Raumschiffe aus Plastik

28.08.2005 - Ein "Designer Material", abgeleitet von Plastik, könnte helfen, Astronauten auf dem Weg zum Mars zu schützen.

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sehen Sie Ihre Müllbeutel vielleicht nie mehr wie bisher. 

Wir benutzen alle Müllbeutel aus Plastik; sie sind so allgegenwärtig, dass wir kaum über sie nachdenken. Wer hätte gedacht, dass der beliebte Müllbeutel vielleicht der Schlüssel dazu ist, Menschen zum Mars zu schicken? 

Die meisten Haushaltsmüllbeutel bestehen aus einem Polymer namens Polyethylen. Es stellte sich heraus, dass Arten dieses Moleküls sich hervorragend eignen, die gefährlichste Form der Weltraumstrahlung abzuschirmen. Das Problem war nur ein Raumschiff aus diesem dünnen Zeug zu bauen. 

Jetzt haben NASA Wissenschaftler ein bahnbrechendes, auf Polyethylen basierendes Material erfunden, genannt RXF1, dass sogar stärker und zugleich leichter ist als Aluminium. "Dieses neue Material ist das erste seiner Art, im Sinne, dass es überlegene Struktureigenschaften mit überlegenen Schildeigenschaften verbindet," sagt Nasser Barghouty, Projektwissenschaftler für NASA's Space Radiation Shielding Project am Marshall Space Flight Center.

Zum Mars in einem Raumschiff aus Plastik? So blöd es sich vielleicht anhört, es könnte der sicherste Weg sein. 

Weniger ist mehr

Der Schutz von Astronauten vor Weltraumstrahlung im tiefen All ist eines der ungelösten Hauptprobleme. Stellen Sie sich eine bemannte Mission zum Mars vor: Hin- und Rückflug könnten bis zu 30 Monaten dauern und man würde die schützende Blase des Erdmagnetfeldes verlassen. Einige Wissenschaftler glauben, dass Materialien wie Aluminium, dass ausreichenden Schutz im Erdorbit oder auf kurzen Reisen zum Mond bietet, nicht für eine Reise zum Mars ausreichen würde. 

Barghouty ist einer der Skeptiker: "Derzeit ist es nicht möglich mit einem Raumschiff aus Aluminium zum Mars zu reisen," glaubt er.  

Plastik ist eine ansprechende Alternative: Verglichen mit Aluminium besitzt Polyethylen eine 50% bessere Schildwirkung bei Sonnenausbrüchen und ist 15% besser für kosmische Strahlung geeignet. 

Der Vorteil von Materialen aus Plastik ist, dass sie wesentlich weniger "sekundäre Strahlung" erzeugen als schwerere Materialien wie Aluminium und Blei. Sekundäre Strahlung stammt vom Schildmaterial selber. Wenn Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Atome des Schildes treffen, rufen sie winzige, nukleare Reaktionen hervor. Diese Reaktionen erzeugen einen Schauer von nuklearen Abfallprodukten -- Neutronen und andere Teilchen -- die in das Raumschiff eindringen. Es ist ein bisschen so, als ob man versucht sich vor einer fliegenden Bowlingkugel zu schützen, indem man eine Wand aus Nadeln errichtet. "Sekundäre" können für die Gesundheit der Astronauten schädlicher sein als die ursprüngliche kosmische Strahlung! 

Ironischerweise produzieren schwere Elemente wie Blei, von dem die meisten Menschen annehmen, dass es das beste Strahlenschutzschild ist, wesentlich mehr sekundäre Strahlung als leichtere Elemente, wie Kohlenstoff und Wasserstoff. Darum ist Polyethylen ein gutes Schutzschild: es besteht vollständig aus leichten Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, welche die Sekundärstrahlung minimieren. 

Diese leichteren Elemente können die kosmische Strahlung nicht vollständig aufhalten. Sie können die auftreffenden Teilchen aber aufsplittern und so deren schädliche Wirkung reduzieren. Stellen Sie sich vor, Sie verstecken sich hinter einem Maschendrahtzaun, um sich in einer Schneeballschlacht zu schützen: Sie werden trotzdem Schnee abbekommen aber nur kleine Stückchen des Schneeballs die durch den Zaun brechen, nicht allerdings den Stich eines direkten Treffers mit einem harten Schneeball ins Gesicht spüren. Polyethylen ist wie ein Maschendrahtzaun. 

"Das ist es was mir tun können. Aufsplittern -- ohne viel sekundäre Strahlung zu erzeugen -- ist es, was die Schlacht gewinnen oder verlieren wird," sagt Barghouty.

Auf Bestellung hergestellt

Trotz ihrer Schildwirkung, sind gewöhnliche Müllbeutel offensichtlich nicht dazu geeignet aus ihnen Raumschiffe zu bauen. Also haben Barghouty und seine Kollegen versucht, Polyethylen etwas für die Verwendung in der Raumfahrttechnik aufzupeppen.

So erfanden Raj Kaul, der mit Barghouty im Schildprojekt zusammenarbeitet, RXF1. RXF1 ist bemerkenswert stabil und leicht: es hat die 3-fache Zugfestigkeit von Aluminium und ist trotzdem 2.6 Mal leichter -- selbst unter Raumfahrttechnischen Gesichtspunkten eindrucksvoll. 

"Da es ein ballistisches Schild ist, lenkt es auch Mikro-Meteoriten ab," sagt Kaul, der kürzlich mit ähnlichen Materialien gearbeitet hat, als er eine Panzerung für Hubschrauber entwickelte. "Da es eine Faser ist, kann es um eine Form herumgelegt und spezifische Bauteile daraus geformt werden." Und da es sich von Polyethylen ableitet, ist es auch ein hervorragendes Strahlenschild. 

Die genaue Zusammensetzung von RXF1 ist geheim, da ein Patent für das Material angemeldet ist. 

Stärke ist nur eine der Eigenschaften, die die Wand eines Raumschiffs haben muss. Brennbarkeit und Temperaturtoleranz sind ebenso wichtig: es spielt keine Rolle wie stark die Wände eines Raumschiffs sind, wenn sie im direkten Sonnenlicht schmelzen oder leicht Feuer fangen. Es ist weitere Arbeit notwendig um RXF1 noch weiter anzupassen und es auch Feuer- und Temperaturresistent zu machen, sagt Barghouty.

Das Endresultat

Die große Frage ist, natürlich, das Endresultat: Kann RXF1 Menschen sicher zum Mars transportieren? Zu diesem Zeitpunkt kann dies niemand mit Sicherheit sagen. 

Einige "galaktische, kosmische Strahlen sind so energiereich, dass kein machbares Schild sie ablenken kann," warnt Frank Cucinotta, NASA's Chief Radiation Health Officer. "Alle Materialien haben dieses Problem, inklusive Polyethylen."  

Cucinotta und Kollegen haben Computersimulationen durchgeführt, um das Krebsrisiko einer Reise zum Mars in einem Raumschiff aus Aluminium mit dem eines Raumschiffes aus Polyethylen zu vergleichen. "Zu unserer Überraschung gab es keinen signifikanten Unterschied," sagt er. Diese Schlussfolgerung hängt von einem biologischen Modell ab, das abschätzt, wie menschliches Gewebe durch Strahlung beeinflusst wird -- und da liegt der Haken. Nach Jahrzehnten bemannter Raumfahrt verstehen die Wissenschafter immer noch nicht vollständig wie der menschliche Körper auf kosmische Strahlung reagiert. Wenn das Modell jedoch stimmt, hätte ein extra Schild aus Polyethylen wenig Wirkung. Dies wird in der derzeitigen Forschung untersucht. 

Aufgrund dieser ganzen Unsicherheiten, wurden noch keine Limits der Strahlendosis für Astronauten auf einer Reise zum Mars festgelegt. Wenn man aber annimmt, dass die Limits ähnlich denen für Shuttle und Flüge zur Raumstation sind, glaubt er, dass RXF1 einen ausreichenden Schutz für eine 30 monatige Reise zu Mars bieten könnte. 

Heute, in den Müll. Morgen, zu den Sternen? Polyethylen wird sie vielleicht weiter weg bringen als Sie es sich jemals vorgestellt hatten. 

Autor: Frank Erhardt
Science@NASA - Deutsche Version