Das ATV und die Versorgung der ISS

Die Versorgungssysteme der Raumstation

Bernd Leitenberger

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2015
• ISBN drucken: 9783734768323
• eBook-ISBN: 9783738677997
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Technik, Forschung & Kompetenzen

Das Automated Transfer Vehicle (ATV) ist Europas bisher anspruchsvollstes Raumfahrtprojekt und zugleich die Eintrittskarte in die bemannte Raumfahrt. Ohne menschlichen Eingriff ist es fähig an die ISS anzukoppeln, die Station zu versorgen und die Bahn anzuheben, um nach beendeter Mission zusammen mit Abfall zu verglühen. Von allen Versorgungsfahrzeugen zur ISS, ist es das leistungsfähigste und vielseitigste.Folgerichtig ist das ATV auch der Ausgangspunkt zu dem eigenen Zugang zur bemannten Raumfahrt, ohne von Russland und den USA abhängig zu sein.Dieses Buch informiert über die Technologie des ATV, den Missionsablauf im Allgemeinen und die Ereignisse bei den Einsätzen von Jules Verne bis George Lemaître. Breiten Raum nehmen auch die Entwicklungsmöglichkeiten und Pläne der ESA für die Zukunft des Weltraumfrachters ein. Nicht zu kurz kommen die anderen Nachschubsysteme für die ISS: die Sojus, das Space Shuttle, Dragon und Cygnus, der russische Progress Transporter und das japanische HTV.Ein umfangreiches Abkürzungsverzeichnis, zahlreiche Tabellen mit den technischen Daten und eine Liste weiterführender Links, runden dieses Buch über den europäischen Schwerlasttransporter ab.Die dritte Auflage wurde um die Missionen der folgenden Transporter erweitert, enthält ein Kapitel über die Trägerrakete Ariane 5 ES und gibt einen Ausblick auf das Orion-Servicemodul, das auf dem ATV basiert. Der Autor blickt auf das Projekt zurück und wagt auch einen Ausblick auf die folgenden Jahre des ISS-Betriebs.

Die Versorgungssysteme der ISS

Die Internationale Raumstation wird nach den derzeitigen Planungen mindestens bis 2020 in Betrieb bleiben, eine Erweiterung der Nutzung bis 2024 ist wahrscheinlich und es gibt Vorschläge sie bis 2028 zu nutzen. Dann wäre das älteste Modul (Sarja) dreißig Jahre im All. Während dieser Zeit werden sie unzählige Besatzungen besucht haben. Sie brauchen die gleichen Dinge zum Leben, wie wir hier auf der Erde. Daher benötigt man ein Versorgungssystem für die ISS. Um den Bedarf an Fracht zu bestimmen, muss die Menge des Versorgungsgutes bekannt sein. Jeder Mensch braucht:

• Luft zum Atmen
• Nahrung zum Essen
• Wasser zum Trinken und für die Hygiene

Und er produziert:

• Urin
• Fäkalien
• Kohlendioxid
• Abfall

Zu der Station müssen weiterhin laufend Ersatzteile für defekte Teile gebracht, durchgeführte Experimente gegen neue Anlagen ausgetauscht und Proben und Ergebnisse zurück zur Erde gebracht werden. Weiterhin gibt es Müll, der entsorgt werden muss. Das alles zusammen ergibt den Versorgungsbedarf.

Die Bahn der ISS ist ein Kompromiss zwischen leichter Erreichbarkeit von der Erdoberfläche und dem Aufwand, diese Bahn stabil zu halten. Je höher die Bahn ist, desto kleiner die Nutzlast der Raketen, die die Besatzungen und Versorgungsgüter bringen. Je näher ein Körper der Erde ist, desto stärker wird er von der noch dünnen, oberen Atmosphäre abgebremst. In der Bahnhöhe der ISS ist die Luftreibung noch so groß, dass die Station in weniger als zwei Jahren in der Atmosphäre verglühen würde, wenn Sie nicht laufend angehoben würde. Dazu wird Treibstoff benötigt. Der Bahnhöhenverlust ist variabel und hängt von der Sonnenaktivität und der Bahnhöhe ab. Während des Aufbaus befand sich die ISS in 340 bis 378 km Höhe. Danach in 407 km Höhe. Die Extremwerte des Höhenverlustes liegen bei 50 bis 700 m pro Tag. Durchschnittlich verlor die ISS während der Aufbauzeit rund 100-200 m pro Tag an Bahnhöhe. Eine Bahnhöhe von 340 km sollte nicht zu lange unterschritten werden, da dann die Station innerhalb von 90 Tagen ohne Anhebung soweit absinkt, dass danach kein Transporter sie wieder in eine sichere Entfernung anheben kann.

Die Frachtmengen, die zur ISS transportiert werden, sind beträchtlich. Die Mir erforderte noch 10-12 t Nachschub pro Jahr. Würde die ISS wie die Mir betrieben werden, so benötigt sie 32 t allein an Verbrauchsgütern. Dazu kämen noch weitere 10-13 t Fracht pro Jahr, um Experimente und defekte Teile zu ersetzen.

Das Wasser macht dabei den größten Anteil aus. Daher wird an Bord der ISS das Wasser wieder aufbereitet, indem Brauchwasser destilliert wird. Dieser Kreislauf ist geschlossener als bei der Mir. Es gibt also weniger Verluste.

Da kein Raumfahrzeug absolut dicht ist, gibt es Leckverluste – Gas dringt durch die Luken, Wände, Schweißnähte oder bei Außenarbeiten aus der Station. Diese Verluste sind bei der ISS mit ihren vielen Modulen erheblich höher als bei der Mir. Die Luft muss daher laufend ergänzt werden. Dazu kommt der von der Besatzung verbrauchte Sauerstoff. Dieser kann durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Da das Wasser einfacher zur Station gebracht werden kann und keine Druckgasflaschen benötigt, wird diese Vorgehensweise bevorzugt. Das entstehende Kohlendioxid wird durch Molekularsiebe abgetrennt und ins All entlassen.

Die Nahrung wird regelmäßig von der Erde zur ISS gebracht. Der größte Teil ist haltbar gemacht durch Gefriertrocknen, Erhitzen in Dosen oder von sich aus haltbar, wie Kekse oder Dauerwurst. Beliebt bei der Besatzung sind allerdings Frischwaren oder persönliche Gegenstände, die ebenfalls von den Transportern befördert werden.

Pro Astronaut fallen ohne Regeneration 14,6 kg an Verbrauchsgütern pro Tag an, 5,3 Tonnen pro Jahr. Ein Teil ist unvermeidlich, wie der Bedarf an Nahrung oder die Leckverluste, die nur mit einem sehr hohen Aufwand vermindert werden können. Bei anderen Teilen ist es einfacher, Ressourcen einzusparen: Wasser kann zurückgewonnen werden, indem Hygienewasser aufbereitet und erneut einsetzt wird. Das Gleiche gilt für Urin und Fäzes, die erhitzt werden, um das Wasser herauszudestillieren. Verglichen mit der Mir sind die Aufbereitungskreisläufe bei der ISS geschlossener. Ein noch weitgehendes System zur Aufbereitung auf Basis des Sabatierprozesses, das auch den Sauerstoff aus dem Kohlendioxid zurückgewinnt, wurde 2011 installiert, fiel aber in der Folge immer wieder aus.

Für eine Marsexpedition wird mit einem deutlich höheren Verbrauch gerechnet – etwa 30 kg pro Tag und Person. Umgekehrt lag der Verbrauch beim Apolloprogramm mit primitiveren Hygienemöglichkeiten auch schon bei 9-10 kg pro Person und Tag.

Die Versorgung war, solange der Space Shuttle als primäres System für den Mannschaftstransport vorgesehen war, kein Problem. Vier Versorgungsflüge waren pro Jahr geplant. Die Space Shuttles hätten neben der neuen Besatzung bei bis zu 37.600 kg Fracht transportieren können. Dazu wären dann noch vier Progress Transporter mit 8.800 kg Treibstoff und einmal pro Jahr ein HTV/ATV gekommen. Zusammen ergab dies eine Versorgungskapazität von 55-60 t pro Jahr – deutlich mehr als tatsächlich benötigt wird.

Nach der Ausmusterung der Shuttles klafft eine Versorgungslücke. Die erste Maßnahme war ein neues System zur Wasserdestillation im Tranquility Knoten. Es liefert anders als das russische System auch Sauerstoff. Dadurch sinkt der Bedarf an Wasser und Gasen um 2.850 kg pro Jahr. Pro Person werden nur noch 6 kg pro Tag oder 13.100 kg für die Normbesatzung von sechs Personen benötigt. Der zweite Hauptposten ist der Treibstoff. In 350 km Höhe sinkt die Station um 250 m pro Tag ab, so werden 8,6 t Treibstoff pro Jahr benötigt, um die Bahnhöhe aufrechtzuerhalten. Die Anhebung der Bahn von 350 auf 400 km Höhe (vor allem durch das zweite ATV Johannes Kepler) hat den jährlichen Treibstoffbedarf der ISS von 8.600 kg auf 3.600 kg reduziert. Er ist jedoch stark von der Sonnenaktivität abhängig. Steigt sie an, so dehnt sich die Ionosphäre der Erde aus und bremst die Station stärker ab. Weiterhin wurde die Crew von sieben auf sechs ...

Inhaltsverzeichnis

• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort
• Die Versorgungssysteme der ISS
• Die Konzeption des ATV
• Die Trägerrakete Ariane 5ES
• Geschichte
• Gesamtbilanz
• Das ATV-Kontrollzentrum
• Nur der Anfang einer Karriere?
• Nachwort
• Abkürzungsverzeichnis
• Link
• Impressum