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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 die USA nicht 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. 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. Sie verhindert über einige Minuten den Funkkontakt zu dem Shuttle und damit auch das Abrufen von Telemetrie. Der Eintritt in das „Funkloch“ begann planmäßig um 13:59 Uhr GMT (Greenwich Mean Time) 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 Eintritt in das Funkloch hatte, war ein Ausfall des Hydrauliksensors im linken Flügel um 13:53 Uhr. Drei Minuten später stiegen die Temperaturen im linken Fahrwerk und den Bremsen an. Um 13:58 fiel ein Temperatursensor am linken Flügel an einer Verbindungsschicht aus, gefolgt von einem Verlust der Temperatur- und Druckangaben der linken Fahrwerksensoren. Dass die Temperaturen anstiegen, war das Letzte, das der Besatzung mitgeteilt wurde, Kommandant Husband quittierte mit „Roger“ bevor die Verbindung um 13:59:32 Uhr 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 Uhr.
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. 81,7 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 Isolationsmaterial verliert, ist nichts Neues, das gab es schon vorher. Zur Evaluation gab es eigens eine Software namens „Crater“, welche auftretenden den Schaden berechnen sollte. Sie kam auch zum Einsatz, nachdem die NASA einen Tag nach dem Start bei der Auswertung der Kameras den Vorfall bemerkte. 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 auf die Frage geben, was passiert, 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 Isolationselementen umgeben. In der Gesamtheit wird es Thermal Protection System (TPS) genannt. 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 oder 29% der Fläche aus.
LRSI (low-temperature reusable surface insulation): für Temperaturen von 350-650° Celsius. Dies sind 7.000 quadratische Fliesen (20 × 20 cm) aus einem dreidimensionalen Quarzfasergeflecht von 0,5 bis 2,5 cm Dicke. Sie bedecken den Großteil des Rumpfes und einen Teil der Flügeloberseite. 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 oder 27,8 % der Fläche.
HRSI (high-temperature reusable surface insulation): Temperaturbereich von 650-1225° Celsius. Dies sind Quarzfaserziegel aus demselben Material wie die 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 (45,2 %) 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° Celsius. Dies sind Panels aus Graphitfasern in einer Matrix aus Kohlefasern, 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 rotglühend 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. Sie galten als der empfindlichste Teil des Schutzschildes, auch weil es sehr aufwendig war, sie zu befestigen. Es vergingen Jahre, bis die richtige Methode gefunden war und sie verzögerten das Shuttle-Programm um fast zwei Jahre.
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 beim Wiedereintritt stark erhitzt wird. Damals bat die NASA das DoD um Amtshilfe und ließ den unteren Hitzeschutzschild der Columbia durch KH-11 Spionagesatelliten fotografieren. Es zeigte sich kein gravierender Verlust. Trotzdem war das Erste, was der Kommandant von STS-1 John Young nach der Landung tat, ein Spaziergang um und unter das Shuttle. Dreimal gab es auch bei STS-107 die Anforderung verschiedener NASA Stellen den Hitzeschutzschild durch einen Aufklärungssatelliten des US-Verteidigungsministeriums zu fotografieren. Dies wurde aber von der Missionsleitung abgelehnt.
Bei den folgenden Flügen verloren Shuttles immer wieder Kacheln, wenn auch nicht in der Menge wie beim Erstflug. 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.
Die RCC-Panels sind dagegen fest montiert. Es sind relativ große Einzelstücke. Es gab während des gesamten Programms keinerlei Probleme mit ihnen.
Der Shuttle-Tank ist der einzige Teil des Systems, der nicht wiederverwendbar ist. Er sollte daher möglichst billig zu produzieren sein. Daher wurde beschlossen, die Isolierung aufzusprühen und nicht fest anzubringen. Der Tank enthält flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff bei Temperaturen von -183 bzw. -251° Celsius. Der Tank muss daher isoliert werden. Dies geschieht durch einen Polyurethanschaum, der auch gebräuchlich ist, um z.B. Fugen zu isolieren. Er wird auf den Metalltank aufgesprüht und nach dem Aushärten noch rot lackiert. Der Lack dient dazu, den Eintritt von Wasser zu verhindern, dass durch die flüssigen Gase zu Eis gefrieren würde. Das Eis würde die Isolierung aufbrechen lassen. 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 davon abfielen. Die Isolation ist im Durchschnitt 25 mm stark und wiegt 2.188 kg. An bestimmten Stellen, die thermisch stärker beansprucht werden, ist der Schild allerdings dicker und erreicht bis zu 8 cm Stärke. Die mittlere Dichte des Schaumes beträgt nur 0,04 g/cm³.
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 Shuttles angebracht ist. Es schlug nach 0,2 s auf den linken Flügel des Orbiters auf und zerbrach in mehrere Stücke. Da das Space Shuttle sich zu diesem Zeitpunkt bereits in 20 km Höhe befand, waren die Aufnahmen der bodengestützen Kameras nur unscharf. Auch konnte das Ereignis selbst nur auf je einer Video- und Filmkamera andeutungsweise gesehen werden, da keine der Kameras eine optimale Position hatte, um den Einschlag zu beobachten.
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 dieser Stelle die Schaumisolierung so dick ist. Trotz der hohen Geschwindigkeit zerbröselte der Schaum aber bei den Versuchen 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 zu berechnen, um die Flugbahn des Stückes zu ermitteln. Es zeigte sich dabei, dass es nicht wie vorher vermutet auf der Flügelunterseite, sondern auf der Flügelkante aufschlug.
Die Flügelkante besteht aber aus größeren 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 ein RCC-Panel der Atlantis, die gerade
generalüberholt wurde, in einem Versuch mit einem Schaumstoffstück derselben
Größe und Masse beschoss, erhielt 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, auf dem
der Brocken aufschlug. Von nun an hatte die Columbia ein Loch unbekannter
Größe im linken Flügel.
Durch dieses konnte dann das bis zu 1.648°C heiße Gas in den Flügel eindringen, 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 offen liegende Fläche sich rasch vergrößerte. Die Auswertung des geborgenen Datenrekorders, der noch bis 14 s 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-Triebwerke. Sie konnten aber die Columbia nicht mehr stabilisieren. Dies war um 14:00:18 Uhr. Danach reißt der Datenstrom des Bandrekorders ab. Die CAIB sah dies als den Zeitpunkt an, an 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 waren, bevor die Space Shuttles erneut fliegen konnten. 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. Nun lösten schon kleine, nur wenige Zentimeter große Stücke Schlagzeilen aus (die man dank erstmals am Tank angebrachter Kameras 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 Canadarms 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 für einen Rettungsstart innerhalb von 40 Tagen 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 war, dass die NASA das Vertrauen in die Space Shuttles verloren hatte. Zwar war das Space Shuttle Programm schon früher in der Kritik – die Flüge waren immer teurer als jede nicht wiederverwendbare Trägerrakete. Aber die Fähren galten nach den Änderungen nach dem Verlust der Challenger 17 Jahre früher als sicher. Damals war die NASA am Verlust schuld. Sie ließ die Fähre starten, obwohl Techniker des Herstellers der Booster darauf hinwiesen, dass die Dichtungen der Feststoffbooster nicht für die damals herrschenden tiefen Temperaturen ausgelegt waren und es Probleme mit ihnen schon bei früheren Flügen bei niedrigen Temperaturen gab. Es 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, blieben aus.
Der Verlust der Columbia zeigte, dass die Raumfähren zwar gegen bekannte Risiken abgesichert werden können, es aber 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. Sie bieten so mehr inhärente Sicherheit. Dies ist auch der Grund, warum die NASA bei Orion wieder auf die kegelförmigen Kapseln der Apollo Ära zurückkam. Dies zeigt auch das von der NASA postulierte LOC-Risiko (Loss of Crew: Tod der Besatzung):
|
Programm |
LOC Risiko |
|---|---|
|
Gemini |
1:200 |
|
Apollo |
1:1000 |
|
Orion (geplant) |
1:2032 |
|
Shuttle geschätzt vor STS-107 |
1:308 |
|
Shuttle geschätzt nach STS-107 |
1:80 / 1:60 (ISS/Hubble Mission) |
|
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 ein wie nach dem Challenger Verlust. Anders kann der Vertrauensverlust nicht deutlich gemacht werden. So verwundert es nicht, das schon vor der Wiederaufnahme der Flüge im September 2004 der Beschluss erfolgte, die Space Shuttles auszumustern.
Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.
Das erste bemannte Raumfahrtprogramm der USA, das Mercuryprogramm begann schon vor Gründung der NASA und jährt sich 2018 zum 60-sten Mal. Das war für mich der Anlass, ein umfangreiches (368 Seiten) langes Buch zu schreiben, das alle Aspekte dieses Programms abdeckt. Der Bogen ist daher breit gestreut. Es beginnt mit der Geschichte der bemannten Raumfahrt in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Es kommt dann eine ausführliche technische Beschreibung des Raumschiffs (vor 1962: Kapsel). Dem schließt sich ein analoges Kapitel über die Technik der eingesetzten Träger Redstone, Little Joe und Atlas an. Ein Blick auf Wostok und ein Vergleich Mercury bildet das dritte Kapitel. Der menschliche Faktor - die Astronautenauswahl, das Training aber auch das Schicksal nach den Mercurymissionen bildet das fünfte Kapitel. Das sechs befasst sich mit der Infrastruktur wie Mercurykontrollzentrum, Tracking-Netzwerk und Trainern. Das umfangreichste Kapitel, das fast ein Drittel des Buchs ausmacht sind natürlich die Missionsbeschreibungen. Abgeschlossen wird das Buch durch eine Nachbetrachtung und einen Vergleich mit dem laufenden CCDev Programm. Dazu kommt wie in jedem meiner Bücher ein Abkürzungsverzeichnis, Literaturverzeichnis und empfehlenswerte Literatur. Mit 368 Seiten, rund 50 Tabellen und 120 Abbildungen ist es das bisher umfangreichste Buch von mir über bemannte Raumfahrt.
Mein erstes Buch,
Das Gemini Programm: Technik und Geschichte
Mein zweites Buch,
Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation
Das Buch
Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation
Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.
Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.
Das bisher letzte Buch
Skylab: Amerikas einzige Raumstation
Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert. Die Bücher kann man auch direkt beim Verlag bestellen. Der Versand ist kostenlos und wenn sie dies tun erhält der Autor auch noch eine etwas höhere Marge. Sie erhalten dort auch die jeweils aktuelle Version, Bei Amazon und Co tummeln sich auch die Vorauflagen.
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