Mission to Mars Teil 2

Heute geht es um den Ablauf der Marsmission. Um es gleich zu sagen: Das ist eine Möglichkeit. Es gibt auch andere Konzepte, vielleicht am extremsten der Plan „Mars Direct“ von Zubrin. Will man mit der heutigen Technologie also dem was erprobt ist eine Marsmission durchführen kommt man aber zu folgendem Ablauf:

Start von der Erde mit einer Transferstation

Irgendwo müssen die Astronauten ja wohnen auf der Reise zum Mars, die wahrscheinlich mindestens 6 Monate dauert. Das wird wohl das konventionellste sein, dann praktisch können schon entwickelte Module für die ISS verwendet werden. Da diese Station zum Mars und zurückreist ist hier das Minimieren des Gewichts natürlich wichtig. Neben regenerativen Systemen geht dies vor allem beim Raum. Bislang waren die Saljut Stationen die Raumstationen mit dem geringsten Volumen, rund 50 m� pro Person bei einer Stammbesatzung von zwei. Würde man dies auf eine Sechsmann Besatzung übertragen, so würde die Station mindestens 50 t wiegen (drei Saljut 6 Stationen) – ziemlich viel. Optimierungsmöglichkeiten gibt es natürlich im Platzangebot selbst. Anders als bei anderen Raumstationen wird daher dort nicht geforscht werden. Das nimmt Platz weg, macht sie schwerer und sinnvolles zum Forschen gibt es eh nicht.

Eine weitere Optimierung besteht darin ein sehr großes Modul zu bauen, anstatt mehrere kleine, wie sie heute bei der ISS eingesetzt werden. Die Ares mit ihrer 10 m Nutzlasthülle lässt z.B. ein Modul mit 9 m Durchmesser zu. Würde man 300 m³ Volumen in einem 9 m langen Modul unterbringen, so wäre es nur 4,7 m lang. Module mit 4,5 Durchmesser, wie bei der ISS dagegen 18,9 m lang. Da bei Columbus bei nur 7 m Länge das Modul schon leer 10 t wiegt (also die Hälfte der Gesamtmasse auf die Hülle entfällt) bedeutet dass eine Reduktion der Oberfläche um 31% mit deutlicher Gewichtsersparnis verbunden ist. Zudem ist der Platz um so besser aufteilbar je weniger Wandfläche vorhanden ist. So erreicht die ISS nicht das „Wohlfühlvolumen“ von Skylab, obwohl die Station pro Person 50% mehr Raum zur Verfügung stellt. Hier wäre auch das Konzept der aufblasbaren Strukturen wirklich sinnvoll einzusetzen, da das Gewicht schon kritisch ist.

Wohnen auf dem Mars

Auch auf dem Mars wird eine Wohnung benötigt. Da diese unter Schwerkraft bewohnt wird, wird ihr Design konventioneller sein, z.b. ein Zylinder mit einer geringen Höhe. Das Hauptproblem ist aber, das diese nicht aus Teilen zusammengebaut werden kann und noch von einem aerodynamischen Schild umgeben werden muss. Damit ist die Größe beschränkt. Maximal ist ein solches Modul so groß wie der Durchmesser der Nutzlasthülle der Trägerrakete, also bei der Ares V 10 m. Wenn es keine aufblasbaren Hitzeschutzschilde gibt (die Technologie ist derzeit noch nicht soweit, dass sie die thermischen Beanspruchungen aushalten kann) dann muss die Behausung sogar kleiner sein, weil der Hitzeschutzschild ja deutlich größer sein muss. Auch in die Höhe kann man wegen der elliptischen Form der Hitzeschutzschilde nicht bauen.  Wahrscheinlich wird es nur eingeschossig sein.

Auch das Gewicht ist beschränkt. Die dünne Marsatmosphäre macht sehr große Schutzschilde nötig. Geht man von den bekannten Marssonden aus, so würde ein 9 m großer Schutzschild nur maximal 8 t auf die Marsoberfläche absetzen können. Das ist zu wenig. Viel zu wenig. Es nützt auch nichts, dass man später mit Treibstoff die Restgeschwindigkeit vernichtet und keine Fallschirme einsetzt, weil der Hitzeschutzschild benötigt wird um die Geschwindigkeit in der Hochatmosphäre abzubauen. Ist er zu klein, so durchquert die Wohnung weitgehend ungebremst die Atmosphäre. Es gibt hier also noch viel zu tun. Eventuell wird man auch mehrere Module landen, die dann getrennt in Wohnquartier, Arbeitsraum etc sind, weil die Gewichtsbeschränkungen so umgangen werden können.

In der Wohnung wird die Besatzung fast zwei Jahre wohnen.

Expeditionen

Das alleine nützt natürlich nichts. Die Besatzung soll ja auch Forschen. Sie muss dazu mobil sein und benötigt wahrscheinlich auch schweres Gerät um zum einen in die Tiefe Bohren zu können oder mit Wohnmobilen sich weiter als 1 Tagesdistanz von der Zentrale entfernen zu können. Desweiteren kann die Wohnung nicht mit Vorräten für die Zeit vollgestopft werden (wo soll die Besatzung wohnen, Gewichtsprobleme) und es wird auch eine Stromversorgung benötigt. Das alles macht eine weitere Landung nötig mit einem großen Container mit der Ausrüstung, auch hier, weil es die Probleme mit dem Wiedereintritt entschärft wahrscheinlich mehrere Container z.B. einer mit dem Wohnmobil, ein zweiter mit der Stromversorgung ein dritter mit Vorräten und ein letzter mit verschiedenen Gerätschaften.

Landung auf dem Mars und zurück

Die Besatzung muss auf dem Mars landen und zurück in den Orbit kommen. Es bietet sich an, dass zu kombinieren. Gelandet wird eine Kapsel auf einer Raketenstufe. Sie wird sehr kompakt sein, schon alleine deswegen weil für jedes Kilo dass in den Orbit kommt, mindestens 5 kg gelandet werden müssen. Die Kapsel selbst könnte auch für den Wiedereintritt bei der Erde genutzt werden – doch dann ist sie höheren Belastungen ausgesetzt, als wie bei der Marslandung und benötigt einen Hitzeschutzschild. Eventuell wird es insgesamt leichter, zwei Kapseln zu benutzen. Bei der Landung wird die Kapsel von einem separaten Hitzeschutzschild umgeben. Für das letzte Stück zur Oberfläche nutzt sie einen Teil des Treibstoffs zum Rückstart.

Raketenantriebe

Es gibt mindestens vier Antriebsmanöver bei der Mission:

• Von einer Erdumlaufbahn zum Mars (alle Einheiten)
• Einbremsen in eine Umlaufbahn um den Mars (Transferstation)
• Rückstart vom Mars (Rückkehrstufe mit Kapsel)
• Verlassen der Marsumlaufbahn (Transferstation)

Alle andere Teile landen aerodynamisch abgebremst und brauchen nur etwas Treibstoff in der Endphase, um weich zu landen.

Justieren kann man den Treibstoffverbrauch bei der Umlaufbahn der Transferstation um den Mars: Ist diese sehr exzentrisch, so benötigt sie weniger Treibstoff, um diese Bahn zu erreichen und später auch wieder zu verlassen. Dafür benötigt die Rückstartstufe mehr Treibstoff um die Umlaufbahn zu erreichen. Da diese aber deutlich leichter als die Transferstation ist, wäre eine 24 Stunden-Bahn die optimale Lösung.

Stromversorgung

Die Transferstation ist mit Solarzellen zu versorgen. Die Marsstation ist komplizierter. Die Marsatmosphäre lässt das Sonnenlicht zwar weitgehend passieren, es gibt keine Wolken, aber die Hälfte der Zeit scheint keine Sonne, Solarzellen würden durch Staub bedeckt und an Leistung verlieren und eine Nachführung der Sonne wird aufwendig werden oder wenn man darauf verzichtet braucht man eine größere Fläche.

Auf der anderen Seite liefern Solarzellen heute bis zu 80 W/kg, während die NASA für das Prometeus-Programm bei Kernreaktoren 13 W/kg anstrebt und Zubrin sogar 50 W/kg möglich hält. Das bedeutet, dass Solarzellen schon bei der heutigen Technologie leichter als Kernreaktoren sind. Sollte ein Wert von 50 W/kg erreichbar sein, so sind sicher Kernreaktoren von Vorteil, da sie dauerhaft Strom liefern (nicht nur die Hälfte der Zeit) und kein Strom zur Heizung benötigt wird (dazu kann die Abwärme genutzt werden).