Das unbemannte Mondprogramm

Gerade läuft ja Artemis an, wird um die Gelder gefeilscht, die NASA möchte 1 Mrd. Dollar im nächsten Haushaltsjahr, der Kongress hat nur 770 bewilligt. Doch das ist erst der Anfang. Gerade beim Mond sehe ich den Nutzen von Menschen besonders kritisch, weil man hier unbemannt viel mehr machen als bemannt. Was würden Menschen auf dem Mond machen? Sie würden wohl wie die Apollo-Astronauten Experimente auf der Mondoberfläche platzieren oder in ihr verankern, wie Sonden, die man zum Teil in den Boden rammt. Daneben würden sie Bodenproben sammeln und zur Erde zurückbringen und die Umgebung fotografieren.

Nichts davon könnte man nicht auch unbemannt erledigen und das wurde auch schon in den vergangenen Jahren demonstriert.

Was beim Mars für eine bemannte Landung spricht, ist das dort mit Robotern alles sehr lange dauert oder unselektiv ist. Das liegt aber auch zum Teil an der Vorgehensweise. Heute wird eine Route, die ein Rover auf dem Mars zurückgelegt genau geplant und er fährt dann eine kurze Strecke dann wird die neue Umgebung aufgenommen, festgelegt, was als Nächstes gemacht wird, eventuell folgen Untersuchungen oder es wird das nächste Wegstück geplant. So kommen die Rover nur langsam vorwärts. Curiosity ist heute 2610 Sols (Marstage) aktiv und hat 21,53 km zurückgelegt, also nicht mal 10 m im Durchschnitt pro Tag. Wir haben auf der Erde aber schon autonom fahrende unbemannte Geräte, die in Wüsten unterwegs sind und dann viel größere Strecken zurücklegen. Mit etwas mehr Autonomie und mehr Vertrauen in die Rover würde man auch beim Mars mehr Strecke zurücklegen können. Woran man leider nichts ändern kann, ist die Funklaufzeit. Wenn man einen Stein mit den Instrumenten untersucht und die Daten „sofort“ sendet (was wegen der Transfers der Daten über die Marsorbiter auch nicht der Fall ist) sind die Ergebnisse erst nach Minuten bei der erde und selbst wenn man dann sofort sagen kann, das man den Stein nicht weiter untersuchen will geht die Laufzeit noch mal drauf, bis der Rover das erfährt. Bei Aktionen die diffizil sind, wie das Nehmen von Bodenproben, wird man diese daher in viele Teilschritte zerlegen, mit Halts dazwischen und das dauert dann Tage.

Auf dem Mond ist es anders. Er ist immer in Empfangsbereich einer der Antennen des Deep Space Networks. Er ist so nahe, dass die Funklaufzeit von (hin und zurück) von 3 s so klein ist, das man den Rover auch direkt von der Erde aus steuern kann. Das wurde schon in den Siebzigern von Russland demonstriert. Die geringe Distanz würde es zulassen, das man die Daten sogar als Videostream überträgt und nicht nur als Standbild. Das erlaubt die Steuerung in einer VR-Umgebung wenn man zwei Kameras für das Stereosehen montiert. Bisher gab es nur die beiden Lunochods als Vorbild. Obwohl die in ihren Fähigkeiten recht eingeschränkt waren, legten sie 10,5 und 37 km zurück. Das zweite Lunochod schaffte trotz kürzerer Lebensdauer viel mehr Strecke, weil ein Nachteil des Ersten war, das die Kameras auf Kniehöhe waren, sodass man nicht weit sah und immer nur kurze Strecken fahren konnte. Beim zweiten Lunochod waren sie höher, aber auch noch nicht auf dem Niveau das sie bei den Marsrovern haben, wo sie sich in Augenhöhe oder sogar noch höher befinden und so sieht man viel weiter, kann Hindernisse rechtzeitig vorher erkennen und umfahren. Die Planung ist viel einfacher, die Geschwindigkeit kann höher sein. Ich denke ein von der Erde gesteuerter Rover wäre in etwa so schnell unterwegs wie ein Mensch. Technisch wäre das auch kein Problem, zumindest am Tag liefern Solarzellen auf dem Mond genügend Strom und nachts wäre er dann inaktiv, ein RTG wie bei Curiosity würde genügend Strom und Abwärme für das Überleben liefern.

Ich halte Curiosity für eine gute Vorgabe für einen Mondrover. Die Anforderungen sind ähnlich. Auch die Fernerkundungsinstrumente sind einsetzbar, nur auf die Untersuchungen in Situ würde man verzichten bzw. auf Instrumente, die lange Analysenzeiten brauchen wie DAN oder die mit der Atmosphäre zu tun haben, wie REMS würde man verzichten. Ziel eines solchen Mondrovers wäre es primär, Bodenproben zu sammeln. Um die Interessanten zu finden, nutzt man die Instrumente, die schon Curiosity hat und die per Spektrum oder Plasmaanalyse die chemische und mineralogische Zusammensetzung eines Felsens bestimmen. Mit neuen Werkzeugen an der Hand entnimmt man dann Proben, die man in Behälter bringt, die es auf dem Deck oder im Innern gibt. Durch die Möglichkeit der Vorauswahl ist ein Rover sann sogar einem Menschen überlegen, der sich auf den augenscheinlichen Eindruck verlassen muss.

Sofern die Mission genügend Masse übrig hat, die man landen kann, könnte man mit dem Arm, der auch eine Greifhand tragen müsste, Experimente auch auf der Mondoberfläche platzieren oder im Boden versenken, z. B. mit einem Bohrer. Alternativ landet eine zweite Mission diese Experimente und der Rover fährt zu diesem zweiten Lander, lädt sie aus und platziert sie.

Was man dann noch braucht, ist eine zweite (oder dritte) Sonde, welche die vorher gesammelten Bodenproben zur Erde zurückbringt. Schon wegen des Gewichts würde ich eine eigene Mission vorschlagen. Daneben spricht auch der verfügbare Platz (auf einer Landeplattform hat entweder ein Rover oder eine Rückkehrstufe platz) dafür sprechen, die beiden Missionen zu trennen. Zuletzt kann der Rover lange Bodenproben sammeln, ein großes Gebiet durchqueren, das Menschen wegen der zeitlichen Begrenzung nicht können und man muss die Bergungsmission erst starten, wenn man alle Proben hat. Diese hat aber Treibstoffe, die nicht während der Mondnacht ausfrieren sollten. Die Proben werden wohl – das ist der Nachteil einer robotischen Mision – eher klein sein. Ich kann mir nicht vorstellen, dass ein Roboter große Felsbrocken platzsparend in einer engen Rückkehrkapsel verstauen kann. Für die Analyse, die aber mit Staub auskommt, ist das aber nur bedingt von Nachteil. Immerhin: es gibt heute Roboter die haben eine Greifhand wie ein Mensch und mit zweien dieser Arme und Fernlenkung könnte ich mir vorstellen, dass auch das Handling mit größeren Brocken klappt. Auf der Erde würde dann jemand mit einer VR-Brille die Szene sehen und mit seinen Bewegungen die Hand steuern. Wenn er langsam genug ist – alles dauert ja 3 Sekunden, bis man die Rückmeldung hat, dann klappt das sicher. Vielleicht dauert das Verstauen eines Felsens so 1 Stunde anstatt einer Minute, doch Zeit hat man ja. Diesselbe Technik würde man auch beim Fahren und dem sonstigen Handling einsetzen. Zumindest von der ISS aus hat man schon einen Roboter in einem Labor auf der Erde aus gesteuert und das noch ohne VR-Umgebung. Die Technik funktioniert also.

Kurz: ich denke alles was Astronauten tun könnten geht auch mit Robotern. Nicht so schnell, aber Zeit ist bei Robotern nicht das Problem, davon hat man mehr als genug. Anders als bei Menschen die nach einigen Stunden wieder in eine Atmosphäre müssen und dann ausruhen. Bei Robotern könnte man Tag und Nacht abreiten, wobei sich die Kontrolleure im Schichtsystem abwechseln. Zudem können sie problemlos mehrere Mondtage auf dem Mond arbeiten.

Ich will die Mission nicht genau durchplanen, aber eine Massen- und Kostenabschätzung machen. Unter Annahme der Vulcan als Trägerrakete – sie dürfte aktuell sein, wenn man jetzt mit den Planungen beginnt, die Delta 4 wird dagegen ausgemustert und die Falcons sind ja dann durch das Starship mit unbekannter Mondnutzlast ersetzt – komme ich auf folgende TLI-Nutzlasten:

  • Vulcan 2 Booster: ~ 5,1 t
  • Vulcan 6 Booster: ~ 11 t

Da die Stufenmassen unbekannt sind und ich von den GTO-Nutzlasten extrapolieren musst,e gehe ich im folgenden von 5 t bzw. 10 t Masse aus. Fliegt der Lander das Apollo-Profil, so braucht er ein dV von 3200 m/s. Beim einem Voll-/Leermasseverhältnis von 5, das hatte auch der Apollo LM beträgt die Nutzlast dann auf dem Mond (spezifischer Impuls des Haupttriebwerks: 3150 m/s) :

  • Vulcan 2 Booster: ~ 1 t
  • Vulcan 6 Booster: ~ 2,2 t

Das ist der Worst Case. Schon 200 m/s kann man einsparen, wenn man die energieärmste Bahn zum Mond nimmt, anstatt wie bei Apollo eine mit einem hohen Apogäum aber kürzerer Reisezeit. Weiterhin waren 7 % des Treibstoffs bei Apollo für die Interaktion der Besatzung reserviert, die bei einer automatischen Landung wegfallen würde. Berücksichtigt man beide Faktoren, so würde die Nutzmasse auf 1,4 t bzw. 3 t ansteigen. Bei einer direkten Landung sieht es nicht besser aus. Mit dem AJ10 Triebwerk würden 1,2 bzw. 2,1 t landen – das AJ10 ist einfach zu schubschwach für eine direkte Landung. Bei der Landung aus einem Orbit aus muss man während des größten Teils der Landung dagegen nicht gegen die Schwerkraft ankämpfen und der Schub kann geringer sein.

Selbst 1 t wäre aber ausreichend für einen gut bestückten Rover. Curiosity wog bei der Landung 900 kg, man könnte also 100 kg mehr landen, was ein Polster für Änderungen ist, umgekehrt fallen auch Experimente weg, die das Gewicht dann verringern.

Bei der Rückkehr fällt in etwa dasselbe dv an, wie viel Gastein man dann zur Erde transportieren kann, hängt mehr von der Masse ab die das restliche System wiegt, also die Avionik und Landekapsel. Die Kapsel von OSIRIS-REx wiegt 46 kg, rechnet man dann noch 54 kg für die Avionik hinzu und einen Faktor von 6 für das Antriebssystem so erhält man bei einem dV von 3100 m/s das man mindestens 100 kg zusätzlich zuladbare Masse hat – so viel Gestin gehen in die kleine Kapsel gar nicht rein. Eine größere Kapsel wiegt aber mehr und reduziert dann wieder die Restmasse. Nimmt man ein Drittel der Kapselmasse als „echte Nutzlast“ sprich Gestein in Behältern, so kommt man auf etwa 30 bis 50 kg die so pro Mission zurückgeführt werden können. Anders als beim Mars müsste man keine Kopplung im Orbit durchführen, man könnte direkt zur Erde starten, allerdings Wahrscheinloch über einen Mondorbit als Zwischenstation, da direkte Rückstartbahnen die Zone, wo eine Landung möglich ist, stark einschränken.

Ein solches Programm wird nicht preiswert sein. Vergleiche mit den Lunas die auch Gestein bargen sind wenig sinnvoll, weil deren Auslegung doch ziemlich primitiv war. Sie konnten nur direkt an der Landestelle unselektiv Bodenproben entnehmen, immerhin mit einem Bohrer aus deutlicher Tiefe. Aber selbst wenn das Programm mehrere Milliarden kostet, ist das billig gegenüber einem bemannten Programm. NASA‘s erste Schätzung für ARTEMIS liegt bei 20 bis 30 Mrd. Dollar, Bridistine schätzt, dass man durch „kommerzielle Zusammenarbeit“ unter 20 Mrd. kommt. Ich halte das für viel zu wenig. Es kostete den US-Steuerzahler alleine 10 Mrd. Dollar, zwei kommerzielle Vehikel für den Kurzzeit-Mannschaftstsransport zur ISS zu entwickeln. Die Technologie dafür hat sich seit Mercury nicht wesentlich geändert. Nun soll man mit dem doppelten Geld nicht nur einen Mondlander, sondern das Gateway, Experimente, Anzüge und eine Oberstufe für die SLS entwickeln? Alleine die SLS könnte 1,6 bis 2 Mrd. Dollar pro Mission kosten. Curiosity kostete 2,5 Mrd. Dollar, allerdings auch wegen Zeitüberschreitungen, der Nachbau, der nächstes Jahr startet, ist daher (trotz Inflation da 10 Jahre später gebaut) billiger mit 2,1 Mrd. Dollar, die Kosten kommen auch durch die vielen neuen Experimente zustande. Im Allgemeinen ist der identische Nachbau einer Sonde für weniger als die Hälfte des ersten Exemplars zu haben. Die Rückkehrstufe ist dagegen einfacher aufgebaut. Sie besteht im Prinzip nur aus zwei Raketenstufen, einer kleinen Kapsel und Avionik. Sie müsste für den Preis einer Mittelklasse-Raumsonde zu haben sein. Ich würde 800 Mill. Dollar für das erste Exemplar und 400 Millionen für das nächste ansetzen. Dazu käme noch der Start (beim Rover schon mit drin). So sähe meine Gegenrechnung aus:

Unbemannt Artemis
Erste Mission 3100 Mill. Dollar 3000 + Mill. Dollar (alleine 2000 für SLS)
Folgemission 2000 Mill. Dollar 3000
Entwicklungskosten Oben mit enthalten 20.000 bis 30.000 Mill. Dollar

In der Summe erhält man die nicht ganz neue Weisheit, das wenn man etwas bemannt durchführt, es erheblich teurer ist als unbemannt (auch für CCDeV gab die NASA mehr als zehnmal so viel Geld für COTS aus). Einen Unterschied vom Faktor 10 für das Gesamtprogramm würde ich auch hier ansetzen. Klar man hat dann noch hübsche Bilder von herumführenden Astronauten. Aber Apollo lehrt auch: die sind nur beim ersten Mal interessant, dann verschwindet das Publikumsinteresse rasch und die NASA strich daher die letzten drei Missionen, obwohl sie die Hardware dafür bezahlt hatte.

Aber das Problem ist ja das alte: „You get no bucks without Buck Roger“. Sprich: Die Politik ist gerne bereit Milliarden für ein bemanntes Programm auszugeben, aber nicht einen Bruchteil der Summe für ein unbemanntes Programm, das dasselbe leistet. Man muss sich nur ansehen, was die NASA seit Ende des Apollo-Programms für Mondmissionen durchführten – da hat inzwischen sie sogar China überholt, obwohl die erst 2007 mit ihrer ersten Mission begannen.

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