China bringt beschädigte Shenzhou 20 nach Riss im Fenster ohne Besatzung zurück

Seltener Rückschlag während einer Mission und schneller Trümmereinschlag

China wird die beschädigte Raumkapsel Shenzhou 20 ohne Astronauten an Bord zur Erde zurückbringen und eingehend untersuchen lassen. Ein Riss im Fenster hatte zuvor die erste Absage eines geplanten Rückflugs während einer Mission im bemannten chinesischen Raumfahrtprogramm erzwungen. Die Entscheidung fiel nach einer Woche mit Notfallmaßnahmen rund um die Raumstation Tiangong, um die Besatzung sicher zur Erde zurückzubringen und der im Orbit verbliebenen Crew wieder ein Notfall-Rückkehrfahrzeug bereitzustellen.

Die Auffälligkeit wurde am 5. November bei routinemäßigen Kontrollen vor dem Abdocken entdeckt. Astronauten bemerkten einen kleinen Makel am Rand eines Fensters der Rückkehrkapsel. Spätere Aufnahmen aus mehreren Blickwinkeln und von einer Außenkamera an Tiangong zeigten, dass es sich tatsächlich um einen Riss und nicht um Rückstände auf der Oberfläche handelte. Ingenieure bewerteten eine Rückkehr mit Besatzung als zu riskant, da sich Risse in einer unter Druck stehenden Wiedereintrittskapsel unter Belastung und Hitze ausbreiten können.

Die drei Astronauten von Shenzhou 20 hatten gerade einen sechsmonatigen Aufenthalt auf Tiangong beendet. Statt wie geplant abzufliegen, warteten sie neun Tage auf ein Ersatzraumschiff und traten dann mit Shenzhou 21 die Heimreise an. Ihre Landung am Standort Dongfeng in der Inneren Mongolei beendete den bis dahin längsten ununterbrochenen Aufenthalt einer chinesischen Besatzung im Orbit: etwas mehr als 200 Tage.

Die beschädigte Shenzhou 20 ist an der Station angedockt geblieben. Sie soll ferngesteuert abdocken und ohne Besatzung in die Atmosphäre eintreten, damit Ingenieure untersuchen können, wie sich das gerissene Fenster während der stark belastenden Rückkehrphasen verhält. Zudem sollen Flugdaten für künftige Konstruktionen gesammelt werden. Ji Qiming, Sprecher der China Manned Space Agency, sagte, das Raumschiff werde unbemannt zurückkehren und wertvolle Messdaten aus dem Flug liefern, die sich auf anderem Weg nicht gewinnen ließen.

Was Ingenieure am Fenster festgestellt haben

Nach Angaben der Programmverantwortlichen war vermutlich ein winziges Stück Weltraumschrott die Ursache. Selbst ein Teilchen, das kleiner als ein Sandkorn ist, kann im niedrigen Erdorbit mit Relativgeschwindigkeiten von mehreren Kilometern pro Sekunde einschlagen. Die dabei freigesetzte Energie reicht aus, um Glas und Metalle abzusplittern oder zu zerbrechen. Nach Angaben des Raumfahrzeug-Konstruktionsteams wies das Fenster von Shenzhou 20 einen Riss durch die gesamte Materialstärke auf, der von der Innen- bis zur Außenseite reichte und nahe am Rand des Sichtfensters zu sehen war.

Jia Shijin, Chefkonstrukteur des Systems für bemannte Raumschiffe an der China Academy of Space Technology, erläuterte die Einschätzung und das Risiko für die Besatzung. Fachleute für Glaswerkstoffe werteten Fotos und Videos aus, die in der Kabine sowie von der Kamera am Roboterarm von Tiangong aufgenommen worden waren. Ihre Ergebnisse waren ausschlaggebend für die Entscheidung, den ursprünglich geplanten Rückflug auszusetzen.

Nach unserer vorläufigen Einschätzung war das Weltraumschrottteil kleiner als 1 Millimeter, bewegte sich aber unglaublich schnell. Der entstandene Riss ist über einen Zentimeter lang. Wir können ihn im Orbit nicht direkt untersuchen und werden ihn daher eingehend begutachten, wenn Shenzhou 20 zurückkehrt.

Fenster von bemannten Raumfahrzeugen bestehen in der Regel aus mehreren Scheiben und zusätzlichen Sicherheitsbarrieren. Die Fenster von Shenzhou haben einen dreischichtigen Aufbau. Eine äußere Komponente zum Hitzeschutz muss den extremen Temperaturen beim Wiedereintritt standhalten, die auf über 1.000 Grad Celsius steigen können. Ein durchgehender Riss in einer der Scheiben setzt die Sicherheitsreserve außer Kraft, auf die Konstrukteure bei einer Rückkehr unter Druck angewiesen sind. Die Teams am Boden simulierten außerdem einen möglichen Extremfall, bei dem sich der Riss während des Wiedereintritts vergrößert, es zu einem Druckabfall kommt und heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit in die Kabine eindringen. In diesem Szenario könnte das Lebenserhaltungssystem innerhalb von Sekunden überlastet sein. Dieses Risiko war nicht vertretbar.

Wie sich der Notfall entwickelte

Innerhalb von zwölf Stunden nach der Bestätigung des Risses verschob die Missionskontrolle die Rückkehr von Shenzhou 20 und leitete Notfallverfahren ein. Die Besatzung blieb an Bord von Tiangong und wartete auf eine sichere Rückkehrmöglichkeit. Als Shenzhou 21 mit der nächsten Ablösung eintraf, vollzog China einen seltenen Wechsel: Die abzulösenden Astronauten nahmen das neue Raumschiff für die Rückreise, sodass das ankommende Team zunächst ohne unmittelbar verfügbares Rettungsfahrzeug blieb.

Um diese Lücke zu schließen, zog das Raumfahrtprogramm seinen Notfallplan vor. Am 25. November, nur zwanzig Tage nach Bekanntgabe der Verzögerung, brachte eine Rakete vom Typ Langer Marsch 2F die unbemannte Shenzhou 22 ins All. Das Raumschiff absolvierte wenige Stunden nach dem Start ein automatisches Rendezvous und Dockmanöver. Damit stand dem nun auf Tiangong stationierten Trio wieder eine Fluchtmöglichkeit zur Verfügung. Die Mission brachte außerdem zusätzliche Vorräte und Spezialwerkzeuge mit, die benötigt werden, wenn Techniker Shenzhou 20 für den Abflug vorbereiten und das beschädigte Sichtfenster behandeln.

Warum winziger Weltraumschrott große Probleme verursachen kann

Objekte im niedrigen Erdorbit bewegen sich mit etwa 7 bis 8 Kilometern pro Sekunde. Treffen zwei Objekte aus unterschiedlichen Richtungen aufeinander, kann ihre Annäherungsgeschwindigkeit noch höher sein. Selbst Fragmente, die zu klein sind, um von der Erde aus verfolgt zu werden, verfügen bei diesen Geschwindigkeiten über enorme kinetische Energie. Teilchen von weniger als einem Millimeter können Metall beschädigen, Glas zum Reißen bringen oder Wärmeschutzdecken durchschlagen. Größere, bestätigte Einschläge haben in der Vergangenheit Solaranlagen beschädigt, Kühlkreisläufe von Radiatoren durchschlagen und Fenster von Raumfahrzeugen sandgestrahlt.

Ingenieure konstruieren bemannte Raumfahrzeuge so, dass sie mit dieser Umgebung zurechtkommen. Viele Oberflächen sind durch mehrlagige Schutzschichten geschützt, sogenannte Whipple-Schutzschilde. Sie zerlegen kleine Teilchen, bevor diese die Druckkabine erreichen können. Fenster sind schwieriger zu schützen. Besatzungen benötigen freie Sicht zum Andocken und zur Orientierung, deshalb lassen sich Fenster nicht mit einer dichten Abschirmung versehen. Stattdessen verwenden Konstrukteure dicke, mehrschichtige Scheiben aus widerstandsfähigen Werkstoffen, bringen bei nicht benötigter Sicht Schutzabdeckungen an und begrenzen Größe und Anzahl der Fenster. Doch auch mit diesen Maßnahmen kann ein Teilchen Schäden verursachen, wenn es in einem ungünstigen Winkel oder mit sehr hoher Geschwindigkeit einschlägt.

Überwachungsnetze erfassen mehr als dreißigtausend Objekte, die groß genug sind, um katalogisiert zu werden. Millionen kleinerer Fragmente sind zu klein, um sie zu verfolgen, können aber trotzdem Schäden anrichten. Der Weltraumschrott stammt von ausgedienten Raketenstufen und alten Satelliten, von Kollisionen sowie von winzigen natürlichen Mikrometeoriten. Die Vereinten Nationen und nationale Raumfahrtagenturen setzen sich für Maßnahmen zur Begrenzung des Weltraumschrotts ein, etwa die Druckentlastung und Sicherung ausgedienter Satelliten, kontrollierte Wiedereintritte am Ende einer Mission und eine verantwortungsvolle Entsorgung oder die Verbringung auf geeignete Friedhofsorbits. Trotz solcher Schritte steigt die Zahl der Objekte auf beliebten Umlaufbahnen weiter.

Raumfahrer verlassen sich auf eine Kombination aus Ausweichmanövern und Abschirmung, um das Risiko zu verringern. Raumstationen und angedockte Fahrzeuge ändern regelmäßig ihre Umlaufbahn, um katalogisiertem Weltraumschrott auszuweichen. Bei riskanten Annäherungen suchen Besatzungen Schutz in ihren Rückkehrkapseln. In den vergangenen Jahren mehren sich die Forderungen nach einer besseren Koordinierung des Weltraumverkehrs und einem Austausch von Daten. China hat gemeinsame Projekte zur Beobachtung von Weltraumschrott mit Partnern vorangetrieben und investiert in Technologien wie Deorbitsegel und präzise Ortung, um die Gefahr einzudämmen.

Die Entscheidung zum Abbruch diente der Sicherheit

Shenzhou 20 hätte den Belastungen eines normalen Wiedereintritts wahrscheinlich standgehalten, doch ließ sich das im Orbit nicht nachweisen. Bei der Risikobewertung zählen sowohl die Wahrscheinlichkeit als auch die Folgen. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Riss katastrophal ausweiten würde, mochte gering sein, doch die Folgen wären tödlich gewesen. Die sicherere Option bestand darin, auf ein intaktes Rückkehrfahrzeug zu warten und das beschädigte Raumschiff anschließend ohne Besatzung zur Erde zu bringen.

Missionskommandant Chen Dong sprach nach der Landung über diese Abwägung. Er bezeichnete den Vorfall als Beleg dafür, dass die Erforschung des Weltraums Disziplin und Geduld erfordert.

Der Weg der Menschheit bei der Erforschung des Weltraums ist nicht eben und voller Schwierigkeiten und Herausforderungen.

Erstmals kehrte eine abzulösende Besatzung im chinesischen Raumstationsprogramm mit einem Raumschiff zur Erde zurück, mit dem sie nicht gestartet war. Der Einsatz verlängerte ihre Mission um neun Tage, setzte eine neue nationale Bestmarke für die Aufenthaltsdauer und erprobte Notfallverfahren für Start und Landung, die künftig zum Standardrepertoire der Besatzungen gehören werden.

Was bei der unbemannten Rückkehr und Untersuchung ansteht

In den kommenden Tagen oder Wochen werden die Fluglotsen Shenzhou 20 routinemäßig überprüfen, die Luken schließen und das Raumschiff zum Abdocken von Tiangong anweisen. Anschließend wird das Raumschiff ein Bremsmanöver durchführen, um die Umlaufbahn zu verlassen und in einem festgelegten Korridor in die Atmosphäre einzutreten. Bergungsteams am Landeplatz Dongfeng in der Wüste Gobi werden die Kapsel sichern, sobald sie am Fallschirm den Boden erreicht.

Die Ingenieure wollen mehr als nur einen genaueren Blick auf das Fenster werfen. Sie möchten realitätsnahe Daten darüber sammeln, wie sich ein gerissenes Fenster während des Wiedereintritts verhält. Sensoren für Temperatur, Druck und Vibration können erfassen, wie der Riss auf anhaltende Hitzeeinwirkung, aerodynamische Belastungen und akustische Beanspruchung reagiert. Ji Qiming sagte, die Rückkehr werde die authentischsten Versuchsdaten liefern. Das deutet darauf hin, dass das Team die tatsächlichen Belastungen beim Wiedereintritt mit seinen Modellen und Bodentests vergleichen wird. Solche Informationen verbessern künftige Konstruktionen und helfen dabei, Flugregeln für seltene, aber schwerwiegende Störfälle festzulegen.

In einem kontrollierten Labor können Fachleute die Geometrie des Risses vermessen, Rückstände an der Einschlagstelle analysieren und prüfen, ob sich der Riss während des Abstiegs ausgebreitet hat. Die Ermittler werden außerdem die Fertigungsunterlagen für die Fensterbaugruppe und den Einbauprozess prüfen, um verborgene Mängel auszuschließen, die nichts mit Weltraumschrott zu tun haben.

Betrieb auf Tiangong und die Rolle des Rettungsfahrzeugs

Da Shenzhou 22 nun angedockt ist, verfügt die derzeitige Besatzung für den Fall eines medizinischen Notfalls oder eines anderen Zwischenfalls über eine Fluchtmöglichkeit. Bei Raumstationen mit Langzeitbesatzung gehört stets eine startbereite Rückkehrkapsel dazu. Sie dient als Rettungsboot, Taxi und Hitzeschild, der monatelang wartet, bevor er die Besatzung auf einem kurzen Flug zur Erde bringt. Während eines Besatzungswechsels kann Tiangong sechs Astronauten aufnehmen, doch ihr Lebenserhaltungssystem ist für längere Aufenthalte auf drei Personen ausgelegt. Ein angedocktes, einsatzfähiges Rückkehrraumschiff ist für dieses Betriebsmodell unverzichtbar.

China hält ein Shenzhou-Raumschiff und eine Rakete vom Typ Langer Marsch 2F in Bereitschaft. Das System ist auf einen schnellen Einsatz ausgelegt, ähnlich wie Russland und die USA für Notfälle Sojus-Raumschiffe und andere bemannte Raumfahrzeuge bereithalten. Der kurzfristige Start von Shenzhou 22 demonstrierte diese Einsatzbereitschaft. Zugleich diente die Mission der Versorgung: Sie brachte Werkzeuge, Ersatzteile und Experimente mit, um den Stationsbetrieb aufrechtzuerhalten.

Wie andere Missionen mit ähnlichen Überraschungen umgingen

Die Geschichte der Raumfahrt bietet Parallelen, die zeigen, wie umsichtig die Entscheidung zu Shenzhou 20 war. 2022 durchschlug ein Mikrometeorit eine Kühlmittelleitung an einem russischen Sojus-Raumschiff, das an der Internationalen Raumstation angedockt war. Die Besatzung, die mit diesem Raumschiff hätte zurückkehren sollen, blieb im Orbit, bis ein unbemanntes Ersatz-Sojus-Raumschiff gestartet war. Der NASA-Astronaut Frank Rubio und zwei Kosmonauten kehrten nach einer verlängerten Mission sicher zur Erde zurück.

In einem anderen Fall traten bei einem Testflug einer US-amerikanischen Besatzungskapsel Probleme mit den Triebwerken und dem Antrieb auf. Dadurch blieben zwei Astronauten viel länger als geplant an der Internationalen Raumstation. Sie unterstützten die Arbeit der dortigen Besatzung, während Teams am Boden einen sicheren Weg für ihre Rückkehr ausarbeiteten. In beiden Fällen waren Vorsicht und Redundanz ausschlaggebend, nicht der Termindruck. Bei Shenzhou 20 gilt dieselbe Logik.

Worauf es in den kommenden Monaten ankommt

Als Nächstes stehen die unbemannte Rückkehr und die Auswertung des Flugs von Shenzhou 20, der weitere Einsatz von Shenzhou 22 als Rettungsfahrzeug sowie die laufenden wissenschaftlichen Arbeiten und Wartungsaufgaben auf Tiangong an. Zur Besatzung, die mit Shenzhou 21 gestartet ist, gehört der bislang jüngste chinesische Astronaut. Ein Besatzungsmitglied soll im Rahmen einer Langzeitstudie zu Biologie und menschlichen Leistungsfaktoren mehr als ein Jahr im Weltraum bleiben. Diese Pläne können umgesetzt werden, weil wieder ein Notfall-Rückkehrfahrzeug bereitsteht.

Chinas bemanntes Raumfahrtprogramm hat bislang nur wenige Zwischenfälle im Flug erlebt, weshalb dieser besonders auffällt. Zugleich zeigt er, dass das Programm reif auf einen solchen Vorfall reagieren kann. Das Team stellte die Sicherheit der Besatzung in den Vordergrund, startete rasch ein Raumschiff, um die Sicherheitsvorkehrungen der Station wiederherzustellen, und machte aus einem Zwischenfall eine Gelegenheit, da das beschädigte Raumschiff zur systematischen Untersuchung zur Erde zurückgebracht wird. Die Ergebnisse dürften in die Konstruktion von Fenstern, den Einschlagschutz und die Regeln für die Wiederaufnahme des Flugbetriebs bei künftigen Missionen einfließen, darunter auch ein geplanter Versuch einer Mondlandung später in diesem Jahrzehnt.

Die wichtigsten Punkte

• Shenzhou 20 kehrt ohne Besatzung zur Erde zurück, da ein Riss im Fenster eine Rückkehr mit Astronauten unsicher machte.
• Die Astronauten Chen Dong, Chen Zhongrui und Wang Jie kehrten nach einer Verzögerung von neun Tagen sicher mit Shenzhou 21 zurück und stellten einen neuen nationalen Rekord für die Aufenthaltsdauer auf.
• Ein Notstart am 25. November brachte die unbemannte Shenzhou 22 zu Tiangong, wo sie als Rettungsfahrzeug dient und Werkzeuge sowie Vorräte liefert.
• Ingenieure gehen davon aus, dass ein Weltraumschrottteil von weniger als einem Millimeter einen mehr als einen Zentimeter langen Riss durch die gesamte Dicke einer Fensterscheibe verursacht hat.
• Ji Qiming zufolge soll die unbemannte Rückkehr authentische Flugdaten darüber liefern, wie sich das gerissene Fenster beim Wiedereintritt verhält.
• China wird die Kapsel nach der Landung am Standort Dongfeng untersuchen lassen, um Erkenntnisse für künftige Konstruktionen und Flugregeln zu gewinnen.
• Der Vorfall zeigt die anhaltende Gefahr durch Weltraumschrott im niedrigen Erdorbit und den Wert bereitstehender Rettungspläne für Besatzungen.