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Illustration eines Polaris-Dawn-Besatzungsmitglieds, das den ersten privaten Weltraumspaziergang durchführt (Bildnachweis: Polaris Program via X)Sprung zu:

• Polaris Dawn-Besatzung
• Ausbildung
• EVA Anzug
• Die Mission+Forschung
• EVA
• Künftige Missionen des Polaris-Programms

SpaceX‘ bisher ehrgeizigste Mission mit Besatzung bereitet sich auf den Start in diesem Sommer vor – sie wird die ersten weltraumtauglichen Raumanzüge des Unternehmens und eine Crew-Dragon-Kapsel mit einem für die Vakuumexposition modifizierten Innenraum umfassen.

Polaris Dawn ist die erste von drei geplanten Missionen im Rahmen des Polaris-Programms, das von dem Milliardär und Philanthropen Jared Isaacman finanziert wird. Das Vorhaben ist eine Fortsetzung des Inspiration4-Starts von SpaceX im Jahr 2021, bei dem Isaacman und drei weitere Privatpersonen den ersten rein zivilen Flug ins All unternahmen. Durch Inspiration4 konnte Isaacman dazu beitragen, 250 Millionen Dollar für das St. Jude Children’s Research Hospital in Memphis, Tennessee, zu sammeln, und er hofft, diesen Schwung in Polaris Dawn sowie in die nachfolgenden Missionen des Programms mitzunehmen.

Im Bestreben, weiterhin Pionierarbeit in der privaten Raumfahrt zu leisten, werden Isaacman und die Polaris Dawn-Crew mit ihrem Dragon-Raumschiff höher fliegen als jede andere bemannte Mission seit dem Ende des Apollo-Programms in den 1970er Jahren. Während ihres Fluges wird die Crew auch das neue und verbesserte Raumanzugdesign von SpaceX im Vakuum des Weltraums testen und validieren und gemeinsam die erste rein zivile außerhäusliche Aktivität (EVA) durchführen.

Polaris Dawn-Besatzung

Die Polaris Dawn-Crew, von links nach rechts: Anna Menon, Scott „Kidd“ Poteet, Jared Isaacman und Sarah Gillis. (Bildnachweis: Polaris-Programm/John Kraus)

Polaris Dawn Besatzungsmitglieder führen Vorbeiflugmanöver am Raumschiff von SpaceX auf der Startrampe in Starbase, TX, 17. November 2023, durch. (Bildnachweis: Josh Dinner)

Ausbildung

Bei der ersten Ankündigung hatte das Polaris Dawn-Team einen Starttermin Ende 2022 angepeilt. Dieser Termin wurde schließlich auf Anfang März 2023 und schließlich auf den Sommer 2024 verschoben. Die Verzögerungen waren zum Teil auf die Zeitvorgaben für die Entwicklung der Hardware zurückzuführen, vor allem für die Konstruktion und Herstellung des EVA-Anzugs von SpaceX.

In den drei Jahren seit Inspiration4 haben Isaacman und die Polaris-Dawn-Crew fleißig für ihre bevorstehende Mission trainiert. Nach dem Vorbild der NASA konzentrierte sich ein großer Teil dieses Trainings auf Gruppenzusammenhalt und Teamarbeit. Poteet beschrieb einen Teil des Trainings der Crew während einer „Spaces“-Diskussion auf X, früher Twitter, am 4. Mai. „Wir haben sozusagen an das angeknüpft, was die NASA über Generationen hinweg getan hat, um Umgebungen und Situationen zu identifizieren, die stressig sind“, sagte er und fügte hinzu, dass diese Situationen es ihnen ermöglicht haben, die Stärken und Schwächen ihrer Teamkollegen sowie ihrer selbst zu erkennen.

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Die Polaris-Dawn-Besatzung beim Expeditionstraining im Freien. (Bildnachweis: Polaris-Programm / John Kraus)

Wie Poteet erklärt, sind die Besatzungsmitglieder in den letzten Jahren gemeinsam gereist und haben dabei eine Vielzahl von Umgebungen und Situationen kennen gelernt, die sie auf die Probe gestellt haben. Zu ihrem Training gehörten Tauchen, Bergsteigen, Fallschirmspringen und Flüge in Hochgeschwindigkeitsjets. „All diese Umgebungen erzeugen ein gewisses Maß an Stress, das es uns ermöglicht, uns in diesen unangenehmen Szenarien zurechtzufinden“, sagte er. „Wir haben einige großartige Erfahrungen gemacht und freuen uns darauf, sie beim Start in die Praxis umzusetzen.

EVA Ausbildung

Die Mitglieder der Polaris-Dawn-Besatzung hatten zwar die Möglichkeit, einen Teil ihres Schwerelosigkeitstrainings im Johnson Space Center (JSC) der NASA in Houston zu absolvieren, aber sie hatten keinen Zugang zu dem Pool in der Nähe des Raumfahrtzentrums, der als Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) bekannt ist. Das NBL ist berühmt für seine Verwendung bei der Ausbildung von Astronauten in EVA-Verfahren sowie für seine unter Wasser befindliche Nachbildung der ISS.

Die Astronauten Barbara R. Morgan (rote Streifen) und Janice E. Voss (weißer Anzug), die Trainingsversionen des Raumanzugs „Extravehicular Mobility Unit“ tragen, nehmen an einer Unterwassersimulation der „Extravehicular Activity“ (EVA) im Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) in der Nähe des Johnson Space Center in Houston teil. (Bildnachweis: NASA)

Anstatt unter Wasser zu gehen, haben die SpaceX-Ingenieure am Hauptsitz des Unternehmens in Hawthorne, Kalifornien, ein ausgeklügeltes System von Seilen, Zugvorrichtungen und Gegengewichten in einem Dragon-Kapselsimulator aufgebaut, das die Auswirkungen der Schwerelosigkeit nachahmt. Gillis erläuterte während der X-Diskussion die Einzelheiten dieses Systems.

„Wenn man ‚EVA‘ hört, ist der erste Gedanke normalerweise: ein Schwimmbecken mit neutralem Auftrieb zu bauen, um die Mikrogravitationsumgebung zu simulieren“, sagte sie. „Wir haben natürlich einen viel kürzeren Entwicklungszyklus – und einen Anzug in den Pool zu legen, hat seine eigenen Herausforderungen. Das SpaceX-Team ist also von einer anderen und neuen Seite an die Sache herangegangen, um Mittel und Wege zu finden, dies außerhalb des Wassers zu tun.“

Sie fuhr fort, dass es in den Einrichtungen des Teams in Hawthorne einen vertikalen Kapselsimulator gibt, in dem es den Ingenieuren gelungen ist, ein Aufhängungssystem mit innovativen Steuerungen zu platzieren. „Wenn man mit dem Finger auf etwas tippt“, sagte sie, „bewegt man sich ganz ähnlich wie in der Schwerelosigkeit.“

Gillis stellt sich einen Druckanzug in einem Aufhängungssystem vor, das den Austritt aus der Luke eines Raumschiffs simulieren kann. „Man kann ein Besatzungsmitglied seitlich aufhängen und die Bedienung der Luke in einer sehr realitätsnahen Simulation der Mikrogravitationsumgebung üben“, sagte sie.

EVA-Anzug

SpaceXs Raumanzug für Außenbordeinsätze. (Bildnachweis: SpaceX)

SpaceX hat am 4. Mai seinen neuen EVA-Anzug vorgestellt, der wie eine dickere Version des IVA-Raumanzugs (Intravehicular Activity) aussieht, den die Astronauten bei früheren Starts und Landungen an Bord von Crew Dragon getragen haben. Chris Trigg, SpaceX‘ Manager für Raumanzugdesign, nahm ebenfalls an der X Spaces-Diskussion teil.

„Eine Herausforderung bestand darin, alle Funktionen des IVA-Anzugs beizubehalten und zusätzlich die EVA-Fähigkeit hinzuzufügen“, sagte Trigg. Um unnötigen Ballast im Raumschiff zu vermeiden, wird die Polaris Dawn-Besatzung ihre IVA-Anzüge zurücklassen und während der gesamten Mission nur ihre EVA-Anzüge benötigen. „Wir verwenden bei der Polaris-Dawn-Mission einen einzigen Anzug, den die Besatzung von der Landung bis zur Wasserung tragen wird“, sagte Trigg und fügte hinzu: „Wir wollten sicherstellen, dass alles, was der derzeitige IVA-Anzug kann, beibehalten wird, aber wir haben ihn auch EVA-fähig gemacht.“

Zu den Verbesserungen, mit denen der IVA-Anzug an die EVA-Spezifikationen angepasst wurde, gehörte beispielsweise die Aufrüstung des Wärmemanagementsystems des Anzugs, für die Materialien aus dem Zwischenteil der Falcon 9-Rakete sowie aus dem Rumpf von Dragon verwendet wurden. Außerdem wurde das Visier des Helms neu beschichtet und mit Informationsanzeigen und Kameras im Helm ausgestattet. Das neue kupferfarbene Visier wurde mit demselben Indium-Zinn-Oxid-Beschichtungsverfahren behandelt wie die Kuppel von Inspiration4. (Das ist das Fenster, durch das die Inspiration4-Besatzungsmitglieder ihre Köpfe praktisch aus dem Raumschiff stecken konnten).

Die Inspiration4-Crew posiert für ein Selfie in der Kuppel ihres SpaceX Crew Dragon-Raumschiffs. (Bildnachweis: Inspiration4)

„Das Visier erfüllt viele Funktionen“, erklärt Trigg. „Er hilft dabei, den Anzug abzudichten und den Druck aufrechtzuerhalten; er ist offensichtlich das optische Bullauge für die Besatzung, um nach draußen zu sehen; er muss auch die thermische Umgebung verwalten – und dann muss er natürlich auch schützen, genau wie eine Sonnenbrille, indem er verhindert, dass zu viel Licht und schädliche Lichtwellenlängen in den Anzug eindringen.“

Die EVA-Anzüge verfügen außerdem über einen Nabelanschluss für lebenserhaltende Funktionen, während die Besatzung dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt ist, sowie über einen zusätzlichen Kühlknopf zur Regulierung der Innentemperatur. Darüber hinaus haben die Techniker die Gelenke und die Beweglichkeit der Anzüge mit besonderer Sorgfalt neu bewertet und verbessert.

„Eines der Gelenke, an denen wir wirklich hart gearbeitet haben, sind die Rotatoren an den Armen, den Schultern und den Handgelenken, die die Drehung dieser Gelenke ermöglichen. Sie sind insofern einzigartig, als sie im drucklosen Zustand weich und flexibel bleiben, so dass in dynamischen Flugphasen, wie beim Start oder Wiedereintritt, keine harten, metallischen Gegenstände auf den Körper der Besatzungsmitglieder einwirken. Sie bleiben weich. Wenn der Anzug dann unter Druck gesetzt wird, versteift er sich und bietet die nötige Beweglichkeit“, so Trigg.

Die Mission+Forschung

Wenn Polaris Dawn startet, wird die Besatzung in eine stark elliptische Umlaufbahn einschwenken, die eine maximale Höhe (Apogäum) von 1.200 Kilometern (745 Meilen) und eine minimale Höhe (Perigäum) von etwa 190 Kilometern (118 Meilen) erreicht. Nach einigen Umkreisungen wird Dragon sein Apogäum auf 1.400 Kilometer (870 Meilen) anheben – das ist höher, als je ein Mensch seit der letzten Apollo-Mission im Jahr 1972 geflogen ist. Hier wird die Polaris-Dawn-Besatzung den größten Teil ihrer Forschung betreiben.

Die Umlaufbahn von Polaris Dawn reicht in Teile des Van-Allen-Strahlungsgürtels, d. h. in Bereiche mit magnetisch eingeschlossenen, hochenergetischen geladenen Teilchen, die sich zwischen der Erde und dem Mond befinden. In den letzten drei Jahrzehnten wurden in der bemannten Raumfahrt vor allem die Auswirkungen der Mikrogravitation und der Strahlung auf den menschlichen Körper in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) erforscht, nicht aber im tiefen Weltraum.

„Es ist eine großartige Gelegenheit für uns, Daten zu sammeln, aber eigentlich geht es darum, über unsere Komfortzone hinauszugehen und über das hinauszugehen, was wir in den letzten 20 Jahren in einem großartigen Weltraumlabor, der Raumstation, gemacht haben“, sagte Isaacman während der Diskussion am 4. Mai. „Aber wenn wir zum Mond, zum Mars und darüber hinaus gelangen wollen, müssen wir uns ein bisschen weiter hinauswagen“.

In ihren fünf Tagen im All wird die Polaris-Dawn-Besatzung etwa 40 Experimente durchführen. Die Website der Mission enthält eine ausführliche Liste der Forschungsarbeiten, die das Team durchzuführen hofft, und fasst den größten Teil davon wie folgt zusammen:

• Einsatz von Ultraschall zur Überwachung, Erkennung und Quantifizierung von venösen Gasembolien (VGE) als Beitrag zu Studien über die Prävalenz der Dekompressionskrankheit beim Menschen;
• Sammlung von Daten über die Strahlungsumgebung, um besser zu verstehen, wie die Weltraumstrahlung die biologischen Systeme des Menschen beeinflusst;
• Bereitstellung von biologischen Proben für Multi-omics-Analysen für eine langfristige Biobank;
• Forschung im Zusammenhang mit dem raumfahrtassoziierten neuro-okularen Syndrom (SANS), das ein Hauptrisiko für die menschliche Gesundheit bei Langzeit-Raumflügen darstellt.

Polaris Dawn hofft auch, ein Laserkommunikations-Experiment mit dem Starlink-Satellitennetzwerk von SpaceX durchführen zu können. „Wir haben dafür etwas sehr Aufregendes geplant – das ist eine wirklich große Sache“, sagte Isaacman.

Er ging zwar nicht näher darauf ein, betonte aber, wie wichtig es ist, die Grundlagen für die bemannte Raumfahrt in einem viel größeren Maßstab zu schaffen, „möglicherweise Hunderte von Raumschiffen in der Zukunft“, so Isaacman, und hob das Ziel hervor, die Abhängigkeit von „alten Bodenstationen oder TETRA-Satelliten“ zu verringern.

Polaris Dawn wird eine Reihe von wissenschaftlichen und technischen Experimenten durchführen, wie z. B. die Kommunikation mit dem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk von SpaceX, Starlink. (Bildnachweis: Shutterstock)

EVA

Nach dem Abschluss des Großteils der Forschungsarbeiten in der stark elliptischen Umlaufbahn der Mission werden die Besatzungsmitglieder von Polaris Dawn ihr Apogäum auf etwa 700 Kilometer (435 Meilen) absenken, wo sie ihre EVA durchführen werden. Neben all den Forschungsarbeiten, die auf dem Programm der Mission stehen, wird die Erprobung und Validierung der neuen Anzüge nicht nur ein wichtiger Meilenstein für Polaris Dawn und das Polaris-Programm, sondern auch für SpaceX sein.

Auf der ISS und einigen anderen Raumstationen und Raumfahrzeugen, darunter auch das ausgemusterte Space Shuttle der NASA, werden die EVA-Teilnehmer beim Verlassen des Fahrzeugs in einer Luftschleuse eingeschlossen, die hermetisch vom Rest des Raumfahrzeugs isoliert ist und in der sich der Druck langsam zu einem Vakuum abbaut. Dadurch wird eine explosive Dekompression aufgrund der Unterschiede zwischen dem für menschliches Leben geeigneten Luftdruck (der durch die Lebenserhaltungssysteme aufrechterhalten wird) und dem kalten, harten Vakuum des Weltraums verhindert.

Eine weitere Methode, mit der sich Astronauten auf eine EVA vorbereiten, ähnelt den Verfahren, die von Tiefseetauchern oder Piloten in großen Höhen angewandt werden – sie unterziehen sich einem Atmungsprotokoll, um den Körper von Stickstoffgas zu befreien, das die Dekompressionskrankheit verursacht.

Da es jedoch keine Luftschleuse gibt, muss die gesamte Kabine von Dragon entlüftet und dem Weltraum ausgesetzt werden. Dadurch unterscheiden sich die Vorgänge vor einer EVA von denen, die bisher an Bord der ISS beobachtet wurden, und die Voratmungsroutine der Besatzung ändert sich.

„Der Unterschied besteht darin, dass [Astronauten an Bord der Raumstation] oft über einen sehr langen Zeitraum 100 Prozent Sauerstoff atmen oder ein Trainingsprogramm absolvieren, um zu versuchen, den Stickstoff aus ihrem System zu entfernen, so dass die Gefahr einer Dekompressionskrankheit geringer ist“, erklärte Isaacman. „Das Problem ist, dass wir an Bord von Dragon keine Luftschleuse haben. Wir können also nicht einfach stundenlang in der Schleuse sitzen und 100 Prozent Sauerstoff einatmen, um den Stickstoff loszuwerden. Wir müssen einen anderen Ansatz wählen.“

Die Polaris Dawn-Mission, die frühestens im Sommer 2024 starten wird, wird den ersten kommerziellen Weltraumspaziergang überhaupt beinhalten (Bildnachweis: Polaris Program)

Über mehrere Tage hinweg wird der Druck im Inneren von Crew Dragon langsam sinken, da der Sauerstoffpartialdruck (PPO2) allmählich ansteigt. Isaacman verglich die Druckveränderung mit einem Besuch in Denver, das auf einer Höhe von 1.610 m (5.280 Fuß) liegt. „Während der Zeit, in der wir uns in einer Höhe befinden, die unser Körper als höher empfindet, wird unser Körper langsam von Stickstoff befreit“, erklärte Isaacman weiter. „Dann werden wir für eine gewisse Zeit auf 100 Prozent O2 in unseren Anzügen umschalten, wenn wir die Kapsel entlüften, und dann werden wir die gesamte Operation mit 100 Prozent O2 durchführen.

Von dort aus werden alle vier Mitglieder der Polaris Dawn-Besatzung bei geöffneter Luke und vollständig entlüfteter Kabine dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt; diese EVA ist nicht nur die erste, die von einem Privatmann durchgeführt wird, sondern auch die größte, an der jemals teilgenommen wurde.

Typischerweise werden die EVA-Aufgaben außerhalb der ISS von NASA-Astronauten und Roscosmos-Kosmonauten von jeweils zwei Personen durchgeführt. Die einzige EVA, die jemals mit drei Personen durchgeführt wurde, fand während der Space-Shuttle-Mission STS-49 statt. Es handelte sich dabei um eine improvisierte EVA, die nur deshalb zustande kam, weil zuvor zwei EVA-Versuche gescheitert waren und man hoffte, dass drei Astronauten eine Aufgabe bewältigen könnten, die zwei nicht schaffen würden.

Crew Dragon

Das Design von Crew Dragon wurde zwar für eine Vakuumexposition getestet und qualifiziert, aber die Szenarien, in denen eine solche Exposition auftreten könnte, fielen alle in die Kategorie „Notfall“. Um den Polaris Dawn Dragon EVA-fähig zu machen, musste das Innere des Raumfahrzeugs daher überarbeitet werden.

So entfernten die SpaceX-Techniker alle Komponenten oder Materialien, die nicht in der Lage waren, dem Vakuum über einen längeren Zeitraum standzuhalten, und fügten in der Kabine Fußstützen und Haltegriffe hinzu, um die Stabilität zu erhöhen, einschließlich eines Mobilitäts-Interface-Geräts (im Grunde eine Leiter) an der vorderen Luke des Dragon. Die SpaceX-Ingenieure haben die Leiter „Skywalker“ genannt. Sie soll den Astronauten zusätzliche Sicherheit beim Verlassen des Raumschiffs bieten.

Illustration eines Polaris Dawn-Besatzungsmitglieds, das den ersten privaten Weltraumspaziergang durchführt (Bildnachweis: SpaceX)

Das Innere des Crew Dragon von Polaris Dawn enthält auch ein neues System zur Wiederherstellung des Stickstoffdrucks, das am Ende der EVA der Besatzung eingesetzt wird.

Gillis erläuterte während der Diskussion am 4. Mai einige der Gründe für die Modifikationen und sagte: „Unsere gesamte Lebenserhaltung wird aus dem Fahrzeug kommen – Sauerstofftanks im Inneren des Raumschiffs, die durch eine Versorgungsleitung zu unseren Anzügen geleitet werden. Die Versorgungskabel versorgen unsere Elektronik, unsere Lebenserhaltung. Das ist unsere eigentliche Verbindung zum Fahrzeug. Um die gesamte Missionsdauer zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass wir [den EVA-Anzug und die Verfahren] testen können, wird die Operation auf etwa zwei Stunden am Stück begrenzt. Und das schließt die Entlüftung der Kapsel, externe Operationen und die Wiederherstellung des Drucks in der Kapsel mit ein.“

Sie ging auch darauf ein, wie die Polaris Dawn EVA dieses zweistündige Zeitfenster nutzen wird. „Außerhalb des Raumschiffs werden zwei Besatzungsmitglieder eine Testmatrix durchlaufen, um SpaceX die Daten zu liefern, die sie sich erhoffen“, sagte sie und fügte hinzu, dass sich die Tests hauptsächlich auf die Leistung und Mobilität des Anzugs in der Schwerelosigkeit konzentrieren würden.

SpaceX möchte diese Gelegenheit auch nutzen, um die Art und Weise, wie Astronauten für zukünftige EVAs trainiert werden, zu überprüfen. „Wir haben dieses am Boden validierte System für das Training, aber wir validieren diese Trainingsmethode auch in der Mikrogravitationsumgebung, um zu sehen, ob es Nuancen gibt, die wir in unserer simulierten Umgebung nicht ganz erfasst haben“, sagte Gillis.

Künftige Missionen des Polaris-Programms

Das Hubble-Weltraumteleskop wurde zuletzt im Jahr 2009 gewartet. (Bildnachweis: NASA)

Details zu den zweiten und dritten Flügen des Polaris-Programms wurden noch nicht bekannt gegeben, aber Isaacman sagte, dass bei der letzten Polaris-Mission das Raumschiff von SpaceX zum Einsatz kommen wird, vorausgesetzt, das Fahrzeug ist flugbereit. Er schlug auch die Möglichkeit vor, künftige Flüge als Mittel zur Erhaltung und Verlängerung alternder Raumfahrtmissionen zu nutzen.

So erwägt die NASA beispielsweise, einen privaten Anbieter mit der Wartung des Hubble-Weltraumteleskops zu beauftragen, nachdem das Polaris-Programm die Möglichkeit aufgeworfen hat, das Observatorium auf eine höhere Umlaufbahn zu bringen. Isaacman schrieb kürzlich auch einen Brief an den NASA-Administrator Bill Nelson, in dem er seine Besorgnis über die Finanzierungslücken im US-Kongress zum Ausdruck brachte, die zur Streichung des Chandra-Röntgenobservatoriums führten.