Ein Forschungsprojekt vom NASA Glenn Research Center soll bei der Entwicklung und Betreibung einer Tankstelle im Erdorbit maßgebend sein.
Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Glenn Research Center.
Durch die extrem tiefen Temperaturen, Drücke und Gravitationskräfte im Weltraum ist es schwierig Treibstoffe zu lagern und Raumfahrzeuge zu betanken. Seit 1945 wird im NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio mit diesen eisigkalten Treibstoffen, die Kryogentreibstoffe genannt werden, experimentiert. In zwei Forschungseinrichtungen wird mit flüssigen Stickstoff und flüssigen Wasserstoff geforscht (Stickstoff und Wasserstoff ändern ihren Aggregatzustand bei Temperaturen von -196 Grad Celsius bzw. bei -252 Grad Celsius und werden flüssig).
In diesen zwei Forschungseinrichtungen werden Komponenten und Teilsysteme sowie Wege der Treibstoffspeicherung getestet, um eine langzeitige Lagerung von Kryogentreibstoffen im Weltall sicherzustellen. Momentan läuft gerade ein Projekt bei der eine Tankstelle im Orbit Raumfahrzeuge vor ihrer Reise zum Mond oder Mars betanken soll. In den nächsten vier Monaten werden eine Reihe von verschiedenen Tests in diesen Kryogeneinrichtungen durchgeführt werden, um die Sicherheit und Effizienz dieser Weltraumtankstelle sicherzustellen. Aufgrund der niedrigen Gravitationskräfte, überwiegt die Oberflächenspannung, welche dazu führt, dass sich der Treibstoff nicht wie auf der Erde gewohnt am Boden anlagert, sondern sich rund um die Tankwand sammelt. Diese Tatsache erschwert die genaue Bestimmung des übrigen Treibstoffes im Tank. Ebenso entstehen durch diese Eigenschaft Probleme beim Treibstofftransfer.
Einem ganz anderen Problem muss sich Weltraumtankstelle aufgrund der Sonnenwärme stellen. Eine Erhitzung der Tanks führt dazu, dass der darin gelagerte Treibstoff zu kochen beginnt, was wiederum zu einem Druckanstieg innerhalb der Tanks führt. Für einen sicheren Betrieb muss daher entweder ein Druckventil an den Tanks angebracht werden oder der Treibstoff von vornherein kontinuierlich gekühlt werden, damit es erst gar nicht zu einem Druckanstieg kommt. Die Untersuchungen vom Glenn Research Center enthalten unter anderem die Entwicklung einer Niederdruckanzeige, die den restlichen Treibstoff in den Tanks feststellen soll, sowie Langzeit-Lagerungstests der Kryogentreibstoffe, die die Verluste minimieren und kleinere Tankbehälter ermöglichen soll, aber auch den Transport der Treibstofftanks in das Erdorbit.
(Foto: NASA)
Die Einrichtung des SMiRF (Small Multipurpose Research Facility) besteht aus einer zylindrischen Vakuumkammer, welche die niedrigen Temperaturen und Drücke wie sie im Weltall, am Mond oder am Mars herrschen simulieren kann. In dieser Vakuumkammer können Tanks bis zu einem Durchmesser von 1.8 Meter und einer Höhe von 2.2 Meter getestet werden. Durch eine computerunterstützte Steuerung kann die Druckänderung die während eines Space Shuttle Starts durch die Erdatmosphäre ins Weltall auf die Tanks wirkt simuliert werden. Zusätzlich kann durch Programme auch die Temperatur variiert werden und somit “Tag-Nacht” Temperatur am Mond oder Mars zwischen -160 und +90 Grad Celsius simulieren. Durch die neueste Technologie können die dadurch gewonnen Daten direkt am Computer gespeichert und ausgewertet werden.
Im kleineren der beiden Testeinrichtungen, der CCL-7 (Cryogenic Components Lab Cell 7) werden in zwei kleinen Kryogentanks Fluidströmungen und der Transport des Treibstoffes getestet. Flüssiger Wasserstoff kann bei einem Druck, weniger als ein siebentel des normalen atmosphärischen Druckes auf der Erde (Luftdruck der Erde in der mittleren Meereshöhe beträgt laut der genormten Standardatmosphäre 1013 Hektopaskal) zwischen den beiden Tanks transferiert werden. Genauso wie die SMiRF Testeinrichtung ist auch die CCL-7 Einrichtung mit der neuesten Computerhardware und Software ausgestattet und garantiert eine optimale Auswertung der Testmessungen.
Dieses Projekt wird vom NASA Glenn Research Center mit Zusammenarbeit mehrer Firmen, Universitäten und anderen NASA Testeinrichtungen durchgeführt.