Zur Erinnerung: In den ersten beiden Teilen habe ich deutlich gemacht, dass bei einem neuen Mars/Mondprogramm (vor allem beim Letzteren) ein Großteil der Kosten für die Entwicklung einer Schwerlastrakete entfällt und diese durch mehrere Flüge einer 50-70 t Rakete ersetzt werden könnte. Mit zwei Flügen einer 60 t Rakete wäre Apollo zu ersetzen, mit drei oder vier ein längerer Mondaufenthalt (drei Starts) oder größere Raumfahrzüge (vier Starts) möglich. Dabei kann diese Rakete aus einer Delta IV Heavy entwickelt werden.
Eine Mondmission hat nun folgende Elemente:
- Eine Trägerrakete sendet entweder eine Nutzlast direkt zum Mond (3200 m/s mehr als für eine Kreisbahn benötigt) oder koppelt in einer Kreisbahn mit einer Stufe an, welche sie zum Mond befördert.
- Um in eine Mondumlaufbahn einzuschwenken benötigt man nochmals rund 1000 m/s. Wenn diese später verlassen wird, fallen nochmals die gleichen 1000 m/s an.
- Der Mondlander benötigt ebenfalls ein Triebwerk um zu landen und zu starten. Beim Starten sind es rund 2.200 m/s die das Apolloraumschiff an Korrekturvermögen hatte. Beim Landen wegen der 1 Minute Schwebezeit noch mehr. (zusammen 4.760 m/s)
- Man kann daraus leicht ableiten, dass bei konventionellen Lösungen der größte Teil Treibstoff ist. Beim Mondlander waren es rund 10,8 von 16,4 t Masse und bei dem CSM waren es 18,4 von 30,3 t Masse.
Ziel eines Mondprogrammes sollte es sein diese Treibstoffmenge zu reduzieren. Ein Weg könnten kryogene Treibstoffe sein. Das Problem ist hier die Kühlung. Während dies noch im Weltraum recht gut möglich wird, wird es auf der Mondoberfläche schon deutlich schwieriger. Doch meine Ansicht ist es gleich neue Wege zu geben, die viel mehr versprechen. Man muss zwei Dinge beachten.
- Es gibt Manöver die hohen Schub erfordern (Abstieg auf die Mondoberfläche, Aufsteige) und andere bei denen das nicht notwendig ist (Transfer von einer Erdumlaufbahn zum Mond, Verlassen des Mondes).
- Bei der Besatzung scheiden lange Aufenthalte in einer Erdumlaufbahn wegen des Strahlengürtels aus.
Nun wer mich kennt, weiß schon worauf es raus läuft: Ionentriebwerke welche den Treibstoff viel effizienter Nutzen. Es ist meiner Ansicht nach auch folgendes Szenario denkbar:
- Der Mondlander wird mit einer Ionenantriebsstufe in einen Erdorbit gebracht. Sie transferiert ihn über Monate hinweg in eine Mondumlaufbahn.
- Danach startet die Besatzung direkt zum Mond. Zündet ihre Triebwerke um in eine Umlaufbahn einzuschwenken und koppelt dort mit dem Mondlander an.
- Sie landet auf dem Mond, führt ihr Forschungsprogramm durch, startet zurück in den Orbit.
- Im Orbit koppelt sie erneut an die Ionenantriebsstufe an und diese befördert sie zurück zur Erde.
Der Vorteil ist, dass die Nutzlast viel höher ist. Ich habe mal folgende Daten genommen:
- Die des Triebwerks RIT-22 von EADS
- Gesamtgeschwindigkeitsänderung 6.800 m/s anstatt 3.200 m/s + 2 x 1.000 m/s chemisch (30% mehr)
- Solarzellen mit einer Leistungsdichte von 80 W/kg (Dawn erprobt, es gibt experimentell sogar welche mit 175 W/kg)
- Maximale Dauer für die bemannte Rückkehr im Mondorbit: 30 Tage.
Daraus errechnet sich folgendes:
Ionentriebwerk:
Spezifischer Impuls: 44150 m/s
Stromverbrauch 5000 W
Schub 0,15 N
Wirkungsgrad 66 Prozent
Gewicht eines Triebwerks 7 kg
Treibstoffverbrauch 3,4 mg
Gewichtsbilanz:
Strukturgewicht: 1200 kg
Treibstoff: 7972 kg
Tankgewicht: 1331 kg
Triebwerkszahl 193
Triebwerksgewicht: 1351 kg
Nutzlast: 32000 kg
Startgewicht: 55855 kg
Solargenerator:
Leistung: 80 W/kg
Gewicht: 12000 kg
Mittlere Distanz zur Sonne: 150,0 Mill km
Leistung bei der Distanz 79 W/kg
Bahndaten:
Geschwindigkeit um die Erde zu verlassen: 5500 m/s
Geschwindigkeit um die Mondumlaufbahn zu verlassen: 1300 m/s
Gesamte Geschwindigkeit: 6800 m/s
Gesamte Reisedauer: 261 Tage
Davon in der Erdumlaufbahn (12 h/d) 232 Tage
Davon in der Sonnenumlaufbahn (24 h/d) 29 Tage
Bei einer Startmasse von etwas unter 56 t (das ist die Nutzlast einer Delta IV Heavy mit sechs Boostern in eine 600 km hohe Kreisbahn) werden so 32 t in einen Mondorbit und zurück befördert. Gedacht ist an folgende Vorgehensweise:
Die erste Delta IV XXL startet mit der Ionenantriebstufe den Mondlander in den Mondorbit und verbleibt dort
Die zweite Delta IV XXL startet normal chemisch nur mit 1.000 m/s Kurskorrekturkapazität das reicht aus um in einen Mondorbit zu gelangen. Dort koppelt sie an den Mondlander ab während die Ionenantriebsstufe abkoppelt und in Wartestellung geht. Nach dem Umstieg der Besatzung und Landung auf dem Mond folgt die Forschungsmission und nach einigen Tagen kommt die Rückreise. Nach dem Umstieg in das CSSM wird die Aufstiegsstufe abgekoppelt und die Ionenantriebsstufe angekoppelt.
Sie befördert die Besatzung zurück zur Erde. Das hat zwei Vorteile: Es wird Treibstoff gespart und bei 1300 m/s Kurskorrekturfähigkeit ist die Aufenthaltszeit im Mondorbit gering.
Chemisch sind maximal 14,4 t mit derselben Rakete in einen Mondorbit bei der selben Trägerrakete möglich. Das ermöglicht es nicht nur einen mehr als doppelt so schweren Lander mitzuführen, sondern auch das CSM kann leichter sein, da der Treibstoff für die Rückreise nicht benötigt wird. Es benötigt nur 1000 m/s zum Einbremsen in den Orbit. Das macht eine Trockenmasse von 14,6 t möglich. Apollo hatte nur eine Trockenmasse von 12,2 t. Mit Treibstoff zur Rückreise hätte die Trockenmasse maximal 10,7 t betragen dürfen, was nur für eine deutlich kleinere Kapsel als bei Apollo reichen würde.
Die zwei Flüge sind in etwa äquivalent einer chemischen Rakete mit 80 t Nutzlast in die LTO Bahn. Die rund 2,4 t größere Trockenmasse des CSM würde eine größere Kapsel für 4 Astronauten zulassen. Analog der nun 32 t schwere Mondlander Er ist doppelt so schwer und würde die Landung aller vier Astronauten ermöglichen. Ein weiterer Start mit dem Ionenantriebsmodul könnte auch ein Labormodul von eta 14-15 t Masse auf dem Mond absetzen – genügend Gewicht für schwere Ausrüstung oder eine kleine Wohnung für einige Tage (wie schon in Teil 1 geschrieben dauert eine Mondnacht 14 Erdtage, dabei sinken die Temperaturen bis unter -100°C ab. Daher wird zumindest bei der ersten Phase der Aufenthalt auf den Mondtag von maximal 14 Tagen dauer beschränkt sein).
Es wäre interessant festzustellen, ob es eine Untersuchung gibt, wie weit die Passage im Van Allen Strahlungsgürtel gefährlich ist. Ersetzt man z.B. die Solarzellen durch welche mit 175 W/kg Leistungsdichte, also dem was heute zumindest experimentell möglich ist, so wäre die gesamte Reise sogar mit einer 60 t Rakete denkbar. Ein Lander von 16,4 t Masse und ein CSM von 11 t Masse (ohne Treibstoffe und Antrieb). Ein Ionennantriebsmodul würde es die gesamte Kombination in 91 Tagen zum Mond und in 10 Tagen zurück befördern. Wahrscheinlich ist das aber mit einer kleinen Apollokapsel nicht zu machen und eine größere Raumstation in der Mondumlaufbahn braucht man eigentlich nicht.
Apollo 2.0 mit einer Delta IV Heavy – das ist Innovation. Eine neue Schwerlastrakete zu bauen und alles zu wiederholen – das ist der Rückgriff auf das Gestrige. Ein Symptom für den Rückschritt und Stillstand den die bemannte Raumfahrt seit einigen Jahren schon prägt. Denn natürlich gibt es hier Herausforderungen – Dawns Solar Array das ich für die Berechnung nutzte, hat gerade mal 10,5 kW Leistung – hier wird ein fast 100 mal größeres benötigt. Kann man solche großen Strukturen noch bauen und im All entfalten?
Das gleiche gilt für die Triebwerke. Dawn setzte fünf ein. Hier sind es 193 – fast vierzigmal mehr. Es sollten also größere eingesetzt werden, die erst entwickelt werden müssen. Dann haben diese ein kleines Temperaturproblem – etwa 30%-40% setzen die Triebwerke heute als Wärme frei. Das sind etwa 288-384 kW Abwärme auf engstem Raum. Auch ein Problem das gelöst werden muss. Bis diese Technologie zur Verfügung steht muss genauso viel Entwicklungsarbeit geleistet werden wie damals bei der Saturn V – aber es ist wenigstens eine Neuentwicklung und sie ist nötig, denn für Marsexpeditionen müssen dann nicht 130-180 t in eine Erdumlaufbahn befördert werden, sondern je nach Plan (es gibt da etliche Vorschläge ) zwischen 600 und 1000 t – und da lohnt es sich dann wirklich!