Die Einrichtung nachhaltiger Operationen auf Mond und Mars birgt eine Vielzahl von Chancen und Herausforderungen, denen sich die NASA noch stellen muss. Viele dieser Aktivitäten erfordern neue Technologien und Prozesse, um sicherzustellen, dass die Agentur auf ihre ehrgeizigen Artemis-Missionen und die darüber hinausgehenden Missionen vorbereitet ist.
Eine dieser Herausforderungen ist die Arbeit mit kryogenen Flüssigkeiten, also Flüssigkeiten, die in einem flüssigen Zustand zwischen –238 °F und dem absoluten Nullpunkt (–460 °F) vorliegen. Diese Flüssigkeiten – flüssiger Wasserstoff (der am schwierigsten zu verarbeiten ist), Methan und Sauerstoff – sind für den Antrieb von Raumfahrzeugen und Lebenserhaltungssysteme von entscheidender Bedeutung. Die Flüssigkeiten könnten in Zukunft auch auf der Mond- und Marsoberfläche durch In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) produziert werden.
Die bemannte Erforschung des Weltraums erfordert die Speicherung großer Mengen kryogener Flüssigkeiten über Wochen, Monate oder länger sowie den Transfer zwischen Raumfahrzeugen oder Treibstoffdepots im Orbit und an der Oberfläche. Jeder Aspekt ist eine Herausforderung, und große Mengen kryogener Flüssigkeiten wurden bisher nur stundenlang im Weltraum gespeichert. Ingenieure, die im Cryogenic Fluid Management (CFM)-Portfolio der NASA arbeiten – unter der Leitung von Technologiedemonstrationsmissionen innerhalb des Space Technology Mission Directorate und verwaltet im Glenn Research Center der Agentur in Cleveland und im Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama – lösen diese Probleme schon im Vorfeld der Zukunft Missionen.
„Das ist eine Aufgabe, die weder die NASA noch unsere Partner jemals zuvor erledigt haben“, sagte Lauren Ameen, stellvertretende CFM-Portfoliomanagerin. „Unsere zukünftigen Missionskonzepte basieren auf riesigen Mengen an kryogenen Flüssigkeiten, und wir müssen herausfinden, wie wir sie über lange Zeiträume effizient nutzen können, was eine Reihe neuer Technologien erfordert, die die heutigen Fähigkeiten bei weitem übertreffen.“
Kryotechnische Herausforderungen
Damit eine kryogene Flüssigkeit verwendet werden kann, muss sie in einem kalten, flüssigen Zustand bleiben. Die Physik der Raumfahrt – das Hinein- und Herausbewegen ins Sonnenlicht und lange Aufenthalte bei geringer Schwerkraft – macht es jedoch schwierig, diese Flüssigkeiten in flüssigem Zustand zu halten und zu wissen, wie viel sich im Tank befindet.
Die Wärmequellen im Weltraum – wie die Sonne und die Abgase des Raumfahrzeugs – erzeugen eine heiße Umgebung in und um Lagertanks, die zu Verdunstung oder „Abkochen“ führt. Wenn Flüssigkeit verdunstet, kann sie einen Raketentriebwerk nicht mehr effizient befeuern. Es erhöht auch das Risiko einer Undichtigkeit oder, noch schlimmer, eines Tankbruchs.
Unsere Forscher wollen nicht zum Mars fliegen, weil sie sich nicht sicher sind, wie viel Gas noch im Tank ist. Eine geringe Schwerkraft stellt eine Herausforderung dar, da der Kraftstoff herumschwimmen möchte (auch bekannt als „Schwappen“), wodurch es sehr schwierig wird, die Flüssigkeitsmenge genau abzuschätzen und zu transportieren.
„Frühere Missionen mit kryogenen Treibstoffen waren aufgrund von Boiloff- oder Entlüftungsverlusten nur wenige Tage im Weltraum“, bemerkte Ameen. „Diese Raumschiffe nutzten Schub und andere Manöver, um Kraft auszuüben, um Treibstofftanks abzusetzen und Treibstofftransfers zu ermöglichen. Während Artemis werden Raumschiffe viel länger in geringer Schwerkraft verweilen und müssen zum ersten Mal flüssigen Wasserstoff in den Weltraum transportieren, daher müssen wir den Boiloff abmildern.“ und innovative Wege finden, kryogene Treibstoffe zu übertragen und zu messen.“
Was macht die NASA also?
Das CFM-Portfolio der NASA umfasst 24 Entwicklungsaktivitäten und Investitionen zur Reduzierung des Boiloffs, zur Verbesserung der Messung und zur Weiterentwicklung von Flüssigkeitstransfertechniken für Weltraumantriebe, Lander und ISRU. Es gibt vier kurzfristige Bemühungen, die am Boden, in der erdnahen Umlaufbahn und bald auch auf der Mondoberfläche stattfinden.
Flugdemos
Im Jahr 2020 vergab die NASA vier CFM-fokussierte Tipping Point-Aufträge an die amerikanische Industrie – Eta Space, Lockheed Martin, SpaceX und United Launch Alliance –, um bei der Entwicklung und Demonstration von CFM-Technologien im Weltraum zu helfen. Jedes Unternehmen soll seine jeweilige Demonstration entweder im Jahr 2024 oder im Jahr 2025 starten und mehrere Tests mit flüssigem Wasserstoff durchführen, um Technologien und Prozesse zu validieren.
Radiofrequenz-Massenmessgerät
Um die Messung zu verbessern, hat die NASA Radiofrequenz-Massenmessgeräte (RFMG) entwickelt, um eine genauere Flüssigkeitsmessung unter Bedingungen mit geringer Schwerkraft oder geringem Schub zu ermöglichen. Ingenieure tun dies, indem sie während der gesamten Mission das elektromagnetische Spektrum oder die Radiowellen im Tank eines Raumfahrzeugs messen und diese mit Flüssigkeitssimulationen vergleichen, um den verbleibenden Treibstoff genau zu bestimmen.
Das RFMG hat sich in Bodentests, im suborbitalen Parabelflug und auf der Internationalen Raumstation bewährt und wird bald auf dem Mond während eines bevorstehenden Flugs der Commercial Lunar Payload Services mit Intuitive Machines getestet. Sobald sie in der Mondumgebung demonstriert ist, wird die NASA die Technologie weiterentwickeln und skalieren, um einen verbesserten Betrieb von Raumfahrzeugen und Landern zu ermöglichen.
Kryokühler
Kryokühler wirken wie Wärmetauscher für große Treibstofftanks, um in Kombination mit innovativen Tankisolationssystemen das Boiloff zu mildern. Mit Industriepartnern wie Creare hat die NASA damit begonnen, leistungsstarke Kryokühlersysteme zu testen, die die „Arbeitsflüssigkeit“ durch ein am Tank installiertes Rohrnetz pumpen, um sie kühl zu halten. Die NASA plant, die Tankgröße und -fähigkeit zu erhöhen, um die Missionsanforderungen zu erfüllen, bevor künftige Flugdemonstrationen durchgeführt werden.
CryoFill
Die NASA entwickelt außerdem ein Verflüssigungssystem, um gasförmigen Sauerstoff auf der Mond- oder Marsoberfläche in flüssigen Sauerstoff umzuwandeln, um Lander mit vor Ort hergestelltem Treibstoff zu betanken. Bei diesem Ansatz werden verschiedene Methoden verwendet, um Sauerstoff auf eine kritische Temperatur (mindestens –297 °F) abzukühlen, wo er kondensiert und sich von einem Gas in eine Flüssigkeit verwandelt. Erste Entwicklungen und Tests haben gezeigt, dass die NASA dies effizient durchführen kann, und das Team skaliert die Technologie weiterhin auf relevante Tankgrößen und -mengen für zukünftige Einsätze.
Letztendlich sind die Bemühungen der NASA, CFM-Systeme zu entwickeln und zu testen, die energie-, masse- und kosteneffizient sind, entscheidend für den Erfolg der ehrgeizigen Missionen der Agentur zum Mond, zum Mars und darüber hinaus.