Raumfahrt - wohin und wozu. Thomas Ahrendt
Читать онлайн книгу.
müssten weiterhin chemisch durchgeführt werden. Diese Übergangsbahnen wären dann keine Hohmannbahnen mehr, sondern eher Parabeln oder sogar Hyperbeln mit erheblich verkürzter Reisezeit.
Ein elektrisches Marsschiff hätte mindestens 200 t Masse, einen Schub von 150 kN und bräuchte eine Energiequelle von 5 Megawatt, wahrscheinlich einen speziellen Kernreaktor, der 1.000mal weniger Energie liefert als ein irdisches Atomkraftwerk. Noch immer muss die eigentliche Marsfähre in einer LEO zusammengebaut werden, von wo aus sie mit mindestens 130 t Masse in Richtung Mars aufbricht. Das Space Shuttle (was es aber seit 2011 nicht mehr gibt) oder die Ariane 5 können nur etwa 20 t Nutzlast transportieren und müssten für den kompletten Zusammenbau bis zu 50-mal eingesetzt werden.
Sollte der erste bemannte Marsflug vor 2030 stattfinden, wird er wahrscheinlich konventionell, also mit chemischem Antrieb durchgeführt werden. Wird später eine dauerhafte Station auf unserer Nachbarwelt errichtet oder diese sogar kolonisiert, wären nuklearelektrische Raumfähren billiger, die ständig im Pendelverkehr zwischen Erd- und Marsorbit unterwegs wären. Sie könnten an irdischen Raumstationen anlegen, dort Nachschubgüter und Marsreisende aufnehmen und Treibstoff nachtanken. In der Marsumlaufbahn beziehungsweise dem marsnahen Raum würden sie Landegeräte absetzen und Rückkehrer aus Aufstiegsraketen übernehmen.
Vielleicht findet beim bemannten Marsflug eine Igenberssche Energiestufung statt: Während die erste Stufe der Marsrakete arbeitet beziehungsweise "brennt", setzt gleichzeitig die 2. Stufe ihre Energie frei, aber nicht als Antriebsenergie sondern etwa in Brennstoffzellen. Die Energie der 2. Stufe wird der 1. so zugeführt, dass deren Strahlgeschwindigkeit zunimmt: diese Zusatzenergie könnte in elektrischer Form einen Lichtbogen in der Brennkammer der 1. Stufe betreiben und damit deren Abgasstrahl nachheizen. Das Reaktionsprodukt der 2. Stufe - Wasser, eventuell dampfförmig - verbleibt auch dort und kann unterwegs zum Mars solarelektrisch oder nuklearelektrisch wieder zerlegt werden. Seine Bestandteile, also Wasserstoff und Sauerstoff, werden wieder verflüssigt, so dass die Treibstofftanks der 2. Stufe wieder gefüllt sind, als wären sie nie benutzt worden.
Um gesundheitliche Schäden durch Schwerelosigkeit auf Marsflügen zu verringern, ließe sich eine künstliche Schwerkraft durch marsähnliche Beschleunigung oder durch Rotation erzeugen, indem man etwa 2 rechteckige, durch ein Seil verbundene Habitate verwendet - was einfacher zu bauen wäre als ein radförmiges Raumschiff.
Übrigens können die Marsreisenden den Flug unterwegs nicht einfach abbrechen, selbst wenn sie nicht landen würden; das ist aus bahnmechanischen Gründen nicht möglich, weil sie sich auf einer Hohmannbahn befinden; mit mehr Energie, also besseren Antrieben, die ein höheres Delta-V erreichen, wäre das jedoch vorstellbar.
Marsschiffe mit chemischen und nuklearthermischen Antrieben und Gesamtmassen zwischen 300 t und 500 t brauchen beim Abflug im LEO wegen des geringen spezifischen Impulses einen etwa 500-tägigen Marsaufenthalt, bis ein Rückflug wieder möglich ist. Zusammen mit den Reisezeiten werden es 1000-Tage-Missionen.
Dagegen machen elektrische Antriebe jederzeit einen Abbruch beziehungsweise einen Rückflug zur Erde möglich und sind damit wesentlich flexibler und sicherer. Die Missionsgesamtdauer wird etwa halbiert und die elektrische Energieversorgung liegt im Megawatt-Bereich; eine anspruchsvolle, aber lösbare technologische Herausforderung.
GEVs sind nur ein erster Schritt bis zum Marslander, die nächsten technologischen Hürden bestehen in der Entwicklung und Erprobung eines ITV, eines interplanetaren Transferfahrzeugs mit dem ENA- und ENO-Missionen bis zu einem Jahr durchgeführt werden können; also Missionen eines Schwerlast-Transferfahrzeugs bis zur Marsbahn, eventuell nach Phobos und Deimos, um von dort den Marsabstieg und Wiederaufstieg und die Rückreise durchzuführen. Mit einem Helium-3-Deuterium-Antrieb ließe sich die Reisezeit für schnelle bemannte Flüge auf 2 Monate verringern; Frachtflüge würden in 8 Monaten dort sein und die Treibstoffmasse würde weniger als ein Fünftel der Frachtmasse betragen. Ein möglicher Kernfusionsantrieb könnte aus einer 100 m langen Magnetröhre bestehen, in der durch Mikrowellen auf 600 Megakelvin erhitztes Plasma fusioniert. Würde man Antimaterie verwenden, wären für den Flug zum Mars und zurück nur gut 0,1 Gramm Antiprotonen nötig.
Der Weg zum Mars über den Mond, wie oben skizziert, könnte sich als Umweg oder gar als Sackgasse herausstellen, denn im Gegensatz zum Erdtrabanten besitzt Mars 2 Monde, eine Atmosphäre, Staubstürme, Vulkane, Polareis, interessante Landschaftsformen und alte Flusstäler und Meere. Der rote Planet ist am besten dafür geeignet, zukünftig (höheres) Leben zu beherbergen - Menschen, die von der Erde heraufziehen.
Den Marsflug vom Mond aus zu beginnen, könnte sehr teuer werden, denn zunächst müssen die Bauteile des Marsschiffs mit einer weichen Landung dorthin gebracht werden. Es sei denn, man nimmt eine lunare oder eine EML- Raumfahrtindustrie an.
Während man das Startgewicht der Marsraketen durch eine optimale Flugbahn und bessere Treibstoffe verringern kann, lässt sich noch mehr Treibstoff durch das "Aerobreaking" sparen, dazu werden die Marsraumschiffe durch die Reibungskräfte der Marsatmosphäre abgebremst.
Der Marsflug wäre entscheidend einfacher, ließe sich aus seiner Luft und seinem Boden Treibstoff für den Rückflug gewinnen; dazu würden die Marsforscher für sich und nachfolgende Missionen versuchen, Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff aus Felsen, Permafrostboden und Luft zu extrahieren - um zu trinken, zu atmen, um ihre Maschinen anzutreiben und um Raketentreibstoff zu gewinnen. Später werden sie die Marsmaterie für den Bau von Basislagern und Siedlungen testen. Wenn es möglich und gewünscht ist, ihn erdähnlicher zu gestalten, so dass Sauerstoffmasken, Schutzanzüge und Kuppeln überflüssig werden, wird diese Welt viel attraktiver und ist auch leichter zu besiedeln, was selbstverständlich auch für jede andere Welt gilt, die ähnlich von Menschen besiedelt werden kann. Mit ISRU, der "In Situ Ressource Utilization", also der Nutzung der planetaren Ressourcen für Kolonialisierungszwecke, entfällt die Notwendigkeit, externe Ressourcen etwa von der Erde heran führen zu müssen.
Plant man die Nutzung von Weltraumressourcen ein, beeinflusst das wesentlich Missionsprofile und -kosten. ISRU und andere entsprechende Technologien sind entscheidend für dauerhaft bemannte Weltraumaktivitäten. Teilautarkie kann zukünftige Exploration sicherer und billiger machen und die Startmasse wird stark reduziert, wenn zum Beispiel der Treibstoff für den Rückflug nicht mitgenommen werden braucht, der bis zu 90% der Gesamtmasse ausmachen kann. Mit lunarer ISRU lassen sich 20% bis 40% der Kosten einsparen. Vielleicht wird der Mond eines Tages als Zwischenstation zur Treibstoffversorgung für weitergehende Explorationsmissionen oder für einen Export lunaren Treibstoffs in den Erdorbit oder zu EMLs oder SELs auch ökonomische Vorteile haben.
Die erheblichen Wasservorkommen auf Mars und den Planetoiden bieten jedoch im Gegensatz zum Mond bessere Aussichten auf hochwertige Lagerstätten mit großer Rohstoffdichte, da die Rohstoffanreicherung flüssiges Wasser und geologische Prozesse braucht. Rückkehrtreibstoff lässt sich zum Beispiel aus der Marsatmosphäre gewinnen; die ISRU-Technologie lässt sich einfacher auf dem Mars als auf dem Mond realisieren, da man das Wassereis im Boden und das Kohlendioxid aus der Luft nutzen kann. Damit spielt dieses Konzept eine wesentliche Rolle bei der Besiedlung und Autonomie anderer Welten.
Konkret werden deren Atmosphäre und Gestein etwa für die Herstellung von Sauerstoff und Rückkehrtreibstoff verwendet, wobei die nötige Energie zum Beispiel von Kernreaktoren kommt. Eine Mars-ISRU könnte etwa damit beginnen, dass eine unbemannte Mission gut ein Jahr lang aus dem Kohlendioxid der Marsatmosphäre und mitgebrachtem Wasserstoff Methan und Sauerstoff erzeugt und in Tanks speichert.
Nach einem weiteren Jahr landen dann Menschen auf ihm; falls sie sich bei der Landung in einem Notfall befinden, macht es die Konstellation zwischen Mars, Venus und Erde möglich, den Rückflug nach nur einem Monat Aufenthalt anzutreten. Ansonsten bleiben sie gut 15 Monate dort, errichten eine einfache Station und kehren nach weiteren 230 Tagen auf die Erde zurück. Mit ihnen zusammen landet eine neue Produktionsanlage, die wie die erste mehr als ein Jahr Methan und Sauerstoff für die 2. Mannschaft herstellt, die 9 Monate nach der ersten an der Marsstation eintrifft. Alle 2 Jahre fliegt eine weitere Gruppe zum Mars und kehrt nach 2,5 Jahren wieder zurück; da jede ein neues Wohnmodul usw. mitbringt, wird die Marsstation sukzessive erweitert. Bei einer späteren Mission könnte eine aufblasbare Kuppel mitgebracht werden, die mit Sauerstoff-Befüllung zu einer fußballfeldgroßen Anlage wird