Raumstation
Eine Raumstation ist ein Raumfahrzeug, das in der Lage ist, eine menschliche Besatzung über einen längeren Zeitraum in der Umlaufbahn zu versorgen, und daher eine Art Lebensraum im Weltraum darstellt. Sie verfügt über keine größeren Antriebs- oder Landesysteme. Eine Orbitalstation oder eine orbitale Raumstation ist ein künstlicher Satellit (d. h. eine Art der orbitalen Raumfahrt). Stationen müssen über Andockstellen verfügen, an denen andere Raumfahrzeuge andocken können, um Besatzung und Nachschub zu transportieren. Der Zweck des Betriebs eines Außenpostens in der Umlaufbahn variiert je nach Programm. Meistens wurden Raumstationen zu wissenschaftlichen Zwecken gestartet, es gab aber auch militärische Starts. ⓘ
Raumstationen beherbergen bisher die einzige direkte menschliche Präsenz im Weltraum über einen längeren Zeitraum. Nach der ersten Station Saljut 1 (1971) und ihrer tragischen Sojus-11-Besatzung wurden Raumstationen seit Skylab (1973) fortlaufend betrieben und ermöglichten eine längere direkte Anwesenheit von Menschen im Weltraum. Seit 1987, dem Jahr des Salyut-Nachfolgers Mir, wurden die Stationen von aufeinanderfolgenden Besatzungen besetzt. Eine ununterbrochene Stationsbesetzung wurde seit dem Übergang von der Mir zur ISS erreicht, wobei die erste Besetzung im Jahr 2000 erfolgte. Die ISS beherbergte die höchste Anzahl von Menschen, die sich gleichzeitig in der Umlaufbahn befanden, nämlich 13 während des elftägigen Andockens von STS-127 im Jahr 2009. ⓘ
Ab 2022 gibt es zwei voll funktionsfähige Raumstationen in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) - die Internationale Raumstation (ISS) und die chinesische Tiangong-Raumstation (TSS). Während die ISS seit Oktober 2000 mit den Besatzungen der Expedition 1 ständig bewohnt ist, wird dies bei der TSS im Juni 2022 mit den Besatzungen der Shenzhou 14 der Fall sein. Die ISS wird genutzt, um die Auswirkungen der Raumfahrt auf den menschlichen Körper zu untersuchen und um eine größere Anzahl und längere Dauer wissenschaftlicher Studien durchzuführen, als dies auf anderen Raumfahrzeugen möglich ist. Die chinesische Raumstation Tiangong soll bis Ende 2022 ihre erste Bauphase abschließen und um zwei Labormodule ergänzt werden. Auch Indien hat vorgeschlagen, in den kommenden Jahrzehnten eine Raumstation zu bauen. Es gab bereits zahlreiche stillgelegte Raumstationen, darunter die Saljuts der UdSSR, die russische Mir, das Skylab der NASA und die chinesische Tiangong 1 und 2. ⓘ
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Raumstationen sind ein moderner Teil der bemannten Raumfahrt. Im Gegensatz zu Raumschiffen dienen sie nicht der Fortbewegung, sondern ermöglichen es Menschen, lange Zeit auf ihnen zu leben. Bislang befanden sich alle Raumstationen in der Erdumlaufbahn. Eine Unterform von Raumstationen sind Raumlabore. ⓘ
Geschichte
Beginnend mit dem unglücklichen Flug der Sojus-11-Besatzung zu Saljut 1 wurden alle bisherigen Rekorde für die Dauer der bemannten Raumfahrt an Bord von Raumstationen aufgestellt. Der Rekord für die Dauer eines einzelnen Raumflugs liegt bei 437,75 Tagen, aufgestellt von Valeri Polyakov an Bord der Mir von 1994 bis 1995. Ab 2021 haben vier Kosmonauten Einzelmissionen von über einem Jahr Dauer absolviert, alle an Bord der Mir. Die letzte militärisch genutzte Raumstation war die sowjetische Saljut 5, die im Rahmen des Almaz-Programms gestartet wurde und zwischen 1976 und 1977 in der Umlaufbahn war. ⓘ
Frühe Konzepte
Die erste Erwähnung von etwas, das einer Raumstation ähnelt, findet sich in Edward Everett Hales "The Brick Moon" von 1869. Die ersten, die ernsthafte, wissenschaftlich fundierte Überlegungen zu Raumstationen anstellten, waren Konstantin Ziolkowski und Hermann Oberth im Abstand von etwa zwei Jahrzehnten zu Beginn des 20. Im Jahr 1929 wurde Herman Potočniks The Problem of Space Travel veröffentlicht, das als erstes eine "rotierende Rad"-Raumstation zur Erzeugung künstlicher Schwerkraft vorsah. Die während des Zweiten Weltkriegs konzipierte "Sonnenkanone" war eine theoretische Orbitalwaffe, die die Erde in einer Höhe von 8.200 Kilometern umkreisen sollte. Weitere Forschungen wurden nie durchgeführt. 1951 veröffentlichte Wernher von Braun in der Zeitschrift Collier's Weekly ein Konzept für eine Raumstation mit rotierenden Rädern und bezog sich dabei auf die Idee von Potočnik. Die Entwicklung einer Drehstation wurde im 20. Jahrhundert jedoch nie begonnen. ⓘ
Saljut, Almaz und Skylab
1971 entwickelte und startete die Sowjetunion die erste Raumstation der Welt, Saljut 1. Zu den Serien Almaz und Saljut gesellten sich später Skylab, Mir sowie Tiangong-1 und Tiangong-2. Die während der anfänglichen sowjetischen Bemühungen entwickelte Hardware ist nach wie vor im Einsatz, wobei die weiterentwickelten Varianten einen beträchtlichen Teil der ISS ausmachen, die sich heute in der Umlaufbahn befindet. Jedes Besatzungsmitglied bleibt wochen- oder monatelang an Bord der Station, aber selten länger als ein Jahr. ⓘ
Die frühen Stationen waren monolithische Konstruktionen, die in einem Stück gebaut und gestartet wurden und in der Regel alle Vorräte und Versuchsgeräte enthielten. Dann wurde eine Besatzung gestartet, die sich der Station anschloss und Forschungsarbeiten durchführte. Nachdem die Vorräte aufgebraucht waren, wurde die Station aufgegeben. ⓘ
Die erste Raumstation war Saljut 1, die von der Sowjetunion am 19. April 1971 gestartet wurde. Die frühen sowjetischen Stationen trugen alle die Bezeichnung "Saljut", aber es gab zwei verschiedene Typen: zivile und militärische. Die militärischen Stationen, Saljut 2, Saljut 3 und Saljut 5, wurden auch als Almaz-Stationen bezeichnet. ⓘ
Die zivilen Stationen Saljut 6 und Saljut 7 wurden mit zwei Andockstellen gebaut, die den Besuch einer zweiten Besatzung mit einem neuen Raumschiff ermöglichten. Die Sojus-Fähre konnte 90 Tage im All bleiben und musste dann durch ein neues Sojus-Raumschiff ersetzt werden. Auf diese Weise war es möglich, die Station ständig mit einer Besatzung zu besetzen. Das amerikanische Skylab (1973-1979) war wie die Stationen der zweiten Generation ebenfalls mit zwei Andockstellen ausgestattet, doch wurde die zusätzliche Stelle nie genutzt. Das Vorhandensein eines zweiten Anschlusses an den neuen Stationen ermöglichte das Andocken von Progress-Versorgungsfahrzeugen an die Station, so dass frische Vorräte zur Unterstützung von Langzeitmissionen mitgebracht werden konnten. Dieses Konzept wurde auf Saljut 7 erweitert, die kurz vor ihrer Aufgabe mit einem TKS-Schlepper "fest angedockt" wurde; dies diente als Proof-of-Concept für den Einsatz modularer Raumstationen. Die späteren Saljuts können vernünftigerweise als Übergang zwischen den beiden Gruppen angesehen werden. ⓘ
Mir und Apollo-Sojus
Im Gegensatz zu früheren Stationen war die sowjetische Raumstation Mir modular aufgebaut; es wurde eine Kerneinheit gestartet, an die später zusätzliche Module, in der Regel mit einer bestimmten Funktion, angefügt wurden. Diese Methode ermöglicht einen flexibleren Betrieb und erübrigt die Notwendigkeit einer einzigen, sehr leistungsfähigen Trägerrakete. Modulare Stationen sind außerdem von vornherein so konzipiert, dass ihre Versorgung durch logistische Hilfsschiffe erfolgt, was eine längere Lebensdauer ermöglicht, aber den Preis hat, dass regelmäßige Unterstützungsstarts erforderlich sind. ⓘ
Internationale Raumstation
Die ISS ist in zwei Hauptabschnitte unterteilt, das russische Orbitalsegment (ROS) und das US-Orbitalsegment (USOS). Das erste Modul der Internationalen Raumstation, Zarya, wurde 1998 gestartet. ⓘ
Die Module der "zweiten Generation" des russischen Orbitalsegments konnten mit Protonen starten, in die richtige Umlaufbahn fliegen und sich ohne menschliches Zutun andocken. Die Verbindungen für Energie, Daten, Gase und Treibstoff werden automatisch hergestellt. Der russische autonome Ansatz ermöglicht die Montage von Raumstationen vor dem Start der Besatzung. ⓘ
Die russischen Module der "zweiten Generation" können je nach Bedarf neu konfiguriert werden. Seit 2009 erwägt RKK Energia den Abbau und die Wiederverwendung einiger ROS-Module im Orbital Piloted Assembly and Experiment Complex nach dem Ende der ISS-Mission. Im September 2017 erklärte der Leiter von Roscosmos jedoch, dass die technische Machbarkeit einer Abtrennung der Station zu OPSEK untersucht worden sei und es nun keine Pläne gebe, das russische Segment von der ISS zu trennen. ⓘ
Im Gegensatz dazu starteten die wichtigsten US-Module mit dem Space Shuttle und wurden von den Besatzungen während EVAs an der ISS angebracht. Zu diesem Zeitpunkt werden auch die Verbindungen für die Stromversorgung, die Datenübertragung, den Antrieb und die Kühlflüssigkeiten hergestellt, so dass ein integrierter Block von Modulen entsteht, der nicht für eine Demontage ausgelegt ist und als eine Masse deorbiert werden muss. ⓘ
Das Axiom Orbital Segment ist ein geplantes kommerzielles Segment, das ab Mitte der 2020er Jahre zur ISS hinzugefügt werden soll. Axiom Space erhielt im Januar 2020 die Genehmigung der NASA für dieses Vorhaben. Bis zu drei Axiom-Module sollen an der Internationalen Raumstation angebracht werden. Das erste Modul könnte spätestens 2024 gestartet werden und wird an den vorderen Anschluss von Harmony angedockt, was eine Verlagerung der PMA-2 erfordert. Axiom Space plant, bis zu zwei weitere Module an das erste Kernmodul anzuschließen und private Astronauten in die Module zu schicken. Die Module könnten eines Tages in die Axiom-Station integriert werden, ähnlich wie das von Russland vorgeschlagene OPSEK. ⓘ
Die NASA möchte ab 2024 zusammen mit den ISS-Partnern erstmals eine Raumstation in einem Mondorbit, das Lunar Orbital Platform-Gateway, betreiben. Roskosmos, das sich mittlerweile von diesem Projekt zurückgezogen hat, plant den Aufbau der Russischen orbitalen Servicestation (in einem Erdorbit) ab 2025 und ISRO für circa 2030 die Einrichtung einer eigenen Raumstation. ⓘ
Tiangong-Programm
Chinas erstes Weltraumlabor, Tiangong-1, wurde im September 2011 gestartet. Die unbemannte Shenzhou 8 führte dann im November 2011 erfolgreich ein automatisches Rendezvous und Andocken durch. Die Shenzhou 9 mit Besatzung koppelte im Juni 2012 an Tiangong-1 an, gefolgt von der Shenzhou 10 mit Besatzung im Jahr 2013. Ein zweites Raumlabor Tiangong-2 wurde im September 2016 gestartet, während ein Plan für Tiangong-3 mit Tiangong-2 zusammengelegt wurde. ⓘ
Im Mai 2017 teilte China dem Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen mit, dass die Flughöhe von Tiangong-1 abnehme und dass es bald wieder in die Atmosphäre eintreten und auseinanderbrechen werde. Der Wiedereintritt wurde für Ende März oder Anfang April 2018 prognostiziert. Nach Angaben des China Manned Space Engineering Office trat Tiangong-1 am 2. April 2018 um 00:15 UTC über dem Südpazifik nordwestlich von Tahiti wieder in die Atmosphäre ein. ⓘ
Im Juli 2019 gab das China Manned Space Engineering Office bekannt, dass Tiangong-2 in naher Zukunft in den Orbit gebracht werden soll, ein genaues Datum wurde jedoch nicht genannt. Die Station machte daraufhin am 19. Juli einen kontrollierten Wiedereintritt und verglühte über dem Südpazifik. ⓘ
Die Raumstation Tiangong (chinesisch: 天宫; pinyin: Tiāngōng; wörtlich: "Himmlischer Palast"), deren erstes Modul am 29. April 2021 gestartet wurde, befindet sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn in 340 bis 450 Kilometern Höhe über der Erde mit einer Bahnneigung von 42° bis 43°. Sein geplanter Bau über insgesamt 11 Starts in den Jahren 2021-22 soll das Kernmodul um zwei Labormodule erweitern, die bis zu sechs Besatzungsmitglieder aufnehmen können. ⓘ
Architektur
Es wurden bereits zwei Arten von Raumstationen geflogen: monolithische und modulare. Monolithische Stationen bestehen aus einem einzigen Fahrzeug und werden mit einer einzigen Rakete gestartet. Modulare Stationen bestehen aus zwei oder mehr separaten Fahrzeugen, die unabhängig voneinander gestartet und in der Umlaufbahn angedockt werden. Modulare Stationen werden derzeit wegen der niedrigeren Kosten und der größeren Flexibilität bevorzugt. Beide Typen können von Frachtschiffen wie der Progress aufgetankt werden. ⓘ
Eine Raumstation ist ein komplexes Fahrzeug, das viele zusammenhängende Teilsysteme umfassen muss, darunter die Struktur, die elektrische Energieversorgung, die Wärmeregulierung, die Lageregelung und -steuerung, die Orbitalnavigation und den Antrieb, die Automatisierung und Robotik, die Datenverarbeitung und Kommunikation, die Umwelt- und Lebenserhaltung, die Einrichtungen für die Besatzung sowie den Transport von Besatzung und Fracht. Die Stationen müssen eine nützliche Funktion erfüllen, was die erforderlichen Fähigkeiten bestimmt. ⓘ
Werkstoffe
Raumstationen werden häufig aus dauerhaften Materialien hergestellt, die der Weltraumstrahlung, dem Innendruck, den Mikrometeoroiden, den thermischen Auswirkungen der Sonne und den kalten Temperaturen über sehr lange Zeiträume hinweg standhalten müssen. Sie bestehen in der Regel aus rostfreiem Stahl, Titan und hochwertigen Aluminiumlegierungen, mit Isolierschichten wie Kevlar als ballistischem Schutzschild. ⓘ
Bewohnbarkeit
Die Umgebung der Raumstation stellt eine Vielzahl von Herausforderungen an die menschliche Bewohnbarkeit, darunter kurzfristige Probleme wie die begrenzte Versorgung mit Luft, Wasser und Nahrung und die Notwendigkeit, die Abwärme zu verwalten, sowie langfristige Probleme wie die Schwerelosigkeit und die relativ hohe ionisierende Strahlung. Diese Bedingungen können bei den Bewohnern von Weltraumstationen langfristige Gesundheitsprobleme verursachen, darunter Muskelschwund, Knochenverfall, Gleichgewichtsstörungen, Sehstörungen und ein erhöhtes Krebsrisiko. ⓘ
Zukünftige Weltraumhabitate könnten versuchen, diese Probleme anzugehen, und könnten für eine Nutzung über die Wochen oder Monate hinaus konzipiert werden, die derzeitige Missionen normalerweise dauern. Zu den möglichen Lösungen gehören die Schaffung einer künstlichen Schwerkraft durch eine rotierende Struktur, der Einbau von Strahlungsabschirmungen und die Entwicklung von landwirtschaftlichen Ökosystemen vor Ort. Einige Entwürfe könnten sogar eine große Anzahl von Menschen beherbergen, so dass sie quasi zu "Städten im Weltraum" werden, in denen die Menschen halbwegs dauerhaft leben würden. ⓘ
Schimmelpilze, die sich an Bord von Raumstationen entwickeln, können Säuren produzieren, die Metall, Glas und Gummi zersetzen. Trotz einer wachsenden Zahl von molekularen Methoden zum Nachweis von Mikroorganismen sind schnelle und robuste Mittel zur Bewertung der unterschiedlichen Lebensfähigkeit der mikrobiellen Zellen in Abhängigkeit von der phylogenetischen Abstammung nach wie vor schwer zu finden. ⓘ
Besatzung
Raumstationen beherbergen bisher die einzige dauerhafte direkte menschliche Präsenz im Weltraum. Nach der ersten Station Saljut 1 (1971) und ihrer tragischen Sojus-11-Besatzung wurden Raumstationen seit Skylab (1973) fortlaufend betrieben und ermöglichten eine Reihe von Langzeitaufenthalten von Menschen im Weltraum. Seit 1977 (Saljut 6) kommen zu den stationären Langzeitbesatzungen auch Gastbesatzungen hinzu, und seit 1987, mit dem Saljut-Nachfolger Mir, werden die Stationen von aufeinanderfolgenden Besatzungen besetzt. Eine ununterbrochene Stationsbesetzung wurde seit dem Betriebsübergang von der Mir zur ISS erreicht, wobei die erste Besetzung im Jahr 2000 erfolgte. Die ISS beherbergte die höchste Anzahl von Menschen, die sich gleichzeitig in der Umlaufbahn befanden, nämlich 13 während des elftägigen Andockens von STS-127 im Jahr 2009. ⓘ
Betrieb
Startfahrzeuge
Zum Andocken an die Raumstationen werden zahlreiche Raumfahrzeuge eingesetzt. ⓘ
Weltraumtourismus
Auf der Internationalen Raumstation zahlen Gäste manchmal 50 Millionen Dollar, um eine Woche lang wie ein Astronaut zu leben. Später soll der Weltraumtourismus ausgeweitet werden, sobald die Startkosten ausreichend gesenkt wurden. Ende der 2020er Jahre könnten Weltraumhotels relativ üblich werden. ⓘ
Finanzierung
Da es derzeit durchschnittlich 10.000 bis 25.000 Dollar pro Kilogramm kostet, etwas in die Umlaufbahn zu bringen, sind Raumstationen nach wie vor ausschließlich den staatlichen Raumfahrtbehörden vorbehalten, die sich in erster Linie über Steuern finanzieren. Im Falle der Internationalen Raumstation wird ein weiterer Teil der Betriebskosten durch den Weltraumtourismus aufgebracht. ⓘ
Probleme
Technisch herausfordernd beim Betrieb einer Raumstation ist vor allem die Versorgung der Besatzung. Aufgrund der hohen Kosten für Transporte mussten Systeme entwickelt werden, die den Betrieb einer Raumstation weitgehend autark erlauben, d. h. in einem geschlossenen Kreislauf. Besonders bei der Aufbereitung von Wasser und Luft wurden dabei große Fortschritte erzielt. ⓘ
Raumstationen umkreisen die Erde typischerweise in einer niedrigen Umlaufbahn (Low Earth Orbit) von 300 bis 400 Kilometern Höhe. Diese niedrigen Umlaufbahnen sind nicht stabil, da die Thermosphäre, eine dünne äußere Schicht der Erdatmosphäre, die Raumstationen ständig abbremst. Ohne regelmäßigen Schub in höhere Umlaufbahnen würden Raumstationen daher nach einigen Monaten oder Jahren wieder in die Erdatmosphäre eintreten. Auch die Gravitation anderer Himmelskörper stört die Umlaufbahn einer Raumstation. Bei der ISS erfolgen die sogenannten „Reboost-Manöver“ meist über die Triebwerke angekoppelter Raumschiffe und erfordern etwa 7 t Treibstoff pro Jahr. Die Chinesische Raumstation nutzt hierfür einen mit Xenon betriebenen, sehr treibstoffsparenden Hallantrieb, der aufgrund seiner geringen Schubkraft die Station bei den Bahnkorrekturmanövern auch mechanisch weniger beansprucht. ⓘ
Ideen für alternative Konzepte
Zukünftige Raumstationen könnten in größerer Entfernung zur Erde in einem entfernten rückläufigen Orbit um den Mond oder in einem der Lagrange-Punkte des Erde-Mond-Systems positioniert werden. Ein entfernter rückläufiger Orbit oder die Lagrange-Punkte L4 und L5 ermöglichen der Raumstation eine wesentlich stabilere Umlaufbahn, was die nötigen Kurskorrekturen und damit den Treibstoffverbrauch erheblich reduzieren würde. Allerdings ist die Intensität der kosmischen Strahlung in einer größeren Entfernung zur Erde erheblich größer, weil dort der Schutz durch die Magnetosphäre der Erde fehlt. In einem erdnahen Orbit senken das Erdmagnetfeld und die Reste der Atmosphäre die Belastung durch die galaktische kosmische Strahlung um 70–90 %. Für eine Raumstation in größerer Entfernung zur Erde ist es also notwendig, besondere Vorkehrungen zum Strahlenschutz zu treffen. ⓘ