Absturz der chinesischen Raumstation: Warum ist es schwer vorherzusagen, wo der Weltraummüll landet?

Es ist ein schwieriges Geschäft, Raumfahrzeuge auf anderen Welten zu entwerfen, zu bauen, erfolgreich zu starten und dann zu betreiben. Die Durchführung der Mission ist besonders schwierig für Planetensonden, die durch signifikante Atmosphären gehen, Daten auf ihrem Weg zur Oberfläche sammeln und aufgrund der Herausforderungen der extremen Umgebungen, die mit solchen Zielen verbunden sind, oft nur für kurze Zeit überleben, sobald sie gelandet sind . Planetare Sondierungsmissionen gehen zu Orten wie der Venus, wo die Oberflächentemperatur 900 ° F beträgt, der Druck ist 90 mal so hoch wie der der Erde, und die weitgehend Kohlendioxidatmosphäre hat eine signifikante Schwefelsäurekomponente. Andere versuchen, riesige Gasbälle wie Saturn (nur der Saturnmond Titan ist das Ziel einer Sonde) oder Jupiter zu erreichen. Jupiters gasförmige äußere Schicht wurde von der Galileo-Sonde bis zu dem Punkt, an dem der Druck das 22-fache der Erde betrug, erfolgreich eingeführt. Solche Einträge sind, anders als wenn sie in die Atmosphäre und Landung eintreten, eher so, als würden sie in das Zeug des Planeten selbst hineinsprengen und Blitzschlägen auf dem Weg ausweichen.

Die NASA verlor einige frühe Sondierungsmissionen wie Mariner 1, ihre erste Mission auf der Venus, und die internationale Gemeinschaft hat eine noch spottere Bilanz als die USA. Diese Missionen erfordern jahrelange Entwicklung und teure, spezialisierte fortschrittliche Technologien wie Druckkammern und Wärmeschutzsysteme, ganz zu schweigen von spezialisierten Instrumenten. Es gab einige bemerkenswerte Erfolge wie die Pioneer Venus Multi-Probe-Mission, die Galileo-Sonde und die jüngste europäische Huygens-Sonde für Titan, die Teil der Saturn Cassini Mission war. Diese Missionen waren entweder vor einer Weile sehr teuer oder beides. Die Herausforderung für die nächste Generation von Missionen besteht darin, neue technologische Entwicklungen zu nutzen, aber niemand möchte unbewiesene Technologien in Missionen stecken, bei denen fast 1 Milliarde US-Dollar eine Rolle spielen könnte. Dennoch müssen wir einige der anstehenden Aufgaben berücksichtigen. Wie kommst du von hier her?

Betrachten Sie das Wärmeschutzsystem oder TPS. Raumfahrzeuge, die mit 40.000 bis 50.000 mph unterwegs sind, um äußere Planeten wie Jupiter und Saturn zu erreichen, erreichen ihre Ziele mit einer enormen Menge an Energie, die sie abwerfen müssen, wenn sie versuchen, in die Atmosphäre des Ziels einzudringen. Mit anderen Worten, sie müssen langsamer werden. In dem relativen Vakuum des Weltraums verursachen die hohen Geschwindigkeiten keine Probleme, aber sobald ein Raumschiff auf eine Atmosphäre mit vielen Gasmolekülen trifft, beginnen sich die Dinge ziemlich schnell zu erwärmen. Je schneller die Sonde geht, desto heißer wird es. Die Galileo-Sonde, zugegebenermaßen der schwierigste jemals unternommene atmosphärische Versuch, erlebte Temperaturen, die doppelt so hoch waren wie die Oberflächentemperatur der Sonne und Verzögerungskräfte von bis zu 230 g (230-mal die Erdbeschleunigung), als sie sich Jupiters Atmosphäre näherten. Solche extremen Bedingungen werden durch die Verwendung eines "Hitzeschildes" überstanden, das sorgfältig entworfen, sorgfältig getestet und durch hochspezialisierte Materialien wie Kohlenstoff-Phenol-Verbundwerkstoffe geschützt wird. Das Material muss so dick sein, dass ein erheblicher Teil davon bei der Verlangsamung abbrennen kann und dennoch genug Schutz für das empfindliche Raumfahrzeug hat. Es ist ein bisschen so, als würde man ein Raumschiff in Holzkohlebriketts wickeln - das Äußere brennt ab, hinterlässt aber eine isolierende Schicht, die weiterhin die Wärme aufnimmt. Natürlich, je mehr Gewicht in TPS eine Sonde tragen muss, desto weniger Gewicht kann sie in wissenschaftlichen Instrumenten tragen.

In den Jahren nach dem Start der Galileo-Mission im Jahr 1989 wurden einige neue Materialien entwickelt, die einen besseren Wärmeschutz bieten und leichter sind. Eine neue Technologie "flugqualifiziert" zu bekommen, ist jedoch eine Herausforderung. Ein Material, das am Ames Research Center der NASA im Silicon Valley erfunden wurde, heißt PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Dieses clevere Material ist extrem leicht, relativ einfach zu fertigen und noch leichter an die spezifischen Formen anzupassen, die von Hitzeschilden benötigt werden, was einen großen Fortschritt in der Weltraumsonden-Technologie darstellt. Die Stardust Mission verwendete PICA für ihren Hitzeschild, den ersten Flug dieses Materials. Es wurde am 7. Februar 1999 während der NASA Ära der "Faster, Better, Cheaper" (FBC) Missionen gestartet. Der FBC-Ansatz führte zu einigen spektakulären Fehlschlägen aufgrund extremer Kostensenkung (Mars Polar Lander und Mars Climate Orbiter), und die NASA hat sich seitdem von dieser Philosophie entfernt. Dennoch hatte FBC mindestens ein interessantes positives Ergebnis. Die Philosophie beinhaltete eine Verpflichtung, ein gewisses Maß an Risiko zuzulassen, basierend auf der Vorstellung, dass man sich bei kleineren und billigeren Missionen etwas riskanter machen kann, da der Verlust weniger katastrophal ist und durch Versuche etwas gewonnen werden kann neue Dinge. Die Stardust-Mission brachte am 15. Januar 2006 Kometenproben zur Erde zurück, ein erstaunlicher Erfolg, der zeigte, dass PICA sehr gut abschnitt.

Es ist schwierig und teuer, Sonden zu Planeten und ihren Satelliten zu schicken. Sie sind alle so unterschiedlich in ihren technischen Anforderungen, dass die internationale Sondengemeinschaft sich einmal im Jahr trifft, um Ideen über neue Technologien auszutauschen und um zu vergleichen, welche Ziele für große Wissenschaft am vielversprechendsten sind. Das letzte Treffen war der 5. International Planetary Probe Workshop in Bordeaux, Frankreich Ende Juni 2007. Die diskutierten Technologien reichten von Blimp-Fahrzeugen (eigentlich "ballutes", eine Art Kombinationsballon / Fallschirm), die über fiesen Oberflächen schweben konnten , zu immer besseren TPS-Systemen und hochentwickelten superleichten Instrumenten mit Mikrofluidik und Nanotechnologien. Das Problem mit diesen neuen Technologien ist wie immer die Flugqualifikation. Mit einer kostspieligen Sondierungsmission kannst du nur fliegen, wenn sie bereits geflogen ist.Es ist ein bisschen wie ein Bankkredit. Die Bank wird Ihnen das Geld nicht geben, wenn Sie nicht beweisen können, dass Sie es nicht brauchen.

Verführerische Ziele für zukünftige Sonden reichen von Venus und Merkur, die uns helfen könnten zu verstehen, wie sich das Sonnensystem entwickelt hat und warum diese Planeten heute so unwirtlich sind, zu einigen der Monde von Saturn und Jupiter, wie Europa mit seinem flüssigen Ozean darunter eine Eisschicht und ihr Potenzial, eine Form von Lebewesen zu beherbergen. Viele glauben, dass Europa alle grundlegenden Anforderungen erfüllt: flüssiges Wasser, eine Energiequelle und Nährstoffe. Der einzige Weg, dies herauszufinden, ist, mit dem richtigen Raumschiff und der richtigen Instrumentierung dorthin zu gehen. Keine der Kompromisse und Entscheidungen sind einfach. Es gibt nicht genug Geld, um alles zu tun, was jeder möchte, und selbst mit Geld sind diese Orte harte Ziele. In der Tat ist es Raketenwissenschaft.

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