Designentscheidungen bei einer Marsmission

Gerade wurde ein Report veröffentlicht, der eine bemannte Marslandung für 2033 für technisch und finanziell unmöglich hält. Ich will mich mit dem Report nicht im Detail auseinandersetzen aber doch als Aufhänger nutzen.

Der Plan sieht so aus: Man entwickelt von 2023 bis 2026 zuerst eine Raumstation um den Mond, „Lunar Gateway“. Dann ein Deep Space Transport (DST) der final dann eine Crew zu einer 1.100 Tage Mission zum Mars bringt. Bis 2037 könnet diese Mission dann erfolgen, 2033 scheidet wohl aus. Dies soll nur eine Orbitalmission sein. In den Kostenunterlagen kommen aber dann doch noch Lunar Landings und Mars Surface Systems vor. Allerdings mit Kostenfaktoren von 20 bzw. 55 Milliarden Dollar, die gemessen am Gesamtbudget von 217 Milliarden recht klein sind. Die Orbitalmission zum Mars liegt dagegen bei 117 Milliarden. 129 Milliarden braucht man bis zum Lunar Gateway, was auch die Entwicklung von größeren SLS und Abschluss der Orionentwicklung beinhaltet.

Inkrementelle Entwicklung bei der Marsmission

Eine Designentscheidung ist, wie man es angeht. Die NASA-Vorgehensweise ist wie bei Apollo, eigentlich auch wie bei den Programmen davor. Man hat inkrementell die Anforderungen erhöht. Deutlich sehr gut bei Apollo:

• Apollo 4-6: unbemannte Tests von CSM/LM im Erdorbit.
• Apollo 7: Bemannter Test des CSM im Erdorbit.
• Apollo 8: Bemannter Test des CSM im Mondorbit.
• Apollo 9: Bemannter Test des LM im Erdorbit.
• Apollo 10: Bemannter Test des LM im Mondorbit.
• Apollo 11: Bemannte Mondlandung (Sicherheitsmission).
• Apollo 12-14: Bemannte Mondlandung mit höherem wissenschaftlichen Anspruch und längerer Dauer.
• Apollo 15-17: Bemannte Mondlandung mit dreimal längerem Aufenthalt auf dem Mond und Mondmobil.

Nur so ist dieses Lunar Gateway zu verstehen. Im Prinzip ist dies so zu verstehen: Bei der Iss kann man in einer Stunde wieder auf der Erde sein, wenn etwas passiert. Beim Lunar Gateway sind es 3 Tage und bei einer Marsmission Monate. Nur halte ich das nicht für zielführend. 3 Tage so lange kann man auch in einer Kapsel aushalten, aber nicht Monate. Das Lunar Gateway ist viel zu erdnah, um als Zwischenstufe zu fungieren. Wenn an auf dem Mond landet, kann man auch wenig der Hardware und Erfahrungen für eine Marsmission übernehmen. Der Lander wird z.B. viel leichtgewichtiger sein und er muss nicht aerodynamisch sein. Die Temperaturbedingungen und Gravitation sind andere. Der Tag und die Nacht dauernd jeweils 14 Tage, beim Mars liegt die Tagesdauer bei 24,7 Stunden.

Die derzeitige Politik geht davon aus, die Masse zu reduzieren. Vergangene Pläne gingen von etwa 1.000 t im Erdorbit aus, aufgeteilt auf 4-6 Starts. Nach Verlassen des Erdorbits geht das schon auf 250 bis 300 t zurück. Die Elemente, die in einen Marsrorbit einschwenken werden, auch zum größten Teil aus Treibstoff bestehen. Bei einem Start vom Mars kommt nur ein Buchteil im Orbit an.

Die NASA-Strategie ist es also, diese Masse zu reduzieren. Zum Beispiel durch ein Umweltkontrollsystem. Das muss Wasser regenerieren, Sauerstoff bereitstellen und Kohlendioxid entsorgen. Das hat man schon auf der ISS laufend verbessert. Man kann es weiter verbessern. Doch der Gewinn wird immer kleiner. Wasser ist der Großteil. Alleine zum Trinken braucht man 2-3 l. Dagegen kommen alle Gase maximal auf 1 kg pro Tag. Hier ist abzuwägen ob es sinnvoller ist dieses System weiter zu optimieren oder einfach mehr Vorräte mitzuführen.

Treibstoffe

Die Station wird LOX/Methan einsetzen. Diese Kombination hat eine höhere Energie als lagerfähige Treibstoffe. Ist aber kryogen, muss also über Jahre flüssig gehalten werden. Selbst wenn es nur kleine Verluste durch verdampfen gibt, so können die über diese Zeit die Bilanz deutlich verschlechtern. Für eine Bodenmission, die in diesem Plan noch nicht mit drinnen ist, wäre dann noch die Option den Treibstoff vor Ort zu gewinnen. Dazu benötigt man eine Energiequelle und eine kleine Fabrik. Der Prozess selbst ist nicht komplex, nur betreibt man ihn auf der Erde mit Trinkwasser und Kohlendioxid aus Kraftwerken, nicht mit im Boden steckendem und verunreinigtem Eis und einer sehr dünnen Marsatmosphäre. All das sollte mal auf dem Mars erprobt werden. Dann muss der erzeugte Sauerstoff und das Methan ebenso wie der Wasserstoff gekühlt werden, sonst verdampft ab einer bestimmten Zeit mehr als man gewinnt. Alternativ landet man den Treibstoff wie bisher. Das erhöht dann wiederum die Startmasse.

Ionentriebwerke:

Die DST benutzt Ionentriebwerke, um die Reisedauer zu verkürzen. Das ist ein Kompromiss zwischen dem enormen Strombedarf, den ein reiner Ionenantrieb hat und dem Gewichtsvorteil. Bei einer Marslandung machen Sie meiner Ansicht nach teilweise Sinn. Man kann mit ihnen die Zeit auf der interplanetaren Bahn verkürzen und im Orbit um den Mars Treibstoff einsparen, indem man dort nach Abkoppeln der Besatzung den Orbit absenkt. Analog wieder bei der Rückreise die Reisedauer verkürzen. Nur – wenn ich sowieso nur eine Marsumkreisung ohne Landung durchführe, ist das wenig hilfreich. Klar man ist so länger in einem Marsorbit. Aber die für Astronauten problematische Phase der Schwerelosigkeit ist gleich lang und seien wir ehrlich – bemannt kann man im Marsorbit auch nicht mehr beobachten, als mit Raumsonden zu einem Bruchteil der Kosten. Dafür benötigt man eine enorme Stromversorgung von 500 kW Leistung – doppelt so viel wie bei der ISS zu einem Bruchteil des Gewichts. Das muss alles entwickelt werden.

Alternativ verzichtet man darauf, hat eine etwas längere Zeit in der interplanetaren Bahn. Dafür braucht dann mehr chemischen Treibstoff.

Fazit

Kurzum: es gibt etliche Stellschrauben, an denen man drehen kann. Der Kurs der NASA ist es die Masse zu verringern. Ich habe die entgegengesetzte Anweisung. Wir haben die ISS, deren Lebenserhaltung seit 20 Jahren reibungslos funktioniert. Sie wird zwar laufend mit Vorräten versorgt, jedoch die könnte man wie auch bei einer Marsmission schon beim Start bereitstellen. Meiner Ansicht nach könnte man starten, wenn man bereit ist mit der heutigen Technologie, dafür wäre dann eben die Masse viel größer, wenn das Umweltkontrollsystem nicht so effizient ist, man lagerfähige Treibstoffe anstatt Methan/Lox und Ionentriebwerke eingesetzt werden. Aber man kann jetzt schon loslegen.

Für mich läuft es auf eine Kosten/Nutzenrelation heraus: Entwicklungskosten gegen Transportkosten. Da die Landung nicht geplant ist und die DST derzeit 88 t wiegt denke ich kommt man mit der Hälfte der 1.000 t in einen Erdorbit aus, die meist für eine Marsmission genannt werden. 500 t transportiert mit einer Ariane 6 verursachen Transportkosten von 2.640 Millionen €, also sagen wir mal 3.000 Mill. $. Vergleichen mit den über 33 Mrd. für die erste Marsmission ist das gerade mal ein Zehntel. Selbst wenn man nun doppelt so hohe Transportkosten hat, dann lohnt es sich, wenn die Entwicklungskosten um denselben Betrag gesenkt werden können. Man käme mit Auftanken und stufenweiser Anhebung des Orbits auch mit einer Rakete viel kleiner als eine SLS aus. Eine New Glenn oder Falcon Heavy würde reichen. Anstatt zwei Starts in einem Startfenster könnte man über 2 Jahre lang die Nutzlasten starten und den Orbit anheben, um erst im letzten Start sie zum Mars zu schicken. Die Station wiegt ja leer nur 48 t. Sie dazu diesen Blog.