Am 21. Juli 1961 fühlte sich der amerikanische Astronaut Gus Grissom etwa 15 Minuten lang auf der Weltspitze – und das war er auch.
Grissom nahm an der Liberty Bell 7-Mission teil, einem ballistischen Testflug, bei dem er von einer Rakete aus in die Atmosphäre befördert wurde. Während des Tests saß es in einer kleinen Kapsel und erreichte seinen Höhepunkt über 100 Meilen, bevor es in den Atlantischen Ozean stürzte.
Ein Schiff der US-Marine, die USS Randolph, beobachtete den erfolgreichen Abschluss der Mission aus der Ferne. Alles verlief nach Plan, die Fluglotsen in Cape Canaveral jubelten und Grissom wusste, dass er gerade als zweiter amerikanischer Astronaut in der Geschichte einen VIP-Club betreten hatte.
Grissom blieb in seiner Kapsel und schwankte auf den sanften Wellen des Ozeans. Während er darauf wartete, dass ein Hubschrauber ihn zum Trockendeck der USS Randolph brachte, beendete er die Aufzeichnung einiger Flugdaten. Doch dann nahmen die Dinge eine unerwartete Wendung.
Ein falscher Befehl im Sprengsystem der Kapsel führte dazu, dass sich die Luke ausdehnte und Wasser in den kleinen Raum fließen konnte. Grissom hatte auch vergessen, ein Ventil in seinem Raumanzug zu schließen, sodass Wasser in seinen Anzug eindrang, während er darum kämpfte, über Wasser zu bleiben.
Nach einer dramatischen Flucht aus der Kapsel hatte er Mühe, seinen Kopf über der Oberfläche zu halten, während er dem Hubschrauberpiloten signalisierte, dass etwas schief gelaufen war. Dem Hubschrauber gelang es im letzten Moment, ihn zu retten.
Grissoms beinahe tödliche Flucht bleibt eine der dramatischsten Wasserlandungen in der Geschichte. Aber der Absturz ins Wasser ist nach wie vor eine der häufigsten Arten, wie Astronauten zur Erde zurückkehren. Ich bin Professor für Luft- und Raumfahrttechnik und erforsche die Mechanismen, die bei diesen Phänomenen eine Rolle spielen. Glücklicherweise sind die meisten Wasserlandungen zumindest auf dem Papier nicht so gruselig.
Notwasserung erklärt
Bevor ein zur Erde zurückkehrendes Raumschiff sicher landen kann, muss es langsamer werden. Bei der Rückkehr zur Erde verfügt ein Raumschiff über viel kinetische Energie. Durch die Reibung mit der Atmosphäre entsteht ein Luftwiderstand, der das Raumschiff verlangsamt. Reibung wandelt die kinetische Energie des Raumfahrzeugs in Wärmeenergie oder Wärme um.
Die gesamte Wärme diffundiert an die Umgebungsluft, die dann sehr, sehr heiß wird. Da die Wiedereintrittsgeschwindigkeit in die Atmosphäre um ein Vielfaches höher sein kann als die Schallgeschwindigkeit, verwandelt die Kraft der Luft, die das Fahrzeug zurückdrückt, die Umgebung des Fahrzeugs in einen sengenden Strom von etwa 1.500 Grad Celsius. Im Fall der riesigen Starship-Rakete von SpaceX erreicht diese Temperatur sogar fast 1.700 Grad Celsius.
Leider hat das Fahrzeug trotz der Geschwindigkeit des Transfers keine Zeit, auf eine ausreichende Geschwindigkeit abzubremsen, um einen Unfall zu vermeiden. Ingenieure nutzen daher andere Methoden, um ein Raumschiff bei der Landung abzubremsen.
Fallschirme sind die erste Option. Die NASA verwendet typischerweise farbenfrohe Designs wie Orange, damit sie leicht zu erkennen sind. Außerdem sind sie riesig, mit einem Durchmesser von mehr als 100 Fuß, und jedes Wiedereintrittsfahrzeug verwendet normalerweise mehrere davon, um die Stabilität zu erhöhen.
Die ersten ausgelösten Fallschirme, sogenannte Schleppfallschirme, werden ausgeworfen, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs unter etwa 2.300 Fuß pro Sekunde (700 Meter pro Sekunde) fällt.
Selbst dann kann die Rakete nicht auf eine harte Oberfläche prallen. Es muss irgendwo landen, wo der Aufprall abgefedert wird. Forscher erkannten schon sehr früh, dass Wasser ein hervorragender Stoßdämpfer ist. So war der Splashdown geboren.
Warum Wasser?
Wasser hat eine relativ niedrige Viskosität (es verformt sich unter Belastung schnell) und seine Dichte ist viel geringer als die von Hartgestein. Diese beiden Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für die Landung von Raumfahrzeugen. Aber der andere Hauptgrund dafür, dass Wasser so effektiv ist, ist, dass es 70 % der Planetenoberfläche bedeckt, wodurch die Wahrscheinlichkeit hoch ist, es bei einem Sturz aus dem Weltraum zu treffen.
Die Wissenschaft hinter der Notwasserung ist komplex, wie eine lange Geschichte beweist.
Im Jahr 1961 führten die Vereinigten Staaten die ersten bemannten Wasserlandungen in der Geschichte mit Mercury-Wiedereintrittskapseln durch.
Diese Kapseln hatten eine etwa konische Form und fielen mit der Basis zum Wasser. Der Astronaut darin saß mit dem Gesicht nach oben. Die Basis absorbierte den größten Teil der Wärme, daher konstruierten die Forscher einen Hitzeschild, der sich auflöste, wenn die Kapsel durch die Atmosphäre flog.
Als die Kapsel langsamer wurde und die Reibung abnahm, wurde die Luft kühler, sodass sie überschüssige Wärme vom Fahrzeug absorbieren und dieses dadurch ebenfalls abkühlen konnte. Bei einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit würden die Fallschirme ausgelöst.
Die Landung erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 80 Fuß pro Sekunde (24 Meter pro Sekunde). Es handelt sich nicht gerade um einen sanften Aufprall, aber er ist langsam genug, dass die Kapsel in den Ozean stürzen und den Aufprall absorbieren kann, ohne ihre Struktur, ihre Nutzlast oder das Innere der Astronauten zu beschädigen.
Nach dem Verlust der Challenger im Jahr 1986, als die Raumfähre Challenger kurz nach dem Start auseinanderbrach, begannen die Ingenieure, sich bei der Konstruktion ihrer Fahrzeuge auf das sogenannte Crash-Phänomen zu konzentrieren, d. h. auf das Ausmaß des Schadens, den eine Maschine nach dem Aufprall erleidet eine Oberfläche.
Jetzt müssen alle Fahrzeuge beweisen, dass sie nach der Rückkehr aus dem Weltraum eine Überlebenschance auf dem Wasser bieten können. Forscher bauen komplexe Modelle und testen sie dann im Labor, um zu beweisen, dass die Struktur stark genug ist, um diese Anforderung zu erfüllen.
Der Zukunft entgegen
Zwischen 2021 und Juni 2024 gelang sieben der Dragon-Kapseln von SpaceX nach ihrer Rückkehr von der Internationalen Raumstation eine einwandfreie Wasserlandung.
Am 6. Juni landete die stärkste jemals gestartete Rakete, das Starship von SpaceX, phänomenal vertikal im Indischen Ozean. Seine Booster feuerten weiter, als es sich der Oberfläche näherte, und erzeugten eine außergewöhnliche Wolke zischenden Dampfes um die Düsen.
SpaceX nutzte Wasserlandungen, um die Dragon-Kapseln nach dem Start zu bergen, ohne ihre kritischen Teile nennenswert zu beschädigen, sodass sie für zukünftige Missionen recycelt werden konnten. Durch die Erschließung dieser Wiederverwendbarkeit können private Unternehmen Millionen von Dollar an Infrastruktur einsparen und die Missionskosten senken.
Das Notwassern ist nach wie vor die häufigste Wiedereintrittstaktik für Raumfahrzeuge, und da immer mehr Raumfahrtagenturen und private Unternehmen die Sterne ins Visier nehmen, werden wir in Zukunft wahrscheinlich noch viele weitere Ereignisse erleben.
Dieser Artikel wurde aktualisiert, um zu korrigieren, dass SpaceX seine Dragon-Kapseln während des Wasserabflusses geborgen hat.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Marcos Fernandez Tous, Universität von North Dakota
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Marcos Fernandez Tous arbeitet nicht für Unternehmen oder Organisationen, die von diesem Artikel profitieren würden, berät sie nicht, besitzt keine Anteile daran und erhält auch keine Finanzierung von diesen und hat über seine akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.