Hitzeschild

Ein Hitzeschild (Thermal Protection System, TPS) schützt ein Raumfahrzeug beim Wiedereintritt in eine Atmosphäre vor der extremen Reibungshitze. Bei der Rückkehr aus einer Erdumlaufbahn (etwa 7,8 km/s) entstehen Temperaturen von über 1.600 °C; bei Rückkehr vom Mond (11 km/s) sogar über 2.500 °C.

Es gibt zwei Haupttypen: Ablative Hitzeschilde verdampfen kontrolliert und tragen dabei Wärme ab, wie ein schmelzendes Eisbonbon im heißen Wind. Das Apollo-Kommandomodul, die Stardust-Kapsel und Orion verwenden dieses Prinzip mit Materialien wie PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) oder AVCOAT. Wiederverwendbare Hitzeschilde wie die Keramikkacheln des Space Shuttle isolieren durch geringe Wärmeleitfähigkeit, sie können bis 1.260 °C an der Oberfläche glühen, während die Rückseite handwarm bleibt.

SpaceX entwickelte für Starship einen neuartigen Ansatz: hexagonale Hitzeschutzkacheln aus keramischem Material, ergänzt durch transpiratives Kühlen (Film Cooling) an besonders belasteten Stellen. Die Kacheln sollen wiederverwendbar sein.

Ein Hitzeschild-Versagen ist katastrophal: Der Verlust der Columbia am 1. Februar 2003 wurde durch ein beim Start beschädigtes Hitzeschild-Panel an der Vorderkante des linken Flügels verursacht. Heißes Plasma drang beim Wiedereintritt ein und zerstörte die innere Struktur.

Gerade der Wiedereintritt führt vor Augen, dass die Hitze nicht primär durch Reibung entsteht, wie oft angenommen wird, sondern durch Kompression. Das Raumfahrzeug rast so schnell, dass es die Luft vor sich nicht ausweichen lassen kann und stattdessen schlagartig verdichtet, wodurch eine glühende Stoßwelle aus Plasma entsteht, die das Schiff umhüllt. Genau diese Plasmahülle unterbricht für einige Minuten auch den Funkkontakt, der berüchtigte Blackout beim Wiedereintritt. Der Hitzeschild muss diese extreme Belastung in einem einzigen, fehlerlosen Durchgang überstehen, denn eine zweite Chance gibt es nicht. Die Columbia-Katastrophe machte auf tragische Weise deutlich, dass schon ein kleiner Schaden am Schild den Verlust der gesamten Besatzung bedeuten kann. Für die Zukunft der Raumfahrt ist der wiederverwendbare Hitzeschild eine Schlüsseltechnologie, denn nur wenn ein Schiff mehrfach unbeschädigt zurückkehren kann, wird Raumfahrt so günstig wie erhofft. SpaceX' Versuche mit den Kacheln von Starship zeigen, wie schwierig dieser Schritt vom Wegwerf- zum Mehrwegschild tatsächlich ist.