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Raumfahrt,

 

Weltraumfahrt, Astronautik, Kosmonautik, die Erforschung und Erschließung des erdnahen Weltraums sowie des Sonnensystems mithilfe unbemannter Geräte und durch den Menschen im Raum selbst. Die Beschränkung der Raumfahrt auf diese Bereiche hat ihre Ursache in den großen Entfernungen der nächsten Sterne (4,07 · 10¹³ km = 4,3 Lichtjahre für den erdnächsten Fixstern Proxima Centauri) und der damit verbundenen Flugzeit, die bei der heute verfügbaren Höchstgeschwindigkeit rund 100 000 Jahre für nahe Fixsterne betragen würde. Neben der Erweiterung des Kenntnisstandes durch wissenschaftliche Untersuchungen gewinnen die Anwendung und unmittelbare Nutzung für die Erde und die kommerzielle Verwendung der im Rahmen der Raumfahrt entwickelten Techniken auf der Erde immer größere Bedeutung.

 

 Grundlagen und Aufgabenstellung

 

Raumfahrt ist durch zwei Aufgabenstellungen gekennzeichnet: 1) Flug in und durch den Weltraum sowie die Möglichkeit einer Rückkehr zur Erde und 2) Durchführung von Unternehmungen und Aktivitäten im Weltraum.

 

Raumtransport, der Zugang zum Weltraum, ist die Schlüsselaufgabe und die Basis aller Raumfahrtunternehmungen. Die Durchführung ist aus physikalischen Gründen äußerst schwierig. Um einen Körper so in den Weltraum zu transportieren, dass er eine Erdumlaufbahn erreicht, muss er eine Geschwindigkeit von mindestens 7,9 km/s (Kreisbahngeschwindigkeit) aufweisen. Das Verlassen des erdnahen Bereichs erfordert 11,2 km/s (Fluchtgeschwindigkeit); um bis in das Sonnensystem vorzustoßen, benötigt man etwa 16,7 km/s.

 

Als Transportmittel dienen Raketen, da nur das Raketen- oder Rückstoßprinzip im Vakuum des Weltraums als Antrieb infrage kommt und derzeit und in absehbarer Zukunft nur Raketen Geschwindigkeiten der erforderlichen Größenordnung erreichen können. Die einzige zurzeit verfügbare technische Lösung sind Raketen mit chemischen Treibstoffen, die nach dem Einsatz im Allgemeinen verloren gehen. Erst die Verfügbarkeit von Trägerraketen, abgeleitet aus den militärischen Programmen für Raketenwaffen, ermöglichte 1957 den Beginn von Raumfahrtaktivitäten. Als neue Aspekte kamen die Wiederverwendung einzelner Elemente der Transportsysteme bei verringerter Nutzlast (beim Raumtransporter der USA, 1981) sowie der Flugzeugstart (Pegasus, mit B-52-Flugzeugen, 1990) hinzu.

 

Bei erdnahen Missionen erreicht die Nutzlast nur wenige Prozent der Startmasse, zunehmende Erdentfernung sowie eine Rückkehr bedeuten weitere Verringerungen, sodass die Nutzlast bei Startmassen zwischen 20 t und 2 000 t meistens zwischen einigen 100 kg und einigen 10 t liegt; diese Massenbegrenzung ist ein Grund für die in der Raumfahrt notwendige Miniaturbauweise. Die Zuverlässigkeit der Trägersysteme beträgt etwa 95-98 %.

 

 Unternehmungen im Weltraum

 

Raumfahrtunternehmungen erfordern weitgehende Autonomie und extreme Zuverlässigkeit der eingesetzten Systeme und Geräte; darüber hinaus bedingen Schwerelosigkeit, Vakuum, Strahlung, Temperatureinflüsse und Mikrometeoriten im Weltraum ebenso wie die Umgebungsbedingungen auf anderen Himmelskörpern eine »Härtung« gegenüber diesen Effekten. Die zu befördernde Nutzlast spielt als dimensionierender Faktor für die Trägersysteme eine wesentliche Rolle, wobei wegen der erforderlichen Zusatzeinrichtungen nur ein kleiner Anteil für die eigentliche Aufgabe verwendet werden kann. Die Fortschritte in der Raumfahrt zeigen sich v. a. in der Satelliten- und Raumsondentechnik. Seit dem Start der ersten Satelliten, die nur einzelne Messungen vornahmen, wurden immer komplexere Systeme mit einer Vielzahl von Einrichtungen bei verringerter Masse eingesetzt. Die Komplexität bedeutet auch, dass die Raumfahrt des Zusammenspiels von Mensch und ferngesteuertem, automatisiertem System bedarf.

 

Die Aufgaben der unbemannten Raumfahrt, wie Messungen, Signalübertragung oder Ähnliches, sind meist der wissenschaftlichen Raumfahrt und dem Bereich der Dienstleistungen (Wettersatelliten, Nachrichtensatelliten) zuzurechnen. - Der kleinste aktive Satellit war Vanguard 1 (USA) mit 1,48 kg Masse und 0,16 m Durchmesser, die größten unbemannten Raumflugkörper sind Aufklärungssatelliten, LDEF (Long Duration Exposure Facility; Untersuchungsgerät für die Langzeiteinwirkung des Weltraums; USA) mit der Größe eines Omnibusses und GRO (Gamma Ray Observatory, USA) mit etwa 17 t Masse.

 

Die bemannte Raumfahrt verlagert einen Teil des Personaleinsatzes, den eine Raumfahrtmission erfordert, in den Weltraum, um durch die spezifischen Fähigkeiten des Menschen Programme vor Ort effektiver durchführen zu können. Seit dem Beginn der Raumfahrt wurden über 200 bemannte Flüge durchgeführt, an denen viele Hundert Raumfahrer teilnahmen. Die Zuverlässigkeitsanforderungen für bemannte Raumfahrtmissionen sind wesentlich höher als bei unbemannten, sodass bei ihnen die Rate schwerer Fehlschläge deutlich niedriger liegt. Bis 1991 verunglückten bei drei Missionen insgesamt neun Raumfahrer.

 

Bemannte Raumfahrzeuge sind wegen der Größe des Menschen und der Notwendigkeit von Lebenserhaltungs-, Rückkehr- und Bergungseinrichtungen wesentlich schwerer als vergleichbare unbemannte Geräte. Die Mindestmasse liegt bei etwa 1,5 t (Raumkapsel Mercury für einen Astronauten), das größte derzeit eingesetzte Raumfahrzeug ist der Orbiter der US-Raumfähre mit sieben Astronauten, etwa 70 t Leermasse und der Größe eines mittelgroßen Flugzeugs.

 

Der Nutzen der bemannten Raumfahrt wird häufig wegen der erforderlichen Finanzmittel, der Ausrichtung der Programme, der Fortschritte bei der Automatisierung und Robotik infrage gestellt. Ein Vergleich der Programmergebnisse bemannter und unbemannter Missionen bei der Monderforschung zeigt jedoch die Überlegenheit des Menschen bei komplexen Aufgaben. Seine Fähigkeit, im Raum Reparaturen an Raumfahrzeugen und Satelliten durchzuführen, Korrekturen während der Mission vorzunehmen, den Ausbau von Raumstationen zu bewerkstelligen u. a., beweisen viele Beispiele.

 

 Raumfahrtprogramme

 

Wissenschaftliche Untersuchungen im Weltraum betreffen Astronomie und Astrophysik sowie Beobachtungen der Erde und des erdnahen Raumes. Die Raumfahrt ermöglicht außerhalb der Erdatmosphäre astronomische Beobachtungen in Wellenlängenbereichen, die sich einer erdgebundenen Beobachtung entziehen oder durch die Atmosphäre gestört werden, in manchen Fällen sind Geräte vor Ort (Sonden) die einzige Möglichkeit für derartige Untersuchungen. Die Beobachtung der Erde aus dem Weltraum stellt das einzige Mittel dar, globale Tendenzen und Zusammenhänge zu erfassen.

 

Die Erforschung des Sonnensystems erstreckt sich auf sämtliche Planeten außer Pluto sowie auf eine Vielzahl von Monden und liefert neben Messungen physikalischer Parameter der Umwelt auch detaillierte Bilder. Satelliten wurden in Umlaufbahnen um Mars, Venus und Jupiter gebracht. Auf den erdnahen Planeten wurden Sonden, auf dem Mars ein kleines Fahrzeug und in der Jupiteratmosphäre eine Kapsel abgesetzt. Der Mond war v. a. in der Anfangsphase der Raumfahrt ein wichtiges Forschungsobjekt. Der Nahbereich der Sonne wurde v. a. durch die Sonnensonden Helios A und B erforscht, der durch die Sonne beeinflusste Weltraum sowohl durch interplanetare Sonden (Ulysses) als auch mithilfe von Erdsatelliten. - Der Halleysche Komet war 1986 das Ziel von fünf Missionen, die erste Nahaufnahmen (Raumsonde Giotto) und Detailinformationen über einen Kometen brachten. Außerdem erfolgten Vorbeiflüge an Asteroiden.

 

Astronomische und astrophysikalische Untersuchungen werden in allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums durchgeführt, im sichtbaren Bereich z. B. mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops und des Astrometriesatelliten Hipparcos, im Röntgen- und Gammastrahlenbereich durch den Röntgensatelliten ROSAT und das Gammastrahlenobservatorium GRO, im Infrarotbereich durch den Infrarotastronomiesatelliten IRAS.

 

Weltraumgestützte Untersuchungen der Erde und des erdnahen Weltraums betreffen die Massenverteilung und Form der Erde, ihr Magnetfeld, die Struktur der äußeren Atmosphäre über 80 km Höhe und die Strahlungsgürtel sowie atmosphärische Erscheinungen in den Polargebieten. Für die Klimaforschung werden Messdaten über die Struktur, Zusammensetzung, Verschmutzung und Temperaturverteilung der Atmosphäre sowie über die Ozeane geliefert.

 

Die Mikrogravitations- und Schwerelosigkeitsforschung ist ein neuerer Zweig der Wissenschaft, die das Verhalten von Materialien sowie die Veränderung physikalischer Prozesse unter den Bedingungen geringster Gravitationswirkung untersucht; Versuche werden sowohl im Weltraum als auch mithilfe von Höhenraketen durchgeführt. Ziel sind die Verbesserung von Werkstoffen, die Herstellung spezieller Substanzen, die Durchführung biologischer Untersuchungen an Pflanzen und Tieren sowie medizinische Untersuchungen am Menschen.

 

Die Raumfahrt wurde v. a. durch militärtechnische Entwicklungen - leistungsfähige Raketen großer Reichweite für den Transport von Nuklearwaffen, die auch für Raumfahrtaufgaben eingesetzt werden können - wesentlich gefördert. Aufbauend auf die in Deutschland beim Bau der A 4 (V 2) gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse entwickelten die USA und die UdSSR schubstarke Raketen, sodass die UdSSR mit einer Interkontinentalrakete 1957 den ersten Satelliten »Sputnik« starten konnte. Der Sputnikschock löste in den USA umfangreiche Aktivitäten aus und war dort auch Anlass für die Intensivierung von Raumfahrtprogrammen mit zivilen und militärischen Aufgaben.

 

Die Stationierung von Massenvernichtungswaffen im Weltraum oder auf nahen Himmelskörpern ist durch internationale Verträge verboten. Weltraumverteidigung (SDI) beinhaltet das Konzept einer Abwehr von Raketen (über die gesamte Flugbahn) mithilfe von Waffen, die sowohl im Weltraum als auch auf der Erde stationiert werden sollen. - Gegenwärtig umfasst die Nutzung der Raumfahrt für militärische Zwecke primär den Einsatz von Satelliten zur Beobachtung, Aufklärung, Überwachung, Kommunikation und Navigation. Die USA geben jährlich etwa zwei Drittel der Raumfahrtaufwendungen dafür aus; für die UdSSR beziehungsweise deren Nachfolgestaaten liegen keine Zahlen vor. Die übrigen Nationen betreiben militärische Raumfahrt nur in geringem Umfang.

 

 Wirtschaftliche Aspekte

 

Die Raumfahrt ist durch komplexes Handeln, technische Höchstleistungen und neuartige Problemlösungen, hochzuverlässige Großsysteme, Nutzung geringster Ressourcen und Effektivitätsmaximierung charakterisiert. Die damit verbundenen Entwicklungen können auch in vielen Bereichen außerhalb der Raumfahrt genutzt werden (Technologietransfer, »Spin-off«).

 

Ein direkter wirtschaftlicher Nutzen liegt - wenn man von Anwendungen wie Nachrichten-, Erderkundungs-, Wettersatelliten u. a. absieht - nur vereinzelt vor, da für auf der Erde einzusetzende Geräte eine mit der Raumfahrt identische Verwendung aus Kostengründen in der Regel nicht sinnvoll ist. Ein indirekter wirtschaftlicher Nutzen lässt sich dagegen auf Gebieten wie Luftfahrt, Verteidigung, Datenverarbeitung, Elektronik, medizinische Einrichtungen, Telekommunikation, Transport und Verkehr, Energie- und Kraftwerkstechnik, Chemie und Verfahrenstechnik, Werkstofftechnik sowie Robotik und Automatisierung belegen.

 

Die Finanzierung der Raumfahrt erfolgt großenteils durch staatliche Mittel. Die jährlichen Aufwendungen liegen bei über 70 Mrd. DM, was etwa 0,16 % des globalen Bruttosozialprodukts (BSP) entspricht. Die Werte für Deutschland liegen bei 1,5 Mrd. DM jährlich, gleichbedeutend mit 0,04 % des BSP oder 20 DM je Bürger und etwa 2 % der deutschen Forschungsausgaben. Die Kosten für den Start einer großen Trägerrakete betragen etwa 200 Mio. DM, das entspricht spezifischen Transportkosten (Verhältnis Startkosten zu Nutzlast) von 20 000 DM/kg für eine niedere Erdumlaufbahn. Große Satelliten kosten viele 100 Mio. DM, mehr als 100 000 DM/kg.

 

Die Programmkosten hängen vom Umfang und der technischen Aufgabenstellung ab: Das Apollo-Programm erforderte etwa 50 Mrd. $ (1970), die Entwicklung des US-Raumtransporters (bis 1981) etwa 12 Mrd. $.

 

 Perspektiven der Raumfahrt

 

Die Raumfahrt Europas wird durch die Europäische Raumfahrtorganisation ESA (European Space Agency), die mit der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA (National Aeronautics and Space Administration) vergleichbar ist, koordiniert. Ihr stehen jährlich etwa 5 Mrd. DM zur Verfügung, die von den Mitgliedsländern aufgebracht werden und bei der Auftragsvergabe den nationalen Institutionen zufließen.

 

Unbemannte Missionen werden sich weiter auf das Sonnensystem beschränken, während der bemannte Zweig weiterhin nur den erdnahen Bereich umfassen wird. Forschung und Nutzung mithilfe unterschiedlichster Satelliten bestimmen die Unternehmungen, während die Kommerzialisierung nur langsam voranschreiten wird. Mit dem schrittweisen Aufbau einer internationalen Raumstation wurde 1998 begonnen. Eine Wiederaufnahme der Monderforschung durch eine dauernd bemannte Mondbasis oder die bemannte Marserforschung ist frühestens im 21. Jahrhundert zu erwarten.

 

Sowohl für bemannte als auch für unbemannte Raumfahrtunternehmungen wird sich das Problem des »Weltraumschrotts« im erdnahen Bereich verstärken. Millionen von Trümmerteilchen (v. a. Reste alter Satelliten und ausgebrannter Raketenoberstufen) stellen bei den hohen Geschwindigkeiten in Erdumlaufbahnen eine erhebliche Gefährdung künftiger Raumfahrtunternehmungen dar, sodass die Entwicklung wirkungsvollerer Schutzschilde zunehmend an Bedeutung gewinnt.

 

 Geschichte

 

Raumfahrt ist die Realisierung des uralten Traums des Menschen, selbst zu den Sternen zu fliegen und den Himmel zu erreichen. Schon in den Mythen früher Völker taucht der Gedanke einer solchen »bemannten Raumfahrt« auf. Der griechische Schriftsteller Lukian verfasste um 160 n. Chr. die ersten bekannten Schriften zu diesem Thema: zwei Reisen zum Mond, die er als »wahre Geschichten« bezeichnete. J. Keplers »Somnium seu astronomia lunaris« (»Traum oder Astronomie des Mondes«) mit der Beschreibung des Lebens der Mondbewohner erschien 1634. Mit der technischen Durchführung einer Expedition zum Mond befasste sich erstmals J. Verne (»De la terre à la lune«, 1865; deutsch »Von der Erde zum Mond«).

 

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begannen v. a. der Russe Nikolaj Iwanowitsch Kibaltschitsch (* 1854, ✝ 1881) und H. Ganswindt mit Überlegungen, wie man Rückstoßapparate für die Raumfahrt einsetzen könnte. Technisch-wissenschaftliche Arbeiten folgten um die Wende zum 20. Jahrhundert durch K. E. Ziolkowskij, R. H. Goddard und H. Oberth. Grundsätzliche Überlegungen, Untersuchungen zu Raumflugbahnen und die Erkenntnis, dass nur Raketen für die Raumfahrt infrage kommen, sind v. a. mit den Namen E. Sänger, S. P. Koroljow, W. von Braun, M. Valier und R. Nebel verbunden.

 

Mit dem Start des ersten Erdsatelliten Sputnik 1 am 4. 10. 1957 durch die UdSSR begann das »Raumfahrtzeitalter«. Der erste amerikanische Satellit Explorer 1 folgte am 31. 1. 1958. Am 12. 4. 1961 wurde der erste bemannte Raumflug mit J. Gagarin (Raumkapsel Wostok 1) durch die UdSSR durchgeführt, dem die Programme Woschod und Sojus folgten. Auf amerikanischer Seite begannen diese Aktivitäten mit dem Mercury-Programm (erste Erdumkreisung durch J. Glenn am 20. 2. 1962) und gingen über das Gemini-Programm bis zum Apollo-Programm, das - nach Vorbereitung durch unbemannte Geräte wie Ranger, Surveyor und Lunar Orbiter - in der Mondlandung der Astronauten N. Armstrong und E. Aldrin bei der Apollo-11-Mission am 20. 7. 1969 mündete. Mit Apollo 17 endeten nach sechs Mondlandungen 1973 vorerst bemannte Raumflüge jenseits der üblichen Erdumlaufbahnen. Neben der Intensivierung unbemannter Raumfahrtprogramme für wissenschaftliche und kommerzielle Zwecke wurde in den 70er- und 80er-Jahren auch die bemannte Raumfahrt fortgeführt. Die USA setzen hierfür seit 1981 den Raumtransporter Spaceshuttle ein. Die UdSSR startete 1986 die Raumstation Mir. 1998 wurde mit der Installierung der ISS begonnen.

 

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie v. a. auch in den folgenden Artikeln:

 

Apollo-Programm · militärische Satelliten · Nachrichtensatelliten · Rakete · Raketentriebwerk · Raketenwaffen · Raumstation · Satellit · Wettersatelliten

 

Literatur:

 

Allgemeines:

 

Progress in astronautics and aeronautics, Bd. 9 ff. (New York 1963 ff., früher u. a. T.);

 E. Sänger: R. heute, morgen, übermorgen (1963);

 

Theorie u. Technik der Raumfahrzeuge, hg. v. H. H. Koelle (a. d. Engl., 1964);

 W. von Braun: Bemannte R. (a. d. Amerikan., 1968);

 H. O. Ruppe: Die grenzenlose Dimension. R., 2 Bde. (1980-82);

 

Material sciences in space, hg. v. B. Feuerbacher u. a. (Berlin 1986);

 

Hb. der R.-Technik, hg. v. W. Hallmann u. a. (1988);

 J. von Puttkamer: Rückkehr zur Zukunft. Bilanz der R. nach Challenger (1989);

 J. Rüttgers: Europas Weg in den Weltraum (1989);

 

The Cambridge encyclopedia of space, hg. v. M. Rycroft (a. d. Frz., Cambridge 1990);

 

R.-Aktivitäten in der Bundesrep. Dtl. Tagungsbericht (1991);

 Klaus Müller: Fachwörterbuch Luft- u. R. (1994).

 Geschichte:

 

H. Oberth: Wege zur Raumschiffahrt (³1929, Nachdr. 1986);

 

Männer der Rakete, hg. v. W. Brügel (1933);

 E. Sänger: Raketen-Flugtechnik (1933);

 W. Ley u. W. von Braun: Die Erforschung des Mars (a. d. Amerikan., 1957);

 W. Ley: Rockets, missiles, and men in space (Neuausg. New York 1968);

 W. Büdeler: Gesch. der R. (²1982);

 W. Hohmann: Die Erreichbarkeit der Himmelskörper (³1994);

 A. Bärwolf: Die Marsfabrik. Aufbruch zum roten Planeten (1995);

 R. Eisfeld: Mondsüchtig. Wernher von Braun u. die Geburt der R. aus dem Geist der Barbarei (1996);

 J. von Puttkamer: Jahrtausendprojekt Mars (1996).

 Zeitschriften u. Jahrbücher:

 

Journal of the British Interplanetary Society (London 1934 ff.); Journal of spacecraft and rockets (New York 1964 ff.); Acta Astronautica (Oxford 1974 ff.); Ztschr. für Flugwiss. u. Weltraumforschung (1977 ff.); Aerospace America, Jg. 22 ff. (New York 1984 ff.; früher u. a. T.); Jane's spaceflight directory (London 1984 ff.).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Raumflugkörper: Lenkung und Navigation

 

Apollo-Programm: Der Schritt des Menschen ins All

 

Raumfahrt: Visionen und Realitäten - Eine kurze Bilanz

 

Raumfahrttechnik: Antrieb und Bahnmechanik

 

Raumfahrttechnik: Raketen, Trägersysteme, Raumtransporter

 

Weltraum: Ein einzigartiger Forschungsstandort

 

Raumfahrttechnik: Aufgaben der bemannten Raumfahrt

 

Raumfahrttechnik: Erdbeobachtung

 

Raumfahrt im 21. Jahrhundert: Evolution und Vision

 

Raumfahrt: Warum drängt der Mensch in den Weltraum?

 

bemannte Raumfahrt: Die internationale Raumstation ISS