Die schwierige Landung des Starships auf dem Mars

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Während man bei SpaceX seit nun schon über 20 Jahren den Mars kolonisieren will, so preiswert, dass es sich (fast) jeder Milliardär leisten kann und das auch innerhalb der nächsten 2-3 Jahre passiert (und das schon seit 10 Jahren) machen sich andere Gedanken wie man dort hinkommt und heil landet und so auch ich.

Warum sollte man die Reisezeit reduzieren?

Also wenn ich mal Langweile ausschließen will – selbst Orbitaltouristen halten es nicht mal eine Woche in einer Dragon aus, wie die letzten Missionen ohne Kopplung an die ISS zeigen – gibt es zwei gute Gründe schneller zu reisen:

Grund 1: die Strahlenbelastung. Uns schützt die Erde vor kosmischen Strahlen. Wenn ich seltene, unvorhersagbare Ereignisse wie einen Gammastrahlenausbruch einer Verschmelzung von Neutronensternen weglasse, gegen die man sich praktisch nicht oder nur mit extrem dicker Abschirmung schützen kann ist die Hauptquelle der Strahlenbelastung die Sonne. Deren Strahlung ist nicht konstant, sondern schwankt in einem 11-jährigen Rhythmus. das solare Maximum wurde gerade passiert, letztes Jahr gab es durch einen Strahlensturm Polarlichter selbst bei uns. Würde man in 5 Jahren starten, so wäre das nahe dem Minimum. Während des Maximums ist die Strahlenbelastung allgemein höher, es treten aber auch mehr kurzzeitige Ausbrüche durch Flares auf und diese sind heftiger. Sie sind die eigentliche Gefahr für die Besatzung. Klar eine kurze Reisezeit verringert die Gefahr, aber viel einfacher ist es, nicht rund um das Maximum zu starten. Vor allem schützt auch der Mars nicht vor den kosmischen Strahlen. Er hat kein Magnetfeld und die Atmosphäre ist zu dünn. Direkt nach der Landung wäre bis man Schutzbehausungen unter Gestein gebaut hat, die Belastung am Tag genauso hoch wie während der Reise zum Mars.

Grund 2: Abbau der Muskelmasse: Nach der Landung müssen die Siedler aussteigen und gleich mit der Arbeit beginnen, das in klobigen Raumanzügen. Der Mars hat zwar eine geringere Schwerkraft, aber die Raumanzüge – die schon bei Apollo 84 kg wogen und seitdem schwerer wurden – gleichen das aus, zudem erfordern sie viel mehr Kraft bei den Bewegungen, weil die dicke Schutzschicht auch bewegt werden muss. Die Muskelmasse nimmt unter Schwerelosigkeit ab und zwar schnell, da spielt es keine Rolle ob man 90 oder 180 Tage unterwegs ist. Dagegen hilft Training, aber nur bedingt. Noch problematischer ist, das bei der Landung die zukünftigen Siedler mit mehr als den 0,4 g die der Mars als Schwerkraft hat belastet werden. Wenn sie da etwas tun müssen, und sei es nur Knöpfe drücken, dann ist das äußert schwer.

Die Problematik der Route

Die energiesparendste Route zum Mars sind Hohmannbahnen. Die Reisedauer auf ihnen hängt ab von der Entfernung der Planeten. der Mars hat eine sehr elliptische Umlaufbahn. Nähert er sich auf 207 Millionen km der Sonne so braucht man 237 Tage auf einer Hohmannbahn zum Mars, bei der maximalen Entfernung von 249 Millionen km sind es dagegen 280 Tage. Alle 15 / 17 Jahren wiederholen sich jeweils günstige bzw. ungünstige Startgelegenheiten. Die Abbildung erstellt mit dem NASA Trajectory Browser zeigt dies: Die Startgeschwindigkeit für einen Vorbeiflug, der einer Landung vorangeht, schwankt zwischen 3,5 und 4 km/s relativ zur Erdbahn, und man erkennt die Wiederholung der Fenster alle 15 bzw. 17 Jahre (jeweils im Wechsel, bei der Abbildung: 17 Jahre). Die Reisezeiten schwanken aber viel stärker als die Geschwindigkeit. Das NASA-Programm liefert für 2018/2025 eine minimale Dauer von 128 Tagen für die Reise. 2022 / 2037 sind es dagegen 304 und 320 Tage. Das heißt, wenn ich nur zum richtigen Zeitpunkt starte, kann ich viel Zeit einsparen, und benötige zudem eine geringe Startgeschwindigkeit. Allerdings ist der Preis für schnelle Routen eine hohe Ankunftsgeschwindigkeit: 7,85 und 7,32 km/s bei den schnellen Routen und 5,52 und 5,58 km/s bei den langen Routen. Geht man nun zu schnelleren Routen über, so steigt die Ankunftsgeschwindigkeit rasch an. Ideale Hohmannbahnen haben eine solare Geschwindigkeitsdifferenz von unter 4 km/s. Die solare Geschwindigkeitsdifferenz kommt vektoriell zur Fluchtgeschwindigkeit hinzu, auf die ein fallender Körper beschleunigt wird. So kommt man zu obigen (höheren) Geschwindigkeiten. Raumsonden haben daher beim Eintritt in die Atmosphäre bisher Geschwindigkeiten von 5,5 bis 7 km/s gehabt – eben die oben vom Trajectory Browser angegebene Geschwindigkeiten. Hier mal eine Tabelle, welche Folgen die schnellere Reise hat. Angenommen wird ein Mars in 228 Millionen km Sonnendistanz, also der mittleren Entfernung des Mars von der Sonne:

Reisezeit v Start v Ankunft solar v Ankunft planetar
259 Tage (Hohmann) 11,4 km/s 2,7 km/s 5,7 km/s
210 Tage 11,44 km/s 3,1 km/s 5,9 km/s
180 Tage 11,54 km/s 4,0 km/s 6,4 km/s
150 Tage 11,78 km/s 5,8 km/s 7,7 km/s
120 Tage 12,3 km/s 9,1 km/s 10,4 km/s
90 Tage 13,8 km/s 15,8 km/s 16,6 km/s
60 Tage 19,2 km/s 17,7 km/s 18,4 km/s
30 Tage 44,9 km/s 24,9 km/s 25,4 km/s

Zu der solaren Geschwindigkeit kommt noch die Beschleunigung durch den Mars. Die planetaren Ankunftsgeschwindigkeiten liegen zwischen 5,7 und 25,4 km/s. Die Fluchtgeschwindigkeit des Mars von 25 km²/s² macht bei steigenden Geschwindigkeiten immer weniger an der Gesamtgeschwindigkeit aus. Man sieht: die Startgeschwindigkeit von der Erde steigt zuerst nur langsam an, sehr kurze Routen benötigen aber eine hohe Startgeschwindigkeit. Die Ankunftsgeschwindigkeit steigt dagegen rasch an.

Abbremsen?

Beim Mars kommt nun erst mal die Problematik des Abbremsens. Denn die Marsatmosphäre ist dünn, so dünn wie in 40 bis 43 km Höhe auf der Erde je nach Temperatur. Ich habe mir mal das Video der Starship Landung 6 angesehen, die ja recht gut verlief. In 42 km Höhe ist es noch 7600 km/h schnell, das sind 2,1 km/s. Wäre dies der Mars, so müsste man 2,1 km/s abbremsen, wenn man mit derselben Geschwindigkeit ankommt (7,8 km/s entspricht in etwa der Ankunftsgeschwindigkeit bei 150 Tagen Reisedauer in der obigen Tabelle). Aber der Mars ist nicht die Erde. Seit 2006 umkreist der MRO den Mars in 320 km Höhe. Auf der Erde würde er sich bei den großen Solarpaneelen gerade mal einige Monate in dieser Höhe halten können. Der Treibstoffvorrat reicht aber noch bis 2034. Inklusive Lageänderungen braucht er nur 10 kg Treibstoff pro Jahr. Auf der Erde müsste man ihn in mindestens 520 km Höhe platzieren, also 200 km höher. Das zeigt: die Marsatmosphäre ist nicht nur viel dünner, ihre Dichte nimmt auch viel schneller ab. Das lässt nur einen kleinen Höhenbereich zu, in dem ein Starship passiv die Geschwindigkeit abbauen kann. Bei der Erde begann die Verzögerung, sobald 105 km Höhe passiert waren, beim Mars bei meiner Simulation erst in 59 bis 64 km Höhe je nach Ankunftsgeschwindigkeit und Masse. Im einen Fall hat man 105 km Höhe und 20 Minuten Zeit (IFT-6 Video) im anderen Fall ist in meiner Simulation die Oberfläche in 150 Sekunden erreicht und das Starship ist noch 1,3 km/s schnell.

Es kommt noch schlimmer: die Restgeschwindigkeit ist stark abhängig von der Masse. Ich habe mit 200 t gerechnet, also 100 t Starship und 100 t Nutzlast. Man benötigt aber Treibstoff um die 1,3 km/s zu vernichten und 100 t Masse ist recht wenig. Wäre die Nutzlastsektion so mit Geräten gefüllt wie die ISS, sie würde rund 250 t wiegen und ich würde bei einer Marsmission wo man viel schweres Gerät und Vorräte für mindestens 3 Jahre braucht, eher annehmen, dass sie noch schwerer ist. 100 t Zuladung ist aber für das Starship V2 erst mal das Ziel. Das Starship V3 soll 200 t erreichen. Mit 200 t Zuladung steigt die Landegeschwindigkeit auf 2,0 km/s und dafür bräuchte man 230 t Treibstoff um diese Geschwindigkeit abzubauen, welche die Masse weiter erhöhen und die Landegeschwindigkeit erhöhen wurden – eine negative Feedbackschleife.

Man wird also eine Bahn nehmen, die möglichst flach ist. Dem sind aber Grenzen gesetzt. Bei IFT-6 lag der erdnächste Punkt unter der Oberfläche. Das wäre auch beim Mars möglich, ist aber ungünstig, denn das führt zu einem steilen Winkel mit kurzer Abbremsdauer. Ein ganz flacher Winkel ist aber auch schlecht. Die Grafik zeigt die Vorbeiflugbahn am Mars, man sieht jenseits des nächsten Punktes steigt sie wieder an. Bei einem flachen Winkel wird das Starship nicht genügend abgebremst bevor es wieder ansteigt und verbleibt in einer Sonnenumlaufbahn oder Marsumlaufbahn je nach Abbremsung. Ich habe mit 6 Grad gerechnet, einem typischen Eintrittswinkel bei Apollomissionen.

Aktive Abbremsung

Realistisch wird man also nur bis zu einer bestimmten Höhe passiv abbremsen und dann die Triebwerke zünden um die Restgeschwindigkeit zu vernichten. Es gibt hier zwei Optionen:

Wir können eine bestimmte Beschleunigung halten oder wir können den Maximalschub halten. Der letzte Fall hat die geringere Brenndauer und geringeren Treibstoffverbrauch, führt aber zu einer hohen Belastung der Besatzung. Das derzeitige Starship hat einen Schub von 15000 kN, das sind bei 300 t Masse und 50 m/s Startbeschleunigung die noch ansteigt, mehr als beim Start, da werden die Astronauten bewusstlos, nachdem sie monatelang in einer 0 G Umgebung waren. Das geht nur, wenn die Landung voll automatisch ist. Wenn man dagegen mit konstanter Beschleunigung abbremst, kann man die Strecke berechnen, hier für 2 km/s die vernichtet werden müssen:

Beschleunigung Dauer Strecke Zusatzaufwand
4 m/s (Mars Oberflächengravitation) 500 s 500 km 2000 m/s
10 m/s (Erde Oberflächengravitation) 200 s 200 km 800 m/s
15 m/s (Shuttle maximale Belastung bei der Landung) 133,4 s 133,4 km 530 m/s
30 m/s (Shuttle maximale Belastung beim Start) 66,7 s 66,7 km 265 m/s

Da ich nicht weiß wie es bei den derzeitigen Gefährten bei der Rückkehr ist habe ich das Space Shuttle als Referenz genommen, das war aber für Missionen von maximal 30 Tagen Dauer und damit geringerem Abbau ausgelegt.

Die Strecke ist vektoriell zu sehen, also nicht als Höhe. Bei einem typischen Eintrittswinkel von 6 Grad entfallen von den 2 km/s nur etwa 200 m/s für die vertikale Geschwindigkeit, die man zuerst vernichten muss, denn in selbst in 67 Sekunden würde man sonst bei Berücksichtigung der hinzugekommenen Gravitation des Mars um 15 km fallen.

Die letzte Spalte zeigt die Krux: während die Triebwerke laufen, zieht der Mars mit knapp 4 m/s weiter an und diese dabei über die Zeit akkumulierte Geschwindigkeit muss man ebenfalls vernichten. Das führt zu einer Spirale: man braucht mehr Treibstoff, dadurch steigt die Masse an und die Abbremsung durch die Atmosphäre ist geringer, was wiederum zu einer höheren Restgeschwindigkeit führt. Realistisch würde ich daher das zweite Szenario nehmen, schon 50 m/s Startbeschleunigung würden die Brenndauer auf 40 Sekunden verkürzen und die Strecke auf 40 km und den Zusatzaufwand auf 160 m/s. Leider braucht man selbst dazu dazu 175 t Treibstoff, was die Landgeschwindigkeit auf 3,2 km/s erhöht. Damit braucht man aber noch mehr Treibstoff (obige Rechnung ging von 2 km/s aus).

Meine Simulation ist rein ballistisch, realistisch hat ein Starship aber einen Auftrieb, der das sinken verlangsamt, die Strecke verlängert und damit auch die Landegeschwindigkeit. Aber viel erhoffen sollte man sich davon nicht. Die Viking lander hatten eine Masse von 66 kg/m² abbremsende Fläche. Vor der Fallschirmöffnung war er noch knapp 400 m/s schnell. Ein Starship hat bei 300 t Masse eine Flächenbelastung von 667 kg, also mehr das Zehnfache und dürfte entsprechend schneller sein wenn die Höhe erreicht wird wo man die Triebwerke zündet. Ich glaube kaum, dass ein Starship auf eine niedrige Geschwindigkeit aerodynamisch abgebremst werden kann – bei IFT-6 war es in der Höhe die dem Druck beim Mars dem Oberflächendruck entspricht, ja auch noch 2,1 km/s schnell. Bei 2,1 km/s wäre aber selbst im günstigsten Fall bei 300 t Startmasse die Nutzlast nur noch 50 t schwer. Macht man die Tanks voller, so kommt man in die oben beschriebene Spirale aus immer höherer Restgeschwindigkeit, die dann immer mehr Treibstoff nötig macht, was wiederum das Gewicht erhöht und damit die Restgeschwindigkeit. Es gibt aber immerhin hier eine Obergrenze: Beim Starship V2 passen maximal 1.500 t Treibstoff in den Tanks. Die Nutzlast kann maximal 100 t betragen, bei 100 t Leermasse wiegt das Starship noch etwa 600 t, wenn es die Erdeinflusssphäre verlassen hat, davon 400 t Treibstoff, die die Geschwindigkeit um maximal 3800 m/s ändern können.

Fazit

Ich glaube, dass man keine realistische Chance hat das Starship weich zu landen. Es ist einfach zu schwer, die Restgeschwindigkeit zu hoch und der Treibstoff denn man dafür braucht, erhöht die Masse weiter. Aber das ist ehrlich gesagt das kleinste Problem. Bei der Vorgehensweise von SpaceX „Trial and Error“ haben sie nach neun Starts kein Starship das operativ ist, das zehnte ist kürzlich sogar vor dem Start explodiert. Auf der Erde können sie jederzeit einen neuen Versuch unternehmen, geplant war nach IFT-9 ja ein Start alle drei bis vier Wochen. Beim Mars wäre ein Fehler noch katastrophaler und da ein Fehler ja systematisch alle Landungen betrifft, würde es auch nicht nützen, pro Startfenster mehrere Starships auf den Weg zu bringen. Wenn sie, wie bei der Erprobung, in den letzten Jahren mindestens 10 Flüge brauchen bis es operativ ist, dann sind das beim Mars 10 Startfenster im Abstand von 26 Monaten, also knapp 22 Jahre. Ob Investoren so lange Geduld haben?

9 thoughts on “Die schwierige Landung des Starships auf dem Mars

  1. Ich sehe ja eines der Hauptprobleme bei einer Marskolonisation (gerade in der frühen Phase) nicht in der kürzesten möglichen Flugzeit sondern die längeste „Reaktionszeit“ also von der Entscheidung wir brauchen einen Flug von der Erde zum Mars (oder umgekehrt) bis die Rakete ankommt. Mit schneller fliegenden Raketen kann man da die Zeiten in der es keinen Sinn macht zu starten verkürzen.

    Das Problem ist das man mit dem Starship zu viel will. Es ist in der Grundlegenden auslegung (wenn alle so funktionieren würde wie geplant) eine gute Rakete für Erde/LEO. Die Idee das Starship dann auch für die Reise und für die Landung zu verwenden verstehe ich nicht. Gerade wenn man viele tausende Tonnen zum Mars bringen will sollte man für alle Flugphasen ein spezialisiertes Raumschiff haben. Da könnte man dann z.B. bei dem Marslander mit großen Flächen arbeiten um etwas mehr Aerodynamisch zu Bremsen.

    1. Den Sinn deines ersten Absatzes verstehe ich nicht. An den Startfenstern ändert eine schnellere Route nämlich nichts, jenseits deren steigt die Geschwindigkeit, die man braucht schnell an und zwar so das man mit 1 km/s mehr vielleicht einige Wochen raus holt, aber das ist wenig im Vergleich von den 26 Monaten zwischen zwei Fenstern. Es bleibt dabei: wenn man nicht sicher ist das die Besatzung mindestens 3 Jahre ohne Versorgung/Hilfe auskommt, sollte man nicht starten, das gilt auch für den Fall das man die Reise abbricht.

  2. Die Investoren haben schon bei Tesla nichts zu melden. Das ist ein Börsenunternehmen. SpaceX ist ein privates Aktienunternehmen. Keine Chance das Investoren ungeduldig werden könnten.

    Starship ist für Langzeit Flüge mit Menschen meiner Meinung nach zu klein. Fracht ja, Passagiere eher nicht. Starship ist für kurze Transferflüge Erde-LEO und Marsorbit-Mars. Für Erde-Mars braucht man Raumschiffe ähnlicher Größe/nutzbares Volumen wie die ISS.

    Warum sollte man die Infrastruktur erst nach der Landung bauen? Erst bauen und wenn es fertig ist und getestet wurde von der Erde losfliegen.

    Ob SpaceX die Ressourcen hat ein Mars Programm gleichzeitig mit HLS durchzuführen bezweifele ich ein bisschen. HLS ist verspätet und wenn ich die NASA wäre hätte ich wenig Verständnis für irgendwelche Abenteuer am Mars. Es sei den man testet für den Mond. Das Tanken, Langzeittest Starship oder ähnliches. Außerdem hat man noch nicht gesagt was man auf dem Mars landen will. Ich bezweifele das es mehr als Testhardware sein wird. Nichts teures. Muss man das Mars Raumschiff nicht am Mars auftanken wenn es zur Erde starten soll für eine Rückreise? Dann kann man auch tanken vor der Landung.

  3. Hallo Bernd,
    danke für die ausführliche Rechnung. Nur als Gedankenspiel: hätte man eigentlich mit dem Space Shuttle zum Mond fliegen und eine Mondfähre mitnehmen können? (Vorausgesetzt natürlich, man hätte im Orbit sowas wie einen vollen Extratank einklinken können.) Oder wäre der Orbiter prinzipiell zu schwer gewesen, um die nötigen Beschleunigungen und Bremsungen hinzukriegen? Er hätte ja sicher zweimal beschleunigen und zweimal aktiv bremsen müssen, um heile wieder anzukommen.
    Vielen Dank für eine Antwort.
    Mark B.

    1. Ich glaub mich erinnern zu können, dass es tatsächlich einen Vorschlag gab, damals während der frühen Shuttle-Euphorie als das Teil wirklich für alles vorgeschlagen wurde (einschlielich Laser-bewaffneter Raumkreuzer). Ob das aber auch nur irgendwie realistisch war oder nur bunte, Promo-Bilder, weiß ich nicht. Informationsquelle: das raumfahrthype-Blatt überhaupt, PM (ja, ich weiß) irgendwann um 1981/82.

  4. Ich rechne ja gerne Gedankenexperimente durch, aber sinnvoll sollten sie schon sein. Was für einen Sinn macht es ein 80+ tonnen schweres Gefährt zum Mond zu transportieren wenn man mit ihm nicht landen kann? Außerdem stellt sich die Frage wie man den externen Tank voll bekommt, da bräuchte man noch mehr Tankflüge als beim Starship.

    John Young hat aber eine Shuttle-Based Alternative zur SLS vorgeschlagen, das wäre realistisch gewesen. Ist aber ansonsten völlig off-topic.

      1. Na ja das starship soll ja landen können und ein Shuttle bräuchte noch mehr Tankerflüge und Wasserstoff verdampft leichter. Aber ich rechne vielleicht mal Youngs Shuttle-dervied SKLS mal an dieser stelle durch.

  5. https://www.nytimes.com/2025/06/26/opinion/peter-thiel-antichrist-ross-douthat.html?unlocked_article_code=1.R08.bH42.JucGHM_drGRK

    Aus diesem Interview wird aktuell im Netz hauptsächlich dieser Teil hier zitiert:

    „This is a conversation I had with Elon back in 2024, and we had all these conversations. I had the seasteading version with Elon where I said: If Trump doesn’t win, I want to just leave the country. And then Elon said: There’s nowhere to go. There’s nowhere to go.

    And then you always think of the right arguments to make later. It was about two hours after we had dinner and I was home that I thought of: Wow, Elon, you don’t believe in going to Mars anymore. 2024 is the year where Elon stopped believing in Mars — not as a silly science tech project, but as a political project. Mars was supposed to be a political project; it was building an alternative. And in 2024 Elon came to believe that if you went to Mars, the socialist U.S. government, the woke A.I. would follow you to Mars.“

    Was wieder mal zeigt was die Valley Techbros an Lack saufen.

    Das Argument, dass die „Links-Grünen“ die WAHREN Nazis sind, ist in libertären Kreisen nichts Neues.. Das habe ich schon vor 15 Jahren gehört, als der gute alte Original-Mars-Spinner Robert Zubrin ein ganzes Buch mit dem Titel „Merchants of Despair“ darüber schrieb. Für Leute wie ihn sind alle „Fortschrittsfeinde“ das pure Böse.

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