Wie man Raketenemissionen misst
Ein Forschungsflugzeug hat sich in Schweden an die Fersen einer suborbitalen Rakete geheftet. Ziel war es herauszufinden, wie Raumfahrtagenturen Emissionen in unserer Atmosphäre besser überwachen und verstehen können.
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und das Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben am 1. Oktober gemeinsam die Emissionen eines suborbitalen Raketenstarts gemessen. Dabei wurden Messungen am Boden mit Daten eines Begleitflugzeugs kombiniert, das durch die Abgasfahne einer Rakete flog. Diese war im Rahmen der Mission Mapheus-17 vom Raketenstartplatz Esrange in Schweden gestartet. Der Einsatz zeigt, was sich heute schon messen lässt, um Raketenemissionen in der unteren Atmosphäre besser zu verstehen, während Raumfahrtagenturen auf einen nachhaltigeren Raumtransport hinarbeiten.
Seit über einem halben Jahrhundert starten Raketen ins All, doch welche Spuren hinterlassen sie? Was nach einer einfachen Frage klingt, ist gar nicht so leicht zu beantworten. Wie lassen sich die Abgase einer Rakete messen, während sie mit der sich wandelnden Atmosphäre reagieren und die Rakete durch Troposphäre und Stratosphäre bis ins Vakuum des Weltraums aufsteigt, höher als jedes andere Fahrzeug? Bisher stützt sich die Forschung größtenteils auf Computermodelle und Simulationen von Raketenabgasen und ihrer Wechselwirkung mit der Atmosphäre. Hier klafft also eine Wissenslücke.
Die Wahl fällt auf Mapheus-17
Deshalb schlug die ESA dem DLR ein neues Projekt namens „Firewall“ vor, um ein Konzept zur Messung von Raketenemissionen zu entwickeln. Getreu dem Motto „Learning by Doing“ diente die Mission Mapheus-17, eine Höhenforschungsrakete des DLR mit Feststoffantrieb, als erster Testfall.
Mapheus umfasst eine regelmäßige Reihe von DLR-Raketenflügen. Diese Mission trug mehrere Experimente aus den Material- und Lebenswissenschaften an Bord und testete außerdem Technologien unter Mikrogravitation. Mapheus-17 erreichte eine Höhe von fast 300 Kilometern und landete 16 Minuten nach dem Start wieder auf der Erde, rund 70 Kilometer von der Startrampe entfernt.
Die erste Stufe wird von einem Red-Kite-Feststoffmotor angetrieben. Als Verbrennungsprodukte werden Salzsäure, Wasserdampf, Eis, Aluminiumoxid, Kohlendioxid, Stickstoff und Ruß erwartet.
Messungen aus der Luft
Herzstück der Firewall-Kampagne war das Forschungsflugzeug Falcon 20E des DLR, ausgestattet mit Instrumenten, die Gase und Partikel in der Abgasfahne der Rakete messen. Die Falcon 20E hob etwa 20 Minuten vor dem Raketenstart ab und durchflog anschließend das Gebiet, in das die Abgasfahne in 2 bis 6 Kilometern Höhe abdriftete. Da sich die Fahne schon wenige Minuten nach dem Start verteilt und unsichtbar wird, waren die Messungen eine zusätzliche Herausforderung.
Messungen am Boden für noch mehr Daten
Ergänzend zu den Flugzeugmessungen erfasste ein eigens angefertigter Container voller wissenschaftlicher Messsysteme nahe dem Startplatz die Emissionen direkt an der Startrampe.
„Mit diesem Einsatz haben wir einen Machbarkeitsnachweis erbracht“, sagt Valère Girardin, technischer Projektverantwortlicher für Firewall bei der ESA. „Wir müssen herausfinden, was bei Messungen, Betrieb und Koordination machbar und sinnvoll ist. Raketenstarts haben lange Countdowns und große Flugverbotszonen. Ein Flugzeug sicher in die Nähe einer startenden Rakete zu bringen, ist keine Kleinigkeit. Ähnliche atmosphärische Messkampagnen brauchen wir auch für Satelliten, die Richtung Erde zurückfallen und verglühen. Auch hier ist es wichtig, die Wechselwirkungen mit der oberen Atmosphäre zu messen und zu erfassen.“
„Solche Kampagnen liefern uns die entscheidenden Erkenntnisse und Daten, um Design, Materialwahl und Betrieb künftiger Triebwerke und Satelliten unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten zu optimieren“, sagt Lorenz Affentranger, Systemingenieur im Clean Space and Circular Economy Office der ESA.
Auch die NASA war eingeladen und beteiligte sich mit Instrumenten zur Kohlendioxidmessung am Boden.
Das Projekt brachte dem Team wertvolle Praxiserfahrung: Es galt, Flugsicherung, Messinstrumente und die Teams für den Raketenbetrieb zu koordinieren und in einer gemeinsamen Kampagne zusammenzubringen. Der Einsatz verlief erfolgreich: Die Rakete absolvierte ihren Flug, und das Beobachtungsflugzeug Falcon 20E landete nach dem Flug durch die Abgasfahne sicher am Boden. Forschende von ESA und DLR werten die Daten nun aus, um zu prüfen, ob der Aufbau wie geplant funktioniert hat. Ist das der Fall, könnten weitere Messflüge folgen.
