SAFFIRE – Die NASA erforscht Brände im All

Gabeln werden auf Teller gelegt, das Rascheln der Zeitungsseiten unterbrochen und die Lautstärke des Fernsehgeräts reduziert, als der schrille Alarmton die Frauen und Männer der Raumwache auffordert, der folgenden Durchsage zu lauschen:

„Einsatz für Löschraumgleiter 81, Rüstsfähre 3 und Rettungsflieger 61. Brand auf Raumstation 51, Modul 42!“

Mit geübter Eile und gewohnten Griffen ziehen die Weltraumretter ihre feuerhemmenden Schutzanzüge an, begeben sich auf ihre Fluggeräte und spielen in Gedanken die Schritte des Notfallprogramms für Raumstationen durch. Was noch vor wenigen Jahren Astronauten und Techniker vor große Herausforderungen stellte, ist für die Feuernauten inzwischen eine Routineangelegenheit: Brände im Weltraum. Die Grundlagen hierfür wurden zu Beginn des 21. Jahrhunderts gelegt, als eine Reihe von Experimenten, das Verständnis von Brandverläufen in der Mikrogravitation beförderte.

Soweit ein kleines, in der Zukunft angesiedeltes Gedankenspiel, dessen Grundannahme ganz und gar nicht fiktional ist: die Erforschung von Feuer und Brandverläufen in der Mikrogravitation und an Bord von Raumfahrzeugen. Vor mittlerweile zwei Jahren hatte ich bereits mit dem Artikel „(K)ein Feuer in der Schwerelosigkeit[1] auf die Problematik von Bränden im Weltraum und die schwache Forschungslage hingewiesen. NASA und ESA wollen nun mit einer Reihe von Experimenten die Datenlage erweitern, ein Brand auf der ISS käme nämlich einem Worst-Case-Szenario gleich.

Feuer an Bord – Das Spacecraft Fire Experiment

Ein wichtiger Baustein ist der Start des unbemannten Weltraumfrachters Cygnus (OA-6) von Orbital ATK auf einer Atlas V-Rakete, der nach Plan am 20. März zur ISS starten und dort Mitte Mai abkoppeln soll. Nach dem Abtrennen beginnt in sicherer Entfernung zur ISS und noch vor Eintritt in die Erdatmosphäre mit dem Spacecraft Fire Experiment-I (Saffire-1) die erste von drei Missionen[2] zur Erforschung von Brandverläufen in Raumfähren unter Einfluss der Mikrogravitation, denn Feuer verhält sich in der Mikrogravitation[3] anders, als auf der Erde.[4]

Bisher fand die Erforschung von Feuer unter sehr strengen Sicherheitsvorkehrungen an Bord der ISS statt, zuletzt mit dem „Burning and Suppression of Solids—Milliken“ (BASS-M) Experimenten, das flammenhemmende Baumwolltextilien untersuchte. Allerdings durften (und dürfen) bei allen Experimenten bloß Flammen unter zehn Quadratzentimetern Fläche entzündet werden, diese sind zwar zu klein, um aussagekräftige Daten über große Feuer zu erhalten, bildeten jedoch wichtige Basis für Saffire. Im Rahmen von Saffire entfachen die Forscher nun einen Brand realistischer Größe, der weder an Bord eines Space Shuttles möglich war noch an Bord der ISS durchgeführt werden darf, da die Gefahr für die Mannschaft zu groß ist. Für die Konstrukteure von Raumfahrzeugen bedeutet dies natürlich ein Mangel an Daten bezüglich vorbeugenden Brandschutz und der Ausarbeitung von Sicherheitsprozeduren. Das Cygnus-Modul eignet sich deshalb für das Feuerexperiment, weil der unbemannte Frachter nicht für Wiederverwendung konstruiert ist, aber die Bedingungen, die an Bord von Raumfahrzeugen herrschen, wiedergibt.

Der Versuchsaufbau

Saffire sieht das Abbrennen eines Testfilms von einem Meter Länge und 40 Zentimetern Breite innerhalb einer Metallbox vor. Der Film besteht aus dem SIBAL-Textil, das ist eine Mischung aus 75 Prozent Baumwolle und 25 Prozent Fiberglas – letzteres ist deshalb eingewebt, um ein (Ab)Reißen der Baumwolle während des Experiments zu unterbinden. Der Behälter enthält neben dem Brennstoff zwei den Luftzug regulierende Lüfter sowie eine Reihe von Sensoren, die Temperatur, Sauerstoff und Kohlendioxid messen. Zwei HD-Videokameras zeichnen die Flammenbildung auf. Das Experiment soll zwischen 15 bis 20 Minuten dauern. Sollten die Flammen von selbst verlöschen, soll das andere Ende der Probe entzündet werden, um zu überprüfen, was geschieht, wenn die Flamme entgegen den Luftzug brennt. Die Datenübertragung zur Erde soll acht Tage später erfolgen, sofern die Kapsel noch intakt ist und bevor sie in den Ozean stürzt.

Researchers experimenting with flames onboard the International Space Station have produced a strange, cool-burning form of fire that could help improve the efficiency of auto engines.

Saffire Experiment Module (top cover removed for clarity). Hardware consists of a flow duct containing the sample card and an avionics bay. All power, computer, and data acquisition modules are contained in the bay. Dimensions are approximately 53- by 90- by 133-cm. Quelle: NASA

Das Saffire Experiment Modul. Die Hardware besteht aus einem Strömungskanal, der die Materialprobe und die Bordelektronik enthält.  Die Stromversorgung, der Computer und die Datenaufzeichnungsmodule sind im Elektronikgestell enthalten.  Die Box hat die Größe von etwa 53 x 90 x 133 cm. Quelle: NASA

Und es wird noch mehr gezündelt

Im Rahmen von Saffire-2 wird eine Mischung aus neun verschiedenen Materialproben, die regulär auf der ISS in Benutzung sind, entzündet. Darunter befinden sich SIBAL, NOMEX, Plexiglas und Silikongemische. Die gleichen Brennversuche führt die NASA auf der Erde durch, um Vergleichsdaten zu generieren. Die Proben emulieren die Konfiguration des NASA-STD-6001 Test 1, zielen also auf die Vergleichbarkeit mit der Brennbarkeit unter Schwerkraftbedingungen.

Schließlich soll Saffire-3 den Versuch von Saffire-1 mit einem stärkeren Luftzug wiederholen, weil dieser ein wesentlicher Faktor für die Ausbreitung von Bränden in der Mikrogravitation darstellt.

Die Saffire-Experimente haben zwei Ziele: Erstens geht es um das Verständnis von Flammenausbreitung und – wachstum auf einem entflammbaren Material, das Verwendung in der Raumfahrt findet und zweitens soll herausgefunden werden, ob die Methoden der NASA zur Auswahl von schwer entflammbaren Materialien für Mikrogravitationsbedingungen geeignet sind.


Das Video der NASA zeigt, wie das Experiment aufgebaut ist und wie der Verbrennungsvorgang funktioniert.

Erhöhung der Sicherheit

Endziel der Experimente ist die Entwicklung besserer Feuerdetektion, eines besseren vorbeugenden Brandschutzes und verbesserter Schutzausrüstung für die Astronauten. Und dieser Anspruch tut Not in Zeiten einer aufstrebenden Raumfahrtindustrie, die schon bald regelmäßig touristische Ausflüge ins All anbieten will, ganz zu schweigen von den geplanten Langzeitmissionen zum Mond und zum Mars. Denn Brände in der Mikrogravitation und Schwerelosigkeit stellen einen der größten Unsicherheitsfaktoren beim Bau und Betrieb entsprechender Einrichtungen dar.

Fußnoten

[1] Eine redigierte Version des Artikels erschien in der Ausgabe Nr. 6/2015 der Zeitschrift FeuerTrutz.

[2] Es folgen Saffire-2 an Bord von OA-7 im Herbst 2016 und Saffire-2 an Bord von OA-8 in 2017.

[3] Mikrogravitation bezieht sich auf die schwache gravitative Wirkung der Erde auf Raumfahrzeuge im Orbit um die Erde. Bisher haben nur die Apollo-Missionen zum Mond das Schwerefeld der Erde vollständig verlassen.

[4] Zum Verhalten von Feuer in der Mikrogravitation siehe auch Stefan Cimander: (K)ein Feuer in der Schwerelosigkeit, 21. Mai 2014, http://www.feuerwehr-weblog.org/2014/05/21/kein-feuer-in-der-schwerelosigkeit/

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