Von Wiebke Hoes
Abbildung 11: Bei einer Geschwindigkeit von 28.800 km/h erleben die Astronaut*innen auf der ISS sechzehn Sonnenauf- und -untergänge pro Tag. Bild: WikiImages auf Pixabay2
Ein Feuer ist für viele Menschen das Schlimmste, was passieren kann. Es kann sich in Sekundenschnelle ausbreiten und dabei nicht nur Hab und Gut zerstören, sondern auch das eigene Leben gefährden. Im Zweifelsfall gilt es, die Flucht zu ergreifen, um sich selbst zu retten. Doch was passiert, wenn man sich an einem Ort befindet, an dem man nicht so einfach vor dem Feuer fliehen kann? Zum Beispiel auf einer Raumstation wie der ISS? Genau daran forschen Wissenschaftler*innen am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Uni Bremen.
Das Leben auf der Raumstation unterscheidet sich sehr von dem Leben auf der Erde. Das wohl bekannteste Beispiel dafür ist die ISS, die International Space Station (siehe Abbildung 1), auf welcher derzeit 7 Astronauten*innen (Stand Mai 2021) leben und arbeiten. Das Fehlen der Schwerkraft macht selbst die einfachsten Tätigkeiten, wie Essen, Trinken und Zähneputzen kompliziert. Die Astronauten*innen werden vier Jahre lang ausgebildet3, um ihre Arbeit, aber auch den Alltag gut meistern zu können. Dazu gehört auch ein Training für Notfallsituationen. Die Astronauten*innen lernen was zu tun ist, sollten sie sich verletzen, ein Druckabfall auftreten oder ein Feuer ausbrechen. Dabei wird jeder Handgriff so lange geübt, bis er perfekt sitzt, denn Hilfe von Feuerwehr oder Rettungskräften ist in solch einer Situation nicht zu erwarten.
Wie unterscheidet sich eigentlich ein Feuer auf der ISS von einem Feuer auf der Erde?
Abbildung 24: Die Kerzenflamme in Mikrogravitation (r.) brennt zwar heißer als die Kerzen auf der Erde (l.), erstickt sich dafür aber selbst. Bild: Andreas Lischka auf Pixabay (links), eigene Zeichnung (rechts).
Um richtig zu handeln, muss man verstehen, dass ein Feuer sich auf der ISS von einem Feuer auf der Erde in seinem Brennmuster unterscheidet. Dafür kann man als vereinfachtes Beispiel eine Kerze betrachten. Wie sich eine Kerzenflamme auf der Erde unter dem Einfluss der Schwerkraft verhält, weiß jede*r: Es entsteht eine lang gezogene gelbe Flamme (siehe Abbildung 2 (links)) und wenn man seine Hand zu nah über die Kerze hält, verbrennt man sich.
In der annähernden Schwerelosigkeit (auch genannt Mikrogravitation) sieht das Ganze etwas anders aus. Hier bildet die Kerze eine runde Flamme, die eher einer Kugel ähnelt. Dabei ist die gesamte Flamme blau gefärbt und von allen Seiten gleich heiß (siehe Abbildung 2 (rechts)). Ob man hier seine Hand neben oder über die Flamme hält, macht keinen Unterschied. Natürlich kann man sich auch hier verbrennen, wenn man zu nah an die Flamme kommt, immerhin brennt die Flamme bei etwa 1.700°C, also noch etwa 300°C heißer als auf der Erde. Aber warum gibt es nun diese Unterschiede zwischen Weltraum und Erde?
Das hängt mit der An- oder Abwesenheit eines Schwerefeldes zusammen. Die Luft in der Atmosphäre unterliegt, wie auch alle anderen Materialien und Stoffe, der Schwerkraft (Gravitation) der Erde. Und diese Schwerkraft beeinflusst den Gasaustausch einer Flamme während des Verbrennungsvorgangs der Kerze. Der Austausch einer Flamme mit ihrer Umgebung besteht im Wesentlichen aus vier Mechanismen: der Konvektion (Wärmeströmung), der Stoffdiffusion, der Wärmestrahlung und der Wärmeleitung.
Auf der Erde steigt die warme Luft nach oben und kalte Luft strömt von unten nach, wodurch die Flamme konstant mit neuem Sauerstoff versorgt wird. Dabei handelt es sich um die sogenannte „Auftriebskonvektion“ (siehe Abbildung 3). Diese entsteht wenn sich die Luft durch die Verbrennung um den Kerzendocht erwärmt und sich ausdehnt. Sie nimmt ein größeren Volumen ein und hat somit eine geringere Dichte als die umliegende kühlere, “schwerere” Luft. Letztere schiebt die erwärmte Luft nach oben.
Die hochgestiegene Luft kühlt sich wieder ab. Ihr Volumen verkleinert und ihre Dichte erhöht sich. Die kühlere Luft erfährt dadurch eine größere Schwerkraft und „sinkt“ gen Erdoberfläche, während die leichtere, warme Luft nach oben verdrängt wird. Es entsteht eine Art Konvektionskreislauf, der für die Flamme eine rasche, sauerstoffreiche Luftzufuhr nachhaltig sichert13.
Abbildung 3: Kerzenflamme unter Schwerkraftbedingungen auf der Erde: Die tropfenförmige Flammenform entsteht durch die vertikale Auftriebskonvektion. Bild: Eigene Zeichnung © 2021 Greta Sondej │ Science Blog – Universität Bremen.
Bei Mikrogravitation (wie auf der ISS) gibt es jedoch kein Schwerefeld, wodurch die Auftriebskonvektion wegfällt. Normalerweise müsste sich also die Flamme ohne frischen Sauerstoff sofort selbst ersticken. Aber die anderen drei Komponenten der Wärmeübertragung verhindern dies – zunächst.
Die Stoffdiffusion sorgt dafür, dass die Gase sich möglichst gleichmäßig verteilen. Das Abgas bewegt sich nach außen, weil dort die Abgaskonzentration gering ist. Gleichzeitig diffundiert der Sauerstoff dorthin , wo die Sauerstoffkonzentration besonders gering ist, nämlich ins Innere der Flamme (siehe Abb. 4). So kann die Flamme trotz ausbleibender Auftriebskonvektion weiter mit Sauerstoff versorgt werden. Jedoch bildet sie aufgrund der fehlenden Konvektionsströmungen eine sphärische Form. Zusätzlich laufen die chemischen Verbrennungsreaktionen, durch die verringerte Sauerstoffzufuhr (mittels Diffusion), viel langsamer ab. Die Bildung von Rußpartikeln wird unterdrückt In der Konsequenz sinkt die Flammentemperatur, wodurch sich keine Rußpartikel bilden, die in der Regel für das helle gelbe Licht der Kerze verantwortlich sind. Die bläuliche Färbung der halbkugelrunden Flamme beruht auf den blassblauen Lichtemissionen der angeregten Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffmolekülen, die aus dem verbrannten Kerzenwachs hervorgehen 12.
Abbildung 4: Kerzenflamme unter Mikrogravitationsbedingungen auf der ISS: Durch die Stoffdiffusion wird Sauerstoff ins Flammeninnere transportiert, während das Abgas zum äußeren Flammenrand bewegt wird. Bild: Eigene Zeichnung © 2021 Greta Sondej │ Science Blog – Universität Bremen.
Der dritte Mechanismus, die Wärmestrahlung ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der Wärme durch elektromagnetische Wellen (infrarote Strahlung, infrarotes Licht) übertragen wird. Das ist das was man merkt, wenn man seine Hand in die Nähe der Flamme hält. Diese Strahlung hängt von der Temperatur und dem Abstand zur Flamme ab. Die Wärme, die wir auf unserer Haut spüren, wird geringer, wenn sich der Abstand zwischen Flamme und Hand vergrößert. Brennt die Flamme bei einer höheren Temperatur, strahlt die Flamme auch mehr Wärme aus. Die Farbe der Flamme gibt uns letztlich Aufschluss über die Wärmestrahlung, denn eine blaue Flamme steht für geringe Strahlungsleistung (geringe Übertragung der thermischen Strahlung an die Umgebung) und eine gelbe für eine hohe Strahlungsleistung (hohe Übertragung der thermischen Strahlung an die Umgebung).
Der vierte und letzte Mechanismus ist die Wärmeleitung. Diese funktioniert ähnlich der Stoffdiffusion, indem die Energie von einem heißen Bereich in einen kalten Bereich übertragen wird 5.
Warum ist ein Feuer auf einer Raumstation dann trotzdem so gefährlich?
Abbildung 56: Das übliche Verhalten im Brandfall funktioniert im Weltall nicht. Bild: Ⓒ Copyright McFire.
Problem 1: Kein Ausweg. Was würde man tun, wenn auf der Arbeit bzw. in der Uni ein Feuer ausbricht? Ein ausgehängter Rettungsplan zum Verhalten im Brandfall, wie alle ihn bestimmt schon oft gesehen haben, ist hier als Beispiel in Abbildung 56 zu sehen. Aber schaut man sich diese Rettungsschritte einmal an und versucht für die ISS daraus Lösungen zu finden, merkt man schnell, dass die meisten Punkte gar nicht sinnvoll umsetzbar sind. Auf der Erde gängige Verhaltensregeln wie „Feuerwehr rufen“ oder „Rettungswege nutzen“ helfen bei einem Brand auf der ISS nicht weiter. Und die Option, das Objekt im Zweifelsfall zu verlassen und herunter brennen zu lassen, kann lebensgefährlich sein und existiert nur in Form einer Rettungskapsel. Man ist also auf sich allein gestellt.
Problem 2: Die langsame Wärmeabfuhr. Während die Wärme eines Feuers auf der Erde in alle Richtungen an die Umgebung abgegeben werden kann, wird die Wärme im Weltraum von Materialien gespeichert. Kommt es zu einem Brand auf einer Raumstation, können sich Materialien wie Metalle um das Feuer herum verflüssigen. Die geschmolzenen Metalltropfen bewegen sich durch die Raumstation. Da die Wärme nicht wie auf der Erde durch die Auftriebskonvektion abgegeben werden kann, sondern nur die Wärmeleitung und Strahlung überhaupt die Wärme übertragen, dauert es eine ganze Zeit, bis sich diese Tröpfchen abkühlen und wieder verfestigen können. Die Tropfen verwandeln sich bis dahin in, für alle Personen und Instrumente, gefährliche Objekte.
Problem 3: Mehr Rauch als auf der Erde. Bei Rauchgas handelt es sich um unverbrannte oder nur teilweise verbrannte Stoffe, die bei Kontakt mit Sauerstoff brennbar sind. Auf der Erde wird die Flamme verwirbelt, das sorgt für eine konstante Sauerstoffversorgung der Flamme selbst und dafür, dass das Rauchgas verbrennen kann. Auf der ISS wird der wenige verfügbare Sauerstoff komplett von der Flamme verbraucht. Diese produziert zwar Rauchgase, der Sauerstoff reicht aber nicht für deren Verbrennung, sodass es zu einer gefährlichen Anreicherung kommt. Selbst wenn der Brand gelöscht werden kann, gibt die Flamme, während sie brennt, weiterhin Rauchgase in die Raumstation ab. Die Raumstation wird mit Qualm und Rauchschwaden gefüllt und die Luft, trotz Sauerstoff, ist nicht mehr atembar.
Problem 4: Empfindliche lebenserhaltende Geräte sind in Gefahr. Jede Ecke der ISS ist mit lebensnotwendigen Hightech-Systemen ausgestattet und je nach Brandort kann es somit auch für alle Personen an Bord sehr schnell lebensgefährlich werden. Auch ohne, dass sie direkt mit dem Feuer in Kontakt kommen.
Das klingt ja furchtbar! Wie wird denn ein Feuer auf einer Raumstation gelöscht?
Der Löschprozess hängt von der Situation ab, aber in den meisten Fällen werden Feuerlöscher verwendet und gleichzeitig die Ventilation (Luftumverteilung innerhalb der ISS) gedrosselt. Das Löschen mithilfe von Feuerlöschern ist jedoch auch nicht ganz ungefährlich. Feuerlöscher, die mit Wasser gefüllt sind, werden zwar momentan verwendet, sind aber auch sehr gefährlich, da sich heißer Wasserdampf bildet. Dieser kann sich durch die Raumstation bewegen und die Astronaut*innen könnten sich verbrühen. Genau dies ist auch dem deutschen Astronauten Reinhold Ewald auf der ehemaligen Raumstation MIR passiert. Er zog sich starke Verbrühungen zu, als er das Feuer löschte. Derzeit werden neben Feuerlöschern, die einen feinen Wassernebel versprühen, auch solche, die das Kältemittel Halon (Halogenkohlenwasserstoffe) enthalten, verwendet. Halon ist zwar schon in kleinen Mengen hoch löschwirksam, kann jedoch auch die empfindliche Elektronik der Raumstation schaden. Momentan wird diskutiert, die Luftzufuhr der Klimaanlage komplett auszustellen und den brennenden Bereich abzuschotten, in der Hoffnung, dass das Feuer schnell genug erstickt, ohne wichtige Technik zu zerstören. Anschließend müssten die Luftfilter die in der Raumstation vorhandene Luft filtern, bis sie wieder für die Astronaut*innen atembar wird. In der Zwischenzeit müssten die Astronaut*innen sich selbstständig mit einer Gasmaske und einer Sauerstoffflasche versorgen. Im Zweifelsfall bliebe der Crew nichts anderes übrig als die Rettungskapsel zu verwenden und sich selbst zu retten. Wohl wissend, dass damit die Raumstation wahrscheinlich zerstört wird.
Kam es schon einmal zu einem Brand auf der ISS?
Die Frage lässt sich nicht so einfach beantworten. Tatsächlich wird immer mal wieder automatisch ein Feueralarm ausgelöst. Ob dahinter eine Fehlfunktion der Feuermelder, oder tatsächlich ein Feuer steckt ist oft gar nicht zu sagen. Bisher gab es jedoch noch keinen Brand auf der ISS, der tatsächlich von den Astronaut*innen gelöscht werden musste.
Etwas anders sieht es hingegen auf dem Vorgänger der ISS – der MIR Raumstation – aus. Dort kam es 1997 zu einem Brand durch einen Sauerstoffgenerator, bei dem genau der o.g. Ablauf das Feuer löschen konnte. Möchtest Du mehr zu dem Brand erfahren? Dann kannst Du Dir zum Beispiel diese Dokumentation anschauen.
Welche Vorsichtsmaßnahmen werden getroffen?
Abbildung 6: Der Fallturm am ZARM an der Uni Bremen macht Experimente in der Schwerelosigkeit möglich, aber bei partieller Gravitation sieht es schlecht aus. ©ZARM / Universität Bremen.
Um herauszufinden, wie man Feuer auf der ISS löschen, oder im Idealfall verhindern kann, wird stetig geforscht. Dafür gibt es einige Forschungsprojekte, die sich mit dem Verhalten von Feuer in der Mikrogravitation befassen. Dazu gehören zum Beispiel auch die SAFFIRE („Spacecraft Fire Safety“)-Missionen die seit 2016 durchgeführt wurden. Für diese Missionen arbeiten die ESA (European Space Agency), die NASA (National Aeronautics and Space Administration) und das ZARM zusammen. Dabei wurden verschiedene Proben auf der ISS entzündet, um u.a. das Verhalten von Flammen bei verschiedenen Luftströmen zu untersuchen7. Eines der Ergebnisse der SAFFIRE V-Mission ist zum Beispiel die Tatsache, dass sich ein Feuer im Weltall sogar entgegen der Luftströmung ausbreitet8. Mehr Details kann man sich in diesem Video von Christian Eigenbrod, dem Leiter der Abteilung für Verbrennungsforschung am ZARM, ansehen:
Abbildung 79: Link zu den Forschungsergebnissen des SAFFIRE V-Experiments – Klicke auf das Bild. Bild: ©ZARM / Universität Bremen.
Die Ergebnisse können dafür genutzt werden, bei zukünftigen Raumfahrtmissionen spezielle Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen, damit sich ein Feuer nicht so schnell ausbreiten kann. Das Forschen ist natürlich auch unter experimentellen Bedingungen riskant, da bei jedem Feuer, das auf einer Raumstation entzündet wird, ein hohes Risiko für Technik und Mensch besteht.
Wie sieht die Zukunft im Thema „Brandschutz im Weltraum“ aus?
Auf einer Raumstation herrscht Mikrogravitation, also ein winziger Bruchteil der Schwerkraft auf der Erde. In einem Fallturm, wie der des ZARMs 10 (siehe Abbildung 7) oder während eines Parabelflugs können diese Bedingungen für Versuche realisiert werden. Für Missionen auf anderen Planeten sieht es da schon deutlich schwieriger aus. Dafür müsste man die Schwerkraft auf einen bestimmten Bruchteil der Erdanziehungskraft senken, auf die sogenannte partielle Gravitation. Diese beträgt für den Mond und Mars das 0,16- bzw. 0,38-fache der Schwerkraft der Erde und ist für Experimente bisher schwer realisierbar – vor allem, wenn eine Experimentierzeit von mehreren Minuten benötigt wird.
Das ist aber auf keinen Fall ein Grund, die Raumfahrt komplett abzuschreiben. Viele Forschende befassen sich derzeit damit, partielle Schwerkraft zu simulieren oder zu erzeugen, um die Forschung für Mond- und Mars-Bedingungen weiter voranzutreiben. Besonders aufgrund der letzten Entwicklungen im Bereich Wiederverwendung von Raumfahrzeugen – wie bei der Firma SpaceX – und im Bereich touristischer Raumfahrtprojekte – wie bei der Firma Virgin Galactic – sollte in den nächsten Jahren mit einem Zuwachs an Forschungsprojekten auch im Bereich des Brandschutzes gerechnet werden, um die Raumfahrt sicherer zu machen. Das ZARM selbst wird auch an der kommenden SAFFIRE-VI Mission mitarbeiten, um neue Erkenntnisse für den Brandschutz zu erlangen, aber auch um Projekte wie zum Beispiel das MaMBa (Moon and Mars Base Analog) 11 Projekt (ebenfalls am ZARM) voranzutreiben und sicherer zu machen.
Quellen
(1) https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/iss056e201225.jpg
(2) https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Germany/Wo_ist_die_Internationale_Raumstation
(4) https://www.nasa.gov/audience/foreducators/microgravity/multimedia/me-candleFlame.html
(5) https://www.leifiphysik.de/waermelehre/waermetransport/grundwissen/waermeleitung
(6) https://www.mcfire.de/informationen-brandschutz/11-verhalten-im-brandfall.html
(7) https://www.nasa.gov/saffire
(8) Eigenbrod C., et Al. Opposed flame spreading along a structured PMMA sample in exploration atmosphere under microgravity. 50th International Conference on Environmental Systems. ICES-2021-218.
(9) https://www.zarm.uni-bremen.de/de.html
(11) https://www.zarm.uni-bremen.de/de/forschung/unabhaengige-gruppen/extraterrestrial-habitation.html
(12) https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/farben-einer-kerzenflamme/
(13) https://wie-einfach.com/Gesundheit/post/33901-Warum-steigt-hei%C3%9Fe-Luft-.html
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