Ein Weltraumlift, auch Weltraumaufzug (engl. space elevator), ist ein hypothetischer Transporter in den Weltraum ohne Raketenantrieb entlang eines gespannten Führungsseils zwischen einer Basisstation am Äquator und einer Raumstation hinter dem geostationären Orbit in 35.786 Kilometer Höhe. Die konkurrierenden Kräfte der auf der Erde stärkeren Gravitation und der am oberen Ende stärkeren Fliehkraft sollen das Seil spannen. Teile der Anlage müssten oberhalb der geostationären Umlaufbahn errichtet werden, um durch die dort größere Fliehkraft die Gravitationskraft tiefer gelegener Teile auszugleichen. Ein selbst- oder fremdangetriebener Lift könnte Personen oder Nutzlasten entlang des Seils in beide Richtungen befördern.

Geschichte

1895 erdachte der vom Eiffelturm inspirierte russische Weltraumpionier Konstantin Ziolkowski einen 35.786 Kilometer hohen Turm in den Weltraum.

1959 schlug der sowjetische Wissenschaftler Juri Arzutanow vor, ein Seil von einem geostationären Satelliten herabzulassen. Das Seil sollte am geostationären Orbit am dicksten sein und zu den Enden hin dünner. Es sollte zwischen dem Erdboden und einem großen Gegengewicht hinter dem geostationären Orbit straff gespannt sein. Ein Interview erschien 1960 auf russisch und seine Arbeiten dazu waren im Ausland lange unbekannt.

1966 berechneten amerikanische Ingenieure die erforderliche Zugfestigkeit für ein Seil konstanter Dicke und stellten fest, dass die damals bekannten Materialien ungeeignet waren.

1975 schlug der US-Amerikaner Jerome Pearson, ähnlich wie zuvor Arzutanow, einen Lift mit ungleichmäßigem Seilquerschnitt vor. Das Seil sollte am Ort des Baubeginns im geostationären Orbit am dicksten sein und sich zu den Enden hin verjüngen. Der Materialtransport würde Tausende Weltraumflüge mit einem Space Shuttle erfordern.

2000 veröffentlichte David Smitherman von der US-Weltraumbehörde NASA einen Bericht, der auf den Ergebnissen einer 1999 im Marshall Space Flight Center abgehaltenen Konferenz beruhte. Er schlug vor, Kohlenstoffnanoröhren zu verwenden.

2004 stellte eine Gruppe von Wissenschaftlern um Alan Windle an der Universität Cambridge einen etwa 100 Meter langen Faden aus Kohlenstoffnanoröhren her. Das Verhältnis von Zugfestigkeit zu Gewicht war bis zu 100 mal besser als bei Stahl. Da Kohlenstoff in der Atmosphäre oxidiert wird, muss das Material beschichtet werden.

Ende Juni 2004 teilte der Leiter des Weltraumfahrstuhlprojekts Bradley Edwards in Fairmont, West Virginia mit, dass schon in 15 Jahren ein Prototyp fertig sein könnte. Die NASA unterstützt das Forschungsprojekt durch ihr Institute for Advanced Concepts (NIAC) mit 500.000 US-Dollar. Laut Edwards verhielte sich ein Seil bis 100.000 Kilometer wie beim Hammerwurf und er schlug vor, es aus einem Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren zu fertigen.

Von 2005 bis 2009 organisierten die NASA und die Spaceward Stiftung mit Geld dotierte Elevator:2010-Wettbewerbe.

Transportkosten

Es wird geschätzt, dass mittels eines Weltraumlifts die herkömmlichen Transportkosten ins All von gegenwärtig 12.000 bis 80.000 US-Dollar auf 200 US-Dollar pro Kilogramm gesenkt werden könnten.

Um ein Kilogramm Masse vom Erdäquator bis in die Höhe einer geostationären Umlaufbahn von 35.786 km über dem Äquator hochzuheben, wird eine physikalische Arbeit von 48,4 Megajoule (ca. 13,5 kWh) benötigt. Beim Heben von Massen über die Höhe der geostationären Umlaufbahn hinaus könnte Energie wieder zurückgewonnen werden. Mit zunehmender Höhe nimmt die Gravitationskraft ab und die Zentrifugalkraft zu. Oberhalb der geostationären Umlaufbahn ist die nach oben wirkende Zentrifugalkraft stärker als die nach unten wirkende Gravitationskraft. Eine Masse, die über diese Höhe hinaus gehoben werden würde, „fiele“ von alleine weiter nach oben. Unter Idealbedingungen wäre eine ausgeglichene Energiebilanz denkbar, bei der in der Summe keine physikalische Arbeit aufgewandt werden müsste. Hierzu wäre es notwendig, das Bauwerk um ein Vielfaches höher als die geostationäre Umlaufbahn zu errichten. Die Massen müssten in diesem Fall auf eine Höhe von 143.785 km gehoben werden.

Durch eine Abkopplung vom Weltraumlift in unterschiedlichen Höhen könnten Raumflugkörper ohne weiteren Antrieb auf zahlreiche unterschiedliche Flug- und Umlaufbahnen gebracht werden.

Technik

An den Lift, das Seil und die Basisstation werden enorme technische Ansprüche gestellt. Die NASA hat Wettbewerbe mit hohen Preisgeldern zu diesem Thema ausgeschrieben. Man unterscheidet zwischen den folgenden fünf Problembereichen, zu denen es mehrere Lösungsansätze gibt.

Weltraumlift auf dem Mond

Technisch bereits im Bereich der Möglichkeiten ist der Vorschlag von Jerome Pearson: Er möchte einen Weltraumlift auf dem Mond installieren. Wegen der im Vergleich mit der Erde geringeren Schwerkraft wäre das benötigte Seil niedrigeren Belastungen ausgesetzt. Aufgrund der langsamen Rotation des Mondes wäre ein Seil bis zum luna-stationären Orbit allerdings mit knapp 100.000 km wesentlich länger als bei einem Erd-Weltraumlift. Der Pearson-Weltraumlift würde jedoch am Lagrange-Punkt L1 oder L2 im Erde-Mond-System anknüpfen. L1 befindet sich in einem Abstand von ca. 58.000 km vom Mondmittelpunkt in Richtung Erde, der der Erde abgewandte Punkt L2 ist ca. 64.500 km vom Mondmittelpunkt entfernt. Mit heutzutage erhältlichen Seilmaterialien reicht eine Verjüngung um den Faktor 2,66.

Das nötige Seil mit einer geschätzten Masse von sieben Tonnen könnte mit einer einzigen Rakete in den Weltraum befördert werden. Jerome Pearson ist Geschäftsführer des Unternehmens Star Technology and Research, das auf seiner Website auch über den Mondlift informiert. Die Forschungen von Pearson an dem Projekt werden von der NASA derzeit mit 75.000 Dollar unterstützt.

Weltraumlift als Motiv in Literatur, Film und Fernsehen

Einen Fahrstuhl, der frei um die Welt und (versehentlich) auch in den Weltraum reicht, beschreibt Roald Dahl in seinem Kinderbuch Charlie und der große gläserne Fahrstuhl (1972), einem Nachfolger des Klassikers Charlie und die Schokoladenfabrik (1964), in dem der Fahrstuhl ebenfalls bereits Erwähnung fand.

Bekannt wurde die Idee des Weltraumlifts in der Öffentlichkeit, als Arthur C. Clarke und Charles Sheffield sie 1978/79 unabhängig voneinander zum zentralen Thema ihrer Romane The Fountains of Paradise (dt.: Fahrstuhl zu den Sternen) und The Web between the Worlds (dt.: Ein Netz aus tausend Sternen) verarbeiteten.

Auch im Manga-Klassiker Battle Angel Alita (ab 1991) von Yukito Kishiro dreht sich der Haupthandlungsstrang um einen Weltraumlift mit Ende im Orbit und Zwischenstation in Art einer Stadt in den Wolken.

Kim Stanley Robinson stellt in seiner Mars-Trilogie (Red Mars (1992), Green Mars (1993), Blue Mars (1995)) den Weltraumlift als Schlüsseltechnologie zur Besiedelung des Mars dar. In den Romanen verfügen Erde und Mars über Weltraumlifte, der Lift auf dem Mars wird allerdings von Separatisten des Planeten durch Sprengung des Ankerpunktes zerstört, um eine weitere Zuwanderung von Bewohnern der Erde zu verhindern.

In der Folge Die Asteroiden (englisch Rise, Staffel 3, Episode 19, 1997) der TV-Serie Star Trek: Raumschiff Voyager trifft die Besatzung der Voyager auf einen Planeten, auf dem ein Weltraumlift existiert.

Die Autoren Terry Pratchett, Ian Stewart und Jack Cohen greifen in ihrem Buch Die Gelehrten der Scheibenwelt (2000) das Konzept des Weltraumliftes sowohl als Metapher als auch als physikalisch realisierbare Einrichtung auf.

Alastair Reynolds stellt in seinem 2001 erschienenen Roman Chasm City dar, was passiert, wenn das Seil eines Weltraumliftes zerreißt.

In Liu Cixins Roman Die drei Sonnen aus dem Jahr 2006 wird die Nanotechnologie, an der der Protagonist Wang Miao forscht, als Schlüssel für den Bau eines Weltraumlifts erkannt.

Im dritten Band der Airborn-Serie, Sternenjäger (2008), von Kenneth Oppel verwenden die Protagonisten einen Weltraumlift um als erste Menschen ins All zu gelangen.

Frank Schätzing verarbeitete die Thematik um den Weltraumlift in seinem 2009 erschienenen Roman Limit.

Felix Reda schlug 2014 im Europawahlkampf für die Piratenpartei den Bau eines Weltraumlifts vor.

Auf einigen Planeten der Spieleserie Halo werden Weltraumlifte verwendet.

Im Aufbauspiel Anno 2205 von Ubisoft aus dem Jahr 2015 wird der Weltraumlift als zentrales Spielelement thematisiert.

In der Fernsehserie Foundation (2021), welche auf der gleichnamigen Buchreihe von Isaac Asimov basiert, besitzt der Planet Trantor einen Weltraumlift welcher in der 1. Episode zerstört wird.

Kritik

Neben den hohen Anforderungen an das heute noch nicht verfügbare Material für die erforderlichen Seile ergeben sich zwei zentrale Schwachstellen der Idee. Zum einen würde das Seil eines Weltraumfahrstuhls ein fixes Hindernis quer durch alle orbitalen Satellitenbahnen darstellen, weil jede Umlaufbahn zwei Durchgangspunkte durch die Äquatorebene der Erde haben muss. Das Seil wäre somit konstant von Treffern durch Satelliten und Weltraummüll bedroht, die mit mehreren Kilometern pro Sekunde wie Geschosse einschlagen würden. Zum anderen würden auf das mehrere zehntausend Kilometer lange Seil so viele verschiedene Kräfte wirken, dass die Beherrschbarkeit des entstehenden komplexen Schwingungssystems fraglich ist.

Literatur

• Kapitel: Der Weltraumfahrstuhl. In: Eugen Reichl: Typenkompass: Zukunftsprojekte der Raumfahrt, Motorbuch Verlag, Stuttgart 2012, ISBN 978-3-613-03462-4, S. 105–111

Weblinks

• Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt (WARR Space Elevator)
• Space Elevator Website von SpaceRef mit aktuellen News zum Projekt, Präsentationen, Fachvorträgen und Links
• German Space Elevator (Max-Born-Team 2006) Weltraumfahrstuhl-Konstruktion(Schüler/Jungstudierenden Projekt)
• ESA-Portal
• Fahrstuhl in den Weltraum. Die achtmillionste Etage. Artikel über Weltraumfahrstühle in der Online-Ausgabe der FAZ (Frankfurter Allgemeine). Ulf von Rauchhaupt, 2. Oktober 2014.
• Der Weltraumaufzug - der einfachste Weg ins All? Terra X, vom 10. Juli 2019

Einzelnachweise

1. ↑ National Space Society: Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium (pdf, englisch)
2. ↑ Erfolgsstory Raumtransport: Wie Phoenix aus der Asche.
3. ↑ Peter Odrich: Japaner wollen bis 2050 einen Weltraumlift bauen. In: Ingenieur.de. 1. Oktober 2014, abgerufen am 7. Oktober 2014. 
4. ↑ Berechnung der physikalischen Arbeit zum Anheben einer Masse in eine geostationäre Umlaufbahn (Höhe: 35.786 km über dem Äquator) ≈ 48,4 MJ ≈ 13,5 kWh:

   ---

   ${\displaystyle W_{\mathrm {pot} }=\ \ }$ Differenz der potentiellen Energie im Gravitationsfeld ${\displaystyle \ \ \ +\ \ \ }$ Differenz der potentiellen Energie im Zentrifugalfeld${\displaystyle ,\ \ \ \ \ \ }$für die Entfernung vom Erdmittelpunkt: ${\displaystyle r_{1}=\ }$(Äquator) und ${\displaystyle r_{2}=\ }$(Umlaufbahn) mit:${\displaystyle \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ V_{\mathrm {Gf} }(r)=m\,\Phi _{\mathrm {G} }(r)}$;     ${\displaystyle \Phi _{\mathrm {G} }(r)=-{\frac {GM}{r}}\ +\Phi _{\infty }}$;     ${\displaystyle m=1\,\mathrm {kg} }$;     ${\displaystyle M=M}$_⊕${\displaystyle \,=5{,}9724\cdot 10^{24}\,\mathrm {kg} }$;     ${\displaystyle G=6{,}6743\cdot 10^{-11}\,\mathrm {\frac {m^{3}}{kg\cdot s^{2}}} }$ und:${\displaystyle \ \ \ \ \ \ \ \ \,V_{\mathrm {Zf} }(r)=m\,\Phi _{\mathrm {Zf} }(r)=-m\;{\frac {(\omega \cdot r)^{2}}{2}}=-m\,\omega ^{2}\,{\frac {r^{2}}{2}}=-E_{\mathrm {kin} }}$;     ${\displaystyle \omega \,=\omega }$_⊕${\displaystyle \,=\left({\frac {2\pi }{T_{s}}}\right)}$;     ${\displaystyle T_{s}=86\,164\,\mathrm {s} }$;     ${\displaystyle r_{1}=6\,378\,000\,\mathrm {m} }$;     ${\displaystyle r_{2}=42\,164\,000\,\mathrm {m} }$ ${\displaystyle W_{\mathrm {pot} }=\ \ V_{\mathrm {G} }(r_{2})-V_{\mathrm {G} }(r_{1})\ \ \ \ +\ \ \ V_{\mathrm {Zf} }(r_{2})-V_{\mathrm {Zf} }(r_{1})\ \ \ =\ \ \ m\,G\,M\ \left({\frac {1}{r_{1}}}-{\frac {1}{r_{2}}}\right)\ \ \ +\ \ \ {\frac {m\,\omega ^{2}}{2}}\,(r_{1}{^{2}}-r_{2}{^{2}})}$ ${\displaystyle \ \ \ \ \ \ \ \ \,=\ \ \,1\,\mathrm {kg} \cdot 6{,}6743\cdot 10^{-11}\,\mathrm {\frac {m^{3}}{kg\cdot s^{2}}} \cdot 5{,}9723\cdot 10^{24}\,\mathrm {kg} \cdot \left({\frac {1}{6\,371\,000\,\mathrm {m} }}-{\frac {1}{42\,157\,000\,\mathrm {m} }}\right)\ \ \ +\ \ \ {\frac {1\,\mathrm {kg} \cdot (2\pi )^{2}}{2\cdot 86\,164^{2}\,\mathrm {s^{2}} }}\cdot (6\,371\,000^{2}\,\mathrm {m^{2}} -42\,157\,000^{2}\,\mathrm {m^{2}} )}$ ${\displaystyle \ \ \ \ \ \ \ \ \,\approx \ \ \ 53\,044\,633\,\mathrm {\frac {kg\,m^{2}}{s^{2}}} \ \ \ -\ \ \ 4\,618\,584\,\mathrm {\frac {kg\,m^{2}}{s^{2}}} \ \ \ =\ \ \ 48{,}420{,}049\,\mathrm {\frac {kg\,m^{2}}{s^{2}}} \ \ \ \approx \ \ \ \mathbf {48{,}4\,MJ} \ \ \ \approx \ \ \ \mathbf {13,5\,kWh} }$ Anm.: 1. Bei ${\displaystyle {\vec {\omega }}}$ und ${\displaystyle {\vec {r}}}$ handelt es sich um vektorielle Größen. Unter der Annahme, dass in diesem Rechenbeispiel die Vektoren senkrecht zueinander stehen, wurden nur die jeweiligen Beträge verwendet.
   

   2. Bei der Berechnung wurden Energieverluste (z. B. aufgrund des Wirkungsgrads der Anlage) sowie gravitative Einflüsse anderer Himmelskörper als der Erde (z. B. durch Sonne und Mond) nicht berücksichtigt.

5. ↑ Berechnung der Höhe bis zur ausgeglichenen Energie-Bilanz (Höhe: 143.785 km über dem Äquator):

   ---

   ${\displaystyle \Phi (r_{1,3}):=0\quad }$ Gravitations-Potential und Zentrifugal-Potential auf Höhe des Äquators (${\displaystyle r_{1}}$) auf null setzen und andere Nullstell(en) ermitteln. ${\displaystyle \Phi (r_{1})\ \,:=\ 0\ =\ \Phi _{\mathrm {G} }(r_{1})+\Phi _{\mathrm {Zf} }(r_{1})=-{\frac {GM}{r_{1}}}+\Phi _{\infty }-{\frac {(\omega \cdot r_{1})^{2}}{2}}}$ ${\displaystyle \Rightarrow \quad \Phi _{\infty }={\frac {GM}{r_{1}}}+{\frac {(\omega \cdot r_{1})^{2}}{2}}}$ mit:${\displaystyle \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \Phi _{\mathrm {G} }(r)=-{\frac {GM}{r}}\ +\Phi _{\infty }}$;     ${\displaystyle M=M}$_⊕${\displaystyle \,=5{,}9724\cdot 10^{24}\,\mathrm {kg} }$;     ${\displaystyle G=6{,}6743\cdot 10^{-11}\,\mathrm {\frac {m^{3}}{kg\cdot s^{2}}} }$ und:${\displaystyle \ \ \ \ \ \ \ \ \,\Phi _{\mathrm {Zf} }(r)=-{\frac {(\omega \cdot r)^{2}}{2}}}$;     ${\displaystyle \omega \,=\omega }$_⊕${\displaystyle \,=\left({\frac {2\pi }{T_{s}}}\right)}$;     ${\displaystyle T_{s}=86\,164\,\mathrm {s} }$ ${\displaystyle \Phi _{\infty }={\frac {GM}{r_{1}}}+{\frac {\omega ^{2}\cdot r_{1}{^{2}}}{2}}={\frac {6{,}6743\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}9723\cdot 10^{24}}{6\,378\,000}}\cdot \,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} +{\frac {(2\pi )^{2}\cdot 6\,378\,000^{2}}{2\cdot 86\,160^{2}}}\cdot \,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} }$ ${\displaystyle \Phi _{\infty }\approx 62\,606\,727\cdot \,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} }$;     ${\displaystyle r_{1}=6\,378\,000\,\mathrm {m} }$;     ${\displaystyle r_{3}\approx 150\,163\,180\,\mathrm {m} }$⁠^①;     ${\displaystyle \Delta r_{1,3}\approx \mathbf {143\,785\,km} }$ ${\displaystyle \Phi (r)=\Phi _{\mathrm {G} }(r)+\Phi _{\mathrm {Zf} }(r)=-{\frac {GM}{r}}+\Phi _{\infty }-{\frac {\omega ^{2}\cdot r^{2}}{2}}=\Phi _{\infty }-{\frac {GM}{r}}-{\frac {\omega ^{2}\cdot r^{2}}{2}}}$ ${\displaystyle \Phi (r_{3})=\Phi _{\infty }-{\frac {GM}{r_{3}}}-{\frac {\omega ^{2}\cdot r_{3}{^{2}}}{2}}=\left(62\,606\,727-{\frac {6{,}6743\cdot 10^{-11}\cdot 5{,}9723\cdot 10^{24}}{150\,163\,180}}-{\frac {(2\pi )^{2}\cdot 150\,163\,180^{2}}{2\cdot 86\,160^{2}}}\right)\cdot \,\mathrm {\frac {m^{2}}{s^{2}}} \approx 0}$

   ^① 

   mit mathematischem Verfahren zur Lösung von Gleichungen dritten Grades ermittelt oder iterativ bestimmt
6. ↑ Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone: Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. In: Science. Band 321, Nr. 5887, 2008, S. 385–388, doi:10.1126/science.1157996. 
7. ↑ Sukang Bae, Hyeongkeun Kim, Youngbin Lee, Xiangfan Xu, Jae-Sung Park, Yi Zheng, Jayakumar Balakrishnan, Tian Lei, Hye Ri Kim, Young Il Song, Young-Jin Kim, Kwang S. Kim, Barbaros Ozyilmaz, Jong-Hyun Ahn, Byung Hee Hong, Sumio Iijima: Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. In: Nat Nano. Band 5, Nr. 8, 2010, S. 574–578, doi:10.1038/nnano.2010.132.  PDF (Memento vom 10. Juli 2012 im Internet Archive)
8. ↑ Jerome Pearson, Eugene Levin, John Oldson, and Harry Wykes: The Lunar Space Elevator (PDF; 365 kB), STAR Inc., Mount Pleasant, SC USA, 55th International Astronautical Congress, Vancouver, Canada, 4-8 October 2004.
9. ↑ Space Elevator History. In: star-tech-inc.com. Abgerufen am 14. September 2021. 
10. ↑ Originalausgabe The Science of Discworld, 1999
11. ↑ Jolinde Hüchtker, Cyrill Callenius, David Fresen, Max Deibert, Simon Grothe, Xenia Heuss, Antonia Bretschkow: Ein Weltraumaufzug und krumme Gurken. In: tagesspiegel.de. 24. Mai 2014, abgerufen am 30. September 2015. 
12. ↑ Karl Urban: Was macht eigentlich ... der Weltraumaufzug? In: Spektrum.de. 21. September 2018, abgerufen am 3. Juni 2021.