Schockwellen verflüssigen Metall

Einschlag einer 4 mm großen Aluminiumkugel mit 7,5 km/s in eine Doppelwand. Die Hochgeschwindgkeitsaufnahe zeigt, wie die Kugel in eine Trümmerwolke zerplatzt, bevor sie die zweite Wand erreicht. © ESA

Schon bei einem nur Millimeter kleinen Geschoss ist die bei einem Treffer freigesetzte Energie so groß, dass sich das Metall des Projektils – aber auch das des Ziels – kurzzeitig verhält wie eine Flüssigkeit. Schockwellen durchrasen das Material, bei einem Druck von Millionen Kilogramm pro Quadratzentimeter verflüssigt und verdampft es wie Quecksilber an der Sonne. Selbst extrem feste Materialien wie Kevlar, das unter anderem bei schusswaffensicheren Westen, aber auch zur Abschirmung von Satelliten und Raumsonden eingesetzt wird, können dieser Energie nicht standhalten. „Die dabei auftretenden Schockwellen können die ganze Satellitenstruktur zerreißen“, erklärt UN-Weltraumschrott-Experte Dietrich Rex die Konsequenzen.

Im Kanonenversuch durchschlägt das Projektil das Ziel und zerplatzt dabei zu einer Wolke von winzigen Trümmertröpfchen, die schnell wieder erhärten. Sind diese sekundären Teilchen klein genug, genügt schon eine zweite Abschirmungsschicht, um sie aufzuhalten. Die meisten Schutzschilde für Sonden und Raumfahrzeuge sind daher heute nach diesem Prinzip aufgebaut, nach ihrem Erfinder Fred Whipple auch als „Whipple-Shield“ bezeichnet. Oft müssen die Hochgeschwindigkeitsprojektile jedoch erst mehrere Lagen Schutzmaterial durchschlagen, bis sie ausreichend klein und damit harmlos sind.

Trefferrisiko für verschiedene Bereiche der ISS: rot: höchste Gefahr, blau: niedrigste Trefferwahrscheinlichkeit. Das japanische Labormodul Kibo (Ausschnittfoto) wurde an seiner gefährdetsten Seite mit einem gefüllten Mehrfachschild ausgerüstet. Allerdings hält auch dieser nur maximal 1,2 Zentimeter große Impaktoren auf. © NASA

Labormodul „Kibo“ nutzt gefüllten Schild

Deshalb nutzt auch der jüngste Zuwachs der ISS, das japanische Labormodul Kibo, ein Sandwich-Prinzip als Schutz: An seiner am stärksten durch Treffer gefährdeten Vorderseite liegen unter einer knapp 1,3 Millimeter dünnen Außenhaut aus Aluminium gleich mehrere „Bremslagen“ aus Kevlar und ähnlichen Hightechgeweben. Dann erst folgt mit einem kleinen Abstand die eigentliche Druckhülle des Moduls, bestehend aus einer knapp fünf Millimeter dicken Aluminiumlegierung.

Versuche mit einer Leichtgaskanone zeigen, dass diese verstärkte Schutzhülle bei einer Einschlagsgeschwindigkeit von rund zehn Kilometern pro Sekunde noch Objekte bis 1,2 Zentimeter Größe aufhalten kann. Alles was größer oder schneller ist, dringt durch. Immerhin erreichen die japanischen Raumfahrtingenieure damit fast die doppelte Schutzwirkung eines normalen, nicht gefüllten Whipple-Schilds.

Schutzwirkung des am japanischen ISS-Modul eingesetzten gefüllten und einfachen Whipple-Shield im Vergleich. © JAXA

Doch diese Sonderpolsterung hat auch mehr Gewicht als eine reine Aluminiumhülle. Und jedes Gramm mehr im Orbit bedeutet mehr Kosten. Für unbemannte Sonden und Satelliten lohnt sich dieser Aufwand daher meist nicht. Als Folge sind ihre Sensoren und lebenswichtigen Bauteile oft nur von dünnsten Aluschichten überzogen – und damit so gut wie gar nicht geschützt. Für sie bedeuten daher selbst millimeterkleine Objekte schon das Aus.