Mengtian
Raumstation:Chinesische Raumstation
Startdatum:31. Oktober 2022
Trägerrakete:Langer Marsch 5B
Masse:23 t
Länge:17,9 m
Durchmesser:4,2 m
Volumen:30 m³ (Wohnraum)
Benachbarte Module
Flugrichtung
 ─
Zenit / Nadir
─ ─ / ─ Tianhe
 ─

Das Wissenschaftsmodul Mengtian (chinesisch 夢天實驗艙 / 梦天实验舱, Pinyin Mèngtiān Shíyàncāng, deutsch Himmelstraum) ist das dritte Modul der Chinesischen Raumstation. Es wurde am 31. Oktober 2022 um 07:37 Uhr UTC mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 5B vom Kosmodrom Wenchang gestartet. Knapp 13 Stunden später, am 31. Oktober 2022 um 20:27 Uhr UTC, koppelte das Modul zunächst am vorderen Stutzen der Bugschleuse des Kernmoduls Tianhe an. Nach gründlicher Überprüfung wurde es am 3. November 2022 an den Backbordstutzen der Bugschleuse umgesetzt, wo es um 01:32 Uhr UTC fest verankert wurde.

Beschreibung

Das von der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie gebaute Wissenschaftsmodul Mengtian ist mit dem Drehgestell für die Solarzellenflügel insgesamt 17,9 m lang, sein größter Durchmesser beträgt 4,2 m und sein Startgewicht 23 t. Das Wissenschaftsmodul Mengtian besteht aus drei Abschnitten: die an die kugelförmige Schleusensektion des Kernmoduls anschließende Arbeitssektion mit einem Außendurchmesser von 4,2 m und einer Gesamtlänge von 9,3 m. Der eigentliche Innenraum der Arbeitssektion, also ohne Koppelmechanismus, Eingangsbereich etc., ist 6,6 m lang. Danach folgt die 4,5 m lange Nutzlast- und Schleusensektion mit einem Durchmesser von 4,1 m sowie eine 5,1 m lange, konisch zulaufende Versorgungssektion mit einem maximalen Durchmesser von 2,5 m, an der die Solarmodule und die nach oben, zu den Tianlian-Relaissatelliten in ihren geostationären Umlaufbahnen gerichtete Parabolantenne für die Kommunikation mit dem Raumfahrtkontrollzentrum Peking befestigt sind. Außerdem befinden sich an der Versorgungssektion die Triebwerke des Moduls sowie an der zum Kernmodul zeigenden Seite des Konus die Treibstofftanks. Da die einzelnen Sektionen ineinandergreifen, ist die Summe ihrer Einzellängen größer als die Gesamtlänge des Moduls.

Die rotierenden Solarmodule sind mit denen des Wissenschaftsmoduls Wentian identisch: jede der beiden Sektionen ist 23 m lang, zusammen mit der Halterung in der Mitte besitzt die Stromversorgungseinheit eine Spannweite von 55 m. Mit 110 m² reiner Solarzellenfläche pro Flügel (inklusive des zentralen Leerstreifens hat ein Solarzellenflügel eine geometrische Ausdehnung von 138 m²) erzeugt die Einheit mindestens 13,5 kW, bei guter Beleuchtung 14,6 kW.

An der Nadir- und der Zenit-Seite der Schleusensektion befinden sich in Längsrichtung aufklappbare Türen von 2,0 × 2,5 m, auf deren Innenseite sowie – auf der Zenitseite – in dem Raum darunter jeweils acht, also insgesamt 24 Nutzlasten platziert und dem Weltall ausgesetzt werden können. Insgesamt können außen an dem Modul 37 Nutzlastbehälter mit standardisierten Anschlüssen für Stromversorgung und Datenleitungen angebracht werden, in neun Regalen im Inneren des Moduls 13 Behälter.

Das Wissenschaftsmodul Mengtian dient der Forschung. In der Arbeitssektion befindet sich zwar ein Ruderergometer, aber keine Toilette. Mengtian verfügt nur über ein einfaches, nicht regeneratives Lebenserhaltungssystem, vergleichbar den Tiangong-Raumlabors. Im Regelfall wird das Modul über die Ringleitungen der Raumstation im Koppeladapter versorgt. Bei einem Notfall würden sich die Raumfahrer in das Kernmodul Tianhe oder das Wissenschaftsmodul Wentian flüchten, um dort auf Rettung zu warten.

Laborschränke

Unmittelbar hinter der Eingangsluke des Wissenschaftsmoduls Mengtian befinden sich Schränke zur Aufbewahrung von Geräten und Material. Dahinter folgt ein Bereich, wo die Raumfahrer mit dem Ruderergometer und Expanderbändern Sport treiben können. Danach kommen acht Laborschränke, wobei der Schwerpunkt auf Materialforschung und physikalischer Grundlagenforschung liegt:

Der Laborschrank für Fluiddynamik wurde vom Schwerpunktlabor für Mikrogravitation am Institut für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und gebaut. Er dient vor allem dazu, komplexe Flüssigkeiten zu erforschen, bei denen zwei Phasen koexistieren. Das Fließverhalten der Kolloide kann gemessen, Spektrum und Streuung in Ruhe und beim Fließen können ermittelt werden. Die Flüssigkeiten können in Rotation versetzt, die Scherung beobachtet und die Viskosität gemessen werden. Bei Kolloiden mit Partikeln, die größer als 500 nm sind, kann mit einem Mikroskop direkt beobachtet werden, wie sich diese Partikel unter dem Einfluss der Scherkräfte untereinander verhalten und welche Strukturen sich dabei ausbilden. Bei Partikelgrößen unter 500 nm kann über Spektrum und Streuung ermittelt werden, auf welche Art und wie schnell sich die Partikel konzentrieren.

Das Zusammenfinden von Partikeln in Kolloiden stellt ein vergrößertes Modell der Kristallbildung dar, das es ermöglicht, Prozesse zu erforschen, die bei richtigen Kristallen auf atomarer Ebene nicht beobachtet werden können. Neben materialwissenschaftlicher Grundlagenforschung zum Glasübergang dienen diese Experimente sowohl zur Verbesserung des regenerativen Lebenserhaltungssystems der Raumstation als auch der Abwasserbehandlung auf der Erde und der Regulierung der Sedimentation von Flüssen (letzteres ist ein Hauptarbeitsgebiet des Instituts für Mechanik). Auch in Pharmazie und Biotechnologie spielen diese Prozesse eine große Rolle.

Der Laborschrank für Verbrennungslehre dient zur Entwicklung von Brandschutzmaßnahmen, zur Optimierung von Triebwerken und zur Erprobung von Methoden zur Eindämmung von Ruß und anderen Abfallprodukten. Hierfür besitzt er ein Gerät, mit dem die Geschwindigkeit von Rußpartikeln im Raum gemessen und als Geschwindigkeitsfeld dargestellt werden kann.

Im Laborschrank für Hochtemperatur-Materialwissenschaft kann die Herstellung und Verarbeitung von Materialien in der Schwerelosigkeit erprobt werden, es können noch im Laborschrank Messungen durchgeführt werden. Die Materialien in 16 Probenbehältern können bis auf 1600 °C erhitzt werden, wobei die gewünschte Temperatur über einen Zeitraum von bis zu 100 Stunden mit einer Genauigkeit von ±0,25 °C stabil gehalten werden kann; der maximale Temperaturgradient beträgt 150 K/cm. Mit einem Röntgengerät können die Schmelz- und Erstarrungsvorgänge in Echtzeit beobachtet werden, sowohl durch die Raumfahrer selbst als auch von der Erde aus. Als erster Werkstoff wurde in dem Laborschrank Indium(III)-selenid getestet, ein weicher Halbleiter, der bei zusammenfaltbaren Mobilgeräten breite Verwendungsmöglichkeiten besitzt, aber in der Schwerkraft der Erde wegen seiner leichten Verformbarkeit nur schwer untersucht werden kann.

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Zeitgebung in der Schwerelosigkeit, was zum Beispiel für Navigationssatelliten im Tiefraum von Bedeutung ist. Es soll eine verbesserte Version der Rubidium-Kaltatomuhr des Raumlabors Tiangong 2 – auf der Chinesischen Raumstation steht mehr elektrische Leistung für die Kühllaser zur Verfügung – mit einer Wasserstoff-Maser-Uhr und einer optische Uhr kombiniert werden, um so, ähnlich wie beim geplanten Atomic Clock Ensemble in Space für die Internationale Raumstation ISS, zu einem Zeitgeber zu kommen, der sowohl eine hohe Kurzzeit- als auch eine hohe Langzeit-Stabilität besitzt.

Baugruppenträger für Raumfahrt-Grundlagenforschung

In dem der Erde zugewandten I. Quadranten des Wissenschaftsmoduls Mengtian befindet sich unmittelbar beim Zugang zur kugelförmigen Schleusensektion unter dem „Fußboden“ der Baugruppenträger für Raumfahrt-Grundlagenforschung (航天基础试验机柜). Im Gegensatz zu den Laborschränken im II. und IV. Quadranten auf der rechten und linken Seite des Arbeitsraums wurde dieser Baugruppenträger nicht von der Akademie der Wissenschaften, sondern von der Hauptentwicklungsabteilung der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gebaut. Er besitzt zehn mit Handgriffen versehene Einschübe verschiedener Größe, ähnlich den Schubladen einer Kommode, und dient der Firma zur ingenieurtechnischen Grundlagenforschung, zur Erprobung von Schlüsseltechnologien für die langfristige Entwicklung der chinesischen Raumfahrt.

Stirlinggenerator

So wurde dort vor dem Start des Wissenschaftsmoduls der Prototyp eines Stirlingmotors eingebaut, der mit Helium als Arbeitsgas arbeitet und die von Radionuklid-Heizelementen erzeugte Wärme mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrischen Strom umwandelt. Der vom Forschungsinstitut für weltraumbezogene technische Physik Lanzhou entwickelte Generator erzielte bei einem Temperaturverhältnis von 2,2 zwischen warmem und kaltem Ende einen Wirkungsgrad von 24,7 %. Ende März 2023 hatte der Generator drei Testläufe im Orbit absolviert, wo das Starten des Motors, die Regulierung und der stabile Langzeitlauf erfolgreich erprobt wurden. Neben seinem geringen Gewicht hat der Stirlingmotor den Vorteil, relativ leise zu sein, was bei bemannten Missionen ein wichtiger Aspekt ist. Die Akademie für Weltraumtechnologie plant, den Generator nicht nur für Missionen zum Mond und zum Mars, sondern – in fernerer Zukunft – auch für bemannte Flüge vom Mars zu den Jupitermonden zu verwenden, wo Solarmodule aufgrund der geringen Sonneneinstrahlung zur Stromerzeugung nicht mehr geeignet sind.

Flüssigmetall

Um die Wärme von den Radionuklid-Heizelementen möglichst effizient an den Stirlingmotor zu bringen, erwägt man den Einsatz von Flüssigmetall als Wärmeleitmittel, speziell Bismutlegierungen, die einen niedrigen Schmelzpunkt sowie eine hohe Biosicherheit und chemische Stabilität aufweisen. Um dies zu erproben, konstruierte die Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie zusammen mit dem Technischen Institut für Physik und Chemie (理化技术研究所), einer interdisziplinären Einrichtung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, eine Versuchsanlage, in der das kontrollierte Schmelzen, die Pufferung der Wärmeausdehnung (die ansonsten zum Bersten von Kühlrohren führen kann), die Wärmeübertragung durch Konvektion (für ständig laufende Geräte) und die Wärmeregulierung durch Phasenwechsel der Legierung (für Intermittenzbetrieb) erprobt werden konnten.

Insbesondere bei den letzten beiden Aspekten verhält sich Flüssigmetall in der Schwerelosigkeit anders als auf der Erde. Bei der Wärmeregulierung durch Phasenwechsel wird feste Bismutlegierung auf einer Oberfläche angebracht, verflüssigt sich bei deren Erwärmung und kühlt so das Gerät; wenn das Gerät abgeschaltet ist, verfestigt sich das Material wieder. Auf der Erde ergibt sich durch den Dichteunterschied eine Strömung innerhalb der Materialschicht, welche die Temperaturen rasch ausgleicht. In der Schwerelosigkeit führt Dichteunterschied dagegen nicht zu Konvektion, ein Problem, das dadurch gelöst wurde, dass man bei dem Experiment sich erwärmende Streben durch das Bismut-Material führte.

Neben der Wärmeübertragung von Radionuklidelementen oder Kernreaktoren auf Wärme-Strom-Konverter soll Flüssigmetall, das eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität als traditionelle Kühlmittel besitzt, in Zukunft auch zur Kühlung und Abfederung von Thermoschocks bei Nutzlasten mit großem Stromverbrauch verwendet werden, aber auch bei in der Luftfahrt verwendeter Elektronik mit hoher Leistungsdichte sowie bei Notebooks und anderen Rechnern mit hohem Energieverbrauch (künstliche Intelligenz, Bildverarbeitung etc.) auf der Erde.

Schleifringe

Das Pekinger Institut für Steuerungstechnik, das unter anderem Antriebe für schwenkbare Solarmodule herstellt, betreibt in dem Baugruppenträger eine Versuchsanordnung zur Erforschung des Abriebs, der sich an Schleifringen zur Stromübertragung bildet und wie sich dieser in der Schwerelosigkeit zu Klumpen zusammenballt, die zu Kurzschlüssen führen können. Auf einer rotierenden Säule und einer Scheibe sind Schleifringe aus Gold-, Silber- und Kupferlegierungen angebracht, sowohl auf der Oberfläche montiert als auch in die Oberfläche eingebettet. In der Versuchskammer herrscht Vakuum und es können komplizierte elektromagnetische Felder erzeugt werden. Ende November 2022 wurde die Versuchseinrichtung in Betrieb genommen, und in den gut sieben Monaten bis Anfang Juli 2023 hatte man unter ständiger Kameraüberwachung an den Gold- und Silber-Schleifringen bereits etwas Abrieb erzeugt, wobei an der Säule teilweise auch Klumpenbildung beobachtet werden konnte. Die Ergebnisse dieser weiterhin andauernden Versuche finden Eingang in die Konstruktion verbesserter Schleifringe, um die Langzeit-Zuverlässigkeit von Satelliten zu verbessern, aber auch von Momentenkreiseln, wie sie für die Lageregelung der Raumstation eingesetzt werden.

Frachtschleuse

Bis Oktober 2022 konnten an der Außenseite der Raumstation zu montierende Gegenstände nur von Raumfahrern persönlich durch die Luftschleusen gebracht werden. Zum einen war Größe und Gewicht der Gegenstände hierbei begrenzt, zum anderen stellten Außenbordeinsätze eine körperliche Belastung und ein Sicherheitsrisiko für die Raumfahrer dar. Daher wurde im Zentrum des zweite Modulabschnitts, Matrjoschka-artig umgeben von den Nutzlastträgern, eine Frachtschleuse angeordnet. Eine große Luke führt in eine zylindrische, 2,3 m lange Schleusenkammer von 2,2 m Durchmesser und einem nutzbaren Raum von etwa 8 m³, die auf der erdzugewandten Seite des Moduls eine quadratische Luke von 1,2 × 1,2 m besitzt, die ins All hinausführt. Beide Luken sind so konstruiert, dass sie nicht gleichzeitig geöffnet werden können. Während die Innentür wie alle anderen Luken in der Station rein manuell geöffnet und geschlossen wird, erfolgt dies bei der Außentür – erstmals bei einem chinesischen Raumflugkörper – elektrisch. Die bevorzugte Methode zur Betätigung der Frachtschleuse ist eine Fernsteuerung vom Boden aus; falls dies nicht möglich sein sollte, können die Raumfahrer aber auch alle Funktionen über Computer an Bord der Station steuern.

In der Schleusenkammer befindet sich eine Art „Gabelstaplermechanismus“ mit einer Tragkraft von 400 kg. Zuerst wird die Innenschleuse geöffnet. Die Raumfahrer, nur bekleidet mit ihrem regulären Arbeitsanzug, befestigen zunächst einen für die jeweilige Nutzlast geeigneten Adapter auf der Tragplattform des Gabelstaplers, die in die Arbeitssektion hineingestreckt wird, darauf dann einen Gegenstand von bis zu 1,15 × 1,2 × 0,9 m. Der Gabelstapler holt den Gegenstand in die Schleuse, die Innentür wird geschlossen und die Schleusenkammer leergepumpt. Durch ihre im Vergleich zu den Personenschleusen relativ geringe Größe geht dies relativ schnell; die herausgepumpte Luft wird nach Beendigung der Aktion wieder in die Schleuse hineingepumpt. Anschließend wird die Außentür geöffnet und der Gegenstand in der Regel mit einem der beiden mechanischen Arme der Station entnommen, wenn nötig aber auch von Raumfahrern in Außenbordanzügen. Auf dieselbe Art können zum Beispiel Nutzlastbehälter auch für Wartung oder Rücktransport zur Erde ins Innere der Raumstation gebracht werden, wodurch ihr Steckplatz auf der Nutzlastplattform für eine neue Nutzlast frei wird.

Startgeräte für Kleinsatelliten

An Bord des Moduls befinden sich auch zwei transportable Startgeräte für einen Mikrosatelliten von bis zu 100 kg bzw. mehrere Cubesats mit einem Volumen von insgesamt 36 U, wobei ein U etwa 10 × 10 × 10 cm entspricht. Die Raumfahrer laden die per Frachter angelieferten Kleinsatelliten in den mit Federkraft arbeitenden Abschussmechanismus, der anschließend in der Frachtschleuse platziert wird. Der kleinere der beiden mechanischen Arme der Station greift von außen in die Schleuse, packt das Gerät und richtet es mit hoher Präzision in die gewünschte Richtung. Dann lösen die Raumfahrer von der Station aus per Fernsteuerung die Verriegelung der Feder (bei einem Mikrosatelliten) oder öffnen den Schachtdeckel (bei Cubesats), und der Satellit wird weggeschleudert.

Einzelnachweise

  1. 1 2 刘泽康: 空间站梦天实验舱发射任务取得圆满成功. In: cmse.gov.cn. 31. Oktober 2022, abgerufen am 31. Oktober 2022 (chinesisch).
  2. 1 2 梦天实验舱与空间站组合体在轨完成交会对接. In: cnsa.gov.cn. 1. November 2022, abgerufen am 1. November 2022 (chinesisch).
  3. ↑ 刘泽康: 空间站梦天实验舱顺利完成转位 中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成. In: cmse.gov.cn. 3. November 2022, abgerufen am 3. November 2022 (chinesisch).
  4. ↑ 刘泽康: 致敬！这个春节仍“载”坚守的“航天人”. In: cmse.gov.cn. 7. Februar 2022, abgerufen am 8. Juli 2022 (chinesisch).
  5. 1 2 王翔、王为: 天宫空间站关键技术特点综述. In: sciengine.com. 27. Oktober 2021, abgerufen am 8. Juli 2022 (chinesisch).
  6. 1 2 3 4 刘泽康: 一组数字看懂梦天实验舱. In: cmse.gov.cn. 30. Oktober 2022, abgerufen am 5. November 2022 (chinesisch).
  7. ↑ 刘泽康: 165秒，数说“问天”. In: cmse.gov.cn. 23. Juli 2022, abgerufen am 1. November 2022 (chinesisch).
  8. 1 2 3 付毅飞: “梦天”启程，打造空间技术研究“梦工场”. In: stdaily.com. 31. Oktober 2022, abgerufen am 31. Oktober 2022 (chinesisch).
  9. ↑ Microgravity resistance muscle training devices used for astronaut's at Tiangong Space Station (CSS) auf YouTube, 28. Mai 2023, abgerufen am 28. Mai 2023.
  10. ↑ Wang Xiang, Zhang Qiao und Wang Wei: Design and Application Prospect of China's Tiangong Space Station. (PDF; 16,3 MB) In: spj.science.org. 21. April 2023, S. 6, abgerufen am 5. Juni 2023 (englisch).
  11. 1 2 梦耀九州 天宫启程 长五B成功发射梦天实验舱，打响中国空间站建造收官之战. In: cnsa.gov.cn. 31. Oktober 2022, abgerufen am 1. November 2022 (chinesisch).
  12. 1 2 顾志铭: 神舟十四号飞行任务期间 将建成国家太空实验室. In: xhby.net. 5. Juni 2022, abgerufen am 8. Juli 2022 (chinesisch).
  13. ↑ 中国科学院微重力重点实验室. In: imech.cas.cn. Abgerufen am 26. Juli 2022 (chinesisch).
  14. ↑ Second space class from Tiangong Space Station (CSS) 中国天宫空间站第二场天宫课堂 (ab 1:00:30) auf YouTube, 24. März 2022, abgerufen am 8. Juli 2022.
  15. ↑ 康琦: 从咖啡一窥微重力流体科学研究! In: cmse.gov.cn. 20. September 2023, abgerufen am 23. September 2023 (chinesisch).
  16. ↑ The first combustion experiment onboard the China Space Station auf YouTube, 3. März 2023, abgerufen am 8. März 2023.
  17. ↑ Shenzhou 15 astronauts unpacking new facilities, decorating, and exercising at CSS auf YouTube, 17. Dezember 2022, abgerufen am 17. Dezember 2022.
  18. ↑ Setting up High Temperature Material Research cabinet in Tiangong Space Station (CSS) auf YouTube, 8. März 2023, abgerufen am 8. März 2023.
  19. ↑ 太空实验，蓬勃展开. In: cnsa.gov.cn. 22. August 2023, abgerufen am 22. August 2023 (chinesisch).
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  21. ↑ China Focus: China's space station to serve scientific research as versatile lab. In: csu.cas.cn. 16. Juni 2022, abgerufen am 9. Juli 2022 (englisch).
  22. 1 2 杨金禄、吴馥桐: “太空抽屉”里面有什么？ In: cmse.gov.cn. 3. April 2023, abgerufen am 4. April 2023 (chinesisch).
  23. ↑ 孙瑜: “梦天”这些“神器”组成“梦之队”. In: stdaily.com. 31. Oktober 2022, abgerufen am 31. März 2023 (chinesisch).
  24. ↑ 郝祎咛: 我国首次！中国空间站航天技术试验领域取得可喜成果. In: cmse.gov.cn. 31. März 2023, abgerufen am 31. März 2023 (chinesisch).
  25. 1 2 郝祎咛: 航天技术试验领域：为未来我国航天技术发展和空间应用提供有力的技术支撑. In: cmse.gov.cn. 19. August 2023, abgerufen am 19. August 2023 (chinesisch).
  26. ↑ 探月新任务，到底新在哪儿？ In: sohu.com. 15. Mai 2023, abgerufen am 19. August 2023 (chinesisch).
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  28. ↑ 刘贵林: 液态金属：空间站里的高效“散热术”. In: cmse.gov.cn. 28. August 2023, abgerufen am 28. August 2023 (chinesisch).
  29. ↑ 杨金禄、刘贵林: 航天技术试验领域完成我国首次液态金属空间热管理在轨试验. In: cmse.gov.cn. 9. Mai 2023, abgerufen am 19. August 2023 (chinesisch).
  30. ↑ 杨金禄、蒋俊: 空间站再传喜讯！我国首次在轨对导电环磨屑产生过程和团簇现象实现观测. In: cmse.gov.cn. 9. Mai 2023, abgerufen am 9. Mai 2023 (chinesisch).
  31. ↑ 杨金禄: 航天员用7个月时间在空间站观察碎屑？ In: cmse.gov.cn. 6. Juli 2023, abgerufen am 6. Juli 2023 (chinesisch).
  32. ↑ 梦天实验舱宣传片重磅发布 (ab 0:02:05) auf YouTube, 31. Oktober 2022, abgerufen am 1. November 2022.
  33. ↑ Two lab modules to be central work area on China's space station. In: csu.cas.cn. 18. April 2022, abgerufen am 31. Oktober 2022 (englisch).
  34. ↑ 载人航天小喇叭: 首次发布天宫课堂线上课程. In: weibo.cn. 18. Mai 2013, abgerufen am 18. Mai 2023 (chinesisch).
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