installieren? Um diese Frage kompetent beantworten zu können, sollte man sich zuerst einmal ansehen, welche Kräfte wie stark auf das Seil einwirken. Da ist zum einen Mal die Gravitationskraft, wir haben sie bereits vorher kennengerlernt. Sie zieht das Seil nach unten zur Erde und das umso stärker, je näher man an der Erde ist. Zum anderen die Zentrifugalkraft, die das Seil nach oben drückt und mit zunehmender Höhe stärker wird. Diese beiden Kräfte, Gravitationskraft und Zentrifugalkraft, wirken somit exakt entgegengesetzt auf das Seil ein und innerhalb eines gewissen Höhenbereichs über der Erde heben sie sich exakt auf.

Aus diesem Grund sendet man auch Satelliten in diese Höhe, denn hier fallen sie weder auf die Erde, noch von ihr weg, sondern quasi um sie herum. Die Spitze des Weltraumlifts, was auch immer das dann sein mag, ein Satellit oder gar ein natürlicher Himmelskörper, in diese schwerelose Erdumlaufbahn zu werfen, ist schon die halbe Miete zum Weltraumlift! Denn hier bewegt sich die Spitze synchron zur Erdrotation. Der Turm zerbricht also nicht, da Basis und Spitze sich gleichzeitig bewegen und wird zusätzlich noch durch die Kraft der Erde ohne weiteren Energieaufwand oben gehalten. Übrigens ist das ein weiterer Grund, weswegen man beispielsweise Kommunikationssatelliten in diese Höhen schickt: Die TV-Antenne muss nicht immer wieder neu zum Satellit hin ausgerichtet werden, da dieser sich ja immer im gleichen Punkt über der Erde befindet. Eine Art künstlich elektronischer Fixstern.

Ein idealer Ort für unsere Turmspitze da Oben also, aber leider auch ein extrem hoher. Der Schwerpunkt unseres Turms müsste folglich nämlich in einer Höhe von mindestens 35.786 Kilometern angebracht werden, das entspricht mehr als dem doppelten Durchmesser der Erde. Man kann ihn natürlich auch weiter unten ansetzen, wenn wir aber ohne künstlichen Antrieb bzw. nur mit der Drehung der Erde die entsprechende Geschwindigkeit erreichen wollen, müssen wir so hoch hinaus. Satelliten oder andere Turmspitzen zu diesem sog. geostationären Punkt, wo die Umkreisung glücklicherweise genauso lange dauert wie die Drehung der Erde, oder noch weiter hoch zu bringen, das ist kein allzu großes Problem, wenn wir dafür Raketen verwenden. Die nächste entscheidende Frage die wir uns stellen müssen ist: Was für ein Seil nehmen wir?

Material

Eines steht fest: Jedes Segment des Seiles muss mindestens das Gewicht der darunterliegenden Segmente plus der maximalen Nutzlastkapazität halten können. Gehen wir nun einmal davon aus, dass sich das Seil durchgehend aus einem einzigen Material zusammensetzt. Dann ist sein Querschnitt logischerweise proportional zur Nähe zum geostationären Orbit bzw. zur punktuellen Belastung. Und diese Belastung wird sehr stark sein, sodass ein herkömmliches Stahlseil mit einem Querschnitt, der nicht aus dem Rahmen fällt, schon bei einer Länge von unter zehn Kilometern unter seinem eigenen Gewicht reißt. Hochleistungsseile, wie sie etwa bei Seilbahnen zum Einsatz kommen, schaffen rund 30km. Wir brauchen aber über 30 tausend Kilometer.

Kohlenstoffnanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren

Deshalb machten sich ein paar kluge amerikanische Ingenieure 1966 auf die Suche nach einem Material, welches zugstark genug für unseren Weltraumlift ist. Ein solches Material müsste nach ihren Ergebnissen mindestens doppelt so zugstark sein, wie alle damals bekannten und mittlerweile hat man es gefunden: Kohlenstoffnanoröhren. Kohlenstoffnanoröhren sind eigentlich nichts weiter als stinknormaler Kohlenstoff, der aber auf atomarer Ebene so intelligent strukturiert ist, dass man ihn kaum auseinanderreißen kann. Leider ist der bis dato längste Faden aus Kohlenstoffnanoröhren (hergestellt 2004 von Wissenschaftlern der Universität Cambridge) mit hundert Metern aber natürlich noch viel zu klein, um uns den Weg zu den Sternen zu ebnen. Neben diesem prinzipiellen Hindernis gibt es noch zwei praktische Probleme mit den Kohlstoffnanoröhren: Sie sind extrem teuer und oxidieren in der Atmosphäre. Davon einmal abgesehen haben wir aber mit den Kohlenstoffnanoröhren einen Stoff gefunden, der die Tragseile unseres Weltraumliftes stellen könnte.

Man kann ja auch aus mehreren kleinen Fädchen ein großes Seil flechten. Ein solches Kombinationsseil wäre zwar weniger reißfest als ein durchgehendes, da es nicht nur durch starke Molekularkräfte zusammengehalten wird, immer noch reisfester als alles was wir sonst kennen ist es aber alle mal. Vielleicht ist dies des Rätsels Lösung: Wir konstruieren einen ein wenig größeren Faden und gehen mit ihm in Serie, sodass wir am Schluss ein großes Seil aus lauter hauchdünnen Kohlenstoffnanorörchenfädchen haben.

Höhe

Ein 35.786 Kilometer hoher Lift ist schon ambitioniert, manche Modelle wollen aber noch weiter hinaus und auch diese haben ihre Vorteile. Hinter dem geostationären Punkt ist die Zentrifugalkraft nämlich größer, als die Gravitationskraft. Bei einem solchen Lift würde der Teil hinter dem geostationären Punkt zur Erde hin und der hinter dem geostationären Punkt von der Erde weg ziehen. Geschickt austariert ergänzen sich die beiden Kräfte und unser Lift steht im Gleichgewicht. Ein wenig kürzer, würde er ohne Zutun auf die Erde fallen, ein wenig länger und er flöge in die Weiten des Universums. Ein solcher Lift hätte eine stolze Länge von 144.000 Kilometern, noch einmal mehr als das Vierfache gegenüber den 35 Millionen Metern bis zum geostationären Punkt.

Das Seil für diesen Monsterlift sollte mit zunehmender Höhe, sprich mit ansteigender Belastung, einen größeren Querschnitt besitzen, sprich belastungsresistenter werden – bis sich dieser Trend am geostationären Orbit umkehrt und der Querschnitt wieder kleiner wird.

Basisstation

Bis jetzt haben wir aber nur ein Seil in der Hand und damit alleine lässt sich noch nichts wirklich anfangen. Wir brauchen also noch eine Basisstation auf der Erde. Auch an diese müssen wir wieder viele Erwartungen stellen: Sie muss das Seil fest in der Erde verankern, übrigens auch in den Modellen, in denen sich die Gravitation und die Zentrifugalkraft die Waage halten, um das Gleichgewicht gegen etwaige Störungen abzusichern. Das Seil wird vermutlich über dem Äquator herum schweben und daher muss dort auch die Bodenstation und der Satellit hin, denn einen geostationären Gleichgewichtspunkt finden wir nur direkt über dem Äquator.

Der Großteil der Erdoberfläche um den Äquator ist Meeresoberfläche, was allein schon die Wahrscheinlichkeit dafür steigen lässt, dass wir unsere Basisstation auf das Meer drauf setzen. Es gibt aber noch einige weitere Aspekte, die für so eine Meeresstation sprechen: Wahrscheinlich wird so ein Weltraumlift in internationaler Kooperation gebaut, schon alleine weil sich keine größere Nation die mit einem solchen Lift einhergehenden Chancen entgehen lassen möchte. Da bietet sich neutrales internationales Gewässer natürlich viel mehr an, als nationales Land. Außerdem ist ein Weltraumlift auf hoher See ungemein beweglicher, als er es an Land je wäre und so kann man durch Manövrieren vielleicht Weltraumschott oder anderen Objekten ausweichen und nicht zuletzt ist hier das Wetter weit überdurchschnittlich gut, also hat man statisch weniger heftige Stürme oder schwere Unwetter zu befürchten.

Energieversorgung

Ein weiterer Knackpunkt ist die Energieversorgung der eigentlichen Kabine. Irgendwie muss der Lift ja seine Passagiere und sich selbst nach oben bringen. Denkbar ungeeignet dafür wäre eine im Seil implementierte Stromleitung, da bei ihrer nötigen Länge von zehntausend Kilometern der Widerstand viel zu groß wäre. Nach ein paar Kilometern würde wohl gar kein Strom mehr ankommen. Auch ein Benzin –oder Dieselantrieb wäre komplett unbrauchbar für unser Projekt, schon allein da wir solche energieintensive Raketentechniken mit unserem Lift ja überwinden wollten. Dann schon eher ein Kleinst-Kernreaktor, den man aus Strahlungsschutzgründen ein paar hundert Meter hinter der Kabine herzieht. Es gibt aber auch schon umweltfreundlichere und durchaus realistische Konzepte dafür, wie sich die die Kabine, der Fachterminus ist übrigens „Climber“, mit Energie beliefern lässt. Eine Möglichkeit wäre es, Fotovoltaikzellen an die Außenwände des Climbers anzubringen und diese von der Erde aus mit Lasern zu bestrahlen. Die Energie vom Laser wird dann im Climber in Strom umgewandelt und mit diesem ein Elektromotor gespeist, der die Fahrgäste zum Himmel bringt. Anstatt Laser (aus Lasern) können wir übrigens auch Mikrowellenstrahlung aus Masern verwenden, die ebenfalls über längere Strecken hinweg übertragen und anschließend transformiert werden kann.

Ab einer bestimmten Höhe wird das Unterfangen mit der Bestrahlung von unten immer komplizierter, aber dafür kann der Climber dann eine andere, natürliche Strahlung einfangen: das Sonnenlicht, das im Weltraum viel stärker ist als hier auf der Erden. Wenn es nun weiter oben erst einmal seine Sonnenkollektoren ausfährt, um das Sonnenlicht einzufangen, wird der Climber vielleicht so aussehen wie eine Kreuzung aus vertikal fahrendem ICE-Zug und Satellit.

Bei der Energieversorgung des Climbers stehen Ingenieure also vor einer großen Herausforderung, aber nicht vor einer Unmöglichkeit!

Visionen

Eine technische und forschungswissenschaftliche Herausforderung, aber keine Unmöglichkeit: was für seine Energieversorgung gilt, gilt auch für den ganzen Lift.

Abgesehen von der Materialfrage gibt es also keine grundsätzlichen Hürden mehr, die uns vom Bau des ersten Weltraumlifts trennen. So ein Weltraumlift ist nicht mehr reine Science-Fiction, sondern könnte schon bald science-reality werden. Wir müssen es nur wirklich wollen. Und die direkten und indirekten Chancen, die sich mit einem Weltraumlift verbinden, sind gigantisch:

Auf Dauer verbraucht ein Weltraumlift viel weniger Energie-, und Materialressourcen als eine Rakete, weswegen er die Raumfahrt als Solche viel billiger machen würde. Derzeit kostet es noch rund 30.000 US-Dollar, einen Kilogramm Nutzlast mit einer Rakete in den Orbit zu schießen. Der Weltraumlift könnte den Preis auf nur 200 US-Dollar pro Kilo reduzieren und zugleich mehr Komfort, Sicherheit und weniger nötige Vorbereitungen für jeden Weltraumreisenden gewährleisten.

Und ragt erst einmal der erste Weltraumlift durch die Himmelsdecke, könnte dies der erste Schritt der Menschheit zu (noch) viel Größerem sein. Das Seil endet ja schon auf halber Strecke zum Mond und mit dem Impuls aus den Sonnenkollektoren könnten wir den Climber, Satellit oder ein Raumschiff am Ende von dem Weltraumlift abkoppeln und Richtung Mond katapultieren. Dort oben angekommen hat man dann Materialen mitgenommen oder kann vor Ort nach Rohstoffen suchen, auf dem Mond Stationen und Photovoltaikanlagen bauen, welche dann die eingangs thematisierte Energiefrage obsolet machen, und schließlich neue Weltraumlifte bauen. Vom Mond aus lassen sich über Weltraumlifte vielleicht zwei Planeten ansteuern, davon dann vier, danach acht, sechzehn, zweiunddreißig… die Weltraumbesiedlung könnte exponentiell verlaufen! Oder wir schießen uns vom irdischen Weltraumlift mit ordentlichem Wumms direkt zum Mars oder noch weiter weg, am Ende des Lifts herrscht ja kein Luftwiderstand mehr, dafür viel energiespendende Sonneneinstrahlung.

Der erste Schritt zur Infrastrukturalisierung und Besiedlung der Milchstraße geht, so wie es aussieht, aber eben nur über Weltraumlifte. Ein Weltraumlift könnte also das Zünglein an der Waage sein, das wirklich Monumentales bewegt. Man muss aber auch gar nicht ganz so groß denken, um vom Nutzen eines Weltraumliftes überzeugt zu werden. Bereits nach Errichtung des ersten Weltraumlifts stellen sich nämlich ohne Weiteres neue Möglichkeiten dar: Mechanisch empfindlichere oder größere Werkstücke wie Weltraumteleskopspiegel, die man mit Raketen einfach nicht transportieren kann, könnten nun per Weltraumlift nach oben befördert, oben angekommen installiert werden und die Astronomie revolutionieren. Durch die sinkenden Transportkosten könnten ganz allgemein die unterschiedlichsten Teile nach oben geschickt und dort relativ billig zu großen Weltraumstationen, Weltraumlaboratorien o.Ä. zusammengebaut werden. Vielleicht auch Weltraumhotels, in denen tausende Menschen Platz finden. Nicht zuletzt würde auch die industrielle Forschung von Weltraumliften stark profitieren, die erst einmal das schwerelose Leben im Weltall erforschen und dann für die breite Masse zugänglich machen könnte. Eine Win-Win-Win…-Situation.

Bildquellen

Stand: 2014
überarbeitet: 2016

Kommentare: 2
  • #2

    WissensWert (Sonntag, 28 August 2016 16:31)

    https://de.wikipedia.org/wiki/Weltraumlift

  • #1

    WissensWert (Samstag, 09 April 2016 21:11)

    https://youtu.be/qPQQwqGWktE


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