Die NASA hat wieder mal ihre aktualisierten Pläne für die Marsbodenprobengewinnung vorgestellt. Wieder einmal, weil sie dass alle paar Jahre macht und nimmt man die ersten, die 1997 zum Start von MGS und Pathfinder vorgestellt wurden, dann hätten wir schon lange Bodenproben vom Mars. Aber genauso wie die bemannte Marslandung wird das seit Jahren in die Zukunft verschoben.
Nun will sie einen „Multi Mission Orbiter“ starten, der auch Bodenproben zurückbringen soll, aber primär eine wissenschaftliche Nutzlast hat. Neben dem Umstand das die Bodenprobenmission noch nicht genehmigt ist, ist das auch anderer Sicht problematisch.
Fangen wir mal an, wie eine Marsbodenprobengewinnung heute wohl geplant werden würde. Die Details werden wohl unterschiedlich sein, nicht aber die drei Kernelemente. Sie ergeben sich zwangsläufig wenn man das Startgewicht minimieren will.
Man braucht erst mal eine Vehikel um die Bodenproben von der Marsoberfläche in einen Orbit zu befördern. Es macht keinen Sinn den ganzen Weg zur Erde mit einem Vehikel zurückzulegen, weil man für die monatelange Rückreise eine Raumsonde braucht, mit Kommunikationsvorrichtungen, Stromversorgung etc. Dieses Gewicht erst auf dem Mars zu landen und dann zurück zur Erde zu befördern ist unsinnig. Es ist günstiger einen Orbiter nur in den Marsrobit zu bringen und dort dann an die Bodenprobenkapsel vom Mars anzukoppeln. Da man einen solchen Orbiter auch für die Hinreise braucht, kann man diesen auch gleich im Marsorbit parken. Dafür kann das Vehikel das die Bodenproben in den Marsorbit bringt sehr leicht sein. Man braucht im Prinzip eine Rückkehrkapsel die robust genug ist um den Eintritt in die Erdatmosphäre zu überstehen und eine Stufe mit Steuerung um den Orbit zu erreichen. Das Ankoppeln erledigt der Orbiter, da nur er die Systeme braucht. Die Kapsel kann rein passiv sein und nur einen Sender und/oder Lichter beinhalten. Da man mehr Geschwindigkeit braucht um von der Marsoberfläche in einen Orbit zu gelangen, als in einen Orbit einzubremsen ist das definitiv günstiger.
Aufgrund der großen Treibstoffvorräte macht es keinen Sinn mit dem Vehikel das die Bodenproben birgt diese auch zu bergen. Es ist dazu einfach zu schwer. Das können einer oder mehrere Rover erledigen. Diese drei Komponenten braucht man immer.
Fangen wir mit dem Rover an. Er unterscheidet sich im besten Fall nicht sehr von einem aktuellen Rover. Da die Bodenproben zu Hause in gut ausgestatten Labors untersucht werden, ist eine detaillierte Untersuchung vor Ort nicht so wichtig. Wichtig ist vielmehr, dass er ein größeres Gebet durchkämmen kann und schnell durch Voruntersuchungen interessante Bodenproben finden kann. Das letztere ist kein Problem. Es gibt genügend berührungslose Techniken, um Material chemisch oder mineralogisch zu charakterisieren, wie die Spektralanalyse des zurückgeworfenen Lichts oder der Verdampfung einer Oberflächenschicht mit einem Laser und Analyse der freigesetzten Ionen. Leider klappt das bei den heutigen Missionen mehr schlecht als recht.
Das liegt an der Art wie Missionen durchgeführt wird und die hat sich in Jahrzehnten kaum verändert. Nach wie vor erfolgt die Kontrolle von Raumsonden primär durch das Missionszentrum und nicht durch eigene Intelligenz der Sonden. Eine Sonde führt Kommandos aus. Waren es früher einzelne oder kurze Sequenzen so sind es heute komplexe Programme aber immer wird es von der Missionskontrolle Tage oder Wochen vorher festgelegt. Das macht noch bei Orbitern bedingt Sinn (auch wenn man sich hier mehr Flexibilität wünschen würde, so sind viele Bilder von Cassini der Saturnmonde überbelichtet – würde man die mittlere Helligkeit eines Bildes als Vorgabe für die Korrektur der Belichtungszeit nehmen, so wäre das nicht gegeben. Bei einem Rover ist das aber kontraproduktiv. Curiosity arbeitet im Prinzip wie die zehn Jahre alten MER-Rover: An einem interessanten Ort angekommen, macht er eine Panoramaaufnahme. Nun setzen sich die Wissenschaftler zusammen und legen fest was man genauer untersucht. Das sind Ziele die man mit Fernerkundung untersuchen kann. Das dauert dann auch noch, weil man die Untersuchung programmieren und Daten jeder Untersuchung erst zur Erde übertragen muss und dann begutachten muss. Zuletzt entscheidet man, ob man eine Bodenprobe zieht oder eine länger dauernde Untersuchung wie z.B. mit einem Alphateilchen-Röntgenflureszenzspektrometer, das stundenlang betrieben werden muss. Zumindest das letztere kann bei der Bodenprobengewinnung entfallen. Leider ist so ein Rover aber Tage an einem Ort. Selbst wenn er fährt, was er heute autonom tut, so fährt er eine Route ab, die auf der Erde vorher geplant wurde und reagiert nur auf Probleme. Eine solche Route ist so lang, wie man sicher nach vorne sehen kann, meistens etwa 100 m. So erklären sich die geringen Fahrtleistungen. Curiosity hat in über 1100 Tagen gerade mal 12,15 km zurückgelegt, also etwa 11 m pro Tag. Opportunity hat in 4400 Tagen 42,53 km zurückgelegt – etwa auch 10 m pro Tag. Würde man die Bodenproben so gewinnen, so würden nicht viele zusammenkommen und nur aus einem kleinen Radius. Hier muss man also entweder die Vorgehensweise drastisch ändern oder sehr viele Rover einsetzen. Das letztere wird man aus Kostengründen sicher nicht tun.
Das Vehikel das die Bodenproben in den Orbit bringt ist im einfachsten Fall eine Raketenstufe mit einer Steuerung und einer Kapsel in der die Bodenproben eingebracht werden. Im Orbit angekommen ist ihr Job beendet, sie sendet nur noch Signale aus, damit sie gefunden werden kann. Der Orbiter selbst hat nun die Hauptaufgabe. Er muss das Vehikel aktiv ansteuern und ankoppeln. Das wird die größte Aufgabe werden. GPS gibt es z.B. auf dem Mars nicht und auch keine Radarstationen die den Orbit bestimmen. Immerhin kann man es direkt auf dem Mars landen und den Bus den man für den interplanetaren Teil von der Erde zum Mars braucht, kann man im Orbit parken und als Rückkehrorbiter verwenden.
Der Orbiter selbst muss erst in einen Marsorbit einschwenken, dann diesen wieder verlassen. Bei der Erde angekommen, kann er die Bodenproben direkt absetzen (Kapsel tritt in die Artmopshäre ein und wird am Boden geborgen), oder auch in einen Orbit einschwenken. Das sind also bis zu drei größere Geschwindigkeitsänderungen. Daher finde ich einen Orbiter mit einer wissenscjaftlichen Nutzlast nicht sehr sinnvoll. Heute macht die Nutzlast etwa ein Fünftel des Gewichtes aus. Das hat seinen Grund: Jedes Kilogramm Nutzlast hat Auswirkungen. Es erhöht die Struktrumasse, die das Gewicht halten muss und die Belastungen verteilen. Sie braucht Strom, das erhöht das Gewicht der Stromversorgung mit Solarzellen, Batterien und Verkabelung und sie liefert Daten, die müssen übertragen werden. Das macht leistungsfähigere, schwerere Sender nötig die auch mehr Strom benötigen. Im günstigsten Fall, wenn der Orbiter auf einer elliptischen Marsumlaufbahn bleibt (weil es unsinnig ist, ihn erst in eine niedrige Umlaufbahn abzubremsen und dann beim Rückstart mehr Treibstoff zu brauchen um die Geschwindigkeit wieder aufzubauen) braucht er rund 2 km/s für die Hin/Rückreise ohne Einschwenken in einen Orbit bei der Erde. Dann entfallen auf das Antriebssystem rund 60% der Startmasse. So multipliziert sich der Einfluss auf die Trockenmasse nochmals um den Faktor 2,5. Daher sollte dieser Orbiter nur die Systeme haben die er für die Mission wirklich braucht.
