NASA, legt drauf!

Auf die heutige Fiktion bin ich gekommen, weil mich irgend jemand auf den Email Verteiler des Lunar Xprice gesetzt hat. Bekanntlicherweise ist dieser mit 30 Millionen Dollar ausgeschriebene Preis ja für den bestimmt, der einen Rover weich auf dem Mond landet, zwei Fernsehübertragungen macht und 500 m weit fährt. Mir kam da die Idee: da es ja noch immer die Diskussion um die Mondlandungen gibt. Warum packt die NASA da nicht noch 30 Millionen drauf für das Team das Aufnahmen der Mondfähren zur Erde zurückliefert in einer bestimmten Auflösung die scharf genug ist, Zweifel auszuräumen? Nun wir können sicher sein, die NASA wird das nicht tun. Sie ignoriert das Thema einfach. Wahrscheinlich das beste, denn was kann man denn machen wenn jemand so was Dämliches behauptet und kann man Verschwörungstheorien überhaupt wiederlegen? Sie verfährt nach dem Motto: „Was juckt es die Eiche wenn sich Wildschweine sich an ihrer Borke reiben?“. Ich muss sagen wenn es jeder andere Verschwörungstheorie wäre, wäre es mir auch egal. Und davon gäbe es ja eingängige wie die 911 Theorie, die Theorie dass irgendwo mal im frühen Mittelalter einige Jahre fehlen oder das die Erde innen hohl ist. Aber bei den Moon Hoaxern nehme ich das Persönlich und daher ist die Überschrift meines Aufsatzes zu dem Thema „Die Spinner und die Mondlandung“ auch genauso so gemeint. (Außerdem muss ich natürlich regelmäßig über das Thema schreiben, damit ich meinen Anti-Moon-Hoax Scheck von der US-Regierung bekommen ;-)).

Aber spinnen wir das mal weiter. Angenommen, wir würden die NASA zu diesem Schritt bewegen können. Dann brauchen wir noch ein bisschen Mithilfe des DoD. Dieses muss bei den zahlreichen Starts in den GTO die Kandidaten mittels ESPA-Sekundärnutzlastring in einen GTO-.Orbit bringen. Das spart den Teams Startkosten, kostet das DoD nicht viel, denn der Ring ist billig und bringt die Nutzlast schon mal auf eine Geschwindigkeit von 10,25 km/s. Dann fehlen nur noch 700 m/s für eine Mondtransferbahn. Da eine Nutzlast beim ESPA auf 200 kg minus Adapter, real etwa 180 kg beschränkt ist, wird man direkt landen um den Treibstoffverbrauch zu minimieren. Die prinzipielle Strategie dürfte relativ einfach sein. Es ist die gleiche wie bei den Surveyors:

Man zündet ein kleines Feststofftriebwerk (sehr Schubstark, billig) in einer bestimmten Höhe, das die Nutzlast schnell von etwa 2,4 km/s auf wenige Hundert Meter/s abbremst. Dann wird das ausgebrannte Gehäuse abgebremst und mit regelbaren Düsen bremst die Raumsonde sich auf der letzten Distanz so ab, dass sie kurz über der Mondoberfläche mit konstanter Geschwindigkeit sinkt. Anders als viele denken braucht man dafür gar keine ausgeklügelten Computerprogramme. Es reicht ein Geschwindigkeitsmesser, ein Höhenmesser und eine analoge Schaltung. Der erste Teil ist einfach. Vor dem Start hat man auf der Erde die Distanz bestimmt bei der man das Feststofftriebwerk auslösen muss (inklusive Unsicherheiten bei der Ankunftsgeschwindigkeit, Reflektionen durch Hügel und Unsicherheiten im Schubprofil). Dann wird bei Unterscheiten des Punktes das Triebwerk gezündet. Danach gibt es eine Rückkoppelung nach Höhe und/oder Geschwindigkeit. Man kann sogar ein vorgegebenes Profil abfahren, das gewährleistet das man in jedem Fall ab einer bestimmten Höhe mit konstante Geschwindigkeit fällt. Bei der Rückkopplung misst man Höhe / und oder Geschwindigkeit. Unterschreitet diese Grenzwerte so wird der Schub reduziert, damit die Sonde nicht wieder abhebt. Einen Minimalschub gibt man vor, z.B. einen der ein konstantes Fallen mit 1 m/s erlaubt. Bedie Daten bekommt man von einem popeligen Radarabstandsmesser wie ihn die Polizei verwendet.

Man kann heute das ganze in einer High-Tech Version machen und mit einer Kamera den Boden aufnehmen, die Daten an Bord auswerten (oder zur Erde übertragen, wenn man schwebt kann man sich auch 3 Sekunden Reaktionszeitverzögerung leisten) und dann mit Schubneigung die Sonde dorthin steuern wo das Gelände sehr glatt ist. Da man heute aber die Position sehr genau und Geschwindigkeit ermitteln kann benötigt man das eigentlich nicht, denn durch LRO kann man potentielle Landegebiete leicht auch so vorher kartieren und dann die besten aussuchen. Schon Surveyor konnte auf 3-5 km genau landen und zumindest bei den planetaren Raumsonden ist die Genauigkeit mit der man die Position feststellen kann, seitdem um den Faktor 100 angestiegen.

Sinnvoll ist bei der kleinen Masse keine eigene Landeplattform zu verwenden, sondern den Rover direkt zu landen und nach der Landung den verbliebenen Treibstoff und das Druckgas zur Gewichtserparnis zu entlassen. Machen wir eine Gewichtabschätzung auf Basis der Daten der Surveyorsonde. Demnach muss der Retroantrieb rund 2500 m/s abbauen. Die Triebwerke für die Landung haben einen Treibstoffvorrat von 400 m/s gehabt. Dazu braucht unsere Sonde noch ein weiteres Antriebssystem, das im GTO gezündet wird, sinnigerweise ein weiteres Feststofftriebwerk, da die Schubanforderungen sehr von denen bei der Landung abweichen. Im folgenden habe ich nach verfügbaren Antrieben gesucht:

Das gibt in etwa diese Massebilanz:

Apogäumsantrieb: Star 13A: (38 kg voll, 6,78 kg leer, ispez=286,5 s) erhöht die Geschwindigkeit um 571 m/s. 100 m/s müssen noch durch die Düsen aufgebracht werden. Masse Nach Abwurf des Apogäumsantriebs: 141,8 kg

Landeantrieb: Star 15G (93,9 kg voll, 14 kg leer), ispez=281,5 s): erniedrigt die Geschwindigkeit um 2291 m/s. Restmasse nach Abtrennen des Feststoffantriebs: 47,9 kg

Restgeschwindigkeit von 350 m/s muss chemisch abgebaut werden. Da es keinen Feststoffantrieb gibt, der genau passt, habe ich mich für zwei Größen von Triebwerken entschieden: 3 x 110 N für das Apogäumsmanöver und die Vernichtung der ersten 200 m/s und 3 x 22 N für die Endphase. Eingesetzt werden dazu die Triebwerk R-1E und R-6D von Aerojet. Da selbst der minimale Schub von 66 N einer Beschleunigung von 1,56 m/s entspricht (und damit ein Schweben ermöglicht) müssen kurz vor der Landung die Triebwerke gepulst oder mit niedrigerem Brennkammerdruck betrieben werden,

Die Landemasse beträgt dann 42,1 kg. Weitere 11 kg gehen für das Antriebsystem ab. Nimmt man noch ein Radar-Höhnmesser für Flugzeuge hinzu (link eines kommerziellen Produktes) so bleiben noch 25 kg übrig für den eigentlichen Rover. Das ist wenig. Doch Sojourner an Bord von Mars Pathfinder wog auch nur 10,6 kg, das ist noch weitaus weniger!

Es wäre damit also möglich rund 25 kg auf dem Mond zu landen. Wir könnte man die Sonde steuern und was sollte sie leisten?

Nun primäres Experiment alleine um den Lunar X-Prize zu gewinnen dürfte eine Kamera sein. Da man bei den Lunochods dass Problem hatte, dass die Kameras zu niedrig montiert waren und man zu wenig sieht sollte sie auf einem ausfahrbaren Mast sitzen, sodass man in etwa die Höhe des menschlichen Auges erreicht. Bei der geringen Schwerkraft ist dazu keine großartige Konstruktion nötig, zumal eine einfache Kamera auch nicht viel wiegt (etwa 500 g). Die Fläche auf dem Rover bedeckt man sinnvollerweise mit Solarzellen. Bei einer Fläche von 0,8 x 0,6 m sind dies rund 0,5 m² die immerhin bei senkrechtem Einfall und 25% Effizienz rund 170 Watt liefern. Fast so viel wie die wesentlich größeren MER Rover zur Verfügung hatten. Damit kann man den Rover schon gut betrieben und auch schnell fahren, das wegen der geringen Schwerkraft sowieso viel leichter ist. Das LRV von Apollo hatte eine Leistung von 0,72 kW bei maximal 700 kg Gewicht und erreichte 13 km/h. Überträgt man dies auf die Landemasse (42,1 kg) so würden 44 Watt ausreichen um mit 13 km/h zu fahren,

Bei der kleinen Distanz würde eine Steuerung von der Erde wie bei den Lunochods ausreichen um die Sonde zu lenken. Anders als diese sollten aber Sensoren zusätzliche Sicherheit geben, die z.B. sofort den Rückwärtsgang einlegen wenn eine bestimmte Neigung oder Geschwindigkeit (abrutschen in einen Kraterrand) erreicht ist.

Mit einer Rundstrahlantenne und 10 Watt Sendeleistung könnte man 1 MBit zu einer 12 m Parabolantenne mit gekühlten Empfängern übertragen. Das wäre zwar nicht ausreichend für Fernsehen, aber für die Übertragung einzelner komprimierter Bilder z.B. ein Bild mit 800 x 600 Pixeln als JPEG in mittlerer Detailstufe pro Sekunde. Wenn der Rocer nicht fährt, so kann er Panoramen mit höherer Auflösung aufnehmen. Einige kleine Ingenieurskameras an der Site, vorne und hinten für die Darstellung der Umgebung und mehr Übersicht wären Nützlich und vom Gewicht her kein Problem. Eine Kamera für den Raspberry wiegt nur 3 g. Selbst mit je einem Rasberry pro Kamera kommt man auf weniger als 100 g.

Der Rover würde sich zuerst zu einem der Apollolandeplätze aufmachen. Nicht nur um die Prämie einzustreichen, sondern auch weil man mit ihm die Veränderung durch die Zeit dokumentieren kann (Erosion durch Mikrometeoriten).

Problematisch für alle Raumsonden war bisher die Mondnacht in der die Temperaturen auf unter-100°C sinken können. Bisher arbeiten alle Landesonden so, dass sie eine Batterie hatten, die zumindest den Kommandoempfänger am Leben erhielt, fror diese ein, so konnte man die Sonde am Tag nicht mehr aktivieren. An und für sich machen die -100°C aber Elektronik nichts aus. Es gibt Alternativen für Elektrolytkondensatoren, sodass diese nicht einfrieren können. Daher sollte man auf eine Batterie verzichten und an die Solarrays eine kleine Schaltung hängen, die vom Strom der Solarzellen aktiviert wird wenn die Sonne aufgeht. Sie aktiviert zuerst Heizelemente durch den Strom und misst auch ob der Strom konstant ist indem sie einfach einen Timer startet. Wird die Stromzufuhr unterbrochen (z. B. durch einen Schatten eines Felsen bei niedrigem Sonnenstand) so wird der Timer zurückgesetzt. Überschreitet der Timer einen Mindestwert und die Innentemperaturen und die Leistung ebenfalls so kann man den eigentlichen Bordcomputer aktiveren der hochfährt und die Steuerung übernimmt. So sollte eigentlich die Sonde sehr lange arbeiten können. Problematischer sind da eher die Mondtage, da die Mondoberfläche in etwa die Reflexionsfähigkeit einer Asphaltstraße hat und etwa 30% mehr Energie als die Erdoberfläche bekommt, das heißt es wird ziemlich heiß. Dagegen kann man sich aber durch IR-reflektierende Folien schützen..

So gesehen, kann der Rover sicher über mehrere Monate arbeiten und eine durchaus größere Distanz zurückkehren. Lunochod 2 schaffte rund 37 km in nur 4 Monaten. Bedenkt man dass man heute durch Sensoren und einen Bordcomputer mehr Sicherheit hat und so größere Strecken pro Tag erreichen kann, sollte es möglich sein auf dem Mond größere Distanzen von vielleicht über 100 km zurückzulegen. Aufgrund der Ebtfenung der Landeplätze und des fehlenden Straßennetzes auf dem Mond wird man aber nur einen Apollo-Landeplatz besuchen können.

Ich halte einen solchen Rover für technisch machbar und wenn die NASA noch 30 Millionen drauflegt und der Start umsonst ist sogar für finanziell durchführbar. Ein privates Team kann ja vor allem an den Arbeitskosten viel sparen die die Kosten von Raumfahrtprojekten bestimmen.

5 thoughts on “NASA, legt drauf!

  1. Klingt interessant, aber ich hab 2 Dinge anzumeckern:
    1) LCROSS war die Einschlagsmission am lunaren Südpol, womit sie Wasser nachgewiesen haben. Was Du aber wahrscheinlich meinst ist der LRO, der mit der selben Rakete gestartet ist und immer noch um den Mond kreist.

    2) Die Temperaturen in der Mondnacht: Die können „auf über -100°C sinken„, ah ja. Über -100°C dürften sie dann ziemlich oft liegen, aber auch mal darunter, wobei man in der Wikipedia lesen kann, dass sie bis auf -160°C fallen können. Also müsste der Satz heissen: „… die Mondnacht in der die Temperaturen unter -100°C sinken können“.

    Soweit mal das. Als letztes bleibt zu hoffen, dass die Wissenschaft mal wieder ein höheres Ansehen bei der Allgemeinheit und bei der Politik im besonderen erhält, so dass auch mal wieder ein paar umfangreichere Forschungsmissionen dahin durchgeführt werden.

  2. > Außerdem muss ich natürlich regelmäßig über das Thema schreiben, damit ich meinen Anti-Moon-Hoax Scheck von der US-Regierung bekommen

    Im Gegenzug müssen die Moonhoaxer sich auch regelmäßig zu Wort melden, damit sie ihren Scheck von der russischen Regierung bekommen. Bei der Anzahl dieser Agenten ist das wohl die Hauptursache für die russischen Finanzprobleme.

  3. Da die Russen nicht so gut zahlen und es zudem so viele Moon Hoaxer gibt, habe ich lieber das Geld der US-Regierung genommen.

    Ich denke bei SpaceX nehme ich den Scheck auch an, den sie für „positive Public Relation Support“ ausgeschrieben haben. Das waren mal 1000 Dollar, doch inzwischen sind sie schon auf 8000 raufgegangen. Bei 10.000 nehme ich das Angebot an. Man muss nur wissen wie man seinen Wert steigert….

  4. für letze lande Phase
    warum nicht Airbags ?
    Bei beiden 2004 Marsrover hat funktioniert.
    und schon in 1960 schlug man Airbags for Mond Landung vor

    Natürlich eine Frage der Masse
    sind die Airbag leichter desto besser, wen nicht Mist…

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