Am Sonntag gegen 10:40 Uhr MT wird die Orion-Raumsonde der NASA nach ihrer mehrwöchigen Reise zum Mond und zurück im Pazifischen Ozean landen. Weltraumfans können den Livestream der NASA einschalten, um extreme Physik mitzuerleben – was die letzte Etappe der historischen Artemis-1-Mission sein wird, die am 15. November von Florida aus gestartet ist.
Die Zahlen sind verblüffend: Die Orion-Kapsel wird die Erdatmosphäre mit einer Geschwindigkeit von fast 25.000 Meilen pro Stunde (oder etwa 11 Kilometer pro Sekunde) treffen und dabei Temperaturen von fast 5.000 Grad Fahrenheit erfahren.
Iain Boyd ist Professor am Ann and HJ Smead Department of Aerospace Engineering Sciences, der seine Karriere damit verbracht hat, Hyperschall oder Fahrzeuge zu studieren, die sich weit schneller als mit Schallgeschwindigkeit fortbewegen. Er leitet auch ein 15 Millionen Dollar teures NASA-Institut namens Advanced Computational Center for Entry System Simulation (ACCESS). Diese Bemühungen untersuchen neue Wege zum Schutz von Raumfahrzeugen, wenn sie den Extremen des Eindringens in Atmosphären auf der Erde, dem Mars und darüber hinaus ausgesetzt sind.
Er sprach über die Bedingungen, mit denen Orion an diesem Wochenende rechnen muss, und warum die wachsende Weltraumtourismusindustrie möglicherweise neue Arten von Hitzeschilden für Raumfahrzeuge benötigt.
Die NASA verwendet ein Manöver namens „Skip Entry“, um die Orion-Kapsel zu verlangsamen. Was bedeutet das?
Die Alternative zu einem Skip-Entry ist ein direkter Entry – man kommt einfach direkt in die Erdatmosphäre und geht unter. Bei einem Sprungeintritt kommen Sie in einem flacheren Winkel in die Atmosphäre, dann springen Sie zurück in den Weltraum und kommen wieder hinein. Es ist wie wenn man Steine auf einem See überspringt. Es ist eine Möglichkeit zu entschleunigen, ohne gleich in die Heizung zu steigen. Es bietet auch mehr Flexibilität bei der Landung der Kapsel.
Sofort. Selbst mit diesen Manövern wird Orion am Sonntag mit glühenden Bedingungen konfrontiert sein. Was können wir erwarten?
Wenn Sie sehr schnell durch Luft oder ein anderes Gas fliegen, wird das Gas selbst erhitzt. Es ist wie die Reibung, wenn man seine Hände aneinander reibt. Wenn Sie in diesem Fall mit diesen Geschwindigkeiten vom Mond zurückkommen, sind die Temperaturen der Gase höher als die Oberflächentemperatur der Sonne – viele, viele tausend Grad.
Orion befördert auf dieser Mission keine menschlichen Besatzungsmitglieder. Aber es wird in Zukunft. Wie wird die NASA sie vor dieser Art von Hitze schützen?
Im Gegensatz zu Flugzeugen verfügen Hyperschallfahrzeuge, einschließlich Kapseln, über ein sogenanntes Wärmeschutzsystem. Normalerweise ist es eine Sammlung verschiedener Materialien, die die Außenseite des Fahrzeugs bedecken, um sicherzustellen, dass diese Wärme draußen bleibt.
Artemis verwendet ein sogenanntes „ablatierendes“ Wärmeschutzsystem. Dies ist ein Material, das konstruktionsbedingt unter Hitze zerfällt und Atom für Atom auseinanderfällt – aber auf eine kontrollierte, gut verständliche Weise. Beim Zerfall tragen diese Atome Energie und Wärme vom Fahrzeug weg.
Diese Strategie ist derjenigen der NASA während der Apollo-Ära ziemlich ähnlich. Erforschen Wissenschaftler auch neue Wege, um Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt zu schützen?
Einer der Höhepunkte des ACCESS-Instituts ist, dass wir die bevorstehende Mars Sample Return-Mission der NASA analysieren werden, die für Ende dieses Jahrzehnts geplant ist.
Die NASA wird zum Mars fliegen, einen Rover auf der Oberfläche landen, etwas Erde und Gestein vom Mars aufsammeln und den ganzen Weg zurückfliegen. Diese Kapsel wird mit etwa 14 Kilometern pro Sekunde in die Erdatmosphäre eintreten. Die Raumsonde Orion wird sich mit etwa 11 Kilometern pro Sekunde fortbewegen. Vierzehn Kilometer pro Sekunde klingen nicht nach einem großen Sprung, entpuppen sich aber als ein anderes physikalisches Regime. Wir werden andere Materialien und eine andere Art von Hitzeschild brauchen.
Wie würden diese neuen Hitzeschilde funktionieren?
Einige der untersuchten Ansätze sind sogenannte gewebte Materialien. Sie verweben zunächst Fasern aus Kohlenstoff und spritzen dann Material in die Lücken zwischen den Fasern. Klingt nach Low-Tech, ist aber tatsächlich High-Tech.
Die Fasern selbst werden immer noch abgetragen. Aber wenn sich die Chemikalien, die zwischen die Fasern eingespritzt werden, erhitzen, zerfallen sie und werden gasförmig. Dieses Gas strömt vom Inneren des Hitzeschildes nach außen und erzeugt zusätzliche Kühleffekte
Da die Weltraumtourismusindustrie wächst, werden wir viel mehr Raumfahrzeuge sehen, die von der Erde starten – und hoffentlich zurückkommen. Welche Art von Problemen wird das aufwerfen?
Eine der wichtigsten Herausforderungen für eine erfolgreiche Weltraumwirtschaft werden effizientere Fahrzeuge und effizientere Hitzeschilde sein. Und dazu müssen wir all diese physikalischen und chemischen Prozesse besser verstehen. Jede einzelne Schicht, die wir von unserem Hitzeschild abschaben können, weil wir zuversichtlich sind, dass wir sie nicht brauchen, wird die Effizienz erhöhen, Dinge aus dem Weltraum zurückzubringen.