Das Space Launch System der NASA wird mit einer Mischung aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff betrieben. Zusammen ergeben diese Elemente einen kompakten und extrem leistungsstarken Raketentreibstoff, aber dieselben Eigenschaften machen diesen Treibstoff auch zu einer Belastung.
Der zweite Startversuch von SLS musste sein abgerufen am Samstag, dem 3. September, nachdem die Ingenieure ein Wasserstoffleck in einer Schnellkupplung nicht beheben konnten – einem 8-Zoll-Einlass, der die Flüssigwasserstoff-Kraftstoffleitung mit der Kernstufe der Rakete verbindet. Als Folge des Rückschlags SLS wird wahrscheinlich nicht vor Oktober starten frühestens. Das Artemis-1-Missionin der ein unbemanntes Orion-Raumschiff zum Mond und zurück reisen wird, warten muss.
Bodenteams konnten währenddessen ein Wasserstoffleck beheben erster fehlgeschlagener Startversuch am Montag, den 29. August, aber der Start wurde schließlich abgebrochen, nachdem ein fehlerhafter Sensor fälschlicherweise anzeigte, dass ein Motor die erforderliche ultrakalte Temperatur nicht erreicht hatte. Das Leck am Samstag erwies sich als viel schwieriger einzudämmen, da die Ingenieure drei versuchten Fehlerbehebungen, von denen keine funktionierte. „Dies war kein handhabbares Leck“, sagte Mike Sarafin, Missionsleiter von Artemis, gegenüber Reportern nach der Reinigung.
Die NASA bewertet noch ihre nächsten Schritte, aber die Rakete muss zum Vehicle Assembly Building zurückkehren, um sich einer vorgeschriebenen Sicherheitsprüfung im Zusammenhang mit ihrem Flugbeendigungssystem zu unterziehen. Die Rakete erfordert möglicherweise einige Hardware-Fixes aufgrund eines versehentlichen Befehls, der den Druck im System kurzzeitig erhöht hat. Die unbeabsichtigte Überdruckbeaufschlagung könnte zu der undichten Dichtung beigetragen haben, und Ingenieure bewerten dies derzeit als Möglichkeit.
Vererbung des Wasserstoffproblems
Wasserstofflecks sind für die NASA nichts Neues. Scrubs von Space-Shuttle-Starts ereigneten sich mit erschreckender Regelmäßigkeit und waren oft das Ergebnis von Wasserstofflecks. Eine der berüchtigteren Episoden war „Der Sommer des Wasserstoffs“, als Bodenteams mehr als sechs Monate damit verbrachten, ein schwer fassbares Wasserstoffleck zu lokalisieren, das die Shuttle-Flotte 1990 auf den Boden brachte. SLS ist stark dem Space Shuttle nachempfunden, einschließlich der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Treibstoff, so dass wasserstoffbezogene Scrubs sicherlich haben könnten vorhergesagt worden. Aber SLS ist, was es ist, und die NASA hat keine andere Wahl, als diese Einschränkung ihrer Mega-Mondrakete zu bewältigen.
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Jordan Bimm, ein Weltraumhistoriker an der University of Chicago, sagt, dass die NASA weiterhin flüssigen Wasserstoff aus politischen und nicht aus technischen Gründen verwendet.
„Seit der Gründung der NASA im Jahr 1958 hat die Agentur Auftragnehmer in den USA eingesetzt, um eine breite politische Unterstützung und Finanzierung für die Weltraumforschung im Kongress aufrechtzuerhalten“, sagte Bimm mir. „Das erste System, das flüssigen Wasserstoff verwendete, war die Centaur-Rakete, die in den 1950er und 1960er Jahren entwickelt wurde. Im Jahr 2010 forderte der US-Kongress in seinem Genehmigungsgesetz zur Finanzierung der NASA, dass die Agentur vorhandene Technologien des Shuttles in ihrem Startsystem der nächsten Generation verwendet.“ Dazu fügte er hinzu: „Dies war eine politische Entscheidung, um die Arbeitsplätze von Auftragnehmern in wichtigen politischen Bezirken aufrechtzuerhalten und von dieser Finanzierung und Unterstützung im Kongress für die NASA zu profitieren.“
Diese Entwicklung bedeutete, dass der RS-25-Motor des ausscheidenden Space Shuttles zusammen mit seiner Abhängigkeit von einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff auf SLS übertragen werden musste. Insgesamt gelang es der NASA, 16-Triebwerke von den ausgemusterten Shuttles zu sammeln, von denen Vier sind derzeit an der SLS-Rakete befestigt Er steht auf der Startrampe des Kennedy Space Center in Florida.
Diese Situation, so Bimm, erinnere an das Schlagwort aus dem Film von 1983 Das richtige Zeug: „Kein Geld, kein Buck Rogers.“ Die NASA, sagte er, „muss oft der Unterstützung der politischen Unterstützung durch den Kongress Vorrang einräumen, um ihr Explorationsprogramm aufrechtzuerhalten.“ Der anhaltende Einsatz von RS-25-Motoren „ist ein weiteres Beispiel dafür, wie etwas so Alltägliches wie die Wahl des Kraftstoffs politisch sein kann und wie oft die einfachsten und wünschenswertesten Lösungen für eine große nationale Agentur, die in der Ära des Kalten Krieges von ‚Big‘ gegründet wurde, politisch nicht durchführbar sind Wissenschaft’“, sagte Bimm.
Anstatt sich für Treibmittel wie Methan oder Kerosin zu entscheiden, entschied sich die NASA für eine Mischung aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff, um ihre Schwerlastrakete anzutreiben. Im Vergleich dazu verwendet das kommende Raumschiff von SpaceX flüssiges Methan mit flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel. „Mit Blick auf den Mars wählte SpaceX flüssiges Methan in der Hoffnung, dieses Element extrahieren zu können [when] auf dem Mars als eine Form der kostensparenden Ressourcennutzung“, erklärt Bimm. Die US-Raumfahrtbehörde, die ständig knapp bei Kasse ist und Politiker zufriedenstellen muss, arbeitete bei der Entwicklung von SLS nach anderen Prinzipien.
„Basierend auf aktuellen Informationen und Analysen, die [proposed SLS design] stellt die niedrigsten kurzfristigen Kosten dar, ist am schnellsten verfügbar und der Weg mit dem geringsten Gesamtrisiko zur Entwicklung der nächsten heimischen Trägerrakete für schwere Lasten“, schrieb die NASA 2011 Vorläufiger Projektbericht. „Die Wahl dieser SLS-Architektur würde bedeuten, dass kurzfristig kein neues Flüssigkeitstriebwerk entwickelt werden müsste, wodurch die Zeit bis zum Erstflug verkürzt und wahrscheinlich die Gesamtkosten des SLS minimiert würden.“
Die Ironie ist, dass SLS, das 2017 fliegen sollte, noch nicht gestartet ist und seine gesamten Entwicklungskosten, einschließlich der Orion-Crew cKapsel, haben hat jetzt 50 Milliarden Dollar überschritten. Davon ausgenommen sind die geschätzten Kosten von 4,1 Milliarden US-Dollar, die für jeden Start von SLS anfallen. Und durch das Erbe von Space-Shuttle-Komponenten hat die NASA auch das Wasserstoffproblem geerbt.
Ein nützliches, aber lästiges Molekül
Wasserstoff ist als Raketentreibstoff äußerst nützlich. Es ist leicht verfügbar, sauber, leicht und brennt in Kombination mit flüssigem Sauerstoff mit extremer Intensität. „In Kombination mit einem Oxidationsmittel wie flüssigem Sauerstoff liefert flüssiger Wasserstoff den höchsten spezifischen Impuls oder Wirkungsgrad in Bezug auf die verbrauchte Treibmittelmenge von allen bekannten Raketentreibmitteln.“ gemäß zur NASA. Wenn er auf -253 Grad Celsius gekühlt wird, kann Wasserstoff in eine Rakete gestopft werden und bietet eine enorme Menge an Treibstoff für das Geld. „Die Vorteile von flüssigem Wasserstoff als Treibstoff sind seine Effizienz bei der Speicherung der Energie, die man freisetzen möchte, um die Rakete anzutreiben, sowie sein geringes Gewicht, das in der Raumfahrt immer eine Rolle spielt“, sagte Bimm.
Die zweite Stufe der NASA-Saturn-Rakete aus der Apollo-Ära verwendete flüssigen Wasserstoff, ebenso wie die drei Haupttriebwerke des Shuttles. Wasserstoff wird üblicherweise für Zweitstufen (die europäische Schwerlastrakete Ariane 5 ist ein gutes Beispiel) und als flüssiger Brennstoff verwendet, der zum Manövrieren von Raumfahrzeugen im Orbit benötigt wird. Zu den Raketen, die derzeit flüssigen Wasserstoff verwenden, gehören die Centaur von Atlas und die Delta III und IV von Boeing, während die BE-3- und BE-7-Triebwerke von Blue Origin ebenfalls auf Wasserstoff angewiesen sind.
„Die Nachteile von Wasserstoff bestehen darin, dass er aufgrund der geringen Molekülgröße von Wasserstoff, die zu Lecks führt, sehr schwierig zu bewegen und zu kontrollieren ist, und dass er in einem flüssigen Zustand gehalten werden muss, der auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden muss“, sagte Bimm. Außerdem ist Wasserstoff in flüssigem Zustand sehr flüchtig, und es kann in großen Mengen brennen. EINist das leichteste bekannte Element, es ist auch sehr undicht. NASA erklärt die vielen herausforderungen bei der nutzung von flüssigem wasserstoff als kraftstoff:
Damit er nicht verdunstet oder abkocht, müssen Raketen, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden, sorgfältig von allen Wärmequellen isoliert werden, wie zum Beispiel dem Abgas des Raketentriebwerks und der Luftreibung während des Flugs durch die Atmosphäre. Sobald das Fahrzeug den Weltraum erreicht, muss es vor der Strahlungswärme der Sonne geschützt werden. Wenn flüssiger Wasserstoff Wärme aufnimmt, dehnt er sich schnell aus; Daher ist eine Entlüftung erforderlich, um zu verhindern, dass der Tank explodiert. Metalle, die der extremen Kälte von flüssigem Wasserstoff ausgesetzt sind, werden spröde. Außerdem kann flüssiger Wasserstoff durch winzige Poren in Schweißnähten austreten.
Trotz dieser Herausforderungen entschied sich die NASA bei der Entwicklung von SLS für flüssigen Wasserstoff, und jetzt zahlt sie den Preis.
Neue Rakete, dieselben alten Probleme
Beim Betanken von SLS verursacht das plötzliche Einströmen von kryogenem Wasserstoff erhebliche Veränderungen an der physikalischen Struktur der Rakete. Der 130 Fuß (40 Meter) hohe Wasserstofftank schrumpft um etwa 6 Zoll (152 mm) Länge und etwa 1 Zoll (25,4 mm) Durchmesser, wenn er mit der ultrakalten Flüssigkeit gefüllt wird. gemäß zur NASA. Am Tank befestigte Komponenten wie Kanäle, Entlüftungsleitungen und Halterungen müssen diese plötzliche Kontraktion ausgleichen. Um dies zu erreichen, verwendet die NASA Steckverbinder mit ziehharmonikaartigen Bälgen, geschlitzten Gelenken, Teleskopabschnitten und Kugelgelenkscharnieren.
Aber Wasserstoff – das kleinste Molekül im Universum – findet oft seinen Weg durch die kleinsten Öffnungen. Besonders problematisch sind die Treibstoffleitungen, da sie nicht fest mit der Rakete verschraubt werden können. Wie ihr Wie der Name schon sagt, sind die Schnellkupplungen so konzipiert, dass sie sich während des Starts von der Rakete lösen, während sie eine dichte Abdichtung bieten. Diese Dichtung muss Leckagen unter hohen Drücken und extrem kalten Temperaturen verhindern, aber sie muss sich auch lösen, wenn die Rakete abhebt. Am Samstag erreichte ein Leck in der Nähe der Schnellkupplung Konzentrationen weit über der 4-Prozent-Grenze und überschritt damit die Entflammbarkeitsgrenzen der NASA. Da das Leck nicht behoben werden konnte, rief die NASA das Peeling an.
Dass die NASA die erste und zweite Stufe noch nicht vollständig betankt und tief in den Countdown eingestiegen ist, ist ein echter Grund zur Sorge. Die Raumfahrtbehörde hat sich bereits zuvor mit Wasserstofflecks befasst, daher werden ihre Ingenieure hoffentlich erneut eine Lösung finden, um das Projekt voranzutreiben.
Trotzdem ist es ein frustrierender Start in die Artemis-Ära. Die NASA braucht SLS, da sie eine dauerhafte und nachhaltige Rückkehr in die Mondumgebung anstrebt und einen zukünftigen Menschen im Auge hat Mission zum Mars. Die NASA wird SLS zum Laufen bringen müssen, und zwar möglicherweise mit einem erschwerenden Peeling nach dem anderen.