Lebenszyklusanalyse von Raumfahrtsystemen

Um die Nachhaltigkeit von Raumtransportsystemen über den gesamten Lebenszyklus, also Design, Herstellung, Start, Wiederverwendung und Wiedereintritt zu untersuchen, führen wir Analysen durch, die die Abschätzung von Umweltauswirkungen dieser Systeme verbessern.

Derzeit bestehen Herausforderungen in einer umfassenden Lebenszyklusanalyse (LCA) verschiedener Raumfahrtstrukturen, einer detaillierten Erfassung von Emissionen während Start und Wiedereintritt sowie in der Verringerung von Unsicherheiten bei chemischen Wechselwirkungen und physikalischen Prozessen der Emissionen in verschiedenen Schichten der Atmosphäre.

Unter Verwendung von speziell auf Raumfahrtsysteme zugeschnittenen LCA-Methoden und Datenbanken sowie aktueller und sich in Entwicklung befindlicher Simulationswerkzeuge werden die folgenden Aspekte untersucht:

• Auswirkungen von Design, Entwicklung und Produktion auf die Umwelt,
• Emissionen und Umweltauswirkungen während des Starts,
• Emissionen und Umweltauswirkungen während des Wiedereintritts.

Das übergeordnete Ziel ist es, angesichts des starken Wachstums des Sektors, dazu beizutragen den Raumfahrtsektor nachhaltiger zu gestalten.

Seit 2021 forschen wir zu den Umweltauswirkungen von Weltraumaktivitäten. Das Vorhaben begann mit einer umfassenden Literaturrecherche zum damaligen Stand der Forschung. Dabei zeigte sich, dass abgesehen von Studien aus den frühen 1990er- und 2000er-Jahren bislang nur sehr wenig Forschung zu den Umweltauswirkungen von Weltraumaktivitäten betrieben worden war. Anhand generischer Produktionsdatensätze wurden im Rahmen einer industriellen Zusammenarbeit mit ArianeGroup verschiedene Trägerraketenarchitekturen, Treibstoffe und die Auswirkungen der Wiederverwendbarkeit untersucht. Es zeigte sich, dass je nach verwendeter Treibstoffkombination entweder die Produktion der Struktur oder die der Treibstoffe den größeren Einfluss hat. Durch Wiederverwendungsstrategien von Raketenstufen können die Einflüsse für die meisten Umweltindikatoren, abhängig von der verwendeten Rückkehrmethode, reduziert werden.

Zur Modellierung der Emissionen bei Weltraumstarts wurde das Open-Source-Tool „Launch Emission Assessment Tool“ (LEAT) entwickelt. Es kombiniert Flugbahn- mit Emissionsberechnungen unter Berücksichtigung von Unsicherheitsparametern (bspw. Gravity Turn, Mischungsverhältnis mit der umgebenden Atmosphäre) und ermöglicht so eine Abschätzung der Startemissionen. Darüber hinaus wurde zur Abschätzung der Emissionen während des Wiedereintritts das Open-Source-Tool „Re-entry Emission Assessment Tool“ (REAT) entwickelt. Es analysiert Wiedereintrittsbahnen auf Grundlage von DRAMA-, SCARAB- oder DEBRISK-Simulationen und modelliert Emissionen durch Aufheizung der Atmosphäre und Ablation anhand von Abschätzungen. Das Tool liefert Einblicke in die möglichen Emissionsspezies sowie deren Größenordnung. Auf Grundlage dieser Tools wurden Emissionsinventare für Weltraumtransporte und Wiedereintritte für den Zeitraum 2019–2025 erstellt (Launch, Re-entry), die sowohl die möglichen Emissionsspezies, deren Größenordnungen als auch die Unsicherheiten aufzeigen.
Beide Tools stellen nur einen ersten Ansatz zur Emissionsberechnung dar und müssen zukünftig durch Messungen validiert und weiter verbessert werden.
 
Durch die Arbeitsgruppe HEFDiG wurden die Forschungstätigkeiten um spektroskopische Analysen der Raketentriebwerksemissionen während Bodentests ergänzt. 

Regelmäßig finden zudem Workshops an der Universität Stuttgart statt, in denen internationale Experten aus Forschung, Industrie, Politik und Behörden gemeinsam Wissenslücken und Maßnahmen zu deren Schließung sowie Strategien zur nachhaltigeren Entwicklung von Raumtransportsystemen erörtern. Aus diesen Workshops gingen bisher drei Whitepaper (erstes Whitepaper, zweites Whitepaper, drittes Whiteaper) hervor, welche den Stand der Wissenschaft sowie notwendige Maßnahmen zur Beantwortung der Forschungsfragen darlegen.

Die identifizierten Lücken werden nun systematisch im Rahmen weiterer Forschung adressiert. So wird die Modellierung von Start- und Wiedereintrittsemissionen (Emissionsberechnung, Partikelemissionen, Charakterisierung) verfeinert. Um dies zu erreichen, wird die Implementierung und Verbesserung der bestehenden Tools auf der Grundlage der Erkenntnisse aus dem Forschungsnetzwerk SLICE (z.B. Mess- und Simulationsdaten zu Emissionen, berechnete Charakterisierungsfaktoren) angestrebt. Darüber hinaus werden Zukunftsszenarien für den Trägerraketenmarkt erarbeitet, um diese als gemeinsame Grundlage bereitzustellen. Auf dieser Basis werden Emissionsdatenbanken für Start- und Wiedereintrittsprozesse zur atmosphärischen Simulation für aktuelle und zukünftige Szenarien zusammengestellt und Charakterisierungsfaktoren insbesondere für Emissionen in großer Höhe entwickelt.

Im Weiteren adressieren wir die chemische Interaktion von Raumfahrtemissionen mit der oberen Atmosphäre. Hierbei stehen die Höhenbereiche der Stratosphäre und Mesosphäre im Fokus. Durch die Analyse chemischer Reaktionspfade, die Entwicklung von Modellen zur Identifikation daraus resultierender Produkte und die Nutzung von Modellen zur Berechnung von Klima- und Umweltauswirkungen sollen Unsicherheiten bezüglich der Auswirkungen der Raumfahrt verringert werden. Eine präzisere Einschätzung der atmosphärischen Umweltauswirkungen von Raumfahrtaktivitäten ist entscheidend für eine nachhaltige und sichere Weiterentwicklung der wachsenden Raumfahrtbranche.