Wissenschaftsmodul Wentian

Wentian
Raumstation:	Chinesische Raumstation
Startdatum:	Juli 2022 (geplant)
Trägerrakete:	Langer Marsch 5B
Masse:	21 t
Länge:	17,9 m
Durchmesser:	4,2 m
Volumen:	30 m³ (Wohnraum)
Benachbarte Module
Flugrichtung ─ Zenit / Nadir Tianhe ─ / ─ ─ ─

Das Wissenschaftsmodul Wentian (chinesisch 問天實驗艙 / 问天实验舱, Pinyin Wèntiān Shíyàncāng, deutsch Himmelsbefragung) ist das geplante zweite Modul der Chinesischen Raumstation. Es soll im Sommer 2022 mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 5B vom Kosmodrom Wenchang gestartet und am Steuerbordstutzen der Bugschleuse des Kernmoduls Tianhe montiert werden.^[1][2]

Beschreibung

Das von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie gebaute Wissenschaftsmodul Wentian ist mit dem Drehgestell für die Solarzellenflügel insgesamt 17,9 m lang,^[3] sein größter Durchmesser beträgt 4,2 m und sein Startgewicht etwa 21 t.^[4] Das Modul erfüllt neben seiner eigentlichen Aufgabe als Plattform für Experimente auch Steuerfunktionen für die gesamte Raumstation.^[5] Bei einem Ausfall des Kernmoduls kann es mit seinen insgesamt 30 m langen Solarmodulen die gesamte Station mit Strom versorgen,^[6] es verfügt über ein vollständiges Kommunikationssystem, ein redundantes Lebenserhaltungssystem für die gesamte Station und Lageregelungstriebwerke.^[7]

Das Wissenschaftsmodul Wentian dient auch als Lagerraum für Ersatzteile – etwa 60–70 % der Geräte in der Raumstation können im Orbit repariert werden – Verbrauchsgüter wie Nahrung oder Windeln, sowie als Schutzraum in einem Notfall. Da das Modul über drei Schlafkabinen, ein Bad mit Toilette und eine Küche verfügt, können die Raumfahrer dort auch längere Zeit bleiben, bis eine Rettungsrakete – je nach Startfenster neun bis zehn Tage nach einem Alarm – eintrifft. Außerdem fungiert es regulär als Wohnbereich, wenn während einem Schichtwechsel sechs Personen an Bord sind.^[8]

Das Wissenschaftsmodul Wentian besteht aus drei Abschnitten: die an die kugelförmige Schleusensektion des Kernmoduls anschließende, etwa 7 m lange Arbeitssektion mit einem Außendurchmesser von 4,2 m, eine zylindrische Schleusensektion mit einem etwas geringeren Durchmesser, und eine konisch zulaufende Versorgungssektion, an der die Solarmodule und die nach oben, zu den Tianlian-Relaissatelliten in ihren geostationären Umlaufbahnen gerichtete Parabolantenne für die Kommunikation mit dem Raumfahrtkontrollzentrum Peking befestigt sind. An der Außenwand der Versorgungssektion können Nutzlasten angebracht werden: sieben auf der der Erde zugewandten Seite der Sektion, und ein Instrument für astronomische Beobachtungen auf der in Flugrichtung liegenden Hälfte der Zenitseite. Abgesehen von Erdbeobachtung etc. können an diesen Nutzlastplätzen auch Experimente in Vakuum und kosmischer Strahlung durchgeführt werden.

Die Chinesische Raumstation bewegt sich zwischen 42° nördlicher und südlicher Breite auf 340–420 km Höhe über der Erde, also in der F₂-Schicht der Ionosphäre. Die kosmische Strahlung dort besteht zu 90 % aus Protonen, zu 9 % aus Alphateilchen sowie zu 1 % aus Elektronen, Schwerionen und Gammastrahlung. Auf ihrer Bahn um die Erde durchquert die Raumstation immer wieder die Südatlantische Anomalie vor der Küste Brasiliens, wo eine erhöhte Teilchenstrahlung zu verzeichnen ist. Die genaue Zusammensetzung und Intensität der kosmischen Strahlung lässt sich aufgrund der komplexen Mechanismen schlecht vorhersagen, aber auf der Außenseite ist sie um etwa ein bis zwei Größenordnungen höher als im Inneren der Raumstation, was für Forschungen auf den Gebieten Hochenergie-Astronomie und Astroteilchenphysik gute Voraussetzungen bietet.

Das Wissenschaftsmodul Wentian

An der der Erde zugewandten Seite der Schleusensektion befindet sich eine Ausstiegsluke (die Ausstiegsluke des Kernmoduls liegt auf der Zenitseite). Außerdem hat dort ein zweiter mechanischer Arm seinen Platz, mit dem die Nutzlastbehälter an ihren Platz gehoben werden können. An der in Flugrichtung liegenden Außenwand der Schleusensektion können fünf Instrumente befestigt werden, an der Zenitseite neun. Diese Plätze sind für Forschung auf den Gebieten Astrophysik, Sonnenphysik und Weltraumwetter gedacht. Es können dort aber auch Materialprüfungen für Raumfahrtanwendungen durchgeführt werden, wie zum Beispiel das Verhalten von Schmiermitteln, Formgedächtnislegierungen oder Verbundwerkstoffen bei längerem Aufenthalt im Weltall. An den Außenplätzen des Wissenschaftsmoduls Wentian können auch Bauelemente oder Komponenten von Raumflugkörpern auf ihre langfristige Zuverlässigkeit geprüft und die Mechanismen ihres Versagens erforscht werden.

Die Arbeitssektion kann ohne Raumanzug betreten werden, die Atemluft hat eine ähnliche Zusammensetzung wie auf der Erde, der Luftdruck ist mit 81,3–104,3 kPa derselbe wie im Rest der Raumstation und entspricht etwa dem irdischen Luftdruck auf Meereshöhe.^[2] Da bei den chinesischen Feitian-Raumanzügen der Druck auf 40 kPa reduziert wird, um die Beweglichkeit der Raumfahrer im Vakuum zu steigern, ist vor Außenbordeinsätzen eine halbstündige Dekompression in der Schleuse erforderlich. Die Arbeitssektion besteht aus einem Korridor mit quadratischem Querschnitt von etwa 2 × 2 m, an dessen Backbord-, Steuerbord- und Zenitseite jeweils sechs etwa 1 m breite Regale angeordnet sind, in die abgesehen von den vier Laborschränken (siehe unten) auch kleinere Geräte eingebaut werden können.^[9][4] Den Raumfahrern steht dort 30 m³ Bewegungsraum zur Verfügung. Zum Vergleich: das Kernmodul Tianhe bietet 50 m³ Wohnraum, die Tiangong-Raumlabors hatten einen freien Wohnraum von 15 m³.^[10][11]

Nach Fertigstellung der Raumstation wird die Außenschleuse des Wissenschaftsmoduls Wentian die Hauptschleuse der Station. Die kugelförmige Schleusensektion des Kernmoduls steht weiterhin als Reserveschleuse zur Verfügung, im Regelbetrieb bleiben die dortigen Luken jedoch während eines Außenbordeinsatzes geöffnet, sodass sich der dritte Raumfahrer frei zwischen den Modulen bewegen kann.^[8] Die Schleusensektion des Kernmoduls ist vor allem für Situationen wie den Ausfall der Hauptschleuse während eines Außenbordeinsatzes vorgesehen, um den Raumfahrern eine Rückkehr in die Station zu ermöglichen.^[7]

Laborschränke

Das Wissenschaftsmodul Wentian verfügt über vier Laborschränke:

• Biologie und Ökologie
• Biotechnologie
• Handschuhkasten
• Zentrifugen^[12]

Der Forschungsschwerpunkt liegt hierbei auf der Biologie. Es soll erforscht werden, wie Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen unter den Bedingungen des Weltalls wachsen, sich entwickeln, ihre Gene weitergeben und altern. Über die Zentrifugen besteht die Möglichkeit die Lebewesen Beschleunigungen von 0,01 g bis 2 g auszusetzen und so verschiedene Schwerkräfte zu simulieren.^[13]

Mechanischer Arm

Der mechanische Arm des Wissenschaftsmoduls Wentian ähnelt von der Form her dem des Kernmoduls Tianhe. Er besteht ebenfalls aus zwei am oberen Ende wie ein Zirkel mit einer Achse verbundenen Hauptabschnitten, an deren anderem Ende sich jeweils eine um drei Achsen drehbare „Hand“ befindet, besitzt also sieben Freiheitsgrade. Der Arm des Wissenschaftsmoduls ist jedoch mit einer Gesamtlänge von 5 m und einem Eigengewicht von 400 kg nur halb so groß wie der des Kernmoduls. Mit 3 t kann er wesentlich weniger Masse bewegen als der große Arm, der eine Tragkraft von 25 t besitzt.^[14] Dafür kann der kleine Arm die Lasten mit einer fünfmal so hohen Genauigkeit positionieren.^[15] Der kleine Arm kann mit dem großen Arm zusammengekoppelt werden; der kombinierte Arm besitzt dann eine Reichweite von 14,5 m. Für diesen sehr langen Hebel war jedoch ein besonderer Befestigungspunkt nötig, den die Besatzung von Shenzhou 13 bei ihrem ersten Außenbordeinsatz am 7. November 2021 an der Außenwand des Kernmoduls montierte.^[16]

HERD

Auf der in Flugrichtung liegenden Außenseite der Arbeitssektion befinden sich eine Befestigungsmöglichkeit für große Nutzlasten und eine große Experimentenplattform für Nutzlasten, die nicht dem Standardformat entsprechen.^[2] An ersterer soll 2027 die High Energy Cosmic-Radiation Detection facility (HERD) montiert werden,^[17] ein knapp 4 Tonnen schweres Gerät zur Beobachtung von hochenergetischer kosmischer Strahlung.^[18] Die Gesamtkosten des Projekts, an dem Stand 2021 mehr als hundert Wissenschaftler aus China, Hongkong, Taiwan, Italien, der Schweiz, Spanien und Schweden beteiligt sind,^[19] wurden 2021 auf 155–310 Millionen US-Dollar geschätzt.^[17] Da allein das würfelförmige Gerät selbst, ohne Befestigungsstutzen, eine Kantenlänge von etwa 1,5 m besitzt,^[20] kann es nicht aus einem Tianzhou-Frachter durch die internen Luken der Raumstation manövriert werden, ganz abgesehen davon, dass das bei einer Masse von 4 Tonnen selbst von drei Raumfahrern nicht zu bewältigen wäre. Daher ist Stand 2021 geplant, das Gerät mit einer modifizierten Version des bemannten Raumschiffs der neuen Generation anzuliefern,^[21] wo vor dem Servicemodul ein Laderaum mit großer Zenitöffnung angeordnet ist, durch die das Gerät nach außen geschoben und dann vom mechanischen Arm der Station übernommen werden kann.^[22] Anschließend wird das Gerät von den Raumfahrern mit seinen schrägen Befestigungsstutzen so an dem Wissenschaftsmodul montiert, dass es über die Arbeitssektion und die Ebene der Raumstation hinausragt (alle Module haben den gleichen maximalen Durchmesser von 4,2 m).^[20] Dadurch hat es in Richtung Zenit,^[23] also in die Tiefen des Weltalls hinaus ein Sichtfeld von etwa 70°.

In der Mitte des Geräts, das eine Leistungsaufnahme von 1,5 kW besitzt, befindet sich ein dreidimensional abbildendes Kalorimeter, das mit Hilfe von an den vier Seitenflächen und an der Oberseite des Würfels angebrachten Subdetektoren nicht nur die Energie der kosmischen Strahlung messen, sondern zwischen den einzelnen Komponenten (siehe oben) unterscheiden und ihre Flugbahn rekonstruieren kann. Der Messbereich des Kalorimeters liegt bei 30 GeV – 3 PeV für Protonen und Atomkerne, 10 GeV – 100 TeV für Elektronen und 0,5 GeV – 100 TeV für Gammastrahlung.

Über einen Zeitraum von zehn Jahren soll HERD zum einen als Gammastrahlenobservatorium dienen und dabei mit dem Cherenkov Telescope Array in Chile und dem LHAASO in Sichuan zusammenwirken. Durch sein großes Sichtfeld ist HERD auch für die Suche nach den sogenannten „elektromagnetischen Gegenstücken“ von Gravitationswellen geeignet, wobei es mit den GECAM-Satelliten zusammenwirken soll, falls diese bis 2027 noch in Betrieb sein sollten, sowie dem französisch-chinesischen Gammablitz-Observatorium SVOM, das 2023 starten soll. In Kooperation mit dem im Bau befindlichen Vera C. Rubin Observatory in Chile und dem geplanten Weltraumteleskop Euclid soll auch nach Dunkler Materie gesucht werden,^[24] nicht nur im Gammastrahlen-Spektrum, sondern auch über hochenergetische Elektronen und Positronen.^[25] Auf diese Art hofft man unter anderem eine Antwort auf die Frage zu bekommen, woher der Überschuss an Positronen stammt, die das Sonnensystem erreichen. Die beiden Hypothesen hierzu lauten, entweder durch Annihilation von Dunkler Materie, oder, was als wahrscheinlicher angesehen wird, durch Pulsarwind-Nebel in der Nähe des Sonnensystems.^[18]

SING

Weniger aufwendig sind die Spectroscopic Investigations of Nebular Gas (SING) des Indian Institute of Astrophysics und des Instituts für Astronomie der Russischen Akademie der Wissenschaften. Hierbei handelt es sich um ein kleines Spiegelteleskop für den UV-C-Bereich zwischen 140 und 270 nm. Das Cassegrain-Teleskop mit einem Hauptspiegel von 30 cm Durchmesser und einer gesamten Brennweite von 1,5 m besitzt die Außenmaße 50 × 40 × 40 cm und wiegt knapp 25 kg. Die letzten Tests, bei denen die Weltraumtauglichkeit (Vakuum, Temperatur, Vibration) des Instruments geprüft wird, sollen bis Anfang 2023 abgeschlossen sein. Wenn sie erfolgreich verlaufen, könnte das Teleskop im April 2023 mit dem Frachter Tianzhou 6 zur Station gebracht und auf der Außenseite des Wissenschaftsmoduls installiert werden.

Das Teleskop ist nicht schwenkbar, sondern durchmustert den Himmel in dem Maße, wie die Raumstation um die Erde und im Laufe eines Jahres um die Sonne kreist. Hinter der Öffnung in der Mitte des Hauptspiegels befindet sich ein kleiner Spiegel, der das Licht auf einen Spektrografen leitet. Der Detektor des Spektrografen besteht aus einer Mikrokanalplatte von 4 cm Durchmesser und einem Kanaldurchmesser von 10 µm sowie einem Active Pixel Sensor mit 1675 × 1675 Pixeln. Bei dem Projekt, das im Juni 2019 vom Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen als eine der ersten sechs internationalen Nutzlasten ausgewählt wurde, die vom Büro für bemannte Raumfahrt kostenlos auf der Chinesischen Raumstation installiert werden,^[26] geht es um eine umfassende Untersuchung des interstellaren Mediums, vom heißen Gas in Supernovaüberresten über das warme Gas in planetarischen Nebeln bis zum kalten Gas in Molekülwolken.^[27]

POLAR-2

Ebenfalls in die Liste der ersten sechs kostenlosen Nutzlasten aufgenommen wurde vom Büro für Weltraumfragen das Gammastrahlungs-Polarimeter POLAR-2, ein Kooperationsprojekt der Institute für Astronomie und für Kernphysik der Universität Genf mit dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, dem Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem Nationalen Kernforschungszentrum Polens.^[28] Mit dem Instrument soll über einen Zeitraum von mindestens zwei Jahren die Photonen-Polarisation von Gammablitzen im Bereich von 20 keV bis 800 keV gemessen werden. Damit hat es einen größeren Messbereich als das Vorgängermodell POLAR (50–500 keV), das 2016/2017 auf dem Raumlabor Tiangong 2 eingesetzt war, und es deckt einen völlig anderen Bereich ab als HERD mit seinen 0,5 GeV – 100 TeV.

POLAR-2 hat die Form eines Würfels mit etwa 50 cm Kantenlänge. In einem Aluminiumgitter auf der Oberseite sind 100 Polarimeter-Module platziert – viermal soviel wie im ursprünglichen POLAR – von denen jedes 64 Szintillatoren von jeweils 5,9 × 5,9 × 125 mm enthält.^[29] Am 18. November 2019 unterzeichnete die Universität Genf einen Kooperationsvertrag mit dem Zentrum für Projekte und Technologien zur Nutzung des Weltalls, eine Einrichtung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, die beim bemannten Raumfahrtprogramm der Volksrepublik China für das Nutzlastsystem zuständig ist.^[30] Im Laufe des Jahres 2020 wurden am CERN Prototypen der Polarimeter-Module getestet, 2024 soll POLAR-2 mit einem Tianzhou-Frachter zur Raumstation gebracht und von der Besatzung außen am Wissenschaftsmodul installiert werden.^[29]

Weblinks

• Website des Zentrums für Projekte und Technologien zur Nutzung des Weltalls (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ Andrew Jones: Shenzhou-13 astronauts return to Earth after 182-day mission. In: spacenews.com. 16. April 2022, abgerufen am 17. April 2022 (englisch). 
2. ↑ ^{a b c} 中国空间站科学实验资源手册. (PDF; 6,1 MB) In: cmse.gov.cn. Abgerufen am 3. August 2021 (chinesisch). 
3. ↑ 王翔、王为: 天宫空间站关键技术特点综述. In: sciengine.com. 27. Oktober 2021, abgerufen am 3. November 2021 (chinesisch). 
4. ↑ ^{a b} 实验舱Ⅰ介绍. In: cmse.gov.cn. 23. April 2011, abgerufen am 3. August 2021 (chinesisch). 
5. ↑ 张智慧: 集大众智慧于探索 融中华文化于飞天. In: cmse.gov.cn. 5. November 2013, abgerufen am 28. Januar 2020 (chinesisch). 
6. ↑ Andrew Jones: Rocket to launch China’s next space station module arrives at launch center. In: spacenews.com. 31. Mai 2022, abgerufen am 1. Juni 2022 (englisch). 
7. ↑ ^{a b} 王翔: 人在太空：空间站工程师视角下的载人航天. In: cmse.gov.cn. 14. Mai 2022, abgerufen am 15. Mai 2022 (chinesisch). 
8. ↑ ^{a b} 刘泽康: 中国空间站建造进展情况新闻发布会召开. In: cmse.gov.cn. 17. April 2022, abgerufen am 18. April 2022 (chinesisch). 
9. ↑ 空间站工程研制进展. In: sohu.com. 23. April 2016, abgerufen am 2. August 2021 (chinesisch).  Auf der Grafik von 2016 ist Wentian noch an Steuerbord angeordnet.
10. ↑ 大平层，110立方米、三室两卫一厅、WiFi覆盖，这就是中国空间站. In: sohu.com. 18. Juni 2021, abgerufen am 3. August 2021 (chinesisch). 
11. ↑ 天和核心舱为现役最大单体航天器，问天和梦天如何？可并列第二. In: zhuanlan.zhihu.com. 2. Mai 2021, abgerufen am 2. August 2021 (chinesisch). 
12. ↑ Second space class from Tiangong Space Station (CSS) 中国天宫空间站第二场天宫课堂 (ab 1:00:30) auf YouTube, 24. März 2022, abgerufen am 25. März 2022.
13. ↑ 刘泽康: 神舟十四号载人飞行任务新闻发布会召开. In: cmse.gov.cn. 4. Juni 2022, abgerufen am 5. Juni 2022 (chinesisch). 
14. ↑ Jiang Zhihong et al.: Progress and Development Trend of Space Intelligent Robot Technology. In: spj.sciencemag.org. 25. Januar 2022, abgerufen am 30. Januar 2022 (englisch). 
15. ↑ 刘泽康: 神舟十四号载人飞行任务新闻发布会召开. In: cmse.gov.cn. 4. Juni 2022, abgerufen am 5. Juni 2022 (chinesisch). 
16. ↑ 神舟十三号飞行乘组执行首次出舱活动 auf YouTube, 7. November 2021, abgerufen am 30. Januar 2022.
17. ↑ ^{a b} Smriti Mallapaty: China’s space station is preparing to host 1,000 scientific experiments. In: nature.com. 23. Juli 2021, abgerufen am 4. August 2021 (englisch). 
18. ↑ ^{a b} Fabio Gargano: The High Energy cosmic-Radiation Detection facility (HERD): a probe for high-energy cosmic rays’ physics and multimessenger astronomy. (PDF; 3,5 MB) In: indico.cern.ch. 11. Juli 2019, abgerufen am 2. August 2021 (englisch). 
19. ↑ The HERD Collaboration. In: herd.ihep.ac.cn. Abgerufen am 4. August 2021 (englisch). 
20. ↑ ^{a b} Dimitrios Kyratzis: HERD: The High Energy Cosmic-Radiation Detection facility. (PDF; 1,9 MB) In: sif.it. 2. Mai 2021, abgerufen am 2. August 2021 (englisch). 
21. ↑ 国新办举行中国空间站建造进展情况新闻发布会. In: scio.gov.cn. 17. April 2022, abgerufen am 17. April 2022 (chinesisch).  16:35:12.
22. ↑ The High Energy Cosmic-Radiation Detection Facility. In: herd.ihep.ac.cn. Abgerufen am 5. August 2021 (englisch). 
23. ↑ Trigger System. In: herd.ihep.ac.cn. Abgerufen am 4. August 2021 (englisch). 
24. ↑ Gamma ray observation. In: herd.ihep.ac.cn. Abgerufen am 5. August 2021 (englisch). 
25. ↑ Dark Matter Search. In: herd.ihep.ac.cn. Abgerufen am 5. August 2021 (englisch). 
26. ↑ Selected Experiment Projects to be executed on board the CSS for the 1st Cycle. (PDF; 214 KB) In: unoosa.org. 12. Juni 2019, S. 2 f., abgerufen am 5. August 2021 (englisch). 
27. ↑ Bharat Chandra, Mikhail Sachkov et al.: Spectroscopic Investigation Of Nebular Gas (SING): a dedicated NUV spectrograph to study extended objects from a stable space platform. In: researchgate.net. 13. Dezember 2020, abgerufen am 6. August 2021 (englisch). 
28. ↑ The POLAR-2 Collaboration. In: astro.unige.ch. Abgerufen am 6. August 2021 (englisch). 
29. ↑ ^{a b} Johannes Hulsman et al.: POLAR-2: a large scale gamma-ray polarimeter for GRBs. In: researchgate.net. 7. Januar 2021, abgerufen am 6. August 2021 (englisch). 
30. ↑ Signing ceremony between CSU and university of Geneva. In: astro.unige.ch. Abgerufen am 7. August 2021 (englisch).