Bemannte Raumfahrt – Rückschritt anstatt Fortschritt

Die unbemannte Raumfahrt feiert dieses Jahr das 60-Jährige Jubiläum. Sie kann stolz zurücksehen, denn man hat enorm viel erreicht. Selbst wenn man berücksichtigt, das wir heute für größere Satelliten und Raumsonden starten können, ist der Fortschritt doch enorm. Eine Cubesat kann heute deutlich mehr als die „Pamelmusensatellit“ Vanguard 1. Die Firma Planetlabs baut ein Netz aus Erdbeobachtungssatelliten nur aus Cubesats auf. Nimmt man Kommunikationssatelliten, so sind sie nicht nur größer und haben mehr Sender, sie arbeiten auch viel länger als früher. Dasselbe gilt für Raumsonden. War man in den Sechziger Jahren noch froh, wenn eine Raumsonde ein Jahr lang arbeitete, so planen wir heute Missionen, die erst nach einem Jahrzehnt am Ziel ankommen.

Vor allem im Nutzen/Gewicht scheiden heute Satelliten viel besser ab als früher. Die Auflösung der 10 t schweren Hexagon Satelliten erreicht auch ein 2 t schwerer Worldview Satellit. Bei Raumsonden ist der Verglich schwerer, weil es früher nur Vorbeiflugmissionen gab, doch auch hier ist der Gewinn enorm, wenn man z.B. New Horizons mit Pioneer 10/11 vergleicht.

Das verdankt man vor allem der Elektronik, die nicht nur in den Computern steckt, sondern auch in den Instrumenten. Ein abbildendes Spektrometer macht mit der gleichen Optik wie ein früher übliches einfaches Spektrometer mit einem Bolometersensor kein einzelnes Spektrum, sondern das eines ganzen Gebietes. Doch Fortschritte gibt es auch in anderen Gebieten. Bei Solarzellen stieg z.B. die Effizienz weniger durch den höheren Wirkungsgrad an, als vielmehr durch Dünnschichtzellen und leichtere Trägermaterialen. CFK-Werkstoffe heben überall Metalle verdrängt und erlauben eine leichtere Konstruktion – nur nicht in der bemannten Raumfahrt. Dort bestehen alle Strukturen immer noch aus Metall.

Doch wie sieht es mit der bemannten Raumfahrt aus. Kann sie auch eine solche Effizienzsteigerung vorweisen?

Leider nein. Auch hier kann man verschiedene Aspekte betrachten. Zum einen natürlich, was der Mensch alles tun kann. Da sieht es lange Zeit sehr gut aus. Die ersten Raumfahrer waren passive Passagiere in ihren Raumfahrzeugen – bei der Wostok konnten sie nicht mal selbst steuern. Bei Gemini wurden einige Experimente durchgeführt und beim Apolloprogramm dürften sie Experimente aufbauen und in Betrieb nehmen, die Landschaft erkunden und Bodenproben nehmen.

Konkurrenz durch Roboter

Beim Space Shuttle wurden dann in einem Labor Experimente durchgeführt, auch wenn viele nur eine Aktivierung oder Deaktivierung per Hand erforderten und es wurden Satelliten repariert und wieder geboren – Letzteres aber mit Ausnahme der regelmäßigen Hubble-Wartungen nur am Anfang. Experimente im Labor wurden schon bei Skylab durchgeführt. Seitdem geht es bergab. Die Besatzung auf der ISS benötigt mehr Zeit sich selbst fit zu halten und die Station im Schuss zu halten, als sie arbeiten kann. Bei Skylab war das Verhältnis noch umgekehrt. Gerade durch immer weiter automatisierte Experimente wird die Bedeutung des Menschen abnehmen.

Die bemannte Raumfahrt reagiert darauf nicht. Dabei haben wir heute Technologien, mit denen man die Menschen im All komplett ersetzen kann, zumindest im erdnahen Raum. Man muss nur zwei Technologien zusammenführen die beide ausgereift sind. Das eine sind Roboter, die es inzwischen auch mit Händen wie beim Menschen gibt und druckempfindlichen Sensoren und das Zweite ist die Virtual Reality. Mit Kameras am Roboter und entsprechenden Handschuhen und einer VR-Brille kann man auf dem Boden die Arbeiten stellevertretend machen. Man sieht, was der Roboter sieht, man fühlt was die Sensoren fühlen und so müsste ein Astronaut ersetzbar sein. Vielleicht geht es nicht so schnell, doch das macht die Effizienz wett. Roboter können 24 Stunden am Tag arbeiten, Menschen wenn man die Zeiten für Training, Schlaf und Essen abrechnet maximal 6 Stunden. Es können mehrere Teams sich abwechseln und einen Roboter rund um die Uhr steuern. Zudem kann man in ein Labor etwa 3-4 Roboter unterbringen ohne das Sie sich behindern. Die ISS böte so alleine 11 Arbeitsplätze im US-Segment. Derzeit werden 3 genutzt. (die anderen 3 Besatzungsmitglieder sind russische Kosmonauten). Bei den Außenbordeinsätzen sehe ich gar keinen Nachteil mehr denn durch die klobigen Handschuhe fühlt man bei einer EVA eher weniger als die Sensoren des Roboters und mehr sehen tut man durch das Visier des Helms auch nicht.

Anders sieht es vielleicht bei Mondmissionen aus (Signallaufzeit 2,5 s – dann dauert alles sehr viel länger, weil man jede Aktion vorausplanen muss und abwarten muss, ob sie auch so erfolgte wie gedacht) und natürlich erst recht bei Marsmissionen. Trotzdem nutzt man diesen Vorteil nicht aus und beschränkt sich auf den erdnahen raum. Dort nutzt man nicht mal mehr die Möglichkeiten der Astronauten aus, die ja auch Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen reparieren könnten. Wahrscheinlich, weil ein neuer Satellit billiger ist und das wirft nicht gerade ein gutes Licht auf die bemannte Raumfahrt.

Bemannte Raumfahrt – Die Effizienz geht nach unten

Betrachtet man die bemannte Raumfahrt unter dem Aspekt der Effizienz, so sieht man auch einen deutlichen Abwärtstrend. Betrachtet man das Gewicht pro Besatzungsmitglied, so ist der Trend deutlich auf dem absteigenden Ast:

Raumschiff Besatzung Gewicht Pro Besatzungsmitglied
Mercury 1 1,3 t 1,3 t
Woschod 2-3 5,3 t 1,8 t
Gemini 2 3,8 1,9 t
Apollo 3 13,6 t 4,5 t
Sojus 2 6,6 t 3,3 t
Sojus TMA-M 3 7,2 t 2,4 t
Dragon 4 9 t 2,25 t
Starliner 4 >10 < 12 t 2,5 – 3 t
Orion 2-6 18,6 t > 3,1 t

Einige Erklärungen: Beim Apollo-CSM schlägt die hohe Trockenmasse des Servicemoduls zu, das ja auch die Treibstoffe und den Antrieb für Mondmissionen aufnimmt. Angegeben wurde die Masse bei Erdorbitmissionen.

Bei Dragon und Starliner gibt es noch keine genauen Masseangaben. Beim Starliner gar keine, aber da das Raumschiff eine Atlas 421 braucht muss sie schwerer als die Nutzlast einer 401 sein und kann so abgeschätzt werden. Ich habe hier 4 Personen angesetzt da dies die Regelbesatzung ist zudem wäre sonst der Vergleich noch unfairer, da alle anderen Vehikel für längere Zeiten ausgelegt sind, während man in den beiden neueren nur zur ISS fliegt und zurück.

Wie man sieht, kommen selbst die modernsten Raumschiffe nicht an die geringe Masse pro Besatzungsmitglied von Mercury, Gemini oder Woschod heran, obwohl aufgrund der Geometrie es gerade anders sein sollte (ein Großteil der Masse entfällt auf Strukturen und da das Volumen in der dritten Potenz zum Durchmesser, die Oberfläche aber nur quadratisch ansteigt, sollte es gerade anders herum sein.

Dasselbe findet man auch bei Raumstationen. Bei den Saljut betrug die Masse pro Person noch rund 9 t, bei Skylab schon 25,5 t und heute bei der ISS sind es 70 t. Hier ist der Trend noch schlechter. Nun kann man argumentieren das liege vor allem am Komfort und mehr Experimenten. Dem ist aber nicht so. Nimmt man nur die nackten Module ohne Innenausbauten, so steht ein MPLM für die Struktur eines ISS-Moduls: Es wiegt 4,6 t bei 72 m³ Volumen. Die Struktur des OWS von Skylab wog 10,6 t bei 275 m³ Volumen, also 15 zu 25 m³ pro Tonne Gewicht. Der Trend geht einwandfrei nach unten, wie man auch am Massebudget von Orion sieht. Würde man eine Saturn V nachbauen, man könnte mit ihr keine Mondlandung durchführen, dafür ist Orion zu schwer.

Konservative Haltung verhindert Fortschritt

Die bemannte Raumfahrt ist extrem konservativ. So setzt man nicht mal bei den Transportern, die in großer Zahl gestartet werden, und nur an die ISS angekoppelt werden viel neue Technologien ein. So haben alle Transporter zur ISS eine maximale Nutzlast von einem Drittel der Startmasse und das sogar unabhängig von der Größe (man sollte wie oben aufgrund der Geometrie annehmen, dass ein größerer Transporter pro Volumen für die Fracht einen leichteren Druckbehälter braucht. Nicht mal hier setzt man die aufblasbaren Module ein, die die NASA entwickelt und Bigelow zur Einsatzreife gebracht hat. Auch hier kennt man nicht die genauen Daten, doch das Transhab der NASA bot pro Tonne Masse fast dreimal so viel Volumen wie die Strukturen der MPLM/ATV/Cygnus Frachtmodule. Damit könnte man die Fracht um Dritte erhöhen mit deutlichen Kosteneinsparungen beim ISS-Betrieb. Selbst bei der vorsichtigen Vorgehensweise, bei der man erst was erprobt wäre, der Einsatz auf den Transportern eine gute Lösung die Technik zu erproben. Schließlich kann man diese gut von der ISS abschotten, z. B. die Türen nur öffnen, wenn man aus- und einlädt. Ein Leck wäre so entdeckbar, bevor man die Luke erneut öffnet. Wenn sie sich bewährt, kann man sie dann bei neuen Modulen oder eine Mars/Mondstation einsetzen.

Es gibt nur einen einzigen Vorteil, den die bemannte Raumfahrt hat und die liegt in der Elektronik. Dadurch, das sie Strahlenbelastung innerhalb der Druckhülle so klein sein muss, dass sie für Menschen ungefährlich ist, kann man dort „normale“ Computerhardware einsetzen. Das wird zwar bei den Dauersystemen nicht ausgenutzt, die haben nach wie vor strahlengehärtete Hardware, aber die jeweils mitgebrachten Notebooks für die Besatzung sind normale Notebooks. Als IBM noch die Thinkpads fertigte, gab es darüber ausführliche Informationen. Man hat im wesentlichen Schnittstellen versiegelt oder nicht benötigte Module entfernt, vor allem um Kurzschlüsse auszuschließen. Heute sind es immer noch Thinkpads (nun von Lenovo), aber leider ohne technische Details.

Das war nicht immer so. Bei Gemini und Apollo wurden damals zwar auch viel Wert auf Sicherheit gelegt, aber gleichzeitig neueste Technologie eingesetzt wie Brennstoffzellen und Prozessrechner. Das Mitte der Sechziger Jahre – in der breiten Anwendung ist zumindest die Brennstoffzelle im Alltag noch nicht angekommen. Das galt auch noch für das Space Shuttle. Doch seitdem ist es gerade anders herum: will man das technisch rückständigste Vehikel in der Raumfahrt benennen so ist es meist ein bemanntes. Vielleicht sind daran auch die Astronauten schuld, die schon bei Apollo wirksam die Einführung von Techniken verhinderten die ihnen Kontrolle entzogen hätte, aber der Mission genützt hätte.

6 thoughts on “Bemannte Raumfahrt – Rückschritt anstatt Fortschritt

  1. Nach dem Desaster, das das Space Shuttle Design war, bin ich durchaus für die Rückkehr zu einem konservatiem Modell.

    Gerade das Space Shuttle war für mich ein Hauptbeispiel, dass Innovation der Innovation wegen eher etwas schlechtes ist. Was ich mir allerdings wünschen würde, wäre ein besseres evolutionäres Konzept für die Weiterentwicklung bemannter Raumfahrzeuge. Aber dafür brauch man im Westen erst mal wieder eins. Wenn man es denn hat, kann man weitersehen.

  2. Dard,
    das stimmt nicht ganz (meiner Meinung nach).

    Ursprünglich war das Space-Shuttle zweiteilig geplant.
    Ein unbemanntes, leistungsfähiges Schiff als Lastenträger mit entsprechenden
    „geringeren“ Sicherheitseinrichtungen.

    und ein kleineres mit hoher Sicherheit gebautes Schiff mit bis zu 8 Mann Besatzung und
    höherer Flexibilität im Orbit.

    Das ganze war ein Plan von Wernher von Braun für die Zeit nach Apollo.

    Um Geld zu sparen hat dann die Nasa daraus eine „eierlegende Wollmilchsau“ gemacht,
    mit geringen Sicherheitssystemen und geringerer Zuladung.
    Die Kosten sind explodiert, die Leistungsfähigkeit ungenügend und die Sicherheit…..
    (zweimal Bumm ohne Rettungsmöglichkeit für die Besatzung)

  3. Du irrst dich Ralf.
    Das Shuttle war immer bemannt konzipiert. Als man die Computer entwickelte und rausfand, dass man gar keine Besatzung mehr brauchte bestand das Astronautenchor auf einem Hebel mit dem man Manuell das Fahrwerk ausfährt. Ähnliche blockaden hatten sie schon bei Apollo (dort schrieben sie lieber endlose Zahlenkolonnen auf um sie in den Bordcomputer zu übertragen als das die Missionskontrolle einen Zugriff bekam).

    In der ursprünglichen Form bestand das Shuttle aus zwei bemannten Stufen, einer Unterstufe und einer Oberstufe. Beide wären zum Startplatz zurückgekehrt.

    Ein Carrier-Shuttle unbemannt wurde angedacht für die weltraumwaffen von SDI, aber nie umgesetzt.

    Das Shuttle habe ich wegen seiner Sonderform aber ausgespart vom Vergleich wie man leicht beim Durchlesen sieht. Wir wollen ja keine Äpfel mit Birnen vergleichen

  4. Interessant, dass man den Astronauten einen solchen Einfluss einräumt
    Ich bin mir sicher, dass es nicht wenige Anwärter auf die wenigen Plätze gibt/gab. Warum kann man da nicht mehr Druck ausüben? Computer akzeptieren oder Entlassung…

  5. Wenn Du die Leute schon ausgebildet hast geht das nicht. Heute mit dem riesigen Chor wäre es anders und die Orion soll ja auch automatisch ankoppeln, auch etwas wogegen man sich lange gewehrt hat. Aber zu Apollo Zeiten war das Chor übersichtlich. Jeder der dort war ist mindestens einmal geflogen und als Apollo designt wurde waren es noch weniger. Zudem hielten die fest zusammen: es ging ja schließlich um ihre Kompetenz und ihren Arbeitsplatz.

  6. Nun Bernd, ich beziehe mich auf ein Geo-Heft (1986 oder 1987) über die Challenger-Katastrophe, und den Weg den die Nasa beim Sparen nach Apollo gegangen ist.

    Vielleicht bezogen die Journalisten sich auf das SDI-Projekt.

    Auf jeden Fall würde ich sagen: Lieber mit einem VW-Käfer (Sojus) ins Weltall, als mit einem Ferrari dessen Motor explodiert auf der Autobahn einen Unfall bauen.

    Ineffizienz durch Sicherheit ist besser als Effizienz durch Bumm!
    (Natürlich ist Effizienz und Sicherheit das beste!)

    Höchste Effizienz ist bis zur höchsten Sicherheit am besten bei Frachtflügen.

    Denke ich mal so…

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.