Am 21. Juli 1961 erlebte der amerikanische Astronaut Gus Grissom den Höhepunkt der Welt – und er war wirklich dort. Grissom war Mitglied der Mission Liberty Bell 7, einem ballistischen Testflug, der ihn mit einer Rakete durch die Atmosphäre schickte. Während des Tests saß er in einer kleinen Kapsel, die eine Höhe von über 100 Meilen erreichte, bevor sie im Atlantischen Ozean landete. Ein Marineschiff, die USS Randolph, überwachte das erfolgreiche Ende der Mission aus sicherer Entfernung. Alles verlief nach Plan, die Kontrolleure in Cape Canaveral waren begeistert, und Grissom wusste, dass er gerade dem VIP-Club als zweiter amerikanischer Astronaut in der Geschichte beigetreten war. Grissom blieb in der Kapsel und schaukelte auf den sanften Ozeanwellen. Während er auf einen Hubschrauber wartete, der ihn auf das trockene Deck der USS Randolph bringen sollte, vervollständigte er die Aufzeichnung der Flugdaten. Aber dann änderten sich die Dinge unerwartet. Ein falscher Befehl im Explosivsystem der Kapsel führte dazu, dass die Luke wegflog, wodurch Wasser in den kleinen Raum eindringen konnte. Grissom vergaß auch, das Ventil in seinem Raumanzug zu schließen, sodass Wasser in seinen Anzug eindringen konnte, während er darum kämpfte, an der Oberfläche zu bleiben. Nach einer dramatischen Flucht aus der Kapsel kämpfte er darum, den Kopf über Wasser zu halten, während er dem Hubschrauberpiloten signalisierte, dass etwas schiefgelaufen war. Der Hubschrauber konnte ihn im letzten Moment retten. Grissoms Nahtod-Erlebnis bleibt einer der dramatischsten Splashdowns in der Geschichte. Splashdowns sind jedoch nach wie vor eine der häufigsten Methoden, Astronauten zur Erde zurückzubringen. Ich bin Professor für Luft- und Raumfahrttechnik und untersuche die Mechanismen, die bei diesen Phänomenen beteiligt sind. Glücklicherweise sind die meisten Splashdowns nicht so stressig, zumindest auf dem Papier.

Erklärung der Splashdowns
Bevor ein Raumschiff sicher landen kann, muss es langsamer werden. Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre hat das Raumschiff viel kinetische Energie. Reibung mit der Atmosphäre erzeugt Widerstand, der das Raumschiff verlangsamt. Reibung wandelt die kinetische Energie des Raumschiffs in thermische Energie oder Wärme um. Diese gesamte Wärme strahlt in die umgebende Luft aus, die sehr, sehr heiß wird. Da die Wiedereintrittsgeschwindigkeiten um ein Vielfaches höher sind als die Schallgeschwindigkeit, verwandelt die Luftkraft, die auf das Raumschiff einwirkt, die Umgebung des Raumschiffs in einen glühenden Strom von etwa 1.500 Grad Celsius. Im Fall der massiven Starship-Rakete von SpaceX erreicht diese Temperatur bis zu 1.700 Grad Celsius. Leider gibt es, egal wie schnell dieser Transfer erfolgt, nicht genug Zeit während des Wiedereintritts, dass das Raumschiff auf eine sichere Geschwindigkeit verlangsamt, ohne abzustürzen. Ingenieure wenden sich daher anderen Methoden zu, um das Raumschiff während des Splashdowns zu verlangsamen.

Fallschirme
Fallschirme sind die erste Option. Die NASA verwendet in der Regel hell gefärbte Designs, wie zum Beispiel Orange, die sie leicht sichtbar machen. Sie sind auch riesig, mit Durchmessern von über 30 Metern, und jedes Raumschiff verwendet normalerweise mehr als einen für die beste Stabilität. Die ersten Fallschirme, die sich öffnen, sogenannte Bremsschirme, werden ausgelöst, wenn die Geschwindigkeit des Raumschiffs unter etwa 700 Meter pro Sekunde fällt. Selbst dann kann die Rakete nicht auf einer harten Oberfläche landen. Sie muss irgendwo landen, wo der Aufprall gedämpft wird. Forscher erkannten früh, dass Wasser ein hervorragender Stoßdämpfer ist. So wurde der Splashdown geboren.

Warum Wasser?
Wasser hat eine relativ niedrige Viskosität – das heißt, es verformt sich schnell unter Belastung – und hat eine viel geringere Dichte als harter Fels. Diese beiden Eigenschaften machen es ideal für die Landung von Raumschiffen. Ein weiterer Hauptgrund, warum Wasser so gut funktioniert, ist, dass es 70 % der Erdoberfläche bedeckt, sodass die Chancen, es zu treffen, hoch sind, wenn man aus dem Weltraum fällt. Die Wissenschaft hinter den Splashdowns ist komplex, wie die lange Geschichte zeigt. 1961 führten die USA die ersten bemannten Splashdowns in der Geschichte durch. Sie verwendeten Mercury-Wiedereintrittskapseln. Diese Kapseln hatten eine ungefähr konische Form und fielen mit der Basis zuerst ins Wasser. Der Astronaut im Inneren saß nach oben gerichtet. Die Basis absorbierte den Großteil der Hitze, sodass die Forscher einen Hitzeschild entwarfen, der sich ablagerte, während die Kapsel die Atmosphäre durchquerte. Als die Kapsel langsamer wurde und die Reibung abnahm, kühlte die Luft ab und ermöglichte es, die überschüssige Wärme vom Raumschiff aufzunehmen und so abzukühlen. Bei einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit würden sich die Fallschirme öffnen.

Der Splashdown-Prozess
Der Splashdown erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 24 Metern pro Sekunde. Es ist kein ganz sanfter Aufprall, aber er ist langsam genug, dass die Kapsel den Ozean trifft und den Aufprall absorbiert, ohne ihre Struktur, Fracht oder den Astronauten im Inneren zu beschädigen. Nach dem Verlust der Challenger im Jahr 1986, als der Space Shuttle Challenger kurz nach dem Start zerbrach, begannen Ingenieure, ihre Raumschiffdesigns auf das sogenannte Crashworthiness-Phänomen zu konzentrieren – oder das Ausmaß der Schäden, die ein Raumschiff nach dem Aufprall auf eine Oberfläche erleidet. Jetzt müssen alle Raumschiffe nachweisen, dass sie eine Überlebenschance im Wasser nach der Rückkehr aus dem Weltraum bieten können. Forscher bauen komplexe Modelle und testen sie dann in Laborexperimenten, um zu beweisen, dass die Struktur stark genug ist, um diese Anforderung zu erfüllen.

Die Zukunft der Splashdowns
Zwischen 2021 und Juni 2024 führten sieben SpaceX-Dragon-Kapseln fehlerfreie Splashdowns nach ihrer Rückkehr von der Internationalen Raumstation durch. Am 6. Juni führte die bisher stärkste Rakete, SpaceX's Starship, einen phänomenalen vertikalen Splashdown im Indischen Ozean durch. Ihre Raketenverstärker arbeiteten weiterhin beim Anflug auf die Oberfläche und erzeugten eine außergewöhnliche Wolke aus zischendem Dampf um die Düsen. SpaceX hat Splashdowns verwendet, um Dragon-Kapseln nach dem Start zu bergen, ohne dass deren kritische Teile signifikant beschädigt wurden, sodass sie für zukünftige Missionen recycelt werden können. Das Freischalten dieser Wiederverwendungsfähigkeit wird privaten Unternehmen Millionen von Dollar an Infrastrukturkosten einsparen und die Missionskosten senken. Splashdowns bleiben die häufigste Taktik für den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen, und mit mehr Raumfahrtagenturen und privaten Unternehmen, die nach den Sternen greifen, werden wir in Zukunft wahrscheinlich noch viele Splashdowns sehen. Dieser Artikel wurde aktualisiert, um zu korrigieren, dass SpaceX seine Dragon-Kapseln während der Splashdowns birgt.

Original:
Marcos Fernandez Tous
Assistenzprofessor für Weltraumstudien, Universität von North Dakota