Cleaning up the final frontier - orbital debris as potential resource: the story of three space stations

Abstract

Since the launch of Sputnik 1 in 1957 the presence of human-made objects in space has drastically increased. As of now, there are over 2000 active satellites in orbit, yet they amount to only 10% of the artificial objects tracked in the proximity of our planet. The remainder is considered space debris, and besides the traceable large objects it comprises undetectable, smaller debris pieces with an estimated count surpassing 100 million. Debris of any size poses an imminent risk to all current and future space missions and could even lead to the creation of an impenetrable debris belt around Earth.Worldwide, concepts and technologies are being developed to remove debris from orbit. The vast majority is based on capturing and de-orbiting the debris, causing it to burn up during atmospheric re-entry. However, because launching any type of material into orbit is immensely expensive, orbital debris also presents a potentially valuable resource that could be utilized for future on orbit construction. The initial aim of this work was to conceive an orbital facility for the recycling of space debris. The first two iterations of the space station presented in this book disintegrate spent rocket stages and turn them into feedstock for on orbit additive manufacturing utilization. However, this idea remains conceptual, since it involves technologies that yet have to be researched and developed. Further, the examination of debris material properties will be necessary and additional concepts for on orbit applications have to be devised to make debris a viable resource in the future. Therefore, the main focus of this work shifted towards the architecture and design of an orbital space station suited for these research tasks. The resulting space station R3-Debris (Research concerning Resource utilization and Recycling of Debris) is capable of housing a four person crew on 6-12 month missions and up to 8 people during crew exchange periods. It contains a shredder for rough processing, a robotic arm and a truss platform for storing captured debris. Inspired by inflatable module concepts like NASAs TransHab and based on the dimensions of Bigelow Aerospaces BA- 330, particular attention was given to the design of the stations joint habitation and work module. Its interior layout features private quarters, a social hub, hygiene and sports facilities, a greenhouse and work areas including a dedicated workshop, material processing and research section arranged in a nonconflicting way within the modules limited volume.

Seit dem Start von Sputnik 1 im Jahr 1957 ist die Anzahl menschlich gefertigter Objekte im All drastisch gestiegen. Derzeit gibt es über 2000 aktive Satelliten, dennoch bilden diese nur 10% der künstlichen Objekte, die in der Nähe unseres Planeten beobachtet werden. Die restlichen 90 % werden als Weltraummüll bezeichnet. Darüber hinaus existieren, Schätzungen zufolge, mehr als 100 Millionen kleinere, nicht registrierbare, Trümmerstücke. Trümmer jeder Größe stellen ein unmittelbares Risiko für alle gegenwärtigen und zukünftigen Weltraummissionen dar und könnten sogar zur Bildung eines undurchdringlichen Trümmergürtels um die Erde führen. Die überwiegende Mehrheit der bereits erdachten Konzepte und Technologien zur Beseitigung von Weltraumtrümmern basiert auf der Idee des Auffangens und dem Entfernen der Trümmer aus ihrer Umlaufbahn, durch das Verglühen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Das Hochbringen von Material jeglicher Art in die Umlaufbahn ist immens teuer. Weltraumtrümmer stellen daher auch eine potenziell wertvolle Ressource dar, die bereits vor Ort verfügbar ist und für zukünftige Bauarbeiten im Orbit verwertet werden könnte. Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Konzeption eine orbitalen Anlage für das Recycling von Weltraumtrümmern. Die ersten beiden Iterationen der Raumstation, die in diesem Buch präsentiert werden, zerkleinern verbrauchte Raketenstufen und verwandeln sie in Rohmaterial für additive Fertigungszwecke im Orbit. Diese Idee bleibt jedoch konzeptionell, da die notwendigen Technologien noch erforscht werden müssen. Auch sind Untersuchungen des Materialzustandes und die Definition weiterer Anwendungsmöglichkeiten nötig um Weltraumtrümmer in Zukunft als Ressource zu etablieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem räumlichen Entwurf einer orbitalen Raumstation, die für ebendiese Aufgaben geeignet ist. Die orbitale Station R3-Debris (Research concerning Resource utilization and Recycling of Debris) ist in der Lage, eine vierköpfige Crew auf 6-12-monatigen Missionen und bis zu 8 Personen während der Crew-Austausch-Phasen zu beherbergen. Sie enthält einen Technologiedemonstrator für die grobe Verarbeitung der Trümmer, einen Roboterarm und eine Fachwerkplattform zur Lagerung von aufgefangenen Trümmerstücken. Inspiriert von aufblasbaren Modulkonzepten wie dem TransHab der NASA und basierend auf den Abmessungen des BA-330 von Bigelow Aerospace wurde besonderes Augenmerk auf das Design des kombinierten Wohn und Arbeitsmoduls der Station gelegt. Die Innenausstattung umfasst private Bereiche, eine soziale Zone, Hygiene- und Sporteinrichtungen, ein Gewächshaus und Arbeitsbereiche, einschließlich einer speziellen Werkstatt sowie Einrichtungen für die Erforschung und Bearbeitung des Trümmermaterials, die innerhalb des begrenzten Volumens des Moduls konfliktfrei angeordnet sind.