Das automatisierte Transferfahrzeug – zur Unterstützung Europas im All Understand article

Übersetzt von Anne Käfer. Woher bekommen die Astronauten ihr Essen? Was passiert mit ihrem Müll? Adam Williams von der Europäischen Weltraumorganisation in Darmstadt, Deutschland, beschreibt die Entwicklung eines unbemannten Shuttles, das die internationale Raumstation beliefert.

Stellt euch einen Doppeldeckerbus vor, der von den Außenbezirken Londons zum Wembley Stadion fährt. Wir beginnen die Reise außerhalb von Windsor (wo die Queen lebt), 30 km von Wembley, und wir beobachten, wie es langsam in das Zentrum Londons fährt. Als es Hanger Lane erreicht, ungefähr 3,5 km vom Ziel entfernt, macht es ein paar Minuten Pause, bevor es über die North Circular Road weitergeht und die Harrow Road hinauf, bis das Stadion ins Blickfeld rückt, ungefähr 0,25 km entfernt. Schließlich braucht es eine halbe Stunde, um den Weg zu einer reservierten Parknische zu finden. Sobald es sicher geparkt ist, schauen wir in den Bus – und bemerken, dass kein Fahrer an Bord ist.

Nun verschieben wir diese Reise 350 km ins All, und ersetzen das Wembley Stadion durch die Internationale Raumfahrtstation (ISS), die ungefähr dieselbe Fläche hat, wie ein Fußballfeld, aber sich mit über 27.000 km/h bewegt. Das Busfahrzeug, das sich der ISS nähert, ist das automatisierte Transferfahrzeug (ATV), das durch die Europäische Weltraumorganisation (ESA) entwickelt wurde, um zur ISS zu fliegen und automatisch an ihr anzudoggen. Während dieser letzten Phase der Annäherung gleitet es mit einer relativen Geschwindigkeit von weniger als 0,25 km/h, wobei die Positionsgenauigkeit besser als 10 cm ist.

Die ISS ist ein multi-nationales Projekt, welches zum Ziel hat, ein Labor aufzubauen und zu unterhalten, in dem Experimente unter Mikroschwerkraft durchgeführt werden können. Die Schwerkraft auf der ISS ist nicht komplett null wegen sehr kleiner Kräfte, verursacht durch solche Dinge wie die Masse der ISS selbst und Reaktionen aus der Atmosphäre Die Experimente betreffen hauptsächlich die Langzeit-Effekte der Mikroschwerkraft auf den menschlichen Körper. Wissenschaftler planen außerdem die ISS zu nutzen, um sowohl den Einfluss der Mikroschwerkraft auf die Physik von Flüssigkeiten, auf die Verbrennung und das Verhalten von Aerosolen, Ozon, Wasserdampf und Oxiden in der Erdatmosphäre, als auch kosmische Strahlen, kosmischen Müll, Antimaterie und dunkle Materie im Universum zu untersuchen.

Die Langzeitziele dieser Forschung sind es, Technologien zu entwickeln, die notwendig sind für die Untersuchung und Kolonialisierung des Weltraums und der Planeten durch den Menschen (inklusive z.B. lebenserhaltender Systeme, Sicherheitsvorkehrungen und Umwelt- Monitoring im Weltraum), neue Wege zu entwickeln, Krankheiten zu behandeln, sowie effizientere Methoden um Materialien zu produzieren, als auch genauere Messungen, die man unmöglich auf der Erde durchführen kann, und ein vollständigeres Verstehen des Universums zu entwickeln.

Die ISS wird eine permanente Crew von 6 Astronauten haben (bis April 2009 werden nur 3 Crewmitglieder ständig an Bord sein). Crew und Lieferungen werden zur und von der ISS transportiert, wobei man entweder das NASA Spaceshuttle oder das russische Raumfahrzeug Soyuz benutzt. Die Lieferungen können auch transferiert werden, indem das unbemannte russische Progress Fahrzeug benutzt wird.

Das ATV – das komplizierteste Raumfahrzeug, das jemals gebaut und gestartet wurde und durch die Europäische Raumfahrtagentur betrieben wird – wird diese Fahrzeuge unterstützen und helfen den Anteil der ESA an den ISS-Betriebskosten zu bezahlen.

Verschiedene ATVs sind geplant. Das erste, das nach dem berühmten französischen Science Fiction Autor Jules Verne benannt ist, wird an einer Ariane 5 Startrampe vom franzosischen Guyana^w1 starten. Als dieser Artikel vorbereitet wurde, war der Start für den 9.März 2008 geplant und das ATV sollte planmäßig am 3. April 2008^w2 an der ISS andocken.

Fahrzeuge, die an die ISS andocken, haben normalerweise eine manuelle Kontrolle über das finale Anlegemanöver. Spaceshuttle und Soyuz werden durch einen Piloten an Bord kontrolliert; Progress wird durch die Mitglieder der ISS-Mannschaft kontrolliert. Das ATV wird das erste Fahrzeug sein, das vollautomatisch andockt. Obwohl das ATV während seines Anflugs und Anlegens durch Bodenkontrolleure und der ISS-Crew genau überwacht wird, sollte es mit jeder Notsituation selbstständig fertig werden, ohne sich selbst oder der ISS Schaden zuzufügen oder die ISS-Crew zu gefährden.

Das ATV ist so ausgelegt, dass es über neun Tonnen Versuchsmaterialien, Ausrüstung, Öl, Wasser, Essen und andere Lieferungen von der Erde zur ISS in eine Umlaufbahn von ungefähr 350 km über der Erde bringen kann. Der erste Frachtflug wird Ersatzteile für das Europäische Columbus Labor^w3 und das ATV selbst, persönliche Gegenstände für die Crew und eine Luxusausgabe aus dem 19. Jahrhundert des Buches „De la Terre á la Lune“ (Von der Erde zum Mond), geschrieben von Jules Verne, enthalten.

Sobald das ATV an die ISS angekoppelt ist, wird sich die ISS um 22 m³vergrößern, wobei zusätzlicher Lebensraum für die ISS-Crew geschaffen wird. Während der Ankopplung wird die Ladung der Versuchsmaterialien zur ISS übertragen, zusammen mit mehr als 810 kg Wasser, 100 kg Stickstoff, Sauerstoff und Luft und fast 860 kg ISS-Treibstoff. Das ATV wird seine Schubdüsen auch nutzen, um die Umlaufbahn der 400 Tonnen schweren ISS zu korrigieren und anzupassen. Das ist notwendig; denn obwohl es nur einen sehr kleinen Anteil an Atmosphäre in einer Höhe von 350 km gibt, ist die ISS so groß, dass sie etwas Luftwiderstand verursacht. Ab und zu muss die ISS auf mehr Höhe gebracht werden, von der aus sie langsam absinkt. Ohne dies könnte die ISS letztendlich vom Himmel fallen. Das ATV kann ebenfalls für Notfallmanöver benutzt werden, wie sie erforderlich sind, wenn vorausgesagt ist, dass ein Stück Weltraumschutt die ISS trifft.

Nach ungefähr 6 Monaten wird das ATV mit festem und flüssigem Abfall von der Station beladen sein (benutze deine Phantasie! Diese leeren Tanks könnten ebenfalls etwas lagern). Es wird dann von der ISS abkoppeln und zurück zur Erde gelenkt werden, wo es über einem unbewohnten Gebiet des Pazifischen Ozeans verglüht, ohne Schaden anzurichten.

Während das ATV sich der ISS annähert und angekoppelt wird, ist die Sicherheit der Besatzung an Bord der ISS vorrangig. Die meisten Funktionen des Raumschiffs sind doppelt besetzt, d.h., dass alle Subsysteme, Einheiten, Schalter und Ventile doppelt sind, so dass das Raumschiff einen einmaligen Ausfall aushalten kann. Wenn Menschen involviert sind, müssen die Systeme dreifach besetzt sein; das ATV ist so ausgelegt, dass es zwei gleichzeitige Ausfälle bewältigen kann. Dies erhöht offensichtlich Kosten und Gewicht des Raumschiffs, obwohl schwer zu sagen ist um wie viel.

Das ATV hat z.B. ein Schubdüsensystem mit Haupt- und Zusatzschubdüsen, um es zu leiten, wenn es an die ISS andockt. Für den Fall, dass Haupt – und Zusatzschubdüsen ausfallen, hat es ein separates zweites Schubdüsensystem, kontrolliert durch völlig unterschiedliche Hard– und Software.

Dieses System wird insbesondere benutzt werden, wenn es so aussieht, als ob das ATV nicht ordnungsgemäß an die ISS andockt. Dies könnte durch ein Systemversagen innerhalb des ATV bedingt sein oder darin begründet sein, dass die Geschwindigkeit nicht wie erwartet ist, oder es kann nötig sein, wenn es ein unabhängiges Problem wie einen Feueralarm auf der ISS gibt. Die Bodenkontrolleure im ATV Kontrollzentrum in Toulouse, Frankreich, die ISS-Besatzung oder das ATV selbst können das Schubdüsensystem beauftragen, das Fahrzeug sicher von der ISS weg zu lenken. Die Kontrolleure beurteilen dann die Situation. Falls alles verstanden ist und sich korrigieren lässt, würden sie das ATV anweisen, über und hinter die ISS zu kreisen und für einen zweiten Versuch zurückzukommen. Falls das Problem nicht vollständig verstanden ist, würde das ATV 2000 km vor der ISS für weitere Untersuchungen geparkt werden.

Ein großer Teil der Komplexität der Mission von Jules Verne liegt in der Erprobung, dass diese Sicherheitssysteme genau arbeiten. Nur wenn alle lebenswichtigen Sicherheitsfunktionen fehlerlos arbeiten, wird es dem ATV erlaubt mit der ISS anzudocken (siehe Box “ Training zum Start“).

Training zum Start

Bevor das ATV gestartet werden kann, müssen sich die Bodenkontrollmannschaften des ATV-Kontrollcenters in Toulouse, Frankreich, zusammen mit den Kontrollzentren der ISS in Houston, USA, und Moskau, Russland, plus Mitglieder der ISS-Mannschaft, einer Reihe von Trainingssimulationen unterziehen. Das Folgende gibt einen Eindruck davon, was sie während eines typischen Simulationstages durchmachen.

05.00 CET: Ein Operator in Toulouse startet den Simulator, welcher das ATV-Raumschiff, die ISS, das US-Satelliten-Kommunikationsnetzwerk TDRS, den ESA-Kommunikationssatelliten Artemis und Teile der ESA und der russischen Bodenstation simuliert. Es besteht aus drei Teilen, die in drei Kontrollzentren laufen. In Moskau und Houston bereiten weitere Operatoren ihre Computer für eine multi-nationale Trainingseinheit vor.

06.30: Die Teams finden sich zur Lagebesprechung ein. Das Intercom-System, welches die Standorte verbindet, wird geprüft.

06.52: Es gibt Probleme mit dem Simulator in Toulouse, wodurch der Start der Simulation verzögert wird. Der Operator verbringt unruhige Minuten, um das Problem ausfindig zu machen. Falls der Simulator nicht richtig gestartet werden kann, wird es notwendig sein, dass einige Techniker, die um den Erdball versammelt sind, teilnehmen.

08.05: Der Startknopf wird gedrückt, und die Simulatoren beginnen Daten zu senden. Das Ankoppeln wird in ungefähr 7 Stunden erfolgen; bevor dies erfolgt, umfasst die Simulation eine Annäherung an die ISS, bis zu einem „Escape“-Manöver, welches zeigt, dass das Ankoppeln, falls nötig, abgebrochen werden kann.

08:41: Die Trainingsinstrukteure in jedem Kontrollcenter beraten sich in kleinem Kreis über die Auswirkung des verspäteten Starts. Houston kann nur für acht Stunden teilnehmen; danach werden ihre Anlagen für das Shuttletraining benötigt. Die Instrukteure entscheiden eines der geplanten Kontingente zu erhöhen, um sicherzustellen, dass das nötige Training erreicht wird.

11.28: Das ATV startet eine Reihe von Zielsuchen. Ein Problem gibt es bei den Daten des Kommunikationscenters in Oberpfaffenhofen, Deutschland. Ohne dass die Trainees es gemerkt haben, ist ein Fehler in die Kommunikationsverbindung zwischen Oberpfaffenhofen und Toulouse eingebaut worden. Dort gibt es hektische Rufe über Intercom, und die Bodenkontrolleure befassen sich sofort mit dem Problem.

14.18: Das ATV fliegt die ISS an, um Abgleichwerte für die optischen Sensoren zu sammeln, die benötigt werden, um die endgültige Ankopplung zu kontrollieren. Plötzlich ertönt eine eindringliche Stimme auf dem Intercom: „Das ist ein Notfall“. Toulouse hat jede Kommunikation zum Raumschiff verloren.

14.25: Der Ausfall ist auf ein Problem mit dem TDRS zurückzuführen – welches absichtlich durch den Instrukteur verursacht wurde. Er entscheidet, wie lange die Teams dieser kritischen Situation ausgesetzt bleiben, und dann bringt er das Problem in Ordnung. Jetzt muss Toulouse dem ATV befehlen, sich von der ISS weg zu bewegen und das Abschlussmanöver zu wiederholen, um die lebenswichtigen Abgleichdaten, die während des Kommunikationsausfalls verloren wurden, wieder zu erfassen.

15.29: Das geplante „Escape“-Manöver wird befohlen. Das ATV entfernt sich ohne Schaden anzurichten von der ISS und die Simulation ist zu Ende. Die Flugdirektoren und Traininginstrukteure diskutieren über das Intercom-System, wobei sie die wichtigsten Erfolge und Fehlschläge identifizieren, sowie alles, was verbessert oder geändert werden muss.

Trotz eines verspäteten Starts und eines langen, harten Tages ist das Team zufrieden mit dem Erreichten. Sie gehen im Hauptkontrollraum umher, und beglückwünschen sich gegenseitig, dass sie mit den Problemen, die ihnen gestellt wurden, erfolgreich umgegangen sind. Sie haben ihre Kompetenz bewiesen, dass sie das komplizierteste Raumschiff, was die ESA jemals gebaut hat, kontrollieren können, und mit steigender Zuversicht nähern sie sich der ATV-Mission an.

Die Mission wird mit dem Start und einer frühen Arbeitsphase beginnen (LEOP), wenn das Raumschiff durch einen Ariane 5 Starter in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht wird. Dies ist wahrscheinlich der riskanteste Teil der Mission, vor allem bis das ATV seine vier Sonnenpaneele ausgerichtet hat, um die benötigte Energie zu erzeugen, um das Raumschiff zu kontrollieren. Obwohl das ATV Batterien hat, um die Energie bereitzustellen, bis die Sonnenpaneele betriebsbereit sind, werden sie schließlich an Kraft verlieren, wenn die Paneele nicht arbeiten. Dann würde das Raumschiff versagen und die ganze Mission wäre verloren.

Nach LEOP wird das Raumschiff eine Serie von Manövern durchführen, um seine Umlaufbahn mit der ISS in die gleiche Phase zu bringen, wobei es sich von hinten und etwas von unten annähert. Der Anflug zur ISS kann als ein Ablauf von Wege- und Haltepunkten (siehe Box „In Annäherung an die ISS“) charakterisiert werden. Ungefähr 15 Tage nach dem Start werden der Schlussanflug und das Zusammentreffen stattfinden und das ATV wird automatisch an der ISS andocken (siehe Box“ Russisches Andocksystem“), es folgen Überprüfungen an jedem Haltepunkt. Das ATV ist ausgelegt, mit einer großen Anzahl von zeitgleichen Problemen fertig zu werden ohne sich selbst oder der ISS Schaden zuzufügen. Alles ist unabhängig voneinander – das Kontrollteam und die Besatzung sind nur dazu da, um ein Auge darauf zu haben, wenn etwas schief geht.

Nach dem Anlegemanöver wird das Raumschiff mittels Daten, die über die ISS an das Kontrollcenter in Toulouse geschickt werden, überwacht; die Software an Bord des ATV und in Toulouse kann unerwartete Situationen entdecken – alles angefangen vom defekten Ventilator bis zu einem Feuer.
Zum Schluss muss alles zu einem guten Ende gebracht werden. Das ATV wird von der ISS abkoppeln und wird unter Verglühen in die obere Atmosphäre eintauchen. Aber dies ist keine einmalige Mission. Die Ausführung und die Arbeitsabläufe, welche sich während der Mission von Jules Verne bewährt haben, werden benutzt werden, um mindestens vier weitere ATV-Raumschiffe zu bauen und ins All zu schicken. Die folgenden ATV-Raumschiffe werden ungefähr einmal im Jahr gestartet, um die ISS neu zu beliefern und dem ISS-Programm lebensnotwendige Unterstützung für das nächste Jahrzehnt zu gewährleisten.

Annäherung an die ISS

Die Reise des ATV zur ISS kann durch eine Reihe von Haltepunkten charakterisiert werden – Stellen im Weltraum, wo das ATV anhält und die Bodenkontrolleure feststellen, dass alles okay ist, bevor es weitergeht. Das kann man mit einem Postboten vergleichen, der eine Nachricht zustellt. Der Postbote weiß nicht, ob ein wilder Hund eingesperrt ist oder ihn angreifen wird: Er erreicht das Ende der Straße (hält an und prüft, ob alles okay ist); er erreicht das Tor (hält an und prüft noch einmal); er erreicht die Haustür (hält an und prüft noch einmal); er öffnet den Briefkasten und wirft den Brief ein. Falls an irgendeinem Punkt ein Hund auftaucht (oder es an zu regnen fängt, er seinen Postsack fallen lässt, oder er findet, dass die Adresse falsch ist), läuft er weg!

Die Haltepunkte werden von S_-5, welches der Start der Annäherungsoperationen mit der ISS ist (Das ATV ist dann ungefähr 100 km von der ISS entfernt), bis zu S₄₁ durchnummeriert, das nur 12 m vom Ankoppelungspunkt entfernt ist.

Wenn das ATV S_-1/2 erreicht (ungefähr 40 km hinter und 5 km unter der ISS), werden die globalen Ortungssysteme auf der ATV und der ISS genutzt, um ihre relativen Positionen zu ermitteln. Das ATV passiert dann den Haltepunkt S₀ (30 km von der ISS), und hält am Punkt S₂, der sich 3,5 km hinter und 100 m über der ISS befindet.

Wenn alle Prüfungen am Haltepunkt S₂ beendet sind, wird ein „Escape“-Manöver eingeleitet, um die genauen Ablauf des Sicherheitsmanövers zu zeigen, nach welchem das ATV um die ISS kreisen wird und zu Haltepunkt S_-1/2 zurückkehren wird. Zwei Tage später wird eine zweite Demonstrationsphase gestartet. Diesmal wird sich das ATV an Haltepunkt S₃, 280 m hinter der ISS, annähern.

Weitere Überprüfungen werden an Haltepunkt S₃ durchgeführt und das ATV wird zu einem visuellen System überwechseln, um das Ende der Annäherung zu kontrollieren. Bevor das Ankoppeln versucht werden kann, werden eine Reihe von Halte- und Rückzugsbefehlen demonstriert, um zu gewährleisten, dass die Mannschaft oder die Bodenkontrolleure einen erfolglosen Ankopplungsversuch, wenn nötig, stoppen können. Nachdem wir erfolgreich zu Haltepunkt S₃ zurückgekehrt sind, wird das ATV bei Haltepunkt S₄ weitermachen, welcher 25 m von der ISS entfernt ist, und dann bei Haltepunkt S₄₁, der nur 12 m entfernt ist. Ein Zurückkehren zu S₄ wird noch einmal befohlen und schließlich das „Escape“-Manöver, der ultimative Abbruchtest, welcher das ATV um die Station kreisen und zu S_-1/2 zurückkehren lassen wird.

Zu guter Letzt wird das Ende der Annäherung befohlen und das ATV wird an die ISS ankoppeln.

Das russische Ankopplungssystem.

Das ATV-Ankopplungssystem ist ein russisches System, das auch an russischen Fahrzeugen eingesetzt wird, und konzipiert wurde für die Verwendung mit dem Ankopplungspunkt des ISS-Moduls.

Wenn sich das ATV der ISS nähert, ist ein Fühler an der Vorderseite des Fahrzeugs ausgestreckt. Die Spitze des Fühlers hat Sensoren, die den Kontakt mit dem Ankopplungspunkt an der  ISS feststellen.

Wenn der Kontakt festgestellt ist,  verursacht das ATV einen Schub, welcher das Fahrzeug in den Ankopplungspunkt schiebt. Wenn der Fühler das Ende des Ankopplungskegels erreicht, bremst das Fahrzeug und Riegel an dem Fühler klinken mit dem Ankopplungspunkt ein.

Der Fühler wird dann eingefahren, was das ATV und die ISS zusammenbringt; danach klinkt sich das ATV automatisch bei der ISS ein. Zum Schluss klinken sich Haken an der ISS mit dem ATV ein und so werden beide Rumpfe eine einzige, starre Struktur.

Web References

• w1 – Um das Video vom Start der Ariane 5 zu sehen: www.scienceinschool.org/repository/docs/Ariane5launch.wmv
• w2 – Mehr Informationen über das ATV: www.esa.int/SPECIALS/ATV/index.html
• w3 – Weitere Informationen über das Columbus Labormodul, siehe das Interview mit Bernardo Patti in diesem Heft von Science in School.
• Wegener A-L (2008)Weltraumlabor: Interview mit Bernardo Patti: Science in School 8: 8-12. www.scienceinschool.org/2008/issue8/bernardopatti

Resources

• Um ein eigenes Modell des ATV zu bauen: http://esamultimedia.esa.int/docs/atv_model/ATV_2002.htm
• Um herauszufinden, wann die ISS von deiner Position aus gesehen werden kann: www.esa.int/seeiss
• Für Videos und Animationen vom Start und Ankoppeln  des ATV:
• http://www.esa.int/esa-mmg/mmg.pl?b=b&keyword=jules%20verne&start=1

Institutions

Author(s)

Adam Williams ist ein Trainings- und Simulationsmanager an der Europäischen Raumfahrtagentur. Vorher war er  Softwaremechaniker, und  eine Zeit lang Mathematiklehrer an einer Realschule; er arbeitet an der Europäischen Weltraumbehörde in Darmstadt, Deutschland. Adam verbringt die Hälfte seiner Zeit in Toulouse, Frankreich, dem Standort des ATV-Kontrollcenters, indem er die Startvorbereitungen für das ATV unterstützt.

Review

Dieser Artikel handelt vom automatisierten Transfer (Weltraum) Fahrzeug (ATV), konzipiert um automatisch an die Internationale Weltraumstation (ISS) anzukoppeln. Obwohl es Aspekte der ATV-Flugbahn zwischen dem Start und Ankoppeln gibt, welche sich auf die präuniversitäre Physik (Mechanik) beziehen, könnte das für Technologielehrer interessanteste Thema das Sensoren- und Kontrollsystem sein.

Auf der anderen Seite bietet die ISS eine Anzahl von interessanten Aspekten für Lehrer der präuniversitären Physik – und ein weiterer Artikel, der für das nächste Heft geplant ist, widmet sich der ISS.

Eben so werden einige Naturwissenschafts– (und Technik) Lehrer und einige Schüler diesen Artikel interessant finden. Unten gibt es einige Ideen, wie er genutzt werden kann.

‘“Der Einfluss der Mikroschwerkraft auf die Physik von Flüssigkeiten, auf das Brennverhalten, das Verhalten von Aerosolen“ – das könnte zu einer Gruppendiskussion führen, wie sich dieser Einfluss auswirkt (z.B. auf Wärmeströmungen, eine brennende Kerze, beziehungsweise die Diffusion in einem Gas).

„Über kosmische Strahlen, kosmischen Staub, Antimaterie und dunkle Materie im Universum“ können die Schüler in der Bücherei oder im Web recherchieren – über deren Natur und Bedeutung, was vielleicht zu Präsentationen in der Klasse führen könnte.

Der Sensoren- und Kontrollaspekt könnte für den Technologie-Unterricht geeigneter sein als für den naturwissenschaftlichen Unterricht– und es gibt genug Stoff für eine ganze Lektion von verschiedenen Aktivitäten und Ansätzen.

Eric Deeson, Großbritannien

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CC-BY-NC-ND