Mission to Mars 4

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Heute im letzten Teil die Begründung warum ich die Mission so skizziert habe und was es auch noch an Alternativen gibt. Es gibt natürlich einen recht praktischen Punkt: Wenn man sich auf Dinge beschränkt, die es heute schon gibt, dann ist eine Mission planbar auch für Laien wie mich, zumindest was die groben Parameter angeht. Es gibt aber auch einen großen Grund für eine konventionelle Auslegung: Die Kosten.

Die meisten Alternativen, die ich kenne, gehen davon aus die Masse durch Technologien zu minimieren, also die Zahl der Starts zu verringern. Auf Treibstoffseite gibt es zwei Ansatzpunkte. Zum einen den von mir angesetzten mittelenergetischen Treibstoff (NTO/MMH) durch einen höher energetischen zu ersetzen. Das können z.B. Ionentriebwerke sein. Idealerweise – und nur dann sehe ich eine fundamentalen Vorteil – wird man diese schon beim Start von der Erde aus einsetzen. Wegen des langen Aufenthalts im Van Allen Gürtel wird dies wahrscheinlich aber nicht in Frage kommen. Bleibt noch die Möglichkeit beim Mars in eine Umlaufbahn einzuschwenken, diese zu erniedrigen und so die Geschwindigkeit der Startstufe zu reduzieren und später diese wieder zu verlassen.

Beim chemischen Treibstoff in einer elliptischen Umlaufbahn benötigt man aber nur wenig Geschwindigkeit (rund 900 m/s jeweils beim Abbremsen und Beschleunigen), sodass der Gewinn gering ausfällt, da ja die Solarzellen, Treibstoff und Triebwerke mitgeführt werden müssen. Da nur an einem von fünf Flügen so ein Vorteil gegeben ist sehe ich hier nicht den Vorteil, der die Entwicklung rechtfertigt (wir reden hier in etwa um eine Steigerung der Leistung um den Faktor 100, verglichen mit bisher eingesetzten Triebwerken – Das dies nicht zum Nulltarif zu erhalten ist, sollte logisch sein.

Anders sähe es aus wenn Ionentriebwerke schon in der Erdumlaufbahn eingesetzt werden würden. Dann würde sich die Nutzlast verdoppeln uns es gäbe die Möglichkeit die Transferstation in einen Erdorbit einzubremsen und mehrmals zu verwenden (und die Startkapsel von der Marsoberfläche müsste nicht auf der Erde landen und könnte viel leichter ausgeführt werden).

Das zweite ist die Verwendung von kryogenen Treibstoff und die Herstellung von Treibstoff auf der Marsoberfläche. Es gibt eine Reihe von Ideen kryogenen Treibstoff über längere Zeitraum im Weltraum flüssig zu halten. Im wesentlichen indem man einen Schutzschild vor dem Tank anbringt. Analog kühlt das James Webb Teleskop auch seine Instrumente durch einen Schutzschild. Ich habe drauf verzichtet weil auch dies noch nicht erprobt ist, es keine Daten über das Gewicht gibt und Verdampfungsverluste / Energieverbrauch einer Rückverflüssigungsanlage.

Noch problematischer ist die Treibstoffherstellung auf der Marsoberfläche. Das Prinzip ist, so wird betont, nicht neu und basiert auf der Herstellung von Gas für die Gaslampen Ende des vorletzten Jahrhunderts. Aus flüssigem Wasserstoff und Kohlendioxid werden Methan und Sauerstoff synthetisiert. Es klingt auf dem Papier so toll: Aus 1 t Wasserstoff werden 4 t Methan und 16 t Sauerstoff. Nur: es gibt auf der ganzen Erde keine funktionierende Anlage die automatisch und kontinuierlich über zwei Jahre läuft und dabei den erzeugten Treibstoff auch flüssig hält (dessen Masse ja laufend ansteigt). Geschweige denn, dass man eine solche für den Mars entwickelt hätte. Darüber hinaus benötigt eine solche Anlage so viel Strom, dass es nicht ohne einen Kernreaktor geht. Die eigentliche Station hat vielleicht einen Strombedarf von einigen kW die auch mit Solarzellen gedeckt werden können (zumindest solange man sich nahe des Äquators aufhält).

Bei den anderen Verbrauchsgütern gibt es schon heute ein Optimum. So benötigt die ISS nur noch 1.650 kg Wasser für sechs Personen pro Jahr. Das wären bei drei Personen rund 5 t über die Missionszeit – wenig verglichen mit den Massen der Stationen. Aus diesem Wasser wird auch ein Großteil der Luft hergestellt. Es spricht viel dafür dass eine Marsexpedition mehr Wasser benötigt, weil sich die Astronauten nicht dauerhaft in einer Station aufhalten wo die Luft leicht regeneriert wird, sondern sie in Anzügen arbeiten bei denen ein solches System aus Gewichtsgründen nicht einsetzbar ist. Zudem arbeiten Sie mehr körperlich, während die Astronauten auf der ISS weniger Energie verbrauchen als wie auf der Erde. Das Essen ist nicht selbst herstellbar – zumindest nicht wenn man nicht will, dass die Besatzung sich von weitgehend unverarbeiteter Rohkost ernährt. Der Arbeitsaufwand, Flächen und Materialeinsatz steht in keinem Verhältnis zum einsparten Geweicht, das bei dehydratisierter Nahrung bei etwa 3 t liegt.

Ein Problem ist es die großen Massen zu landen. Es gibt hier noch einige Alternativen. Die Geschwindigkeit ist minimierbar, indem die Module zuerst mehrmals die Atmosphäre streifend passieren und dabei zuerst in eine Umlaufbahn eintreten, dann die Umlaufbahn verkürzen und zuletzt mit 3,5 km/s anstatt 6 km/s eintreten. Es gibt neben den aufblasbaren Hitzeschutzschilden noch die Möglichkeit ausfahrbarer Schilde, die wie z.B. Blütenblätter um die Oberfläche zu vergrößern. Das würde es erlauben größere Module zu landen und damit mehr Wohnkomfort zur Verfügung zu stellen.

Der optimistischste Vorschlag ist der des Hollywood Ressiseurs Camerons, der auf eine Behausung verzichten und ein Wohnmobil als Behausung nutzen will. Doch ob das über 550 Tage geht? Immerhin wäre die Besatzung so hoch mobil und 550 Tage würden selbst bei geringen Strecken ausreichen jeden Punkt des Mars zu erreichen. (bei 20 km Strecke (Luftlinie) pro Tag kann jeder Punkt auf dem Mars innerhalb von 550 Tagen erreicht werden.

Warum gehe ich auf diese Features nicht ein? Weil heute die Planungen leider immer auf die Reduzierung der Startmasse und nicht der Kosten hinauslaufen. Die letzten Schätzungen für das Constellation Programm beliefen sich auf 120 Mrd. Dollar. Dabei setzt es nur Technologie ein, die zumindest vom Prinzip her schon bei Apollo erprobt wurde. Ein Marsprogramm benötigt neue Technologien. Alles was auf dem Mars landet ist im Prinzip eine Neuentwicklung. Darüber hinaus braucht es vier bis fünfmal mehr Flüge pro Mission und eine Mission dauert 3 Jahre anstatt einige Wochen. Es dürfte klar sein, dass es aus diesen Gründen es deutlich teurer als ein Mondprogramm ist.

Neue Technologien wie Treibstoffgewinnung treiben die Kosten weiter nach oben. Doch was sparen sie ein? Einen oder zwei Flüge mit der Ares V. Nun für die kann man zumindest eine Kostenabschätzung machen. Die Ares V setzt sechs Triebwerke der Delta IV ein und ein J-2X. Nimmt man an, dass die Kosten für die Stufen proportional zu der Anzahl der Triebwerke sind, so müssten Zentralstufe und Department Stage 7/3 mal so viel kosten wie eine Delta IV Heavy – die kostet 254 Millionen Dollar. Das sind dann also 593 Millionen Dollar. Dazu kommen die beiden Booster. Ein Test eines solchen Boosters kostet 75 Millionen Dollar. Also zwei 150 Millionen Dollar. Rechnet man also mit 750 Millionen Dollar pro Ares V Flug, so können maximal 1,5 Milliarden Dollar gespart werden.

Das sind etwa 1% der Kosten von Constallation. Selbst die Entwicklung des mobilen Marslabors, dessen Fähigkeiten weitaus kleiner als die einer Treibstofffabrik auf dem Mars sind ist teurer. Meiner Meinung nach sollte daher die Auslegung konventionell sein. Ist man sicher, dass es mehr als eine Mission zum Mars geben wird, so ist meiner Ansicht nach der Einsatz von Ionentriebwerken sinnvoll um die Transferstation in einen Erdorbit zu bringen und so Kosten bei der nächsten Mission einsparen.

2 thoughts on “Mission to Mars 4

  1. Mit Ionentriebwerken aus der Erdumlaufbahn:
    Wie ich es verstanden habe, schraubt sich ein Raumschiff mit Ionentriebwerken langsam in immer höhere Umlaufbahnen bis es schliesslich Fluchgeschwindigkeit erreicht. Je grösser die Masse, desto mehr Umläufe und mehr Zeit sind hierfür erforderlich.
    Nirgends steht geschrieben, dass die Mannschaft während dieses Zeitraums bereits an Bord sein muss. Sie kann auch erst im letzten Moment mit einer kleinen, engen, dafür aber schnellen und von chemischen Treibstoffen angetriebenen Kapsel das Marsschiff einholen.
    Vorteile:
    – Die Mannschaft ist nur kurz dem Van-Allen-Gürtel ausgesetzt.
    – Es werden weniger Voräte verbraucht.
    – Bereits verbrauchter Treibstoff der Ionentriebwerke kann ersetzt werden.
    – Das Zubringerschiff kann mit seinem Resttreibstoff das Marsschiff zusätzlich anschieben.
    – Eine schnelle Rückkehr zur Erde ist mit dem Zubringerschiff gewährleistet, solange man sich noch im Erdorbit befindet.

  2. Die NASA braucht heute mehrere Tage um die ISS in rund 350 km Höhe zu erreichen. Bis ein Raumschiff nur den Van Allen Gürtel überwunden hat ist es schon in 30.000 km Höhe mit viel geringeren Relativgeschwindkeiten um Distanzen aufzuholen. So einfach wird das nicht.

    Der Treibstoffverbrauch spielt bei Ionentriebwerken keine Rolle, weil er viel kleiner als bei chemischen ist und andere Faktoren gewichtsbestimmend sind.

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