Die bemannte Marslandung – eine persönliche Meinung
Obama hat nun ja wieder ein Raumfahrtprogramm angekündigt. Immerhin etwas konkreter, als Bush damalsm mit festen Terminen. Doch wird es kommen? Werden 2025 Asteroiden besucht und 2035 der Mars? Hierzu meine Meinung. Raumfahrt ist nicht nur Forschung. Sie hat auch politische Aspekte. Dieser Anteil ist bei der bemannten Raumfahrt der Hauptantrieb. Das ist der Grund warum China so bestrebt ist Taikonauten ins All zu bringen und eine Miniraumstation zu bauen: Sie wollen zeigen, dass sie es auch können. Bei Russland ist die bemannte Raumfahrt praktisch das einzige, was noch von der nichtmilitärischen Raumfahrt übrig blieb. Es ist die Möglichkeit sich zu profilieren: Sieh hin, wir können das! Schlussendlich ist der Kreis der Nationen, die eigene bemannte Raumfahrzeuge bauen können, sehr klein.
Diesen Aspekt muss man im Hinterkopf behalten, wenn man sich die Geschichte der Entwicklung ansieht. Mercury entstand um als Erstes einen Menschen ins All zu bringen. Um nichts anderes ging es bei diesem Programm. Als dies nicht gelang wurde wenige Wochen nach Gagarins Flug Apollo von Kennedy ausgerufen. Er wähnte sich so im Hintertreffen, dass er ein so entferntes Ziel wählte, das auch ein Vorsprung den Sowjets nichts nützte. Gemini wurde erst später hinzugenommen um die wesentlichen Technologien zu erproben, bevor Apollo einsatzbereit war und so hier Flüge zu sparen zu beschleunigen. Bei Apollo ging es wirklich erst nur um „Landing a man on the Moon and returning him safe to the earth“. Alle wissenschaftlichen Aspekte kamen erst hinzu, als das erreicht war.
Das Space Shuttle entstand unter dem Aspekt zu sparen – Raumfahrt billiger zu machen. Es erfüllte die Erwartungen nicht, doch eine Außerdienststellung bedeuteten, dass die USA kein bemanntes Raumgefährt mehr hatten, was lange wegen der politischen Bedeutung nicht akzeptabel war. Beim Space Shuttle erwies sich die bemannte Konzeption als Bumerang – es wurde von Anfang an bemannt konzipiert, obwohl ein unbemannter Shuttle technisch möglich gewesen wäre (siehe Buran) – das machte es teurer und senkte die Nutzlast und stellte nach jedem Fehlstart das Programm in Frage. Für ein unbemanntes Shuttle wären die entwicklungskosten aber nicht zu bekommen gewesen.
Die ISS wurde 10 Jahre lang nur geplant und war immer zu teuer. Dann gab es die Annäherung an Russland und dies passte wieder gut in die politische Landschaft, sodass plötzlich die Station das Okay bekam, das vorher nicht möglich war.
Als ich dann von Bushs Programm gehört habe, hatte ich schon meine Bedenken. Vor allem wegen der langen Zeitachse, die schon anfangs 14 Jahre bis zur ersten Mondlandung betrug. Die zweiten Bedenken waren, dass es nur zum Mond geht – da waren wir aber schon mal. Wenn man ein neues Programm verkaufen will, dann muss man der Öffentlichkeit klar machen, wofür soviel Geld ausgegeben wird. Eine Wiederholung ist da keine gute Idee.
Das Hauptproblem bei langen Entwicklungszeiten sind zwei Dinge: Die Kosten sind automatisch höher, weil ein Grundstock an Personen über diese Zeit fix an das Programm gebunden ist. Das Space Shuttle Programm hat z.B. einen Finanzbedarf von 200 Millionen Dollar pro Monat an Fixkosten. Die Flüge selbst sind dann relativ preiswert. Das zweite ist, dass bei einer langen Programmlaufzeit es einfacher ist, nach wenigen Jahren abzubrechen, weil nur wenig investiert wurde. Beim Constellation Programm wurden rund 9 Milliarden Dollar ausgegeben – viel für unbemannte Raumfahrt, aber wenig im Vergleich zu den zu letzt auf 100-120 Milliarden Dollar geschätzten Gesamtkosten.
Ein sinnvolles Programm sollte eine Laufzeit haben, die dazu führt, dass es schon relativ weit nach einer Legislaturperiode ist. Das war bei Constellation nicht gegeben. Das ist auch beim neuen Programm nicht gegeben. Man darf nicht vergessen, dass auch das Apollo Programm in der Kritik war. Schon 1967 fingen die Budgetkürzungen an, die schließlich zum Streichen von drei Missionen und zum weitgehenden Einstellen des Apollo Applikation Programmes führten. Aber damals war das Programm schon zu weit fortgeschritten und es galt die Proklamation Kennedys zu erfüllen – wäre Kennedy nicht erschossen worden, vielleicht wäre nach dem gelungenen Gemini Programm Apollo noch viel mehr zusammengestrichen worden.
Ein Marsprogramm hat nicht die Triebfeder des Wettlaufs zwischen UdSSR und USA. Dieser Wettlauf hat ja auch in der UdSSR zum Sojus Raumschiff und den Saljut / Mir Raumstationen geführt – seit die Systeme sich nicht mehr übertrumpfen müssen, hat Russland nichts neues mehr entwickelt. Die internationale Zusammenarbeit wird sicher ein wichtiger Aspekt sein. Doch machen wir uns auch hier nichts vor: Vergleicht man das Budget für bemannte Raumfahrt von NASA, ESA, JAXA und Roskosmos, so ist klar das die USA mehr ausgeben, als alle Partner der ISS zusammen. Daher wird auch bei einem internationalen Marsprogramm alles von den USA abhängen und sie die höchsten Kosten schultern müssen.
Wie könnte ein sinnvolles bemanntes Marsprogramm aussehen?
Zeitspanne: 8-12 Jahre. bemannte Großprojekte brauchen Zeit. Führt man sie in zu kurzer Zeit aus, so werden sie teuer, weil viel Geld nötig ist um sie zu beschleunigen. Dauert es zu lange, dann versickert viel Geld in Fixkosten. Apollo 11 landete acht Jahre nach der Proklamation und dass Programm wurde massiv beschleunigt. Das Space Shuttle startete neun Jahre nach dem Beschluss und war unterfinanziert. Bei einer Marsexpedition ehe ich ähnlich große Herausforderungen wie bei Apollo. Wir haben zwar heute die Technologie für Schwerlastraketen, Erfahrungen über Langzeitaufenthalte im Weltall. Aber wir wissen nicht, wie wir eine Wohnung auf dem Mars sicher landen können. Wie sie aufgebaut sein muss. Die gesamten Experimente, Infrastruktur und Versorgung über Jahre muss entwickelt werden. Viele Vorstudien können auf der Erde oder bei der ISS durchgeführt werden, z.b. ein Betrieb über drei Jahre ohne Versorgung. Insgesamt sehe ich daher in etwa die gleichen Herausforderungen wie bei Apollo und etwas mehr Zeit als bei diesem so 10-12 Jahre wären angemessen
Ein Politiker der hinter ihm steht. Ein Riesenunterschied zwischen Kennedy und Johnson und Bush und Obama ist das Interesse an der Raumfahrt. Kennedy fuhr zu den Raumfahrtzentren lies sich alles erklären, war begeistert von dem Programm. Das gleiche galt für Johnson, der schon als Senator dafür sorgte, dass die Missionskontrolle in seinen Heimatstaat Texas kam. Bei Bush und Obama ist ein solches Interesse nicht zu erkennen. Die politische Unterstützung braucht aber ein solches Programm um die dann benötigten Summen zu erhalten, da es immer Widerstände im Kongress und Senat geben wird.
Es muss in die Gesamtlandschaft passen. Was sehr gerne vergessen wird: Das Apollo Programm wurde durchgeführt in einer Zeit als in den USA die Wirtschaft boomte, nahezu Vollbeschäftigung herrschte, es gab kein Defizit wie heute. Das Programm gelangte in die Krise als zuerst der Vietnamkrieg mehr Mittel erforderte, dann zu Beginn der Siebziger die Inflationsrate rapide anstieg und die Arbeitslosigkeit auch. Ich halte es heute für fast unmöglich die sicher 100+ Milliarden für ein Marsprogramm zu bekommen, weil de USA genug andere Probleme haben. Dabei hilft auch nicht der Hinweis auf unsinnige Ausgaben im Verteidigungshaushalt wie die Milliarden für den Raketenschutzschild. Für das Militär ist es recht einfach Geld zu erhalten, egal wie viel es ist (siehe Irakkrieg). In einem gewissen Sinne ist Raumfahrt (auch die unbemannte) Luxus – Forschung geht auch ohne und bemannte Raumfahrt ist wegen der Kosten sogar Deluxe-Luxus. So muss man sich nicht wundern, wenn dort zuerst gespart wird.
Wobei natürlich interessant zu beobachten ist, dass eines der prominenten Argumente für das Shuttle in der Debatte ist, dass es angeblich Arbeitsplätze sichert. Bei der Vollbeschäftigung während des Apollo-programms hätte man dann wohl argumentieren müssen, dass es undurchführbar war (aufgehört ihr Verschwörungstheoretiker), weil keine Arbeitsplätze mehr übrig waren.
Ach wie ich diese Argumente liebe.
Im übrigen bin ich der Meinung, dass die deutschen Löhne steigen sollten um die europäische Wirtschaft wieder ins Gleichgewicht zu bringen.
Das Arbeitsplatzargument muss leider auch in der Raumfahrt für alle möglichen Projekte herhalten. Beim Space Shuttle gab es letztes Jahr, als die Produktionsstraßen schon geschlossen waren und die Leute entlassen wurden die Initiative von den Abgeordneten der betroffenen Staaten das Programm wieder aufzunehmen – Das hätte mindestens 2 Jahre gedauert, und 2,4 Milliarden pro Jahr gekostet.
Bei Arbeitsplätzen ist immer die Frage, was da gearbeitet wird. Wird da nur Sand von rechts nach links und zurück geschaufelt, nur Papier produziert, oder ergibt das ganze später mal ein sinnvolles Produkt.
Ich finde den Ansatz von Obama neue Technologie zu entwickeln, und neue Ansätze zu finden anstatt mit alter Technologie aber kompletter Neuentwicklung nur dasselbe zu erreichen wie in den 60ern gut.
Auch hier im Blog gab es schon viele Anregungen wie viele Raumfahrtprojekte durch neue Technologie und einen anderen Ansatz effektiver zu gestalten wären.
Da war zum einen der Ansatz mit Ionentriebwerken die notwendigen Startmassen zu verringern, der Ansatz durch Verwendung von mehreren vorhandenen ca 20 t Modulen zu einer Serienproduktion und damit zu einer Kostenreduktion zu kommen, der Ansatz von Raumschleppern.
Wichtig ist die Vorgabe eines Zieles, die Bestimmung einer notwendigen Transportleistung, die Kalkulation der günstigsten Lösung, und dann bei der Stange bleiben, bis das Ziel erreicht ist. Dabei muss nicht alle Technologie aus dem eigenen Land kommen, und es muss nicht alles neu entwickelt werden.
Wenn ich mir die Konkurrenten Boing und Airbus ansehe, dann ist doch interessant, dass beide mit Triebwerken von GE, P&W oder RR ausgestattet werden können, je nach Kundenwunsch. Auch hat sich in der Industrie die Lizenzfertigung etabliert. Warum also nicht Lizenzfertigung von Bauteilen, für die eine Second Source nötig ist?
Um auf das Thema zurückzukommen, warum nicht Vorgabe von z.B. Koppeladaptern und Durchmessern von Bauteilen für eine Marsmission, und den Start erledigen normale kommerzielle Unternehmen mit bestehenden Raketen (Atlas, Delta, Ariane, Zenit…)
und die Forschung, Spezialität und Planung liegt in neuer Technologie.
Hier könnte auch ein Vorteil der ISS liegen. Neue Antriebe für den Weltraum könnten dort unter Originalbedingungen getestet und optimiert werden. Es gäbe Personal, welches nur modifizierte Teile austauscht. Die neuen Antriebe sind automatisch flugerprobt.
Die Kardinalfrage eines bemannten Marsfluges als auch im Sonnensystem generell liegt im Antriebssystem, denn mit mit einen Isp von 450s oder 1000s sind erhebliche technische Probleme zu lösen, so das ein Flug nicht reell wäre geschweige denn reguläre bemannte Flüge. Schon die Kühlung von 1500 Tonnen Wasserstoff, wobei der Zusammenbau der Module auch über mehrere Monate gehen würde, erfordert eine sehr hohe Energiemenge. Die Zahlen als auch andere Varianten die vom Roskosmos und von anderen Instituten berechnet und auch veröffentlicht wurden sprechen wirklich Bände für sich.
Ein ganz anders Bild lieferte uns das Marsraumschiff, ein Konzept v. 1998/ 2006, mit Sonnensegeln und Ionenantrieb.
Obwohl die summarische Schubleistung nur bei 30-60 kg lag und eine Energieleistung von 15 MW zu Verfügung stand, wäre die Reisedauer mit chemischen Antrieben vergleichbar gewesen.
Der Unterschied lag aber das die Gesamtmasse mit Treibstoff um die 350 bis 450 Tonnen betragen hätte. Es ist aber auch richtig das solche Technologien ein Schnee von gestern sind und wenn man die Daten mit dem was wir zu erwarten haben vergleicht, so der Unterschied doch gewaltig. Nur so, künftige Plasmaantriebe werden in der Lage sein Schübe von mehr als 500 kg zu erzeugen.
An dieser Stelle möchte ich besonders die Weitsicht von R.Goddard hervorheben. Schon vor fast 100 Jahren schrieb er das die Beherschung des Atoms die Grundlage für die Weltraumflüge wären.
S.Koroljow als auch K.Tichonrawow dachten schon in den 30-er Jahren über Marsflügen als auch von 70 Tonnen schweren Raumschiffmodulen nach. Mit Beginn der Raumfahrtära haben sich die Pläne weiter konkretisiert. Auf Beschluss der Regierung vom 23 Juli 1960,
über die Schaffung einens Startkomplexes als auch eines Trägers (N-1) für 60-80 Tonnen Nutzlast, begannen die ersten Arbeiten für einen Marsflug. Noch ein Wort zur Richtigstellung. Der Träger N-1 entstand also primär für einen Marsflug, und nicht für einen Mondflug. Das belegen sämtliche Aufzeichnungen, Dokumente und Parteibeschlüsse. Der Mond hat S. Koroljow nicht interesiert, aber erst ab 1964 ! Die Arbeiten an dem Marsraumschiff begannen 1960. Im Sommer 1962 wurde das gesamte Projekt der staatlichen Kommision vorgelegt und von der auch gebilligt !
Damit handelte sich um den ersten offiziellen und bis heute weltweit einzigen Programm für einen bemannten Marsflug.
Erst heute mit der Entwicklung des nuklearen Antriebs TEM in Verbindung mit neuartigen Technologien als auch mit Materialien mit nie dagewesenen Eigenschaften ( vorgestellt auf der RUSNANOTECH 2011) werden bemannte Marsflüge auch technisch möglich. Nach den Worten von Roskosmos werde es möglich sein in nur 30 Tagen den Mars zu erreichen. Selbst mit der Verwendung von Festkerntriebwerken ist so eine kurze Flugzeit nicht möglich. Es bedarf schon Systeme mit einen Isp ab 9000 s und eine elektrische Energieleistung ab 25 MW als auch Lösungen für hohe Schuberzeugung.
Möchte noch über die künftigen technischen Lösungen für so einen interplanetaren Flug berichten. Dazu gibt es mehrere patentierte russische Lösungen. In erster Linie, stark von Chrunischew favorisiert, ist der nukleare Hybridantrieb. Das Triebwerk kann in zwei Modi betrieben werden, als direkte nukleare Quelle für sehr starke Schuberzeugung und als Quelle für elektrische Plasmatriebwereke. Nur durch diesen Zusammenspiel, mit Schub um die Gravitationsfelde zu überwinden und danach durch die Arbeit der Plasmatriebwerke mit einen Isp.von 9000s und mehr, sind Flüge des 450 Tonnen schweren Raumschiffes in rund 30 Tagen zum Mars möglich.
Der Hybridantrieb ist ein Teil des konzepts, aber ob der erste Flug schon damit stattfindet, hängt natürlich mit der Lösung sämtlicher technischer Fragen eines solchen Kernreaktors. Das ist ein absolutes Novum und nirgendwo auch erprobt. Möglich wäre aber auch eine externe Lösung der Schuberzeugung.
Eine weitere patentierte Lösung ist der variable Gaskernantrieb. In dem Hybridantrieb erhalten wir Schub bei einen Isp um die 900s. Bei dem Gaskernantrieb ist der Isp stuffenlos bis um die 5000s regulierbar. Bei bestimmten dynamischen Operationen ist so eine brachiale Leistung ( Schub 50-100 Tonnen und 5000s )mitunter für das Raumschiff nicht erwünscht. Obwohl des Triebwerk extremen Belastungen unterliegen werde, ist die Brenndauer zum verlassen
der Planetenbahnen als auch zum Abbremsen relativ kurz und durch die variable Schubstuerung wird des Triebwerk zusätzlich dabei geschont. Alles andere übernehmen mächtige Plasmatriebwerke die auch mitunter wochenlang arbeiten können. Mit einer Leistung von 50-100 MW und 15 000s sind sogar sehr kurze Flüge zum Jupiter (3-4 Monate)möglich.
Von einen Gaskernantrieb sind wir aber noch weit entfernt, insgesamt aber absolut machbar. Mit der Fertigstellung des ersten kommerziellen Gaskernreaktors der nach 2025 geplant ist, werde somit eine solide Grundlage geschaffen auch einen Gaskernantrieb für zukünftige Weltraumflüge zu entwickeln. Für den Gaskernreaktor ist ein absoluter Vorzeigebetrieb der OKBM im. Afrikantowa in zusammenarbeit mit General Atomics zuständig.
Umfangreiche technische als auch Kostenanalysen die mir alle auch vorliegen, lassen den Schluss zu, wie auch schon anfangs erwähnt, das nur mit hocheffizienten nuklearen Systemen reguläre bemannte Flüge im Sonnensystem möglich sind. Deshalb ist die Entwicklung solche Systeme und Technologien oberste Priorität jedoch aber ohne Zeitdruck. Interessnat wäre noch zu erwähnen das S.Koroljow, der ein sehr starker Befürworter der nuklearen Antriebsysteme war, von Marsflügen mit einer Flugdauer von 1-2 Wochen träumte. Ja, eines Tages wird das auch möglich sein.
@Jewgeni-7: Danke fuer den ausfuehrlichen und mutigen Beitrag 😉 Ich bin auch der Meinung, dass es mit dem Herumgedruckse mit chemischen Antrieben nichts werden wird mit einem Marsflug. Allein schon wegen der enorm langen Reisedauer, da treten ja noch ganz andere, auch nicht-technische, Probleme auf.
Leider werden bei den von Dir erwaehnten Antrieben auch eher nicht-technische Probleme auftreten, wie z.B. die Tatsache, dass die Beherrschung des Atoms „boese“ ist und politisch und gesellschaftlich inzwischen praktisch vollkommen undurchsetzbar.
Bin gespannt wann der erste Zubrinianer auftaucht und wieder behauptet ein Marsflug wäre mit heutigen Mitteln möglich. 🙂
Es ist wirklich schade, daß es im Netz kaum kritische Auseinandersetzungen mit „Mars Direct“ gibt. (Über Zubrin selber schon etwas mehr, was er sich selbst zuzuschreiben hat.)
Korrektur:
„… mit Sonnensegeln und Ionenantrieb.
Richtig ist natürlich das es sich um Solarzellen handelt!!!
Die Gesamtfläche betrug um die 114 000 m2. Es gibt noch heute einige Befürworter solcher Technologien, es ist aber ein absoluter Unsinn. Im Erdschatten wird kein Strom erzeugt und selbst bei bestimmten Manöver und die damit verbundene Schrägstellung zu Sonne erhalten die Triebwerke nicht die erforderliche Strommenge !
Klar geht chemisch!
http://www.nasa.gov/pdf/373665main_NASA-SP-2009-566.pdf
siehe dort Kapitel:
4.4 In-Space Transportation: Chemical/Aerocapture Option
Berechnungen die für das Vasimr Triebwerk gemacht wurden, zeigen auch den nicht einfachen Weg eines nuklearen Antriebes.
Grundlage für die Simulation waren drei Vsimr Triebwerke mit einer summarischen Leistung von 12 MW und der Start war für den 6.5.2018 angesetzt.
Die Gesamtmasse des Raumschiffes mit 60 Tonnen Nutzlast betrug um die 190 Tonnen.
Die Beschleunigungsphase mit Schubmodus ( Isp. 3000s) um die Erde dauerte 30 Tagen und erst danach konnten die Triebwerke ununterbrochen weiter arbeiten. Die Begegnung mit dem Mars erfolgte nach weiteren 85 Tagen. Wir haben also eine gesammte Flugzeit von 115 Tagen. Nach der Begegnung waren aber noch umfangreiche Manöver erforderlich. Für den Rückflug war eine Beschleunigungsphase von nur 5 Tagen um den Planeten und Reisedauer von 85 Tagen zu Erde nötig.
Also zum Mars in 39 Tagen ist wirklich nicht ohne die erforderliche Energiemenge und Schubleistung möglich. Durch das fehlen der grossen Schubleistung müssen die Astronauten
wochenlang die Erde umkreisen bis die erforderliche v zum verlassen der Umlaufbahn auch erreicht wird.
In dem neuen russischen Konzepten, habe kurz berichtet, ist die Verwendung von Plasmatriebwerken in Verbindung mit den Festkerntriebwerken vorgesehen. Mit anderen Worten, das verlassen der Umlaufbahn werde kurz nach einschalten der Triebwerke auch möglich sein. Dazu gibt es aber noch unterschiedliche Möglichkeiten als auch technologische Lösungen auf denen ich hier nicht eingehen werde.
Möchte aber noch was hier richtigstellen, solche brachiale Energiemengen sind nur für bemannte Flüge auch vorgesehen. Für den transport von Lasten (in der weiteren Zukunft übernehmen auch Gaskerntriebwerke die Rolle) kommen nur reine Plasmaantriebe in Betracht und die damit verbundene lange Reisedauer werde aus Kostengründen auch akzeptiert.
Mit solchen hocheffizienten Antrieben, aber insbesondere mit der übernächste Generation, werden reguläre Flüge als auch der Bau von bemannten Basen im Sonnensystem auch wirklichkeit.
Das russische Konzept die Wärmeenergie , mittels Turbine, Generator und Kompressor, in elektrische umzuwandeln ist aber nicht neu, hat aber auch ihre Grenzen. Ein 100 MW Antrieb hätte schon eine Startmasse um die 350 Tonnen. Damit wären aber Reisen von 7 Tagen zum Mars wahrscheinlich. In der Nukleartechnologie gibt es aber noch ganz andere Möglichkeiten als auch Lösungen, so das auch Leistunegen von 1000 MW und mehr eines fernen Tages möglich sein werden.
@ Pragmatiker
Habe aus Versehen einen kurzen Beitrag, der an dich gerichtet war, in Blog „Flüssiges Methan als Raketentreibstoff“ reingestellt.
@Jewgeni-7: Danke, habe schon gesehen, dass Du Dich im Beitrag vertan hast 😉
Ja, da kann man nur hoffen, dass die „nukleare Option“ trotz aller mit Sicherheit auftretenden politischen und technischen Schwierigkeiten auch verwirklicht wird… denn mit chemischen Antrieben wird ein halbwegs „normales“ interplanetares Reisen wohl nie moeglich sein.
Wenn man dann auch noch die noetige Energie zusammenbekommt, um eine konstante 1G-Beschleunigung zu erreichen, koennte man die erste Haelfte der Reise fliegen, dann das Raumschiff um 180 Grad drehen, und die zweite Haelfte abbremsen, und am Mars kommt man dann zum stehen.
Dann hat man auch gleich perfekte kuenstliche Schwerkraft und braucht sich um die Gesundheit der Astronauten weit weniger Gedanken machen 🙂
Alles nur eine Frage der Energie…
(Ich weiss, bin sehr unwissenschaftlich.. habe halt Traeume 🙂
ob sich dies bei einer Reisedauer von weniger als einer Stunde lohnt?
@ Bernd Leitenberg:
ob sich dies bei einer Reisedauer von weniger als einer Stunde lohnt?
Nein, selbst eine Reisezeit von einer Woche wäre für mich persönlich zu kurz. Mann möchte doch von so einer Reise etwas mehr mitnehmen !!!
@ Peter Langer :
Klar geht chemisch!
Ja, sogar zum Jupiter als auch zum Saturn sind bemannte Flüge mit chemischen Antrieben möglich! Es ist nur die Frage vom Aufwand, der technischen Umsetzung als auch vom Sinn einer solcher Mission.
Noch eine kurze Zusammenstellung der technischen Möglichkeiten als auch der Wirtschaftlichkeit der Transportsysteme.
Ausgehend vom Treibstoffverbrauch, wobei es sich nur um Durchschnittswerte handelt, ergiebt sich ein folgendes Bild:
Mit chemischen Antrieb brauchen wir eine Treibstoffmenge von 1200 bis 1700 Tonnen an H2/O2. Die Menge hängt natürlich von der Bahn, Zuladung, Startdatum und noch von einigen anderen Punkten ab. Reisezeit um die 2 Jahre.
Mit einen Festkernantrieb ( nuklearestriebwerk) brauchen wir um die hälfte weniger an Treibstoff als im oberen Beispiel. Es sind also um die 600 bis 800 Tonnen H2 notwendig. Hängt sehr stark vom der Leistung insgesamt ab als auch ob wir nur einen Isp von 800s oder 950s haben.
Zusammenfasend:
Der Treibstoffverbrauch ist sehr gigantisch, dazu kommt noch die ganze Konstruktion wie Wohn- und Versorgunsmodule und schliesslich der Landemodul. Die Reisezeit können wir in beiden Beispielen, ohne auf die Nuancen einzugehen, als fast gleich bezeichnen. In allen beiden Fällen handelt sich um ein Wegwerfsystem, da nach Beendigung der Mission von der Struktur als auch von den Triebwerken fast nichts mehr übrigt bleibt.
Im russischen Konzept von 1998/2006 mit Solarzellen und Ionenantrieb haben wir eine gesamte Startmasse von 350 bis 500 Tonnen ( je nach Variante). Eine Computersimulation bei Tshinmasch ergab eine Reisezeit der Variante 17 von 730 Tagen und einen Treibstoffverbrauch von insgesamt 187 Tonnen.
Der Unterschied zu chemischen Antrieben ist schon sehr signifikant.
Der zukünftige nukleare Antrieb mit 25 MW Leistung werde eine Startmasse von 125 und einen Treibstoffverbrauch um die 230 Tonnen haben. Insgesamt ist der Komplex mit dem Marslander 450 Tonnen schwer.Neben der sehr kurzen Reisezeit von 2-4 Monaten hat der Antrieb, im gegensatz zu allen chemischen und Festkerntriebwerken, eine Funktionsdauer von 10 bis 15 Jahren! Nach einer Rückreise kann er nach einer Betankung und einer neuer Besatzung erneut zu einen ausgesuchten Ziel starten.
Bemannte Flüge zum Jupiter mit chemischen Antrieben? Machen wir doch mal eine grobe Überschlagsrechnung. Flugzeit hin und zurück 10 Jahre oder mehr. Für den Start aus der Erdumlaufbahn, das Einschwenken in die Umlaufbahn um den Zielplaneten und den Rückstart zur Erde ist jeweils eine zusätzliche Raketenstufe im Vergleich zu Marsmissionen nötig. Damit kommt man auf eine Startmasse von einigen Hunderttausend Tonnen ab Erdumlaufbahn. Wenn man von der Zeit zum Aufbau der ISS ausgeht, braucht man selbst bei zehnmal stärkeren Trägerraketen mindestens 100 Jahre um alles zu starten. Bis dahin sind aber die ersten Module längst nicht mehr funktionsfähig.
Dazu kommt noch ein anderes Problem: Inzwischen muß die ISS alle paar Monate irgend einem Trümmerteil ausweichen. Bei einem wesentlich größeren Projekt dürften solche Ausweichmanöver viel öfter nötig sein, warscheinlich etwa wöchentlich. Irgendwann ist dann der Punkt erreicht, wo die gesamte Startkapazität gerade noch ausreicht, den Treibstoff für diese Ausweichmanöver zu transportieren. Eine gründliche Entrümpelungsaktion in der Erdumlaufbahn wäre also die Voraussetzung, um so ein Projekt überhaupt realisieren zu können. Und dafür wäre wohl ein ähnlich hoher Aufwand nötig, wie für das Projekt selber. Nicht nur beim Aufwand, auch bei der Zeit. Bis dahin dürften aber bessere Antriebsmöglichkeiten einsatzfähig sein.
@ Elendsoft :
Bemannte Flüge zum Jupiter mit chemischen Antrieben?
Meine Antwort war recht explizit:
Es ist nur die Frage vom Aufwand, der technischen Umsetzung als auch vom Sinn einer solcher Mission. Mit anderen Worten bedeutet das, warum also ein Raumschiff mit 1500 Tonnen an Treibstoff zu Bauen, dazu noch eine 2 jahres Reise in Kauf zu nehmen, wenn wir in 20-40 Jahren technologische Möglichkeiten haben werden die ganze Marsreise auf 2-4 Monaten zu beschränken und das ganze mit rund 230 Tonnen an Treibstoff.
Es geht auch nicht nur um eine Marsreise und danach die grosse Enttäuschung und Stillegung der Programe. Es geht um reguläre Marsflüge als auch der Bau von bemannten Marsbasen.
Die weiteren Ausführungen sind doch recht deutlich, so das es keine bemannte Flüge mit chemischen Antrieben zumindestens in Russland geben wird! Auf der Tagesordnung stehen nur nukleare Antriebe mit einen Isp von mehr als 9000s zu Diskusion. In der weiteren Zukunft mit der Weiterentwicklung der Plasmatriebwerke, wobei ein Isp bis 20000s möglich ist, und der weiteren Entwicklung des Kernreaktors als auch der Energieumwandlung, werden bemannte Flüge in 2-4 Monaten zum Jupiter auch möglich sein.
Da stimm ich dir voll zu. Nur hinfliegen und ein Schild „ich war hier“ aufstellen bringt nichts. Ohne eine ständig bemannte Station ist das nur Propagandarummel. Und ohne regelmäßige Flüge ist so eine Station nicht machbar. Ob dafür in absehbarer Zeit andere als chemische Antriebe zur Verfügung stehen, halte ich für fraglich. Ich habe hier ein Raumfahrtlexikon von 1970, mit Beiträgen über elektrische Antriebe. Mit Fotos und technischen Daten. 40 Jahre später ist man gerade dabei, diese Technik wirklich in Raumsonden einzusetzen. Und das sind noch recht kleine Geräte, die problemlos über Solarzellen mit Energie versorgt werden können. Für bemannte Missionen sind wesentlich größere Triebwerke nötig, und auch bei der Energieversorgung geht es um ganz andere Größenordnungen. Wenn die Entwicklung da weiter so „schnell“ geht wie bisher, wird es wohl in den nächsten 40 Jahren nichts. Nicht zuletzt auch wieder aus Kostengründen.
Dabei wäre durchaus Geld vorhanden. USA, Russland, China und EU – jeder hat oder baut ein eigenes Satellitennavigationssystem. 4 Systeme, obwohl rein technisch ein einziges völlig ausreichen würde. Nur weil sich die Politiker mal wieder nicht einigen können, werden Milliarden zum Fenster rausgeschmissen.
Nochmal zurück zur Marsexpedition, da wir ja hier ein realistisches und durchgerechnetes Konzept als Diskussionsbasis haben.
Die Nasa Studie von 2009 zeigt, dass der Vorteil der Nuklear-Version bezogen auf die in LEO zu transportierende Gesamtmasse gerade mal 1/4 beträgt (9 ARES-V Flüge bei NTR, versa 12 ARES-V Flüge bei chemisch).
Das Problem der Langzeit-Lagerung von H2 bzw. O2 muss bei der NTR Variante ebenso gelöst werden wie bei der chemischen. Da ja auch hier H2 als Rückstoßmedium benützt wird.
Realistischerweise sind auf absehbare Zeit exotische Antriebssysteme nicht verfügbar. Selbst bei diesen Systemen wird Masse in irgendeiner Form als Rückstoßmedium benötigt.
Das bringt uns zum Hauptproblem, das klar auf der Hand liegt:
Woher bekomme ich die Rückstoßmasse.
Es ist nicht sinnvoll diese von ganz unten (Erdoberfläche) aus dem Gravitationstrichter der Erde in LEO raufzuholen (= auf ~ 8km/s zu beschleunigen).
Der Ansatz kleine erdnahe und stark wasserhaltige Asteroiden einzufangen und diese in der Umlaufbahn als Massespender zu benützen ist in meinen Augen der einzige Weg, mit in Reichweite liegender Technologie das Treibstoffproblem zu lösen.
Auch hier müssten im Fall chemischer Antriebstechnik die Probleme von Herstellung und Lagerung der Treibstoffe gelöst werden.
Konsequent zu Ende gedacht würden sowohl in Erd- als auch in Marsumlaufbahn als Treibstofffarmen genutzte Asteroiden kreisen, die über lange Zeit mit Photovoltaik erzeugtes H2 und O2 speichern und als Treibstoffdepots dienen.
Dies wäre übrigens auch für irdische Anwendungen nützlich, Stichwort Wasserstofftechnologie als Speicher für erneuerbare Energien, und brächte einen Synergieeffekt zwischen Raumfahrt und umweltschonender Energieerzeugung auf der Erde.
Politisch scheint es allemal leichter durchsetzbar die Forschung zu diesem Thema zunächst in Richtung irdischer Anwendungen zu forcieren.
Die Frage ist, ob es stark wasserhaltige Asteroiden überhaupt gibt. Zumindest in Erdnähe ist das eher unwarscheinlich, weil Wasser durch die Sonneneinstrahlung verdampfen würde. Wirklich nachgewiesen ist Wasser nur bei Kometen, und die fliegen auf stark exzentrischen Bahnen. Ob das so viel günstiger wird als ein Transport von der Erdoberfläche?
Da erscheint es mir aussichtsreicher, den Treibstoff auf dem Mond zu produzieren. Bei der geringen Gravitation wäre mit LH2 / LOX mit den heutigen Technologien durchaus ein einsufiger Transporter möglich. Durch die fehlende Athmosphäre wird kein Hitzeschutzschild gebraucht, dadurch sollten mechanische Belastung und Wartungsaufwand in einem vertretbarem Rahmen bleiben. Also beste Voraussetzungen für einen wiederverwendbaren Transporter.
Für den Frachttransfer zwischen Mondumlauf und Erdumlaufbahn braucht man nicht unbedingt kurze Flugzeiten, da wäre ein an die Frachtmodule ankoppelbares Transportmodul mit elektrischen Triebwerken und Solarzellen verwendbar.
So ein Transportsystem wäre mit heutiger Technologie durchaus realisierbar, Probleme dürfte es aber mit dem Aufbau der Treibstoffproduktion geben. Selbst für eine kleine Versuchsanlage müßte dafür mehr Material auf den Mond gebracht werden, als mit dem gesamten Apollo-Programm.
Womit wir wieder beim Hauptproblem wären, an dem die meisten projekte scheitern: Den Kosten.
Zur Nukleardiskussion: Der Flug *zum* Mars ist mit chemischen Treibstoffen überhaupt kein Problem. Man benötigt sogar nur ein kleineres Delta-V als für einen Flug zum Mond, da die Marsatmosphäre beim Bremsen vor der Marslandung mithelfen kann, so dass man nur die letzten 100 oder 200 m/s mit Bremsraketen abbauen muss, während beim atmosphärenlosen Mond über 2000 m/s abgebremst werden müssen.
Der Rückflug vom Marsorbit zur Erde ist chemisch ebenfalls kein großes Problem. Wir reden über ein Delta-V von ca. 2000 m/s. Hässlich wird es nur, wenn man diese Rückflugstufe mit chemischen Antrieben in den niedrigen Marsorbit bringt. Dann hat man vom Erd-LEO aus gesehen nämlich ca. 5500 m/s zusätzlich aufzubringen. Aerobreaking am Mars könnte 1400 m/s sparen, ist aber riskant. Da die Rückflugstufe jedoch unabhängig von den Astronauten zum Mars fliegen kann, bietet es sich an, diese mit einem solarelektrischen Antriebsmodul vom Erd-LEO in den Mars-LEO zu verfrachten. Dauert halt vier Jahre, aber lagerfähige Treibstoffe sind nunmal problemlos so lange lagerfähig…
Hauptproblem ist und bleibt der Start vom Marsboden zurück in den Mars-LEO. Es wird ein Delta-V von ca. 4500 m/s benötigt (atmosphärische und gravitative Verluste und einiges an Reserve eingerechnet). Und das muss eine Rakete sein, die auf unbefestigtem Gelände landen und später von dort aus wieder starten kann, was automatisch zu einem schlechten Leermasse/Vollmasse-Verhältnis führt. Nuklear-thermische Antriebe (Minerva usw.) bieten hier keinerlei Vorteile, da sie wegen der geringen Dichte des Rückstoßgases (Wasserstoff) sehr voluminöse Tanks erfordern. Man hat dann zwar weniger Treibstoffmasse zu transportieren, dafür noch mehr Raketenmasse!
Die meisten Optimierungsmöglichkeiten gehen daher in die Richtung, die Rückflugrakete leer zu landen, und dann mit dem zu Betanken, was man so an Treibstoffen herstellen kann aus dem, was man auf dem Mars findet. In der Atmosphäre sind das vor allem Sauerstoff, Kohlenstoff (diese beiden aneinander gebunden) und etwas Stickstoff. Was fehlt, sind größere Mengen an Wasserstoff oder Wasserstoff-Verbindungen, so dass man weder Hydrazin noch Kohlenwasserstoffe einfach synthetisieren kann.
Die vorgenannte Situation verbessert sich natürlich schlagartig, wenn es gelingt, in einer Region zu landen, in der es ausreichende Mengen an Wasser oder Eis gibt. Das würde auch die Versorgung der Crew während des Marsaufenthalts vereinfachen.
Andernfalls müsste man es mit einer Fest-flüssig-Rakete versuchen. Graphitkörner wären die feste Komponente, kryogener Sauerstoff (dann hat man aber ein Kühlproblem) oder Stickstofftetroxid (dann hat man den schlechteren Isp) die flüssige.
Die nötige Energie für die vor-Ort-Treibstoffsynthese kann von einem kleinen Kernreaktor oder von Solaranlagen stammen. 1 MW elektrisch sollten auch bei miserablem Wirkungsgrad reichen, um binnen zwei Jahren 200 Tonnen Treibstoffe (also Brennstoff und Oxidator) herzustellen. Das reicht wiederum, um eine 10 t schwere Kapsel mit einer zweistufigen Rakete in den Mars-LEO zu schießen. Die Oberstufe wiegt inklusive Resttreibstoff z.B. 10 t und nimmt 50 t nutzbaren Treibstoff auf, so dass diese bei einem Isp von 2200 m/s insgesamt 2417 m/s erbringt. Die Unterstufe wiegt zum Brennschluss 25 t, tankt 150 t und erbringt 2084 m/s.
Hauptproblem ist, die Rückflugrakete VOR den Astronauten zu landen und so ein nicht gerade kleines Chemie-Werk zwei Jahre lang autonom zu betreiben.
Alternativ muss man die Rückflugrakete vollgetankt mit lagerfähigen Treibstoffen landen. Dabei kann man das Haupttriebwerk der ersten Stufe gleich auch als Bremstriebwerk für die letzten 200 bis 300 m/s verwenden; ansonsten Aerobreaking. Fallschirme machen eher keinen Sinn. Zweckmäßigerweise verwendet man auch hier ein Ionenantriebs-Modul, um die Rückflugrakete vom Erd-LEO auf Mars-Wiedereintrittsbahn zu beschleunigen.
Kai
@ Kai Petzke :
Man benötigt sogar nur ein kleineres Delta-V als für einen Flug zum Mond.
Kleines Delta, kleines Raumschiff und der Landeaparat gigantisch ! Eine Ilusion ohne Substanz. Sorry !
Bei Interesse kann ich ausführliche Daten eines 60 Tonnen Landehabitats mit einen 21,2 Tonnen schweren Startmodul hier präsentieren die wir für unsere Marskonzepte ausgearbeitet haben. Mit Plasmantrieb brauchen wir nur für die ganze Marsreise und zurück um die 200 Tonnen Treibstoff.
Die Gesamten Energetische und ballistische Daten eines Marsfluges die ich schreiben könnte, wären aber wahrscheinlich etwas zu viel.
Für bemannte Asteroiden- und Marsflüge arbeitet die NASA an nuklearen Festkerntriebwerken von 15 klbf bis 50 klbf Schub und einer Leistung bis 1048 MW. Schon in 10 Jahren sind erste technologische Flüge der Triebwerke vorgesehen. Für einen Marsflug kommen drei Triebwerke mit 50 klbf zum Einsatz. Aus der NASA Dokumentation:
1. Fuel Element Design, Fabrication, and Test AES, 12-14
2. Non-Nuclear Ground Testing AES, 15-20
3. Flight Technology Demonstration, 20-24
4. NCPS is a game changing technology for space exploration–>900 sec ISP
Mit etwas kleinen ISP von rund 850s sind auch mehrfach wiederverwendbare Triebwerke vorgesehen.
In der Tat, zu nuklearen Triebwerken gibt es zur Zeit keine Alternative. Auf Plasmatriebwerke, wie VASIMR oder andere Entwicklungen, müssen wir noch sehr lange warten bis die erforderliche Leistung und Flugreife erreicht wird.