Wie viel Gestein braucht man für Analysen auf der Erde?

Die Frage kann man Hans Kommentar zur Asteroidenmission entnehmen. Die Frage ist wie viel Gestein braucht man von einem Himmelskörper. Nun man kann zum einen mal eine Übersicht anstellen. Die Apollo Missionen brachten bei jeder viele Kilogramm Gestein zur Erde zurück, Zusammen über 384 Kilogramm. Die Luna Sonden dagegen im Durchschnitt 100 g, die größte Probe betrug 160 g. Hayabusa sollte weniger als ein Gramm Materie sammeln. Stardust sogar nur Staubteilchen, deren Masse eher im Mikrogramm Bereich liegt. Phobos Grunt sollte 230 g zur Erde bringen.

Egal wie man es dreht oder wendet: bemannte Missionen haben bisher tausendmal mehr Proben geborgen. Doch braucht man diese Menge?

Nun eines ist unzweifelhaft: man kann die Morphologie, also das äußere Erscheinungsbild von Gestein nur beurteilen wenn man eine bestimmte Menge hat. Zu Sand vermalender Staub hat zwar noch dieselbe Zusammensetzung, aber er erinnert nicht mehr an das Gestein aus dem er bestand. Wie viel man davon braucht ist unterschiedlich. Auch Mineralogen nutzen heute Dünnschliffe. Von einem homogenen Gestein braucht man dann sicher nur einen kleinen Stein, vielleicht einen Kiesel. Hat man zusammengebackene Gesteine, so wie es auch bei Meteoritengestein oft der Fall ist das nie soweit erhitzt wurde, das es sich nach Dichte trennte, so können die einzelnen Teile durchaus einige Zentimeter groß sein.

Die Kernuntersuchungen laufen heute aber mit physikalisch-chemischen Methoden ab und da reichen kleinste Spuren. Die JAXA hat Hajabusa zum Erfolg erklärt obwohl das Sammeln von Bodenproben fehlschlug, aber etwa 1500 Staubteilchen von maximal 0,01 mm Größe verirrten sich doch ins Innere und Staub, nur unter dem Mikroskop zu sehen fing auch Stardust ein. Das ist kein Problem. Massenspekrometer detektieren heute bis zu einem Femtogramm. Da ist ein Staubteilchen mit einer Masse von einigen Mikrometern schon für eine Probe zu viel. Das gilt auch für andere Verfahren wie die Atomabsorptions- und Emissionsmassenspektrometrie, Gaschromatographie etc. Die Verfahren werden sogar immer empfindlicher. Schon zur Zeiten der Luna Sonden reichten die 100 g, die gebracht wurden vollkommen für alle chemisch/physikalischen Untersuchungen aus und damals konnte man nur ein Tausendstel bis ein Zehntausendstel dessen detektieren was heute möglich ist. Heute kann man die in Glasperlen im Submilimetermaßstab eingeschlossenen Helium 3/Helium 4 Kerne aus dem Sonnenwind zu diesem Zeitpunkt untersuchen und damit Indizien über die Sonnenaktivitöt zu früheren Zeitpunkten gewinnenn.

Das die Probenmenge bei unbemannten Missionen so klein ist, liegt eher daran wie sie gewonnen wird. Bei den Luna war es ein Bohrkern der aufgerollt wurde. Er ist naturgemäß nicht sehr groß, zumal der Bohrer nur durch die lockere Schüttschicht kam. Bei Phobos Grunt sollte ein Minigreifer direkt unter der Sonne Staub und kleine Steine einsammeln und in die Kapsel darüber transportieren. Bei Hayabusa war es ein Projektil, das Staub aufwirbeln sollte und ein Teil davon sollte in den Auffangbehälter gelangen.

Alle Methoden sind wenig selektiv, sammeln nicht mehrere Proben, arbeiten  nur direkt unter der Sonde. Würde ich eine Marsbodenprobengewinnung anstreben würde ich dies garantiert nicht so machen. So erhält man eine Zufallsprobe, aber bestimmt nicht das Material das man gerne hätte. Stattdessen muss man Proben sammeln und Probenrückführung trennen. Das Sammeln sollte ein mobiler Roboter mit verschließbaren Probenbehältern erledigen. Er sollte dazu über Arme und Bohrer verfügen mit denen er Proben aufnehmen und in Behälter unterbringen kann. Zum Ende der Mission fährt er zu der Station die die Proben zur Erde bringt und lädt in die Kapsel um.

So etwas ist nicht utopisch, sondern durch Umbau der derzeitigen Roboter machbar. Curiosity hat schon viele Fähigkeiten die gefordert sind. Man müsste nur den Arm umrüsten, dass er nicht vorwiegend Proben zerkleinert, sondern sammelt. Anstatt auf dem Deck Öffnungen für die Instrumente zu platzieren kann man dort Behälter anbringen die man verschließen kann. Mit dem Arm oder einem zweiten mit Greifern kann man dann später auch umladen. Einige Experimente die schnelle Messungen durchführen, wären sogar von Vorteil, so kann man schon auf dem Mars das interessante Material selektieren.

Eine solche Mission könnte dann auch mehr Material bergen, auch wenn es sicher nicht so große Steine wie bei Mondmissionen sein werden. (schon alleine deswegen, weil die auf dem Mond nur 40% des Gewichts auf dem Mars haben). Aber sie könnte in 2 Jahren mehr Plätze absuchen als eine Apollomission in ihren nur 3 Tagen auf der Oberfläche.

Dann gäbe es auch mehr Material. Dessen Gewicht ist bei allen Missionen nicht das Problem, sondern wie ich schrieb, die Entnahmetechnik. Alleine die Landekapsel von Phobos Grünt wiegt 6 kg – dreißigmal mehr als die Bodenproben, bei Hayabusa sind es mit 20 kg und weniger als 1 g sogar noch extremere Verhältnisse. Natürlich kostet jedes Kilo das vom Mars befördert wird etliche Kilo an Treibstoff, doch alleine die Leermasse von Kapseln, Steuerung und Stufen dürfte bei hunderten von Kilogramm liegen. Ob dann 1 kg oder 20 oder 30 kg befördert werden ist eher nebensächlich.

Die Frage ist: brauchen wir aber Bodenproben von Asteroiden aber auch Mars oder anderen Himmelskörpern? Man sollte nicht meinen, dass man mit einigen Steinen vom Mars alles klären kann. Nützlich sind sicher Proben bestimmter Gebiete: früherer Überschwemmungsgebiete, sie verraten einiges über die feuchte Vergangenheit des Mars oder von den Vulkanen, sie haben die Zusammensetzung des Mantelgesteins, und sicher wären auch welche aus Grabensystemen interessant um festzustellen wie diese entstanden. Irgendwo eine Probe zu nehmen, ist recht sinnfrei, dann könnten wir genauso die Marsmeteoriten weiter untersuchen die wir schon haben.

Gehen wir über zu den Asteroiden, wozu man auch Phobos zählen kann. Proben von dort sind nun en vogue, primär weil man sie einfach gewinnen kann. Ein Körper der nur einige Kilometer groß ist hat eine Fluchtgeschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde, selbst wenn eine Sonde also auf den Asteroiden fällt, reichen Stoßdämpfer aus, den Stoß zu dämpfen. Genauso leicht kommt man wieder weg. Gerade deswegen sollte Hajabusa ja Gestein sammeln. Die ganze Sonde wog nur 500 kg. Inklusive aller Treibstoffvorräte. Nur Asteroiden kann man auch mit Niedrigschubtriebwerken, also ionenantrieb arbeiten. Aber der Sinn bleibt offen. Asteroiden haben keine geologische Vergangenheit, sie haben keine Entwicklung durchgemacht sie sind undifferenzierte Körper. Sicher so erfahren wir wie das Gestein im Sonnensystem ausgesehen hat, aber so saumäßig interessant ist das nicht. Vor allem haben wir rund 26.000 Meteoritenfunde und darunter auch sehr große, die im Inneren durch ihre hohe Masse beim Eintritt nicht hoch erhitzt wurden (der größte wiegt 17700 t, so ein Körper wird im Inneren kaum erwärmt). Will man also unverfälschtes Material haben – davon haben wir tonnenweise schon auf der Erde welches. Selbst vom Mars haben wir schon kostenlose Bodenproben – Marsmeteoriten, aber Proben von ausgewählten, geologisch interessanten Gebieten (s.o) würden sicher den Aufwand lohnen. Ich persönlich würde eine Bodenprobe aus einem Kometenkern, am besten eine Tiefenbohrung (die man dann natürlich bis zur Landung dauerhaft stark abkühlen müsste um eine Veränderung auszuschließen) viel interessanter und eine solche Mission würde wahrscheinlich viel mehr neue Technologien erfordern, die „Mitleser“ als Vorteil so heraustellte.

Der wirkliche Grund ist ein anderer und Boulden hat ihn auch schon  genannt als man das Programm kritisierte und prognostizierte, dass der nächste Präsident es einstellen würde: “I can make one promise to you: if the next administration changes course, it means we are probably, in our lifetime, in the lifetime of everybody sitting in this room, we are probably never again going to see Americans on the Moon, on Mars, near an asteroid, or anywhere, … We cannot continue to change the course of human exploration.”

Es geht recht schnell irgend ein Ziel zu finden, egal welches, weil ein Programm ohne Ziel noch mehr in Gefahr ist eingestellt zu werden. Wichtiger dürfte sein, dass bis 2017 das Programm so weit ist, dass es erste Flüge gibt. Das Problem von Constellation war, dass es nach 6 Jahren noch nicht mal den 5-Segment Booster gab, die Ares V war noch im Planungsstadium und der Altair Lander gestrichen. Ob das ganze sinnvoll ist oder man mit den Kosten hinkommt (geschätzt wurden 2,65 Milliarden Dollar, die NASA hält das für zu viel, ich angesichts von Kosten nur für Curiosity mit weitaus weniger Aufwand und Anspruch für eher zu wenig, es ist dabei ja auch die bemannte Mission zum Librationspunkt mit eingeschlossen). Die bemannte Raumfahrt hat ein grundlegendes Problem: man nimmt sie nur war wenn es was neues gibt. Die ISS hat bisher 135 Milliarden Dollar gekostet, nächstes Jahr sind alleine im US-Haushalt weitere 4,7 Milliarden für ISS, Versorgung der ISS und CCdev vorgesehen, doch niemand nimmt sie war. Das ist zwar auch bei unbemannten Sonden so, doch da kann man es sich leisten dauernd eine neue mit neuen Fähigkeiten oder zu neuen Zielen zu entwickeln. Bei der bemannten Raumfahrt muss man sich eben Sensationen suchen wie Rentner oder Journalisten ins All befördern oder eben Asteroiden einfangen.