Dieser Artikel wurde ursprünglich bei The Conversation veröffentlicht. Die Veröffentlichung hat den Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen. Marcos Fernandexz Tous ist Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der University of North Dakota.
Vor der Küste von Baja California im Dezember 2022 funkelte die Sonne über dem kräuselnden Meer, als Wellen um das Dockschiff USS Portland schwappten. Marinebeamte an Deck untersuchten den Himmel auf der Suche nach einem Zeichen. Das Leuchten erschien plötzlich.
Zunächst ein winziger Fleck, entwickelte er sich allmählich zu einem runden Kreis, der mit großer Geschwindigkeit vom Rand des Weltraums herabstürzte. Es war die Orion-Kapsel der NASA, die bald die 25-tägige Artemis-I-Mission rund um den Mond und darüber hinaus mit einem feurigen Sturz ins Meer beenden sollte.
Orions Wiedereintritt folgte einer steilen Flugbahn, bei der die Kapsel mit unglaublicher Geschwindigkeit abstürzte, bevor sie drei rot-weiße Fallschirme abfeuerte. Als die Mission ihre über 270.000 Meilen (435.000 Kilometer) lange Reise beendete, sah es für diejenigen an Deck der USS Portland so aus, als wäre die Kapsel in einem einzigen Stück angekommen.
Als die Bergungsmannschaft Orion auf das Deck des Trägers hob, liefen Schockwellen über die Oberfläche der Kapsel. Zu diesem Zeitpunkt entdeckten die Besatzungsmitglieder große Risse auf der Unterseite der Orion, wo die Außenseite der Kapsel mit ihrem Hitzeschild verbunden war.
Aber warum sollte ein Schild, der Temperaturen von etwa 5.000 Grad Fahrenheit (2.760 Grad Celsius) standgehalten hat, keinen Schaden erleiden? Scheint nur natürlich zu sein, oder?
Diese Mission, Artemis I, wurde abgebrochen. Aber das ultimative Ziel der NASA ist es, im Jahr 2026 Menschen zum Mond zu schicken. (Das Ziel ist jetzt 2027.) Daher musste die NASA sicherstellen, dass die Kapsel nicht beschädigt wird – sogar ihr Hitzeschild, der etwas Schaden erleiden soll Ich riskiere nicht das Leben einer zukünftigen Crew.
Am 11. Dezember 2022 – dem Zeitpunkt des Wiedereintritts der Artemis I – erlitt dieser Schild schwere Schäden, was die nächsten beiden Artemis-Missionen verzögerte. Während die Ingenieure jetzt daran arbeiten, zu verhindern, dass dieselben Probleme erneut auftreten, ist der neue Starttermin auf April 2026 ausgerichtet, und er rückt schnell näher.
Als Professor für Luft- und Raumfahrttechnik erforsche ich gerne, wie Objekte mit der Atmosphäre interagieren. Artemis I bietet einen besonders interessanten Fall – und ein Argument dafür, warum ein funktionierender Hitzeschild für eine Weltraumforschungsmission von entscheidender Bedeutung ist.
Die Hitze ertragen
Um zu verstehen, was genau mit Orion passiert ist, spulen wir die Geschichte noch einmal zurück. Als die Kapsel wieder in die Erdatmosphäre eindrang, begann sie, ihre höheren Schichten zu überfliegen, was ein wenig wie ein Trampolin wirkt und einen Teil der kinetischen Energie des sich nähernden Raumfahrzeugs absorbiert. Dieses Manöver wurde sorgfältig entwickelt, um Orions Geschwindigkeit schrittweise zu verringern und die Hitzebelastung der inneren Schichten des Schildes zu verringern.
Nach dem ersten Tauchgang prallte Orion in einem kalkulierten Manöver zurück in den Weltraum, verlor dabei einen Teil seiner Energie, bevor er erneut abtauchte. Dieser zweite Tauchgang würde ihn in tiefere Schichten mit dichterer Luft bringen, während er sich dem Ozean näherte, wodurch seine Geschwindigkeit noch weiter verringert würde.
Beim Fallen trug der Widerstand der Luftpartikel gegen die Kapsel dazu bei, ihre Geschwindigkeit von etwa 27.000 Meilen pro Stunde (43.000 Kilometer pro Stunde) auf etwa 20 Meilen pro Stunde (32 km/h) zu reduzieren. Doch diese Verlangsamung hatte ihren Preis: Die Reibung der Luft war so groß, dass die Temperaturen an der dem Luftstrom zugewandten Unterseite der Kapsel 5.000 Grad Fahrenheit (2.760 Grad Celsius) erreichten.
Bei diesen sengenden Temperaturen begannen sich die Luftmoleküle zu spalten und es bildete sich eine heiße Mischung geladener Teilchen, das sogenannte Plasma. Dieses Plasma strahlte Energie aus, die man als rot-gelbe, entzündete Luft sehen konnte, die die Vorderseite des Fahrzeugs umgab und es rückwärts in Form einer Kerze umhüllte.
Kein Material auf der Erde kann dieser höllischen Umgebung standhalten, ohne ernsthaft beschädigt zu werden. Deshalb haben die Ingenieure hinter diesen Kapseln eine Materialschicht namens Hitzeschild entworfen, die durch Schmelzen und Verdampfen geopfert wird und so den Raum rettet, in dem später Astronauten untergebracht werden würden.
Der Hitzeschild ist eine entscheidende Komponente, da er jeden schützt, der sich eines Tages in der Kapsel aufhalten könnte.
In Form einer Hülle umschließt dieser Schild das breite Ende des Raumfahrzeugs, das dem einströmenden Luftstrom zugewandt ist – den heißesten Teil des Fahrzeugs. Es besteht aus einem Material, das die durch die Reibung der Luft am Fahrzeug erzeugte Energie verdampfen und absorbieren soll.
Der Fall Orion
Aber was ist wirklich mit Orions Hitzeschild während dieses Abstiegs im Jahr 2022 passiert?
Im Fall von Orion besteht das Hitzeschildmaterial aus einem Verbundstoff aus einem Harz namens Novolac – einem Verwandten des Bakelits, aus dem einige Schusswaffen bestehen –, das in einer Wabenstruktur aus Glasfaserfäden absorbiert ist.
Wenn die Oberfläche der Hitze und dem Luftstrom ausgesetzt wird, schmilzt das Harz und zieht sich zurück, wodurch die Glasfaser freigelegt wird. Die Glasfaser reagiert mit der umgebenden heißen Luft und erzeugt eine schwarze Struktur, die als Kohle bezeichnet wird. Diese Kohle fungiert dann als zweite Hitzebarriere.
Die NASA verwendete für Orion das gleiche Hitzeschilddesign wie für die Apollo-Kapsel. Aber während der Apollo-Missionen brach die Char-Struktur nicht wie auf Orion zusammen.
Nachdem die NASA fast zwei Jahre damit verbracht hatte, Proben des verkohlten Materials zu analysieren, kam sie zu dem Schluss, dass das Orion-Projektteam den Wärmefluss überschätzt hatte, als das Raumschiff beim Wiedereintritt die Atmosphäre überflog.
Als sich Orion den oberen Schichten der Atmosphäre näherte, begann der Schild zu schmelzen und erzeugte Gase, die möglicherweise durch Poren im Material entwichen waren. Als die Kapsel dann wieder an Höhe gewann, erstarrten die äußeren Schichten des Harzes und hielten die Hitze des ersten Tauchgangs im Inneren fest. Diese Hitze verdampfte das Harz.
Als die Kapsel das zweite Mal in die Atmosphäre eintauchte, dehnte sich das Gas aus, bevor es beim erneuten Erhitzen einen Ausweg fand – ähnlich wie ein zugefrorener See vom Boden auftaut – und sein Austritt erzeugte Risse in der Oberfläche der Kapsel, wo sich die Kohlestruktur bildete wurde beschädigt. Dies waren die Risse, die die Bergungsmannschaft an der Kapsel sah, nachdem sie heruntergespritzt war.
In einer Pressekonferenz am 5. Dezember 2024 gaben NASA-Beamte bekannt, dass die Artemis-II-Mission mit einer modifizierten Wiedereintrittsflugbahn konzipiert wird, um einen Hitzestau zu verhindern.
Für Artemis III, dessen Start im Jahr 2027 geplant ist, will die NASA neue Herstellungsverfahren für den Schild nutzen, um ihn durchlässiger zu machen. Die Außenseite der Kapsel wird beim Wiedereintritt immer noch sehr heiß und der Hitzeschild verdunstet weiterhin. Aber diese neuen Methoden werden dazu beitragen, dass sich die Astronauten auch während der Wasserspritzer in der Kapsel wohlfühlen.
Chonglin Zhang, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of North Dakota, war an der Recherche für diesen Artikel beteiligt. Lesen Sie den Originalartikel.
