Neustart nach dem Inferno

Nach dem tragischen Ende der Raumfähre Columbia nimmt die NASA die Shuttle-Flüge wieder auf. Astronaut Ulrich Walter erläutert die Hintergründe und Sicherheitsmaßnah-men – und argumentiert, warum bemannte Raumfahrt wichtig ist.

Erschienen in leicht gekürzter Fassung in: Bild der Wissenschaft, Ausgabe Juni 2005

 

Am 1. Februar 2003 um 15:00 Uhr mitteleuropäischer Zeit geschah das Unvorstellbare: Das Shuttle Columbia zerbrach während seines Wiedereintritts in die Erdatmosphäre und verglühte zu einem großen Teil. Alle sieben Astronauten-Kollegen an Bord verloren dabei ihr Leben ... .

Wie konnte dies geschehen? Hatte die NASA nichts aus der Challenger-Katastrophe im Januar 1986, bei der ebenfalls alle Astronauten ihr Leben ließen, gelernt? Der Grund für das Challenger Unglück während des Aufstiegs waren damals Dichtungsringe, die in der frostigen Nacht zuvor ihre Dehnungseigenschaften verloren hatten, spröde wurden und so die Hitze der abbrennenden Feststoffraketen beim Start nicht mehr blockieren konnten. Der dabei entstehende Feuerstrahl bahnte sich seinen Weg durch die Hülle eines Boosters und brachte dann den Tank mit dem flüssigen Sauerstoff und Wasserstoff zur Explosion.
Die Ursache der Columbia-Katastrophe an jenem 1. Februar war hingegen eine ganz an-dere: Beim Aufstieg löste sich ein etwa 3/4 kg schweres Isolations-Schaum-stoffteil von etwa einem halben Meter Durchmesser vom Externen Tank mit dem flüssigen Treibstoff und schlug mit etwa 800 km/h auf die Vorderkante des linken Flügels. Es entstand ein Einschlagsloch von etwa gleicher Größe. Davon wusste die Missionskontrolle und die Besatzung nichts und begab sich nach ihrer Mission wieder sorglos auf den Rückflug. Die beim Wiedereintritt auftretende große Hitze von bis zu 1400°C trennte an der Stelle des Loches wie ein Schneidbrenner den Flügel vom Shuttle ab, wodurch es unkontrollierbar wurde, zerbrach und verglühte.
Wie das daraufhin eingesetzte Columbia Accident Investigation Board (CAIB) später feststellte hatte die Katastrophe zwei tiefergehende Gründe: Falsche Einschätzung von Ge-fahren, hervorgerufen durch ähnliche aber glimpflich verlaufende Vorfälle vergangener Missionen, und eine Arbeitskultur, die genau das zulässt. In der Tat stellte sich damit ein déjà-vu Gefühl ein, wie es die ehemalige NASA-Astonautin Sally Ride im Hinblick auf die Challenger-Katastrophe ausdrückte. Damit eine Katastrophe nicht ein weiteres Mal eintritt, arbeitet die NASA daran, sowohl die technische Ursache für das Problem zu lösen als auch sich selbst eine neue Organisationsstruktur für eine neue Sicherheitskultur zu geben.

Die neuen Regeln

Der erste Flug nach der Columbia-Katastrophe hat die NASA auf den 15. Mai angesetzt. Was wird dabei neu sein? Zunächst ist kein Ersatz für die Columbia vorgesehen, weil die drei Shut-tles, die bisher die Versorgungsflüge zur ISS durchgeführt haben, genau die sind, die die NASA noch hat. Columbia erfüllte bisher Aufgaben unabhängig von der ISS, etwa Reparaturen des Hubble Teleskops. Diese Nicht-ISS-Aufgaben haben ab sofort niedrigste Priorität. Das ist der eine Grund, warum Hubble in Zukunft nicht mehr repariert werden soll. Ein Nachfolgeshuttle soll es außerdem deswegen nicht geben, weil das Shuttle nur noch bis zum Jahr 2010 eingesetzt werden soll, danach soll es durch ein Nachfolgesystem ersetzt werden. Bis dahin lohnt sich kein Ersatz für die Columbia. Das Geld soll statt dessen in die Entwicklung des neuen Systems in-vestiert werden.

Die neuen NASA-Sicherheitsrichtlinien besagen, dass für alle zukünftigen Shuttleflüge die ISS als sicherer Hafen (Safe Haven) anfliegbar sein soll. Außerdem muss ein zweites, soge-nanntes LON-Shuttle (Launch on Need) innerhalb von höchstens 40 Tagen startbereit sein und eine gestrandete Crew von der ISS zurückholen können. Ein solches LON-Shuttle steht erstmals für die kommende Mission bereit. Das defekte Shuttle würde danach von der ISS abgedockt und wie seinerzeit die MIR-Station durch ein gezieltes Wiedereintritts-Manöver über einem unbe-wohnten Teil des Pazifischen Ozeans verglühen.
Weil Hubble in einer ganz anderen Bahnebene um die Erde fliegt als die ISS und der Treibstoff zur Änderung der Bahnebene nicht vorhanden ist – Das Shuttle wurde nie dafür aus-gelegt – sind Flüge zum Hubble Teleskop wegen des Risikos, die ISS als sicheren Hafen nicht anfliegen zu können, in Zukunft nicht mehr möglich. Das ist der andere Grund für die Aufkündi-gungen weiterer Hubble-Reparaturen durch die NASA.

Technische Neuerungen

Um ähnliche Katastrophe auszuschließen, wurden Maßnahmen getroffen, die sowohl das Auf-treten von Schaumstoffteilen in Zukunft verhindern sollen, sowie Maßnahmen zur Detektion und Verminderung von Schäden, falls dennoch Einschläge jedwelcher Art stattfinden sollten und Maßnahmen, die die Reparatur eventueller Einschläge ermöglichen. Konkret bedeutet dies: Die sogenannte Bipod-Anflanschung und einige andere Stellen am Externen Tank wurde neu kon-struiert und mit Heizern versehen, weil Schaumstoffabplatzungen durch sogenanntes Cryo-Pumping bisher vorwiegend hier auftraten. Beim Cryo-Pumping verflüssigt sich der Luftstickstoff an extrem kalten Stellen wie dem Bipod, wandert in die Poren des Isolationsschaumstoffes und sprengt ihn durch Verdampfen ab, wenn beim Aufstieg durch die Atmosphäre Reibungswärme entsteht.
Zur Inspektion eventueller Schäden wird es einen 12 Meter langen Arm, das sogenannte Orbiter Boom Sensor System (OBSS), geben, der als Verlängerung an den gegenwärtigen 15 m langen Canada-Arm des Shuttles angesetzt wird. Er hat an der Spitze eine Lasereinrichtungen zur Abstandsmessung und eine Laserkamera. Außerdem kann er einen Astronauten für die In-spektion tragen. Damit lassen sich die thermal-kritischen Teile des Shuttles, die Nasenkappe und die Vorderkanten der Flügel, genau untersuchen. Der OBSS soll auf den ersten beiden Flü-gen verifiziert werden und dann für alle weiteren Flüge zur Verfügung stehen.
Zur Schadensinspektion während des Aufstiegs werden insgesamt vier Digitalkameras am Externen Tank den Feststoffraketen angebracht, die die Aufnahmen sofort zur Erde übertragen und nicht wie bisher durch Handkameras erst nach der Mission zur Verfügung stehen.
Um auch vor eventuelle Schädigung durch Mikrometeoriten zu erkennen, wurde 22 Tem-peratur- und 66 Einschlagssensoren in die Vorderkanten des Flügels integriert, die Beschädi-gungen erkennen sollen.

Reparatur der Kacheln

Kachelreparaturen werden nur mit Hilfe der ISS durchgeführt werden können. Bei der Annähe-rung wird das Shuttle von der ISS aus zunächst fotografiert und inspiziert. Dann dockt sich das Shuttle mit seinem Arm an der ISS an und dreht sich so zur ISS, dass man von der ISS Zugang zu den Kacheln auf der Unterseite hat. Danach können Astronauten, getragen und geführt durch den Arm der ISS, die Kacheln reparieren. Zur Reparatur soll ein rosafarbenes, Silizium-basiertes Ablatormaterial (damit wird Hitze durch Verdampfen statt Isolation des Materials reduziert) ein-gesetzt werden. Das Problem sind die kleinen Blasen, die sich in im Vakuum der Schwerelosig-keit bilden könnten und die den Ablator an diesen Stellen hitzedurchlässig machen könnten.

Astronaut Carlos I. Noriega, an Bord des 0g-Flugzeugs KC-135, injiziert Material in eine spezielle Glasausbuchtung, um die Gleiteigenschaften des Materials in der Schwerelosigkeit zu studieren.

Mit diesem Vorgehen können jedoch nicht die besonders mechanisch-empfind-lichen RCC-Isolierungen (Reinforced Carbon-Carbon) an der Flügelvorderkante repariert werden. Da-für stehen zwei mögliche Verfahren in Aussicht: Löchern von bis zu 15 cm sollen durch eine hit-zeresistente Abdeckplatte geschlossen werden. Für kleinere Risse will man eine Art Spachtel einsetzen. Eine Art metallischer Schutz-Überzug beim Start, der bei einem Einschlag auch grö-ßere Löcher verhindern könnte, wurde erst vor kurzem wieder verworfen. Nur die Spachtel-Methode wird bis zum nächsten Flug anwendbar sein. Damit wäre eine Reparatur eines Scha-dens von der Größe wie bei der Columbia-Katastrophe derzeit nicht möglich und das Shuttle müsste wie oben beschrieben aufgegeben werden. Die NASA untersucht und arbeitet aber an Reparaturlösung für solche Fälle.
Dies alles sind nur Zwischenlösungen. Ein vollständig geändertes und somit weitaus siche-reres Thermalschutzsystem, das auch im All repariert werden kann, kann es frühestens in zwei Jahren geben. Die NASA arbeitet daran, insbesondere natürlich auch für das Nachfolgesystem.
Sollte das Shuttle mit einer nichtreparierbaren Isolation zur Erde zurückkehren müssen, dann könnte, so die NASA, durch Abwerfen der Nutzlast, durch Abänderung der Eintritts-Trajektorie oder durch einen geänderten Angle-Of-Attack (Anstellwinkel) die Hitzelast reduziert werden. Ich persönlich halte die beiden letztgenannten Möglichkeit nur für beschränkt umsetz-bar, weil der bisherige Eintrittspfad bereits jetzt schon hitzeminimiert ist.

Zur kritischen und unabhängigen Überwachung dieser Neuerungen wurde eine von der NASA unabhängige Gruppe, die Return to Flight Task Group, geleitet durch zwei ehemalige Astronau-ten, Kathryn C. Thornton, Thomas Stafford, eingerichtet.

Die neue NASA-Kultur

Die größte Aufgabe steht der NASA aber noch bevor: Das CAIB hatte sie aufgefordert, neue Unternehmensstrukturen und Unternehmenskultur einzuführen, das die Raumflugsicherheit ga-rantiert und das Sicherheitsbewusstsein der Mitarbeiter stärkt. Das Anheuern der Firma Behavi-oral Science Technology Inc. zur Erfassung und Änderung des Verhaltens des NASA Personals mag ein erster Anfang sein. Aber ein buntes Bildchen wie es bis heute vorliegt und das zukünfti-ge Bewusstsein darstellen soll, allein ändert eine Unternehmenskultur noch nicht. Es muss über Jahrzehnte gelebt werden. Dies ist eine große Herausforderung, denn die Erfahrung aus den 17 Jahren zwischen dem Challenger- und Columbia-Unglück zeigt, dass sich schnell Routine ein-schleift, die wirkliche Gefahren leicht übersehen lässt.

Der vorläufige Plan der Behavioral Science Technology Inc. zur neuen NASA Kultur

Ich werde oft gefragt, ob man denn als Astronaut keine Angst hat, sich in das Shuttle zu setzen, wenn es so riskant ist. Ich denke, die Antwort die David Brown, einer der verunglückten Colum-bia-Astronauten gab, als ihn zu Weihnachten 2003, also zwei Monate vor seinem Flug sein Bru-der Douglas Brown fragte, was er der Öffentlichkeit sagen solle, wenn er tödlich verunglücken würde, ist symptomatisch für das Denken aller Astronauten: "Ich akzeptierte das Risiko, als ich den Job annahm, so wie ich es auch tat, als ich ein Marine-Flieger wurde. " Jeder Astronaut, auch ich, setzt sich vor der Auswahl mental mit der Möglichkeit eines tödlichen Missionsaus-gangs auseinander und geht mit dem Antritt seines Trainings ein kalkuliertes Risiko ein. Er geht es bewusst und überzeugt ein, denn es ist seine eigene freie Entscheidung. Diese Entscheidung wird gestützt durch eine besondere, bizarre Logik, die so manchem Nichttechnikern schwer fällt nachzuvollziehen: Mit jedem korrigierten Problem wird das Shuttle sicherer. Mit dem Flug am 15. Mai ist das Shuttle so sicher wie nie zuvor. Ich setzte mich im Jahre 1993 in das Shuttle, warum sollte ich das nicht jetzt auch tun, wenn man mich fragte? Ich bin davon überzeugt, dass nicht nur ich, sondern jeder meiner Kollegen ohne zu überlegen mitfliegen würde.

Brauchen wir Astronauten?

Doch brauchen wir Astronauten, die sich in so eine Gefahr begeben? Brauchen wir die Bemann-te Raumfahrt? Gerade in Deutschland wird diese Frage häufig gestellt und man meint damit, dass sie doch so teuer wäre und man eigentlich alles auch mit robotischen Missionen machen könnte. „Hohe Kosten“ ist ein beliebtes Argument all jeder, die überhaupt etwas gegen bemann-te Raumfahrt haben und es daher bedenkenlos aussprechen. Wenn man diese Leute fragt, wie teuer den konkret eine bemannte Mission sei und um wie viel billiger eine unbemannte, zucken sie nur die Schulter. Lassen Sie mich zwei wenige Beispiele nennen wo dies möglich ist, weil es kaum bemannte und unbemannte Missionen gibt, die miteinander vergleichbar wären. Eine da-von ist meine D2-Mission. Sie war die zweite deutsche Wissenschaftsmission im Weltraumlabor Spacelab auf Columbia. Die Vollkosten für 6,3 Tonnen Experiment-Gesamtnutzlast, entspre-chend 88 Experimente, betrug 442 Millionen Euro. Kann sich Deutschland so was überhaupt leisten? Rechnen wir nach: Die Deutschen trugen den Hauptanteil von 330 Millionen Euro, Ame-rika, Japan und andere europäische Länder zahlten wegen eigener Experimente mit. Die deut-schen Kosten verteilten sich über sechs Jahre Vorbereitungszeit und auf die 80 Millionen Bun-desbürger zu 70 Cent/Jahr/Bundes-bürger. Soweit zur Frage, ob man sich das leisten kann.

Nun zur Abwägung Bemannte-Unbemannte Raumfahrt. Interessanterweise gab es zu jener Zeit eine Parallelentwicklung in Sachen Schwerelosigkeitsforschung, die kaum bekannt ist: Eureka. Eureka, war eine frei schwebende, unbemannte, wiederverwendbare Plattform, auf der Experi-mente voll automatisch durchgeführt werden konnten. Eureka flog vom August 1992 bis Juni 1993 also just auch gleichzeitig zu meiner Mission und hatte insgesamt 4,4 Tonnen Experiment-Gesamtnutzlast an Bord bestehend aus 15 Experimenten. Vollkosten: 412 Millionen Euro. Die Kosten pro Experiment waren damit mehr als fünf Mal höher als bei der vergleichbaren bemann-ten Mission. Kein Wunder, dass Eureka nie wieder eingesetzt wurde bei der unschlagbar kos-tengünstigeren bemannten Alternative.

Hubble ist ein anderes Beispiel. Es gab bisher vier erfolgreiche Reparaturmissionen mit dem Shuttle. Sieht man einmal von den teueren Hubble-Geräten ab, die installiert werden mussten, so kostete jede dieser Missionen etwa 1,5 Milliarden Dollar. Weil bei einer nun anstehenden Hubble-Reparatur-mission das Shuttle im Ernstfall nicht die Raumstation als sicheren Hafen er-reichen könnte und zudem mit dem James-Webb-Teleskop der Nachfolger in den Startlöchern steht, beschloss die NASA, Hubble nicht wieder zu reparieren. Nun hat sich Hubble zu recht über die Jahre zu einer nationalen Ikone gemausert und der Protest dagegen, insbesondere bei den Wissenschaftlern, kannte folglich keine Grenzen. Aber warum eine bemannte Reparatur-mission wenn es unbemannt doch genauso gut und gar billiger geht? Die NASA berief eine Kommission der Nationalen Wissenschaftsakademie ein, die entsprechend ihres Vorsitzenden Lanzerotti auch Lanzerotti-Panel genannt wird. Erste Rauchzeichen kamen Ende letzten Jahres auf als das Panel in einem Interims-Report verlauten ließ: „Das Hubble Teleskop ist zu wertvoll, um es den Risiken einer unbemannten Mission auszusetzen.“ Statt dessen forderte es den da-maligen NASA Noch-Administrator O’Keefe auf, einen Slot für eine bemannte Shuttlemission offen zu halten, die den Job tun sollte. Sollte hier das Risiko eines Hubble auf einmal wichtiger sein als das der Astronauten? Was hatte die Wissenschaftler, die doch im allgemeinen gegen die bemannte Raumfahrt wettern, zu diesem Meinungsumschwung veranlasst? Bereits wenige Wochen hatten ihnen genügt zu erkennen, dass robotische Missionen hinsichtlich ihrer Erfolg-sausichten wesentlich risikoreicher sind als bemannte. Dazu kommt, dass sie meist teuerer sind als gedacht. Die von der NASA nach eigener Aussage konservativ geschätzten Kosten für eine Hubble-Robotikmission liegen bei 1,3 Milliarden Dollar, eine unabhängige Schätzung der priva-ten Raumfahrt-Entwicklungs- und Beraterfirma Aerospace Cooperation mit Sitz in El Segundo, Kalifornien sieht den Preiszettel eher bei 2 Milliarden Dollar. Warum so teuer? Das Problem ist Flexibilität und Redundanz. Technik kann schief gehen oder ausfallen. Plant man für jeden denkbaren Fall eine Zweitlösung ein, dann überwiegen diese zusätzlichen Redundanzlösungs-kosten schnell die für eine Lebensumgebung für Astronauten. Und selbst mit großzügig ausges-tatteter Redundanz kann man nie ganz sicher sein, dass man alle Notfälle berücksichtigt hat und alles glatt geht. Das Erfolgsaussichten wurden von Aerospace Coop. entsprechend nur auf 58% beziffert. Nicht gerade schmeichelhaft verglichen zur den bisherigen vier erfolgreichen bemann-ten Reparaturmissionen. Die Flexibilität eines Menschen ist in einem komplizierten Arbeitsum-feld einfach unschlagbar. Deshalb gibt es selbst heute und sicherlich auch noch für lange Zeit keine Roboter in einer Autoreparaturwerkstatt.

Brauchen wir bemannte Raumfahrt? Ehrlich gesagt habe ich den Sinn dieser Frage nie richtig verstanden. Wenn es für eine anstehende Mission alternativ eine bemannte und unbemannte Lösung gibt, dann sollte doch, wie auf der Erde auch, die kostengünstigste gewählt werden .... wenn es die Alternative gibt. Wenn Flexibilität und Intelligenz vor Ort notwendig ist, dann führt aber am Mensch meist kein Weg vorbei. Dies gilt außer für Hubble-Reparaturen insbesondere für wissenschaftliche Experimente. Der sogenannte Principle Investigator, also derjenige, der ein Experiment vorschlägt, kennt den Ausgang des Experimentes nicht, denn sonst würde er es erst gar nicht vorschlagen. Weil der Ausgang aber unbekannt ist, ist während des Experimentes oft die Interaktion mit einem Experimentator notwendig, der bei unvorhergesehenem Verlauf ein-greift und das Experiment so lange abändert, bis das unerwartete Ergebnis möglichst optimal herausgearbeitet ist. Diese Optimierung während eines Experimentes ist die Kunst eines jeden Experimentors, weshalb es selbst auf der Erde nie ein Labor ohne Menschen geben wird. Wa-rum sollte dies also im All sinnvoll sein? Weder auf der Erde noch im All haben sich daher voll-automatische Labors durchgesetzt (siehe Eureka) und daher wird es, solange es Forschung in der Schwerelosigkeit gibt, auch immer Einrichtungen wie die ISS geben.
Nicht zu vergessen die bemannten Missionen, wo es nicht darum geht, ob es robotische Alterna-tiven gibt, sondern wo schlichtweg die Präsenz des Menschen das Ziel ist: Der erste Mensch im All (Gargarin), der erste Weltraumspaziergang (Leonov), der erste Mensch auf dem Mond (Arm-strong), der erste Mensch auf dem Mars (...). Ich denke, jeder stimmt mir darin zu, dass solche Missionen nicht unbedingt notwendig sind, genauso wenig wie Opern, Popkonzerte, Fußball-weltmeisterschaften oder Formel-1 Rennen oder überhaupt alle kulturelle Veranstaltungen. Sie alle haben keinen wirklichen Nutzen. Trotzdem werden hier Milliarden von Steuergeldern inves-tiert. Übrigens allein in deutsche Opern weit mehr als in die deutsche Raumfahrt. Ich denke jede dieser Steuergelder ist gut angelegt, denn das, was der Mensch tut und braucht, lässt sich nicht allein nach Utilitaritätsprinzipien bewerten. Sport, Kultur und Wissenschaft einschließlich der Raumfahrtkultur und -Wissenschaft sind menschliche Errungenschaften, die die Lebensqualität einer Gesellschaft ausmachen. Sie befriedigt die Urfragen des Menschen nach sich selbst und seiner Stellung in dieser Welt. Es macht einfach einen großen Unterschied, ob ein Planet mit Fernrohren erforscht wird, mit Robotern oder schließlich von Menschen. Den Menschen interes-siert der Mensch. Jedes Tennisspiel, jedes Formel-1 Rennen, selbst Popkonzerte und Klavier-konzerte hätten keine solche Bedeutung für uns Menschen wenn sie nicht ihre Stars hätten. Und so wird weit jenseits wissenschaftlicher Forschungsergebnisse der Tag weltweites Interesse auf sich ziehen, an dem der erste Mensch seinen Fuß auf einen anderen Planeten, den Mars, set-zen wird. Keinen wird es in diesem Augenblick interessieren, ob dieser Schritt in einer ange-messenen Kosten-Nutzenrelation steht. Die Nation, die das möglich machen wird, wird wie bis-her wieder diejenige sein, die diesen transutilitären Nutzen bewusst einsetzt, um ihre politische Größe und technisches Können zu demonstrieren. Die Welt wird vor dem Fernseher und im In-ternet dabei sein und jeder wird sagen: Ja, sie sind die Größten. Sie werden einmal mehr die Größten sein, weil sie richtig erkannt haben, dass nur die Zukunft und ihre Technik unsere Prob-leme löst und nicht die Vergangenheit, auf die wir so stolz sind. Und sie werden damit auch ein-mal mehr die Jugend auf ihrer Seite haben, die genau wegen solcher faszinierenden Demonst-rationen von je her wusste wie sich deren Raumfahrtagentur nennt und nie wusste wie die deut-sche heißt. Diese große Nation wird daher auch in Zukunft weltweit die Diplomanden, Promovie-renden und Postdocs in ihren Bann ziehen, die dort ihre und deren Träume verwirklichen und wissen, dass sie sie nur dort verwirklichen können. Womit sich die Erfolgsspirale ein weiteres Mal dreht.

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ULRICH WALTER ist Professor für Raumfahrttechnik der Technischen Universität München. Er war 1993 Astronaut der Mission STS-55 (D2) an Bord das Raumfähre Columbia.