Raumstationen können durch Mikrometeoriten beschädigt werden. Satelliten durch extreme Sonnenstürme ausfallen. Und Weltraumschrott stellt eine immerwährende Gefahr dar. Um beschädigte Weltraumgeräte zu reparieren oder auszutauschen, müssen oft aufwändig Ersatzteile mit Raketen ins All verfrachtet werden. Darüber hinaus beeinträchtigen die durch die Frachtverkleidung einer Rakete vorgegebenen Größen- und Gewichtsbeschränkungen den Transport und Bau von groß angelegten Strukturen im Orbit, auf dem Mond oder dem Mars.
Die US-amerikanische »Defense Advanced Research Projects Agency« (DARPA¹) begann daher im Jahr 2022 mit dem Projekt NOM4D (Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-Efficient Design), um solche Frachtbeschränkungen durch die Erforschung eines neuen Paradigmas aufzubrechen. Dies würde etwaige Transportschwierigkeiten drastisch verringern.
Anstatt Strukturen zu falten oder zu komprimieren, um sie in eine Raketenverkleidung einzupassen, die im Weltraum entfaltet oder eingesetzt werden kann, schlug die DARPA vor, neuartige leichte Rohstoffe in der Raketenverkleidung zu verstauen, die für den Start nicht ausgehärtet werden müssen. Ziel dieses Ansatzes ist es, den Bau wesentlich größerer und masseeffizienterer Strukturen im Orbit zu ermöglichen, als jemals in eine Raketenverkleidung passen würden. Darüber hinaus ermöglicht dieses Konzept masseeffiziente Designs von Strukturen, die auf der Erde instabil wären, aber für die geringe Schwerkraft des Weltraums optimiert sind.
Ohne die Größen- und Gewichtsbeschränkungen einer Rakete könnten Ingenieure auch große Strukturen – über 500 Meter lang – entwerfen und bauen, die nicht von der Erde aus transportiert werden können. Lebende Materialien könnten sich selbst zu Antennen, Netzen zum Auffangen von Trümmern oder sogar Teilen von Raumstationen zusammensetzen. Die Technologie könnte besonders bei Missionen zum Mars und darüber hinaus nützlich sein.
Die Agentur hat bereits zuvor die Herstellung von Weltraummaterialien untersucht, die auf Roboterkonstruktion oder selbstorganisierenden Materialien basieren. Der neue Vorschlag ergänzt die Mischung um synthetische Biologie. Im Vergleich zu herkömmlichen starren Materialien könnten Alternativen mit lebenden Mikroben flexibler sein. Eingebettet in eine biokompatible Matrix, die Struktur verleiht, könnten sie ein lebendiges Material bilden, das den rauen Bedingungen des Weltraums widersteht.
Der Bau großer Objekte direkt im Weltraum bietet zahlreiche Vorteile. Anstatt Strukturen für Raketen zusammenzufalten – wie das James-Webb-Weltraumteleskop, das Ingenieure für seinen Flug ins All origamiartig gefaltet haben –, könnte der Transport leichter Rohstoffe von der Erde energie- und kosteneffizienter sein. Aus diesen Materialien könnten dann im Orbit deutlich größere Objekte hergestellt werden. Die Mikrogravitation ermöglicht es Ingenieuren zudem, Strukturen zu konstruieren, die auf der Erde unter ihrem eigenen Gewicht in sich zusammenfallen würden. Der Weltraum bietet die Möglichkeit, Objekte zu bauen, die sich deutlich von denen auf der Erde unterscheiden.
»Aktuelle Weltraumsysteme werden alle auf der Erde entworfen, gebaut und getestet, bevor sie in eine stabile Umlaufbahn gebracht und in ihre endgültige Betriebskonfiguration gebracht werden«, brachte es Bill Carter, Programmmanager von NOM4D, bereits 2022 auf den Punkt: »Diese Einschränkungen gelten besonders für große Strukturen wie Solaranlagen, Antennen und optische Systeme, bei denen die Größe entscheidend für die Leistung ist.«
Jetzt, drei Jahre später, tritt das Projekt in die Erprobungsphase ein. Die neuartigen Montageprozesse und Rohmaterialien, die vom California Institute of Technology (Caltech) und der Momentus Inc. entwickelt wurden, soll an Bord des »Momentus Vigoride Orbital Services Vehicle« getestet werden. Der Start in die erdnahe Umlaufbahn ist für Februar 2026 mit der SpaceX Falcon 9 Transporter-16-Mission geplant. Nach Erreichen der Umlaufbahn ist kein menschlicher Eingriff erforderlich. Bordkameras überwachen den Fortschritt der Strukturmontage in Echtzeit, während ein Portalroboter autonom leichte Verbundfaser-Längsträger (dünne Rohre) zu einem 1,4 Meter durchmessenden Kreisfachwerk zusammenfügt, um die Skelettstruktur einer Hochfrequenzantenne nachzuahmen. »Wenn die Montagetechnologie erfolgreich ist, wäre dies der erste Schritt zur Skalierung, um in Zukunft sehr große weltraumgestützte Strukturen bauen zu können«, heißt es seitens der DARPA.
Ein weiteres Team der University of Illinois Urbana-Champaign kooperiert mit Voyager Space zusammen. Hierbei konzentriert man sich auf Weltraummaterialien und deren Fertigung, wofür ein hochpräzises Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen im Weltraum entwickelt wurde. Das Rohmaterial besteht aus flachen Hüllen aus Kohlefaser. Verwendet wird ein flüssiges Monomer, also Moleküle, die noch nicht polymerisiert und daher noch nicht fest sind. Die Chemie dieser Monomere ist speziell für Weltraumstarts konzipiert – sie ist langlebig und hält den Temperaturen im Weltraum stand. Ein Test ist ebenfalls für 2026 auf der Internationalen Raumstation ISS geplant. Start zur Internationalen Raumstation ISS an Bord der kommerziellen Versorgungsmission NG-24 der NASA wird voraussichtlich im April 2026 sein. Die Vorführung findet im Bishop-Airlock-Modul der Raumstation statt.
Weitere geplante Technologien umfassen den Bereich der synthetischen Biologie und die Herstellung robuster Strukturen im 3D-Biodruckverfahren. Ausgangspunkt ist die Entdeckung von immer mehr Extremophilen. Extremophile Organismen können äußerst hohen Drücken und Temperaturen standhalten, sauren Umgebungen widerstehen, extreme ultraviolette Strahlung überleben und damit zum Teil auch unter Weltraumbedingungen existieren. Die Sequenzierung des Genoms extremophiler Organismen enthüllt genetische Anpassungen an diese lebensfeindlichen Umgebungen und ebnet den Weg für die Entwicklung von Bakterien, die im Weltraum überleben und gedeihen können.
Damit ist die Bühne bereitet für hybride lebende Materialien, die im Weltraum zu vordefinierten Strukturen heranwachsen können. Mithin besteht die neue Vision der DARPA darin, in der Mikrogravitation rasch biologische Objekte »von noch nie dagewesener Größe« mit Längen oder Durchmessern von über 500 Meter zu konstruieren und heranzuzüchten. Doch der Weltraum ist eine unglaublich feindliche Umgebung. Eine entscheidende Herausforderung wird es sein, herauszufinden, wie man die Bakterien am Leben erhält. Eine weitere besteht darin, ihr Wachstum so zu lenken, dass es die gewünschte endgültige Form annimmt.
Wenn alles gut geht, können die Designer in die fertigen Strukturen auch Elektronik einbauen, um Radiofrequenzen oder Infrarotsignale zur Kommunikation zu übertragen.
Während die NASA und kommerzielle Raumfahrtunternehmen Pläne für eine weltraum- und lunargestützte Wirtschaft der Zukunft entwickeln, sieht die DARPA ein wichtiges nationales Sicherheitsinteresse der USA darin, rund um die Uhr Kenntnis über die Weltraumlage zu erlangen – insbesondere über Vorgänge im riesigen cislunaren Raum, der Region zwischen Erde und Mond. Es besteht die Hoffnung, diese Technologie zu skalieren und schließlich weltraumgestützte HF-Antennen mit einem Durchmesser von 100 Metern und mehr bauen zu können. Dies würde die Lageerfassung der Aktivitäten im cislunaren Bereich und darüber hinaus deutlich verbessern. Auch sei es vorstellbar, äußerten sich die DARPA-Projektverantwortlichen, dass NOM4D-Technologien andere massive Strukturen im Orbit ermöglichen, wie etwa Tankstellen für kommerzielle oder staatliche Raumfahrzeuge, weltraumgestützte Solaranlagen und viele weitere kommerzielle und nationale Sicherheitsanwendungen. Mit NOM4D soll der Weg für ein Fertigungsökosystem im Weltraum zur Montage großer Strukturen geebnet werden.
Die DARPA ruft derzeit zur Einreichung von Vorschlägen auf und plant im April 2025 einen Workshop, um die Idee mit Experten zu diskutieren. Sie hofft, dass die Arbeit letzten Endes auch zu Objekten führt, die »biologisch hergestellt und zusammengesetzt werden können, deren Bau auf traditionelle Weise jedoch möglicherweise nicht möglich ist«.
¹Die DARPA ist die zentrale Forschungs- und Entwicklungsorganisation des US-Kriegsministeriums und beschäftigt sich mit hauptsächlich militärisch relevanten Zukunftstechnologien, die zum großen Teil an Science-Fiction erinnern (z.B. KI, Drohnen, Robotik, Biotech, Tarnkappen- und Raumfahrttechnik).
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