mini|Schematische Übersicht über einen möglichen Weltraumlift mini|Animation eines Weltraumlifts: Ein Satellit (grüner Punkt) im geostationären Orbit fliegt direkt hinter dem Kabel. Die Gesamtlänge von Gegengewicht (pink) bis Erdoberfläche beträgt 60.000 km. 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 Kilometern 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 russischsprachiges Interview erschien 1960, im Ausland waren seine Arbeiten dazu jedoch 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 hätte tausende Weltraumflüge mit einem Space Shuttle erfordert.

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.National Space Society: Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium (pdf, englisch) 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 übertraf das von Stahl bis um das 100-fache. Da Kohlenstoff in der Atmosphäre oxidiert, müsste das Material beschichtet werden.

Ende Juni 2004 teilte der Leiter des Weltraumfahrstuhlprojekts Bradley Edwards in Fairmont, West Virginia mit, dass ein Prototyp bereits in 15 Jahren 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 mini|Energiebilanz beim Weltraumlift mini|Abkoppeln vom Weltraumlift

Es wird geschätzt, dass mittels eines Weltraumlifts die herkömmlichen Transportkosten ins All von gegenwärtig 12.000Erfolgsstory Raumtransport: Wie Phoenix aus der Asche. 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 35.786km über dem Äquator hochzuheben, wird eine physikalische Arbeit von 48,4Megajoule benötigt.Berechnung der physikalischen Arbeit zum Anheben einer Masse in eine geostationäre Umlaufbahn (Höhe: 35.786km über dem Äquator) ≈ 48,4MJ ≈ 13,5kWh: 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 143.785km gehoben werden.Berechnung der Höhe bis zur ausgeglichenen Energie-Bilanz (Höhe: 143.785km über dem Äquator):

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.Critical Technologies for the development of future Space Elevator Systems, David V. Smitherman, NASA Dokument Nr. IAC05-D4.2.04,2004

Material für das Seil

mini|Dyneema-Seildurchmesser beim Weltraumlift

Jedes Segment des Seils muss mindestens das Gewicht der darunterliegenden Seilsegmente zuzüglich der Nutzlastkapazität halten können. Je höher das betrachtete Seilsegment liegt, desto mehr Seilsegmente muss es halten. Ein optimiertes Seil besitzt also mit zunehmender Höhe einen größeren Querschnitt, bis sich dieser Trend auf geostationärem Orbit umkehrt, da ab dort die resultierende Kraft der Seilsegmente erdabgewandt wirkt.The physics of the space elevator, P. K. Aravind, Department of Physics, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Massachusetts, Nov. 2006

Bei einer gegebenen spezifischen Zugfestigkeit eines Materials wird also der minimale Querschnitt an der Basisstation allein durch die Nutzlastkapazität festgelegt. Weiter ist dann auch die optimale weitere Querschnittsentwicklung festgelegt. Das Verhältnis vom größten Seilquerschnitt zum kleinsten wird taper ratio genannt. Sie und die Nutzlastkapazität legen letztlich die Gesamtmasse des Seils fest.

Grundsätzlich lässt sich bei optimiertem Seildurchschnitt mit jedem Material ein Weltraumlift errichten, indem der Querschnittszuwachs entsprechend rapide gewählt wird bzw. eine große taper ratio verwendet wird. Die Ökonomie diktiert hierbei letztlich das Limit der noch sinnvollen Werte in dieser Größe.

Ein gewöhnliches Stahlseil konstanten Querschnittes würde bereits ab einer Länge von vier bis fünf Kilometern unter seinem eigenen Gewicht reißen (materialspezifische Reißlänge), Hochleistungsstahlseile für Seilbahnen, deren Reißfestigkeit mit Kevlar vergleichbar ist, kämen auf rund 30 km. Neue Werkstoffe, deren Reißfestigkeit weit jenseits der von Kevlar liegt, sind deswegen ein entscheidender Faktor für eine zukünftige Realisierung dieses Unternehmens. Nach den bisherigen Forschungen kommen drei Möglichkeiten in Frage:

Kohlenstoffnanoröhren scheinen die Reißlänge von Kevlar noch einmal um den Faktor fünf zu übertreffen, Berechnungen von Nicola Pugno des Polytechnikums in Turin ergaben jedoch, dass bei der Verwebung von Kohlenstoffnanoröhren zu längeren Seilen die Reißfestigkeit des Seils gegenüber der Reißfestigkeit einzelner Nanoröhren um ca. 70 % abnimmt. Grund dafür sind unvermeidliche Kristallbaufehler, die gemäß Pugnos Modell die Belastbarkeit des Seils auf ca. 30 Gigapascal reduziert. Berechnungen der NASA zufolge wäre jedoch ein Material mit einer Belastbarkeit von etwa 62 Gigapascal notwendig, um den auftretenden Kräften zu widerstehen. Außerdem ist es bisher keinem Labor gelungen, ein zusammenhängendes Seil zu erschaffen, das länger als 100 Meter ist. Einen zusätzlichen Kosten- und Gewichtsfaktor stellt die Beschichtung des Seils dar, denn Kohlenstoffnanoröhren oxidieren und erodieren in der Atmosphäre.

Vielversprechend ist auch die UHMW-Polyethylen-Faser Dyneema, die bei vertikaler Aufhängung eine Reißlänge von 400 km erreicht und somit alle konventionellen Werkstoffe um ein Vielfaches und sogar Spinnenseide um den Faktor zwei übertrifft. Gegen die Verwendung von Dyneema spricht allerdings, dass der Schmelzpunkt von Dyneema zwischen 144 °C und 152 °C liegt und dass die Festigkeit von Dyneema zwischen 80 °C und 100 °C deutlich nachlässt. Außerdem wird Dyneema unter −150 °C brüchig. Alle diese genannten Temperaturen treten im Weltraum häufig auf.Focus Online, Transport durchs All: Das Projekt Weltraumlift, Michael Odenwald 5.10.2009, abrufbar unter https://www.focus.de/wissen/weltraum/odenwalds_universum/mega-brennstoff-aus-dem-all-raumfahrtvisionen_id_1816093.html

mini|Graphen-Lift, konstanter Querschnitt mini|Graphen-Lift, konstante Belastung Ein neues, noch wenig erforschtes Material ist Graphen. Der Elastizitätsmodul entspricht mit ca. 1020 GPa dem von normalem Graphit entlang der Basalebenen und ist fast so groß wie der des Diamants. Wissenschaftler der New Yorker Columbia University veröffentlichten 2008 weitergehende Messergebnisse, in denen sie hervorhoben, dass Graphen die höchste Reißfestigkeit aufweise, die je ermittelt wurde. Seine Zugfestigkeit von 1,25×105 N/mm² oder 125 Gigapascal ist rund 125 mal so hoch wie die von Stahl. Stahl hat mit 7874 kg/m³ eine rund 3,5 mal höhere Dichte als Graphen mit 2260 kg/m³, so dass die Reißlänge von Graphen rund 436 mal so groß ist wie die von Stahl. In einem als homogen angenommenen Gravitationsfeld von 9,81 m/s² hätte Graphen eine Reißlänge von rund 5655 km. Tatsächlich wird aber die Schwerebeschleunigung mit zunehmender Höhe deutlich geringer, was die Reißlänge erhöht. Ein Band aus Graphen mit konstanter Querschnittsfläche (taper ratio = 1) würde in der Höhe der geostationären Umlaufbahn von 35.786 km über dem Erdäquator erst zu 87 % seiner Reißfestigkeit belastet werden (siehe das Bild). In noch größerer Höhe würde die Zugbelastung dann wieder absinken. Wenn das Graphen-Seil bei konstanter Querschnittsfläche 143.780 km lang wäre, dann wäre es in völligem Gleichgewicht mit der Gravitationsbeschleunigung der Erde und der Zentrifugalbeschleunigung durch die Rotation der Erde. In der Höhe von 143.780 km über dem Erdäquator würde eine Nettobeschleunigung von 0,78 m/s² nach oben wirken, und es wäre eine Tangentialgeschwindigkeit von 10.950 m/s vorhanden, was den Start von Raumsonden begünstigen würde. Graphen und Graphit haben einen Schmelzpunkt von rund 3700 °C. 76 cm breite, endlose Bänder aus Graphen stellt man dadurch her, dass man eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf eine Folie aus inertem Trägermaterial, wie zum Beispiel Kupfer, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufbringt, und dann das Trägermaterial auflöst. Auch für Graphen ist vermutlich eine Schutzbeschichtung notwendig.

Errichtung des Seils Bisher ist nur denkbar, das Seil von einem geostationären Satelliten herunterzulassen. Das Verhalten von langen Seilen im Weltall ist Gegenstand aktueller Forschung. Es ist denkbar, dass initial nur ein minimal tragfähiges Seil gestartet wird, das danach sukzessive verstärkt wird, bis die finale Nutzlastdicke erreicht ist.

Errichtung des Turms als Basisstation