Die ersten Details von SpaceX Marsplänen

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Sind zumindest in Foren aufgetaucht. Wie vor wenigen Tagen von Elon Musk angekündigt wird die Firma 2018, 2020 und 2022 unbemannte Missionen auf den Weg bringen und 2024 dann die ersten SpaceXnauten auf den Weg bringen.

Das sind nur acht Jahre, wenig Zeit. Man hat zwar in acht Jahren das Apolloprogramm bis zur Mondlandung gebracht, doch dahinter stand ein enormer Geld- und Mittelaufwand, der 1966/67 gipfelte und bis zu 400.000 Personen in den USA involvierte. Wie will SpaceX ähnliche Mittel für eine Marslandung aufbringen, deren Kosten von der NASA äquivalent zum Mondprogramm geschätzt werden?

Nun SpaceX geht wie immer einen eigenen Weg. Zum einen entwickeln sie nicht eine Schwerlastrakete wie die SLS. Stattdessen nutzen sie die schon entwickelte Falcon Heavy. Sie wird bis 2022 in der Leistung auf 70 t LEO-Nutzlast gesteigert worden sein. Dies geschieht durch die Umstellung der Treibstoffmischung auf LOX/LNG und der Einsatz der dafür entwickelten Raptor Triebwerken mit höherem spezifischen Impuls. Ein einzelnes treibt die vergrößerte Oberstufe an, vier Raptoren jeweils die erste Stufe und die beiden Booster.

Für ein Modul das zum Mars gelangt, sind so drei Starts nötig. Die ersten beiden transportieren nur die Oberstufe mit einem Koppeladapter in einen LEO-Orbit. Der größte Teil des Treibstoffs der Stufen wird dabei nicht verbraucht. Die Stufen erhalten eine spezielle „Superisolation“, die Methan und Sauerstoff über einige Tage flüssig hält. Dazu trägt auch die Verwendung von unterkühlten Treibstoffen ein, die wenn ein Teil verbraucht wurde dann genügend Volumen haben um beim erwärmen sich auszudehnen. Die tiefe Temperatur verhindert aber den Übergang in den Gaszustand.

Zwei dieser Stufen werden gestartet, erst dann folgt die eigentliche Nutzlast mit einem Mehrfach-Koppeladapter. Es koppelt an die beiden Stufen im Orbit an und zündet zuerst die erste Stufe und gelangt dann in eine 12 h-Umlaufbahn. In dieser wird die nun ausgebrannte Falcon heavy Oberstufe abgetrennt. Beim Durchlaufen des Perigäums nach 12 Stunden zündet die zweite Stufe und transportiert die Nutzlast zum Mars. Drei Starts bringen so 60 t auf eine Mars-Transferbahn. SpaceX hat so eine Schwerlastrakete von rund 210 t Nutzlast durch drei Falcon Heavy ersetzt. Damit dieser Plan aufgeht muss die Firma innerhalb weniger Tage drei Starts durchführen. Das soll dank dann vier Weltraumbahnhöfen (Vandenberg, CCAF, Kennedy Space Center, Brownsville) nach ihren Angaben möglich sein.

2020 sollen weitere unbemannte Missionen auf den Weg zum Mars gebracht werden. Mehrere Dragons werden an verschiedenen Landeplätzen niedergehen. Je zwei werden mit einer Falcon Heavy gestartet. Sie haben einen ausfahrbaren Bohrer, gekoppelt an ein physikalisch-chemisches Labor an Bord. Es soll die Landestellen nach Wasservorräten im Untergrund untersuchen. Das ist die primäre Aufgabe der Mission. Ein weiterer ist der Test eines entfaltbaren oder aufblasbaren Hitzeschutzschildes. SpaceX wird die besten Landezonen anhand Datenmaterial der NASA auswählen, das im Rahmen eines Austauschprogrammes zur Verfügung gestellt wird. Die NASA wird dafür an Bord der Dragon neue EDL-Subsysteme anbringen und ihre Performance untersuchen. Wichtigstes Kriterium ist dass mit hoher Sicherheit viel Eis möglichst dicht unterhalb der Oberfläche ist.

2022 werden so zwei Nutzlasten zum Mars gebracht. Das eine ist eine Mission mit Vorräten, Gerätschaften. Sie enthält alles sperrige Gerät und die Vorräte für die Rückkehr. Die zweite ist die Station zur Generierung des Treibstoffs. Sie besteht aus einem Landestation mit einem Bohrer und mehreren entfaltbaren oder ausrollbaren Solarpanel und einem angeschlossenen Tank. Die Station bohrt sich in den Permafrostboden, verflüssigt das dort vorhandene Wasser und pumpt es in die Reaktorkammer. Dort wird es zuerst elektrolytisch gespaltet. Der Sauerstoff wird zuerst durch Abkühlen auf -183°C verflüssigt und in einen Vorratstank geleitet, der Wasserstoff wird in eine zweite Reaktorkammer geleitet wo er mit Marsatmosphäre umgesetzt wird und ein Methan/Ammoniakgemisch, vorwiegend auf Methan bildet. Das wird in einem zweiten Tank gelagert. Die Station soll innerhalb eines Jahres den für die Rückkehr benötigten Treibstoff produzieren, rund 150 t. Danach wird der Strom nur noch genutzt um die Treibstoffe flüssig zu halten indem man den Inhalt kühlt, Gase rückverflüssigt und in kleinem Maße Verluste durch neue Synthesen ersetzt. Die Vorerkundung 2020 ist wichtig, weil die Gebiete wo man mit Sicherheit Eis nahe der Oberfläche hat alle in zu hohen Breiten liegen, bei denen die solare Stromversorgung während des Marswinters ausfällt. Es kommen so Landeplätze bis zum 50 Breitengrad in Frage. Phoenix konnte auf dem Mars eishaltigen Permafrostboden nachweisen, doch berindet er sich zu nahe des Pols (und fiel auch aus, als die Leistung der Solarzellen im Winter absank).

2024, bevor die erste bemannte Mission aufbricht, sollte so schon feststehen, ob genügend Treibstoff für die Rückkehr vorhanden ist. Wenn nicht wird die Mission um 26 Monate verschoben. Die bemannte Mission unterscheidet sich dahingehend, dass hier vier Starts einer Falcon Heavy nötig sind. Zwei transportieren wie bisher nur Oberstufen, die dritte das Marshabitat, das eine Scheibenform hat und gleichzeitig als Wohnung für Hin- und Rückfahrt dient. Der vierte ist eine Dragon mit der Mannschaft und einer ebenfalls noch weitestgehend vollen Oberstufe. Hier sind drei Zündungen der noch verbliebenen Stufen nötig. Die Zusatzperformance reicht aus um die Dragon/Habitatkombination auf einen schnellen Marskurs zu bringen bei dem sie den Planeten nach nur 140 Tagen erreichen. Sie landen direkt. dazu werden ausfaltbare Hitzeschutzschilde genutzt die beim Auslösen der Fallschirme abgetrennt werden. erst kurz vor der Landung zündet in 100 m Höhe ein Raprtortriebwerk, das die Restgeschwindigkeit innerhalb weniger Sekunden abbaut, ähnlich wie SpaceX heute die Landungen ihrer Booster durchführt.

führen etwa 7-20 Tage Untersuchungen durch, pumpen den Treibstoff parallel um und starten danach wieder direkt zur erde zurück. Dort kommen sie nach weiteren 130 Tagen Reise, insgesamt also 280-290 Tagen an. Alle acht Jahre, das erste Mal 2029 gibt es auch die Möglichkeit die Venus bei der Rückkehr zu besuchen. Das verlängert die Mission auf 390 Tage, lässt aber eine etwas höhere Startmasse zu.

Das Konzept soweit bekannt erinnert an zwei Szenarien. Das eine ist der Mars-Direkt Plan von Zubrin, der auch nur ein Habitat für interplanetare Reise und Marslandung vorsieht sowie die Treibstoffgewinnung vor Ort. Verändert wurde es nur in dem Punkt, dass man nicht den Wasserstoff mitführt, sondern vor Ort aus Wasser gewinnt. Das zweite ist die Marsmission die Wernher von Braun plante. Damals Ende der Sechziger Jahre hatte man wenig Erfahrung mit Langzeitaufenthalten im All und plante daher kurze Missionen mit kurzen Aufenthaltszeiten auf dem Mars. Heute plant zumindest die NASA längere Missionen die 2-3 Jahre dauern, energetisch günstiger sind und bei denen man 400-550 Tage auf dem Mars bleibt. die kurzen Missionen haben aber Vorteile: man braucht weniger Vorräte und die Missionsdauer ist mit dem Vergleichbar was heute schon in Raumstationen erreicht wurde.

für SpaceX dürfte als weiterer Vorteil hinzukommen, das die Firma sehr medienfokussiert ist und nach einigen Wochen wird sich niemand mehr für die Marsmission interessieren, warum sollte also ein Aufenthalt auf dem Mars länger dauernd? Anders als die NASA hat die Firma ja keinen Forschungsauftrag. Trotzdem bleibt das Unternehmen ambitioniert. Selbst wenn die Firma die starts vorwiegend mit geborgener Hardware durchführen kann, muss sie doch sehr viel Technologie entwickeln die auf Anhieb funktionieren muss. Offen ist auch wer zum Mars fliegen darf und wie viele es sind. Man kann gespannt sein, was es in den nächsten Monaten für weitere Neuigkeiten gibt.

11 thoughts on “Die ersten Details von SpaceX Marsplänen

  1. Die Idee mit dem Koppeln mehrerer Raketen die du hier erwähnst ist denke ich sinnvoller als die idee eine Monsterrakete Raptor bzw BFR bzw MCT zu enwickeln die neben einem nicht finanzierbaren Marsprogramm keine weiteren Verwendungsmöglichkeiten hat.

    Alle derzeitigen konzepte gehen davon aus, dass man den Treibstoff für die Rückreise auf dem Mars gewinnen kann. Selbst die Wasserstoffherstellung ist auf der Erde nur mit Wartungsintensiven anlagen zu machen.

  2. Und noch ein paar Aussagen aus dem AMA:
    * „The Mars transport system will be a completely new architecture. Am hoping to present that towards the end of this year. Good thing we didn’t do it sooner, as we have learned a huge amount from Falcon and Dragon.“

    * „Thrust to weight is optimizing for a surprisingly low thrust level, even when accounting for the added mass of plumbing and structure for many engines. Looks like a little over 230 metric tons (~500 klbf) of thrust per engine, but we will have a lot of them :)“

    * „MCT will have meaningfully higher specific impulse engines: 380 vs 345 vac Isp. For those unfamiliar, in the rocket world, that is a super gigantic difference for stages of roughly equivalent mass ratio (mass full to mass empty).“

    * „At first, I was thinking we would just scale up Falcon Heavy, but it looks like it probably makes more sense just to have a single monster boost stage.“

  3. Bin mir nicht ganz sicher, was „Münchhausens Kolumne“ genau bedeutet.

    Ist die Kolumne selbst eine „Münchhausengeschichte“ oder nimmt Bernd in seiner Kolumne etwas auf’s Korn, was er als „Münchhausengeschichte“ ansieht?

  4. Also, der geplante MCT unterscheidet sich (soviel ich weiß) von diesem Modulkonzept insofern, dass er voll wiederverwendbar ist. Klingt irrsinnig, ich weiß. Aber die Gerüchteküche klingt danach, als ob das Ding die zweite Stufe des Launchers sein soll, die nach einer Wiederbetankung im Erdorbit (mit einem zweiten Start eines Tankmodells) zum Mars fliegt, dort komplett landet, mit auf dem Mars produzierten Treibstoff betankt wird, wieder zurückfliegt und vollständig wieder auf der Erde landet. Wenn SpaceX das hinkriegt, wird das eben nicht teurer. Und genau das (vollständige Wiederverwendbarkeit) ist letztlich auch die einzige Möglichkeit, diese „Marskolonisierung“ überhaupt finanzierbar zu machen. Etliche Starts von kleineren Raketen mit Wegwerfmodulen wären in der Tat nicht finanzierbar.

    Ansonsten sind etliche Details dieses Blogeintrags völlig rätselhaft. Falcon Heavy mit Raptor? Habe ich noch nie gehört, das wäre innerhalb von zwei Jahren auch nicht machbar, zumal die auf der F-9 basierende Falcon Heavy noch nicht geflogen ist.

  5. @jpo234: Nun ja, dieser Blog ist wohl eher nicht die Fanseite der SpaceX-Fanboys.

    IMHO grundsätzliches zu der Grüchteküche/Marsplänen:
    – Das Marsraumschiff (MCT) hat mit 100 Tonnen Leergewicht und 100 Tonnen Nutzlast schon mehr als doppelt so viel Masse wie alles Nützliches, was die Menschheit je in einem Stück in den Orbit gehievt hat (Space Shuttle, Buran, Skylab) und 5x so schwer wie zu einem anderen Himmelskörper (Apollo Lander).
    – Der MCT soll dabei noch im Orbit nachgetankt werden mit einem Treibstoff, mit dem bisher kaum etwas geflogen ist (Methan), noch im Orbit gearbeitet/getankt wurde.
    – Tanken im Weltall fand bisher auch nur in sehr viel kleineren Rahmen statt (ATV/Progress-ISS). Ob das überhaupt abseits der ISS schon mal erfolgte?
    – Um überhaupt das Marsraumschiff und der nachzutankende Treibstoff in den Orbit zu bringen wird eine Trägerrakete benötigt, die mindestens doppelt so groß wie die Saturn V, der Energija, Shuttle System oder SLS sein wird. Dazu noch vollständig wiederverwendbar und auch noch zu einem Bruchteil der Kosten.
    – Von den Aufwänden für Marsflug, Landung, Betankung auf dem Mars, Rückkehr und Landung auf der Erde nach dem ganzen Flug inkl. mehrfacher Zündung der Triebwerke fange ich gar nicht erst an!

    Und das alles soll die eher kleine mittelständige Firma, die bisher in Ihren gerade mal 31 Flügen weniger Masse in den Weltraum gehievt hat, als ein einzelnes MCT leer mit Nutzlast (200 t) wiegen soll? Die bisher nicht über den Erdorbit hinaus gekommen ist? Die zwar eine bemannte – im Vergleich zum MCT eher lächerlich kleine – Kapsel von der NASA finanziert bekommt, die aber auch noch nicht im Weltall war? Deren einzige bisherige technologische Innovation vier erfolgreiche Landungen der Erststufe ihrer Rakete ist, nicht mal deren Wiederverwendung? Das – die erfolgreichen Landungen – ist zwar löblich, aber ein Klacks gegenüber den Innovationen, die für die Marspläne notwendig sind.
    Das Ganze soll dann innerhalb der nächsten 8 Jahre realisiert werden, weniger als die NASA für den ersten bemannten Mondflug zur Verfügung hatte, aber (die NASA) ganz andere Finanzmittel und die Nation im Rücken?

    Dagegen ist das Konzept von Bernd ja geradezu realistisch! Immerhin kann sich SpaceX dann ja brüsten, bemannt zum Mars und zurück geflogen zu sein.

    Da stellt man sich in der Tat die Frage, was ist hier aus Münchhausen: Die Kolumne oder doch eher Musk’s Marspläne mit dem 200 Tonnen schweren Marsraumschiff aus der Gerüchteküche?

  6. @rumme: Ein paar Anmerkungen:
    1) Sooo klein ist SpaceX nicht mehr. Die haben ~5000 Angestellte. ULA hat ‎3,400, NASA ~18000 (die aber viel mehr machen als „nur“ Raumfahrzeuge entwickeln), Arianespace 321 (aber wegen der Unternehmensstruktur nicht wirklich vergleichbar mit den anderen).
    2) Zum Betanken: Es gab 2009 Experimente mit einer Centaur. Nachdem die primäre Nutzlast abgesetzt wurde, hat man mit dem restlichen Treibstoff experimentiert.

    Zum Rest: Stimmt alles. Warten wir auf den 27.9.: http://www.iafastro.org/events/iac/iac2016/plenary-programme/

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