Das Artemisprogramm

Artemis, so heißt das aktuelle Mondprogramm ist noch nicht in den trockenen Tüchern, da geht schon der Run auf die Aufträge los. Nach Blue Origin will auch Boeing einen Lander bauen. Wie die einzelnen Teile – SLS und Orion auf NASA Seite, Mondlander und Lunar Gateway als „kommerzielle Aufträge“ (nur eine Umschreibung dessen das die NASA zwar nach wie vor alles bezahlt, aber weniger Einfluss auf die Konstruktion hat), zusammenspielen liest man bei der NASA nicht. Ich denke ich kann mir aber einen Reim machen. Der Knack und Angelpunkt ist die SLS. Die SLS wird in der Block IB Konfiguration, das heißt mit einer noch zu konstruierenden EUS-Oberstufe zwischen 34 und 40 t zum Mond bringen. Das hängt von Unsicherheiten ab, die Pakete gibt es ja noch nicht und ob es eine bemannte Mission ist oder nicht. Eine bemannte Mission hat nach NASA-angaben eine 3 t niedriger Nutzlast.

Daneben gibt es nur noch eine Startrampe, LC 39B ist ja an SpaceX vermietet. Wenn man annimmt, das die SLS Vorbereitungszeit in etwa wie bei der Saturn V ist, dann gibt es maximal einen Flug alle vier Monate, derzeit sind (aus finanziellen Gründen) ja nur Starts alle zwei Jahre geplant. Das sind zwei Einschränkungen: niedrige Nutzlast und niedrige Startrate. Die Saturn V hatte maximal 49,5 t Nutzlast also rund 10 t mehr und konnte bis zu sechsmal pro Jahr starten, also doppelt so häufig. Da heute die Hardware eher schwerer ist – die Orionkapsel wiegt 10 t, die Apollokapsel wog 5,4 t scheidet es aus, Mondlander und Orion gleichzeitig zu starten. Bei Startrampen hätte man wenigstens beides gleichzeitig starten können. Wie löst man also dieses Problem?

Nun kommt das Lunar Gateway ins Spiel. Von der NASA als Monderkungsstation angepriesen, hat sie meiner Meinung nach eine andere Funktion: Dort kann man Equipment oder Besatzungen parken. Denn die SLS wird den Mondlander nicht mitführen können, selbst wenn er nur so viel wiegt, wie das LM von Apollo ist das zu viel für die SLS. Die Orion wiegt schon 28 t, das ist etwas weniger als das CSM von Apollo, aber das schleppte auch den LNM mit in den Orbit und den Treibstoff benötigt die Orion nicht. Also muss man ihn separat starten. Zumindest bei Boeings Lander ist das auch vorgesehen. Er wird autonom in einen Haloorbit um den Mond einschwenken. Da man nur eine Startrampe hat und es realistisch Monate dauert, bis man die nächste SLS startfertig hat, denke ich wird man zuerst die Besatzung starten. Sie koppelt im Mondorbit an das Gateway an und wartet dort auf den Mondlander. Der wird dann angekoppelt, die Besatzung steigt um und landet. Ursprünglich wollte die NASA ja sogar einen wiederauffüllbaren Lander, denn hätte man bei dem Konzept mehrmals verwenden können. Das hat sie fallen lassen, weil Firmen meinten, das wäre zu schwer umzusetzen. Ich halte es aber auch aus einem zweiten Grund für unsinnig: Bei Apollo wog die Abstiegsstufe leer rund 2 t und die Aufstiegsstufe auch 2 t. Hätte man die Abstiegsstufe nach der Landung wieder in den Orbit gebracht, man hätte grob die doppelte Nutzlast landen müssen. Das macht dann auch zwei Starts notwendig. Man spart dann nur den zweiten Lander. Zumindest Boeings Entwurf ist zweistufig.

Ein Vorteil des getrennten Starts ist, dass der Lander viel schwerer sein kann. Der Apollo Lander wog 14,5 t. Nun kann er mindestens 37 t wiegen. Allerdings braucht er zusätzlichen Treibstoff, da er erst in einen Mondorbit einschwenkt. Das LM von Apollo würde 22 t wiegen, wenn es den Treibstoff für das Einschwenken in den Haloorbit mitführen würde. Trotzdem ist so der Lander netto 15 t schwerer und das sind fast 70 %. Entsprechend schwerer kann die Aufstiegsstufe mit den Systemen für die Besatzung und Ausrüstung sein, denn ich glaube, dass eine so leichte Konstruktion wie beim LM heute nicht mehr die Sicherheitsanforderungen erfüllen würde.

Anders als von der NASA angegeben, denke ich, das das Lunar Gateway kein „Outpost“ oder eine Forschungsstation sein wird. Parallelen zur ISS sind angebracht: aus einem Mondorbit heraus kann man eigentlich nur Fernerkundung betrieben und die spielt auch bei der ISS keine Rolle. Das geht einfacher mit Satelliten und so ist es auch beim Mond. Natürlich wird die Station als Generalprobe für einen Marstrip postuliert. Als Gemeinsamkeit ist es dort in etwa so beengt wie bei dem Modul, das zum Mars fliegt und man ist außerhalb des Strahlungsgürtels. Aber dann hört es mit den Gemeinsamkeiten schon auf. Was einen Marstrip so herausfordernd macht ist, dass alles funktionieren muss und man auch wegen der Zeitverzögerung kaum bei Reparaturen helfen kann. Die Zeitverzögerung ist beim Mond auch da aber mit 1,5 s relativ klein – die Bodenkontrolle antwortet ja auch nicht sofort, sondern spricht sich intern ab (um mal den berüchtigten Programmfehler von Apollo 11 als Beispiel zu zitieren: da vergingen 23 Sekunden zwischen Alarmmeldung und Antwort, also 20 Sekunden mehr als die zweifache Signallaufzeit. Und wenn selbst die Station unbrauchbar wird, kann die Besatzung in die Orion wechseln und heimfliegen. Sie ist zwo nicht wie bei einer Sojus die von der ISS abkoppelt, innerhalb von weniger als zwei Stunden zu Hause, aber das ist auch bei der ISS nur der absolute Notfall. Normalerweise würde man nur abkoppeln und im Orbit bleiben und dann analysiert die Missionskontrolle das Problem und versucht es zu beheben sofern möglich und erst wenn feststeht das die Besatzung definitiv nicht zurückkehren kann würde sie landen.

Aber wie schon gesagt: für die Generalprobe eines Marstrips ist das Lunar Gateway nicht geeignet. Beengte Verhältnisse könnte man auch schaffen wenn man ein kleine Station im Erdorbit platziert und nach Besatzungstransfer von der ISS abkoppelt und für die Analyse des Strahlenrisikos braucht man keine Menschen an Bord, da reichen auch die Dosimeter und Dummies. Zudem ist geplant, das Lunar Gateway mit Fracht von der Erde aus zu versorgen. Es fehlt also die Autarkie die eine Marsmission aufweisen muss. Den einzigen Vorteil, den ich sehe, ist das eine Besatzung so mehrere Landungen durchführen könnte, indem sie nach der ersten Landung wieder in das Lunar Gateway geht und wartet, bis der nächste Mondlander ankoppelt. Das wäre aber ein Bruch mit der NASA-Tradition, die bisher immer viele Astronauten eingesetzt hat. Beim Space Shuttle Programm plante in der Anfangszeit Deke Slayton mit wenigen Besatzungen, die viele Flüge absolvierten, im Schnitt alle sechs Monate einen neuen. Die NASA entschied anders und rekrutierte viele Astronauten. Das blieb so. Im Jahr 2000 gab es 149 aktive Astronauten. Bei damals sechs Space Shuttle Missionen und durchschnittlich 6 Astronauten pro Orbit wäre jeder also nur alle 4-5 Jahre zum Einsatz gekommen. Heute sind es 38 Astronauten. Bei vier Besatzungswechseln pro Jahr und drei Astronauten pro Flug (mit den kommerziellen Vehikeln – bei der Sojus sind es eher 1,5) sind es auch mehr als drei Jahr zwischen zwei Einsätzen (im Durchschnitt). Und nun soll eine Besatzung gleich mehrere Landungen durchführen? Halte ich nicht für wahrscheinlich. Würde aber einen SLS Start einsparen, wenn man bei der ersten Mission genügend Vorräte mitführt. Immerhin würde der Wechsel von Schwerelosigkeit und geringer Schwere eine gewisse Simulation der Marsmission aber auch nur eingeschränkt. Die kurze Zeit auf der Oberfläche von maximal 14 Tagen (man wird wohl nicht über die Mondnacht bleiben) ist zumindest nicht mit den 300 bis 550 Tagen auf dem Mars (je nach Missionsauslegung) vergleichbar.

Beurteilung

In der Form wie ich es skizziere macht es Sinn und es ist der beste Weg es mit der SLS umzusetzen. Man könnte auf das Lunar Gateway verzichten, wenn man zuerst den Mondlander startet und ihn in einem Mondorbit parkt (es gibt auch stabile Mondorbit, der LRO ist z. B. In einem solchen). Er müsste dann aber über Monate dort betrieben werden, während man sonst von ihm nur eine Lebensdauer von weniger als einem Monat erwarten müsste. Konzepte wie von Blue Origin mit kryogenen Treibstoffen scheiden dann aus, weil man diese nicht so lange kalt halten kann. Mit heutiger schwerer Hardware benötigt man sonst eine größere Trägerrakete. Selbst bei der Ares V waren zwei Starts vorgesehen: einen unbemannten mit der letzten Stufe und dem Mondlander und einen bemannten mit der Ares I. Beide zusammen hätten im Erdorbit über 200 t gewogen und 62,8 t zum Mond transportiert. Die SLS kommt auf weniger als zwei Drittel dieser Nutzlast und entsprechend sind mehr Starts nötig. Ja bei zwei SLS Starts kann man sogar 71 bis 77 t zum Mond schicken, also noch mehr als bei einer Ares V/I Kombination.

Kleine Notiz am Rande: SpaceX will natürlich auch ein Stück vom Kuchen abhaben. Nur wie, das gehen soll wenn man wi im obigen Artikel angenommen das Starship verwenden soll ist mir ein Rätsel. Musk will ja das Kunststück fertigbringen die Masse von 200 auf 120 t zu drücken und die Nutzlast dann von 20 auf 100 t anzuheben. Doch selbst wenn das klappt, reichen 100 t Treibstoff nie aus 120 t auf einen Fluchtkurs zu bringen, geschweige denn auf dem Mond zu landen (das die NASA das Starship zum Besatzungstransfer zum Gateway benutzt dürfte angesichts der eigenen Orion ausscheiden). Doch das Vorbeiplanen an den Kundenwünschen ist ja bei SpaceX nichts Neues oder um es mit den Worten des Chefs zu sagen: „Musk admitted he does “zero market research whatsoever,” according to Space.com.“

6 thoughts on “Das Artemisprogramm

    1. Das ist noch ein anderer Punkt. Bisher gibt es erprobte Technologie mit der man nicht druckgeförderte Tanks auftanken kann. Zudem kommt wie ich schon skizziert habe, das Starship nicht als Besatzungstransporter zum Gateway in Frage. Das heißt also SpaceX will damit auf dem Mond landen und zurückstarten. Da braucht man wegen dem dV (Landung: 3200 m/s, Rückstart 2200 m/s, Erdorbit -> Mond 3100 m/s mehr Treibstoff als in die Stufe überhaupt reingeht. Außerdem geht es bei jeder Mission verloren.

      1. Ich glaube, der Plan ist mehrmaliges auftanken und/oder tanken in exzentrischen Orbits.
        Dazu wird es dann bloß eine ganze Anzahl Starts brauchen.

        Ich sehe das Problem beim Starship weniger in technischen Fragen, die man sicher alle mit genug Aufwand lösen kann.
        Die wirtschaftliche Seite ist die große Unbekannte: Kann man das alles halbwegs preiswert machen, und wird es überhaupt einen Markt für eine solche Riesenrakete geben.

        1. “weniger in technischen Fragen“ ?
          Also wenn ich dass richtig verstehe, is das Problem eben die nicht geloste technische Frage von druckfordertem auftanken der Tanks.
          Wenn dass geloste ware, dann konnte ja SpaceX die F9 nutzen um eine Lander Mission zu bauen. Wenn orbitales Auftanken so einfach ware, wazu braucht man dann eigentlich einen Superschwaren Trager?

          1. Ich sehe keinen Grund, warum das nicht machbar sein sollte. Z.B. langsam beschleunigen oder rotieren, um den Treibstoff zu sammeln und dann lospumpen oder drücken.

            Es gibt eine Fraktion, die das Starship aus technischen Gründen als Spinnerei abtut-das sehe ich nicht so, jedenfalls nicht für die Basisversion „Mission vom Erdboden in den LEO, Erst- und Zweitstufe wiederverwendbar, gegebenenfalls Auftanken im Weltall für weitere Missionen“.

            Was ich für unrealistisch halte ist der Zeit- und Kostenrahmen, sowie eventuell die Existenz eines passenden Marktes.
            Die Rakete ist riesig und kann ohne Auftanken viele Orbits gar nicht erreichen. Entweder man ignoriert also den Markt für hochenergetische Bahnen, oder setzt eine weitere Oberstufe auf, oder muss auftanken, wozu eine ganze Anzahl weiterer Flüge gebraucht wird.
            Dann geht man davon aus, dass Wiederverwendung die Kosten soweit senkt, dass die Riesenrakete auch für kleinere Nutzlasten konkurrenzfähig ist, oder sich die Nachfrage an das Angebot anpasst und man die Rakete gut ausgelastet bekommt.
            Das kann alles funktionieren, wenn alle optimistischsten Annahmen zutreffen, aber das tun sie ja selten alle auf einmal.

            Auch interessant ist, wie SpaceX Entwicklung, erste Serienmodelle und Flüge finanzieren will: Zumindest bis Ende 2020 kann Starlink noch nichts beitragen (ob es das jemals tun kann ist offen, keine Meinung da nicht wirklich mein Fachgebiet), normale Starts können es auch niemals tun, d.h. es müssen weiterhin Investoren ordentlich Geld nachschießen oder (wie damals bei der Gründung von SpaceX) die Regierung voll aufspringen und mit einem Großauftrag helfen (nicht unmöglich, aber auch nicht sehr wahrscheinlich). In einer noch ziemlich kleinen Runde für den Mondtransport sind sie ja schon drinnen: https://spacenews.com/nasa-adds-five-companies-to-commercial-lunar-lander-program/

            In jedem Falle geht SpaceX volles Risiko.

            Angenommen, Starlink wird ein massiver Erfolg, dann könnten sie zumindest selbst für eine gewisse Grundauslastung sorgen.

  1. Um überhaupt bis zum Mond zu kommen, müssen selbst die Tanker mehrmals nachtanken. Das wird die reinste Tank-Orgie. Bei nur einem Startplatz dürfte eine einzige Mondmission dann Jahre dauern. Besonders wenn das Starship nicht nur landen soll, sondern zwecks Wiederverwendung auch noch zurückfliegen.
    Das dürfte bemannte Missionen unmöglich machen. Schon weil jeder Umlauf zweimal durch die Strahlungsgürtel geht. Und wehe es gibt bei den vielen Tanker-Flügen eine „Anomalie“.

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