Der Verlust der Columbia und die Folgen

Am 1.2.2003 verglühte die Raumfähre Columbia beim Wiedereintritt von der Mission STS-107 in die Erdatmosphäre über dem US-Bundessaat Texas. Dies wurde von zahlreichen Augenzeugen beobachtet, auch weil die Columbia die letzte Forschungsmission vor Inbetriebnahme der ISS absolvierte. Bei den ISS Missionen passieren die Raumfähren nicht die USA beim Wiedereintritt und so wollten viele Beobachter ein letztes Mal die Raumfähre beobachten.

Trümmer der Fähre regneten auf drei US-Bundesstaaten nieder. Zuerst war die Missionskontrolle ratlos, was die Ursache des Verlustes anbetraf. Angesichts des Terroranschlags vom 11.9.2001 gingen manche sogar von einem terroristischen Akt aus (aus demselben Grunde wurde auch der Startzeitpunkt nur auf 15-19 Uhr eingegrenzt). An Bord von Columbia war auch der israelische Staatsbürger Ilan Ramon, der erste israelische Astronaut, weshalb dieses Szenario nicht von der Hand zu weisen war.

Direkt nach dem Verlust gab es nur wenige Daten über die mögliche Ursache. Beim Wiedereintritt umgibt die Raumfähren eine Hülle mit ionisiertem Gas, gebildet durch die Reibungswärme. Sie verhindert den Funkkontakt zu dem Shuttle und damit auch das Abrufen von Telemetrie. Der Eintritt in das „Funkloch“ begann planmäßig um 13:59 in 63 km Höhe. 16 Minuten später sollte die Fähre auf dem Kennedy Space Center landen.

Das Einzige was die NASA an Daten vor dem Verlust hatte war ein Ausfall des Hydrauliksensors im linken Flügel um 13:53, gefolgt drei Minuten später von einem Anstieg der Temperaturen bei dem linken Fahrwerk und den Bremsen. Um 13:58 fiel ein Temperatursensor am linken Flügel an einer Klebeschicht aus, gefolgt von einem Verlust der Temperatur- und Druckangaben der linken Fahrwerksensoren. Das die Temperaturen ansteigen war das Letzte, das der Besatzung mitgeteilt wurde, Kommandant Hussband quittierte mit „Roger“ bevor die Verbindung um 13:59:32 abriss. Kurz darauf, um 14:00:18 zerbrach der Orbiter in seine Teile, nachdem sich schon vorher kleinere Teile abgelöst hatten. Das Kontrollzentrum erfuhr davon erst durch einen Anruf, als jemand die Fernsehübertragung des Auseinanderbrechens sah. Dies geschah um 14:12:39.

Danach begann das Rätselraten über die Ursache. Bis zum Wiedereintritt war der Flug absolut planmäßig verlaufen und schon am 29.1.2003 deklarierte ihn die NASA als vollen Erfolg, also drei Tage vor der Rückkehr. Das einzige Vorkommnis gab es während der Startphase. 81,9 s nach dem Start brach ein Stück der Schaumisolierung des Tanks ab und traf den linken Flügel, wo es in Stücke zerfiel. Dass der Tank Isolierung verliert, ist nichts Neues, das gab es schon vorher im Space Shuttle Programm. Zur Evaluation gab es eigens eine Software namens „Crater“, welche den Schaden berechnen sollte. Sie kam auch, nachdem die NASA einen Tag nach dem Start bei der Auswertung der Kameras den Vorfall bemerkte, zum Einsatz. Crater basierte auf den Daten, die bei vorhergehenden Missionen gesammelt wurden. Dabei trafen den Orbiter kleinere Stücke von einigen Zentimetern Größe, die keine größeren Schäden verursachten. Die Software konnte aber keine verlässliche Antwort geben auf die Frage, was passiert wäre, wenn ein viel größeres Stück den Flügel trifft.

Hierzu ein kleiner Exkurs in den Hitzeschutzschild des Space Shuttles und die Isolierung des Tanks. Der gesamte Orbiter ist von Hitzeschutzkacheln und anderen Isolationen umgeben. In der Gesamtheit wird es Thermal Protection System TPS genannt. Am kritischsten sind die unten und an den Flügelvorderkanten angebrachten Kacheln. Die Hitzeschutzkacheln werden in vier Typen eingeteilt:

• FRSI: (fibrous refractory composite insulation) für Temperaturen unter 370° Celsius. Dies sind 0,9 × 1,2 m große Platten aus dem Kunststoff Nomex (ähnlich Nylon) in Filzstruktur. Sie befinden sich vor allem an der Seite des Orbiters, der Flügeloberseite und der Nutzlastbucht. Diese machen 304.2 m², das entspricht 29% der Fläche aus.
• LRSI: (low-temperature reusable surface insulation) für Temperaturen von 350-650° Celsius. Dies sind 7.000 quadratische Fliesen (20 x 20 cm) aus einem dreidimensionalen Quarzfasergeflecht von 0,5 bis 2,5 cm Dicke. Sie bedecken den Großteil des Rumpfes und einen Teil der Flügel. Die Fliesen haben ein spezifisches Gewicht von nur 0.14 g/cm³ und bestehen zum größten Teil aus Hohlräumen und leiten Wärme daher sehr schlecht. Insgesamt bedecken diese Fliesen 281.7 m²
• HRSI: (high-temperature reusable surface insulation) Temperaturbereich von 650-1225° Celsius. Dies sind Quarzfaserziegel wie LRSI, jedoch mit einer dunklen Pigmentzumischung und einer speziellen Oberflächenbehandlung, damit sie wenig Wärme aufnehmen. Die Fliesen sind quadratisch mit 15 cm Kantenlänge und sie haben eine Dicke von 1,75 bis 6,25 cm. Etwa 20.000 davon befinden sich auf der gesamten Unterseite des Orbiters. Diese decken den Großteil der unteren 475.4 m² Oberfläche ab. Die äußere Schutzschicht der Fliesen ist ein Borsilikatglas. Es minimiert vor allem die Aufnahme von Wasser in die porösen Ziegel.
• RCC (Reinforced Carbon-Carbon): Temperaturbereich von 1125 – 1650° C. Dies sind Panels aus Graphitfasern in einer Matrix aus Graphit und Siliziumcarbid mit einem 0.5 bis 1 mm dicken Borsilikatglas Überzug. Sie sind an den exponiertesten Stellen wie den Flügelvorderkanten und dem Nasenkonus untergebracht. Die Stärke liegt zwischen 2.5 und 7.5 cm. Nur 3% (37.9 m²) der Oberfläche wird so heiß. Die RCC-Panels können 1600 Grad aushalten, ohne sich zu verformen, und leiten wie die Kacheln die Wärme nur äußerst schlecht.

Die LRSI und HRSI Kacheln bestehen aus Silikatfasern in einer dreidimensionalen Matrix. Ihre Dichte ist zwanzigmal kleiner als die von Wasser, da sie große Hohlräume einschließen. Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit extrem schlecht. Die Kacheln sind wenige Sekunden nach dem Herausnehmen aus dem Sinterofen bei 1200 C mit bloßen Händen anfassbar, da eine dünne Schicht an der Oberfläche auskühlt (und zwar besonders schnell durch die vielen dünnen Fasern – hohe Abstrahlungsfläche) während die Wärme im Inneren nicht nach außen geleitet wird und die Kacheln innen noch rot glühend leuchten. Die HRSI unterscheiden sich durch zugemischte Pigmente von den LRSI, da eine dunkle Oberfläche mehr Energie abstrahlt als eine helle. Zusätzlich sind diese oxidationshemmend beschichtet und mit einer dünnen Glasschicht überzogen um die Aufnahme von Wasser durch Regen zu verhindern.

Schon bei der ersten Space Shuttle Mission fielen über 100 der damals rund 30.000 Kacheln ab, was große Besorgnis auslöste. Auf Videoaufnahmen aus dem Orbit konnten die fehlenden Kacheln auf der Oberseite ausgemacht werden, doch kritisch ist die Unterseite, da nur sie stark erhitzt wurde. Damals bat die NASA das DoD um Amtshilfe und ließ den Hitzeschutzschild der Columbia durch KH-11 Spionagesatelliten fotografieren. Es zeigte sich kein gravierender Verlust. Trotzdem war das Erste, was John Young, Kommandant von STS-1 nach der Landung tat, ein Spaziergang um und unter das Shuttle. Dreimal gab es von verschiedenen Personen innerhalb der NASA auch bei STS-107 die Anforderung, den Hitzeschutzschild durch einen Aufklärungssatelliten des US-Verteidigungsministeriums zu fotografieren. Dies wurde von der Missionsleitung abgelehnt.

Bei den folgenden Flügen verloren Shuttles immer wieder Kacheln, auch wenn es nicht mehr so viele, wie beim Erstflug waren. Das gab auch Sicherheit: Der Hitzeschutzschild hielt auch, wenn einzelne Kacheln fehlten, solange es nicht eine größere durchgehende Fläche ist. Dann streicht die heiße ionisierte Atmosphäre über die Außenseite und kann nicht die Lücke nutzen, um ins Innere vorzustoßen und die Struktur zu beschädigen.

Eine Beschädigung der Oberseite ist wegen deutlich geringerer Temperaturen weitaus unkritischer, daher wurde auf Beschädigungen der Unterseite geachtet.

Der Shuttle Tank ist der einzige Teil des Systems, der nicht wiederverwendbar ist. Er sollte daher möglichst billig zu produzieren sein. Damit dies möglich ist, wurde beschlossen, die Isolierung aufzusprühen. Der Tank enthält flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff, beide Stoffe sind nur bei Temperaturen von -183 bzw. -251 Grad Celsius flüssig. Der Tank muss daher isoliert werden. Dies geschieht durch einen Polyurethanschaum, der auch bei uns gebräuchlich ist, z.B. um Fugen zu isolieren. Er wird auf den Metalltank aufgesprüht und dann nach dem Aushärten noch rot lackiert. Der rote Lack dient dazu den Eintritt von Wasser zu verhindern, dass durch die flüssigen Gase im Innern zu Eis gefrieren würde und dann die Isolierung aufbrechen lässt. Zudem sind so Beschädigungen der Isolation leicht erkennbar. Trotzdem gab es immer wieder den Fall, dass die Isolierung vor dem Start oder beim Start beschädigt wurde und Stücke abfielen.

Bei STS-107 löste sich 81,7 s nach dem Start ein großes Stück Isolierung von dem Teil des Tanks, wo die Y-förmige Befestigung des Orbiters angebracht ist. Es schlug auf den linken Flügel auf und zerbrach in mehrere Stücke. Da das Space Shuttle sich zu diesem Zeitpunkt bereits in über 20 km Höhe befand, sind die Aufnahmen der Kameras vom Boden aus nur unscharf, auch konnte das Ereignis selbst nur auf einer Kamera andeutungsweise gesehen werden, keine der Kameras hatte eine optimale Position um es zu sehen.

Da die NASA schon Erfahrungen mit solchen abfallenden Schaumstoffstücken hatte, wurde dies nicht als gravierend eingestuft. Bei 80% der 79 Missionen, von denen es ausreichend Bildmaterial gab, lösten sich Teile vom Tank, bei 10% von der Y-Strebe. Auf einer ersten Pressekonferenz nach dem Unglück zeigte ein NASA-Verantwortlicher ein entsprechend großes Schaumstoffstück und demonstrierte wie leicht und zerbrechlich es war. Er hielt es für unwahrscheinlich, dass es den Flügel beschädigen konnte.

Die Untersuchungskommission (Columbia Accident Investigation Board CAIB) ging trotzdem dieser einzigen Spur nach. In der Tat zeigten HRSI Kacheln nur geringe Beschädigungen, wenn sie unter Vakuum mit Schaumstücken beschossen wurden. Die Größe war von den Aufnahmen her bekannt. Es musste 30-45 cm breit und 53-68 cm lang gewesen sein und mit 190-250 m/s aufgeschlagen sein. Das war aus den Videoaufnahmen ableitbar. Wahrscheinlich war es Ein Stück der Verkleidung der Streben der Orbiteraufhängung, da nur an wenigen Teilen die Schaumisolierung so dick ist. Trotz der hohen Geschwindigkeit zerbröselte der Schaum aber bei Versuchen auf der Erde ganz einfach beim Beschuss von HRSI Kacheln.

Deutlich wurde die Ursache erst, als das CAIB daran ging, die wenigen Bilder (zwischen Ablösung und Auftreffen lagen nur 0,161 s) digital zu verbessern und Zwischenbilder berechnete, um die Flugbahn des Stückes zu ermitteln. Es zeigte sich dabei, dass es nicht auf der Flügelunterseite, sondern die Flügelkante aufschlug.

Die Flügelkante besteht aber aus U-förmigen RCC Panels. Das sind Kohlefasern in einer Kohlenstoffmatrix. Das Material ist äußerst leicht, sehr widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen und wird daher an den Punkten eingesetzt, die besonders stark erhitzt werden. Aber das Material ist auch unelastisch und spröde. Als das CAIB RCC-Panels der Atlantis, die gerade generalüberholt wurde, in einem Versuch mit einem Schaumstoffstück derselben Größe und Masse wie das bei Columbia abgelöste, beschoss, erhielten sie ein 15-25 cm großes Loch in dem RCC-Panel. Am zweiten Tag im Orbit verlor die Columbia zudem etwas, das nach Ansicht des CAIB wahrscheinlich ein Teil des RCC Panels Nummer 9 war, bei dem der Brocken aufschlug. Von nun an hatte die Columbia ein Loch unbekannter Größe im linken Flügel.

Durch dieses konnte dann die bis zu 1648°C heiße Luft in den Flügel eindringen und die Struktur schwächen und das Aluminium zum Schmelzen bringen. Schon vor der kalifornischen Küste verlor der Orbiter beim Wiedereintritt ein Stück, sodass davon auszugehen ist, dass die Fläche, die offen war, sich rasch vergrößerte. Die Auswertung des gebogenen Datenrekorders, der noch 14 Sekunden nach Kommunikationsverlust aufzeichnete, zeigte, das immer mehr Ausgleichsbewegungen notwendig waren, um den Orbiter auf Kurs zu halten und ein Rollen zu verhindern. Schließlich feuerten alle RCS-Düsen, konnten aber nicht mehr die Columbia stabilisieren. Dies war um 14:00:18. Danach reist der Datenstrom des Bandrekorders ab, so sah das CAIB dies als den Zeitpunkt an, bei dem die Columbia auseinanderbrach.

Die Körper aller Astronauten konnten geborgen werden. Eine Obduktion zeigte, dass sie an Dekompression starben, als die Atmosphäre aus der Mannschaftskabine entwich.

Das CAIB erarbeitete 25 Empfehlungen, die umzusetzen sind, bevor die Space Shuttles erneut fliegen können. Erst nach zweieinhalb Jahren fand die nächste Mission statt. Die ersten beiden Flüge dienten zur Qualifikation der Verbesserungsmaßnahmen, vor allem bei der Isolierung des Tanks. Sie führten zwar zur ISS, transportieren aber nur Versorgungsgüter. Nun lösten schon kleine, nur wenige Zentimeter große Stücke, Schlagzeilen aus (die man dank erstmals am Tank angebrachter Tanks überhaupt erst beobachten konnte) auch wenn sie das Shuttle verfehlten. Einmal wurden Astronauten auch zur Reparatur beordert, als bei der Inspektion der Fähre von der ISS aus und mittels des Canadaarms sich ein loser Streifen Füllmaterial zwischen zwei Kacheln zeigte. Dies zeigt sehr deutlich, wie nun schon kleinste Vorkommnisse so ernst genommen wurden, dass deswegen der ganze Flugplan umgeworfen wurde. Von Routine konnte nun keine Rede mehr sein.

Zuerst sollten nun nur noch Missionen zur ISS stattfinden. Falls der Hitzeschutzschild beschädigt sein würde, so gäbe es dann immer noch die Möglichkeit auf der ISS zu verbleiben, bis eine Rettungsmission starten würde – seitdem steht auch immer ein Space Shuttle auf der zweiten Startrampe dafür bereit. Erst als der Druck der wissenschaftlichen Gemeinde größer wurde und alle folgenden Missionen klappten, entschloss sich die NASA einen Flug anzusetzen, der nicht zur ISS führte: die letzte Servicemission zum Hubble Weltraumteleskop mit STS-125 im Mai 2009.

Die wichtigste Folge des Columbia Unglücks was, dass die NASA das Vertrauen in die Space Shuttles verloren hat. Zwar war das Space Shuttle Programm schon früher in der Kritik – die Flüge waren immer teurer, als jede nicht wiederverwendbare Trägerrakete, so galt es doch nach den Änderungen, bedingt durch den Verlust der Challenger nahezu 17 Jahre früher, als sicher. Damals war die NASA am Verlust schuld: Sie ließ die Fähre starten, obwohl Techniker des Herstellers der Booster hinwiesen, dass die Dichtungen nicht für die herrschenden Temperaturen ausgelegt waren und es Probleme mit ihnen schon bei früheren Flügen bei niedrigen Temperaturen gab. Das war die Folge eines Managements, dass die Sicherheit opferte, um eine hohe Startrate zu erreichen. Seitdem waren die Flüge problemlos verlaufen. Gravierende Probleme, die es auch vor der Explosion der Challenger gab, wie vorzeitig abgeschaltete Triebwerke oder verkürzte Flüge gab es nicht mehr.

Der Verlust der Columbia zeigte, dass die Raumfähren zwar abgesichert werden können gegen bekannte Risiken, aber es einfach ein Restrisiko gibt, das bei Kapseln nicht auftritt. Eine Kapsel kann mit einem Fluchtturm jederzeit in Sicherheit gebracht werden, sie sitzt über den Stufen und kann so nie von der Isolierung getroffen werden und sie ist ein sich selbst stabilisierender Körper, der ohne Triebwerke sich so dreht, dass die mit dem Hitzeschutzschild versehene Oberfläche der Atmosphäre zugewandt ist. Zudem können die kleinen Kapseln massiver gebaut werden, als die Raumfähren mit ihrem 18 m langen Nutzlastraum. Dies ist auch der Grund, warum die NASA bei Orion wieder auf die kegelförmigen Kapseln der Apollo Ära zurückkommt. Nach dem Verlust der Columbia beziffert die NASA für die Shuttles das LOC-Risiko (Loss of Crew: Tod der Besatzung) auf 1:80 bei ISS Missionen und 1:60 bei einer Hubble Service Mission. Das ist für bemannte Raumfahrzeuge recht niedrig, wie die folgende Tabelle zeigt:

Programm	LOC Risiko
Gemini	1:200
Apollo	1:1000
Orion (geplant)	1:2032
Shuttle geschätzt vor STS-107	1:308
Shuttle geschätzt nach STS-114	1:80 / 1:60 (ISS/Hubble)
Shuttle, geschätzt nach STS-51L	1:27
Ariane 4 (über alle 114 Starts)	1:38

Die NASA schätzt die Sicherheit der Shuttles also nur noch als doppelt so hoch wie nach dem Challenger Verlust ein. Anders kann der Vertrauensverlust nicht deutlicher gemacht werden. So verwunderte es nicht, das schon vor der Wiederaufnahme der Flüge der Beschluss erfolgte die Space Shuttles auszumustern.