Unbemannte Marsbodenprobengewinnung: Teil 3
Kommen wir zu dem Hauptbestandteil der Mission: Der Sonde, welche die Bodenproben vom Mars zur Erde zurückbringt. Zwei Vorüberlegungen helfen, hier einige Parameter festzulegen.
Wir haben zum einen den Bus. Er ist für die Kommunikation während der Hin/Rückreise zuständig. Er führt Kurskorrekturen aus und setzt die Landekapsel korrekt auf dem Mars ab und die Rückkehrkapsel wieder auf der Erde aus. Das bedeutet, dass dieser über gewisse Fähigkeiten verfügen muss, was sich in einer Masse von einigen Hundert Kilogramm niederschlägt. Wie schon erläutert macht es keinen Sinn, diesen Bus zu landen. Es ist sogar vorteilhaft, dass er in einer elliptischen Marsbahn verbleibt, weil man sonst doppelt so viel Treibstoff für das Verlassen des Mars benötigt. Er würde idealerweise in einer 24,6 Stundenbahn verbleiben, in der er in der Apoapsis mehrere Stunden lang sich vom Landeort aus gesehen kaum bewegt, und so als Kommunikationsrelay eignet.
Bei einer gegebenen Mindestmasse für den Bus steht die Treibstoffmenge, die für das Erreichen des Mars und zurück benötigt wird fest, damit auch die Mindestmasse für diesen Teil der Mission. Der Rest entfällt dann auf die Landesonde. Daher ist es sinnvoll, die nutzlaststärkste Trägerrakete einzusetzen, die man hat, da dann der Anteil der Landesonde immer höher wird.
Die Landesonde besteht aus drei Teilen. Das eine ist der aerodynamische Schutzschild, der sich nicht großartig von den früheren Missionen unterscheidet, nur eben größer ist. Das Zweite ist die Lande-/Rückstartsonde. Die Landesonde bremst das Gefährt zuerst mit ihren Triebwerken ab. Auf dem Mars angekommen, ist sie die Startplattform für die Rückstartsonde. Dazu muss diese massiver gefertigt sein. Sie benötigt Landebeine, eine Stromversorgung, Kommunikationssysteme, sie muss auch die Vorrichtung enthalten, die es erlaubt, Bodenproben umzuladen. Der Treibstoffvorrat ist dagegen klein. Er dient eigentlich nur dazu, die nach Abtrennung der Backshell noch etwa 200 m/s schnelle Sonde abzubremsen. Dazu benötigt man nur wenig Treibstoff. Da in der aerodynamischen Hülle der Platz begrenzt und die Höhe limitiert ist, bietet es sich an, die Landesonde um die Rückstartsonde herum zu bauen, die sich dann in der Mitte befindet und praktisch die Landesonde als Startplattform nutzt. Denkbar wäre die Konstruktion in Form eines U, dann steht eine Bucht zur Verfügung, wo man in geringer Höhe einen freien Zugang zu der Rückkehrkapsel hat.
Die Landeplattform setzt einen RTG für die Stromversorgung ein. Primär deswegen, weil sonst bei Marsbedingungen die Treibstoffe ausfrieren würden. Die Abwärme reicht aus, dies zu verhindern. Eine Antenne kann sowohl Daten übertragen, wie auch als Peilsender genutzt werden. Kameras erlauben es, die Umgebung zu erfassen und das Umladen zu überwachen. Experimente wird es kaum geben. Vielleicht eine Meteologiestation. Was denkbar wäre, wäre eine Pumpe in den Tanks. Die Treibstoffvorräte werden für jede Eventualität ausgelegt sein. Reste könnte man mit einer Pumpe in die Rückstartstufe umpumpen. So könnte man die Nutzlast dieser maximieren. Deren Tanks dürften dann erst vor dem Start unter Druck gesetzt werden, sonst ist dies nicht möglich.
Eine leichtgewichtige Konstruktion wird dagegen für die Rückstartstufe benötigt. Sie muss die Bodenproben von der Marsoberfläche in eine Umlaufbahn bringen, wofür man mindestens eine Geschwindigkeit von 5 km/s erreich muss. Bei lagerfähigem Treibstoff sinkt dabei die Masse auf ein Fünftel ab, wovon dann noch Tanks und Triebwerk, Steuerung und Rückkehrkapsel abgehen. Das bedeutet nur ein sehr kleiner Anteil der Rückstartstufe werden Bodenproben sein. Um diese zu maximieren, sollte diese selbst keine sehr große Intelligenz aufweisen, keine schwere Steuerung. Idealerweise ist es ein Triebwerk mit den Tanks, einer einfachen Steuerung und eben die Rückkehrkapsel. Im Orbit angekommen sollte die Steuerung deaktiviert werden und Solarzellen auf der Stufe liefern genügend Strom für einen Peilsender und einige Blinklichter.
Das bedeutet, dass der Orbiter die Ankopplung selbstständig durchführen muss und der aktive Teil ist. Es gibt zwar Erfahrungen der unbemannten Kopplung aus dem Erdorbit, aber diese sind nicht vergleichbar. Zwei Prinzipien kamen bisher zum Einsatz: Die Verwendung von Nahbereichssensoren wie Radar (Progress) oder Lidar (ATV, HTV). In den letzten Jahren als System ohne Entfernungsbeschränkung die Nutzung von GPS, um die relative räumliche Position und Geschwindigkeit festzustellen. GPS scheidet schon aufgrund des fehlenden Netzwerks aus. Die Vermessung der Bahn, die man auf der Erde vom Boden auch betreiben kann, auch. Ein aufwendiges System, das eine Kopplung oder auch nur eine Rückmeldung beim Rendezvous gibt, scheidet aus. Die Ankopplung im Marsorbit sehe ich als die größte technische Herausforderung. Hilfe von der Erde ist wegen der langen Funklaufzeiten kaum möglich. Was möglich erscheint, ist eine Vermessung des Funksignals durch zwei Orbiter (den Bus und einen anderen Marsorbiter von denen es derzeit drei aktive gibt). Aufgrund der unterschiedlichen Position ist so eine Triangulationsbestimmung möglich. Das kann zur Bahnbestimmung genutzt werden. Die Annäherung erfolgt dann durch die Registrierung der Leuchtsignale. Es kann auch der Orbiter RADAR zur Abstandsbestimmmung und der Bestimmung der relativen Geschwindigkeit nutzen.
Eine Ankopplung erfordert einen Kopplungsadapter und vor allem eine sehr genaue Positionierung. Das erscheint mir aufwendig, sowohl vom Gewicht wie auch dem Aufwand. Einfacher ist es sicher, wenn der Orbiter die Kapsel nur einfängt. Ich schlage hier eine Art Krallensystem vor. Wie die Finger einer Hand einen Ball umschließen, sollte dieses die Kapsel umfassen, die sich dann von ihrem letzten Rest, der ausgebrannten Stufe und Steuerung trennt (durch Sprengbolzen). So kann die Rückreise angetreten werden. Vor dem Wiedereintritt kann entweder die Kralle sich wieder öffnen oder der Bus verglüht und die Kapsel überlebt den Wiedereintritt.
Die Kapsel selbst wird wohl Kugel oder Kegelform haben. Von Bedeutung wird sein, das man die Bodenproben einfach umladen kann. Idealerweise ist eine Seite der Kapsel eine Tür mit Schnappgelenken, ähnlich bei Schlössern. Beim Start ist sie in seitlicher Lage fixiert und so die Kapsel an einer Seite offen. Dies erlaubt es, die Probenbehälter, die ja feste Abmessungen haben, wie eine Palette übereinander zu stapeln. Dies kann vom Lander aus mit dem Arm erfolgen, man braucht keinen Kran oder Aufzug auf der Landestufe. Vor dem Start wird die Fixierung durchtrennt und Federn ziehen die Tür zu. Diese Konstruktion wäre ideal bei einer runden Kapsel. Bei einem Kegelstumpf ist die beste Zugänglichkeit dagegen von unten gegeben, was eine Art Aufzug nötig macht.