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Der Flug zum Mars: Elemente

Einleitung

Es gibt nicht die Mission zum Mars. Anders als beim Mond sind eine Reihe von Missionen denkbar. Innerhalb eines Grundtypus gibt es dann auch noch verschiedene Variationen. Welche die optimale ist, muss sich noch zeigen, da die Vor und Nachteile ohne eine die genaue Kalkulation schwer nachzuvollziehen sind. Im Endefekt läuft es immer darauf hinaus die kosten insgesamt möglichst gering zu halten. Ohne die genaue Kostenaufschlüsselung geht dies aber nicht. So plädieren einige Verfechter dafür Treibstoff auf dem Mars zu gewinnen. Dies spart Transportkosten, da man den Treibstoff nicht von der Erde zum Mars bringen muss. Gegener dieser Idee sagen dagegen, dass die Entwicklung dieser Technologie teurer kommt, als die zusätzlichen Transportkosten.

Ich möchte die Elemente einer möglichen Marsmission, so wie sie in ähnlicher Form mehrfach in Plänen vorkommt skizzieren. Diese Elemente wird man auch in anderen Szenarien finden, aber vielleicht in anderer Form

Missionsablauf

Vor der Besatzung starten unbemannt von der Erde aus:

Es handelt sich also um mindestens 4 Flüge, bei Aufteilung in kleinere Subsysteme, können es auch mehr sein. Das hängt auch davon ab, welche Nutzlast die Trägerrakete hat.

Wiefiel Lebensraum braucht ein Mensch?

Das Gewicht ist ein wichtiger Punkt bei einer Expedition zum Mars. Für jedes Kilo mehr braucht man einige Kilo Treibstoff. Ganz besonders viel ist es bei der interplanetaren Station die zuerst die Erde verlässt, dann in einen Marsorbit einschwenkt und diesen wieder verlässt. Für jeden dieser Schritte braucht sie Treibstoff.

Die Begrenzung des Volumens ist daher eine wichtige Maßnahme um die Masse zu begrenzen. Rekativ gut untersucht ist der minimale Platz den ein Mensch braucht um seine volle Leistungsfähigkeit beizubehalten. Für 60 Tages Missionen sind dies 15-17 m³, für eine Marsmission etwa 25 m³ als Minimum. Das ist natürlich eine sehr große Platzeinschränkung. Die Salyut Raumstationen hatten ein Gesamtvolumen von 100 m², wobei man davon aber noch das von Geräten und Einrichtungen belegte Volumen abziehen muss. Bei einem Anteil von 50 % entspricht dies relativ genau den 25 m³ bei der Stammbesatzung von 2 Bewohnern.

Mehr Platz erhöht den Komfort, allerdings nur bis zu einer gewissen Grenze, ab der mehr Raum nicht mehr die Lebensqualität steigert. Dies ist oberhalb etwa 100-200 m³ Volumen der Fall. Alle Angaben beziehen sich auf das freie Raumvolumen, also nicht das Gesamtvolumen, da ja noch Möbiliar, Schränke und die geamten Lebenserhaltungsysteme einschließt.

Die ESA hat bei einer studie 75 m³ pro Person vorgesehen, davon 37.5 m³ freies Volumen und der rest für Systeme, Vorratsbehälter, Einrichtung etc. Das entspricht dem Volumen von Columbus, das 75 m³ Raumvolumen bietet und 6.87 m lang ist und 4.2 m Durchmesser aufweist. Übertragen auf ein Marslabor mit 2.5 m hohen Geschossen wäre es ein Raum von 30 m² Größe, der zur Hälfte mit Schränken gefüllt wäre, wenn diese an den Wänden wären bliebe z.B. in der Mitte ein Restraum von 4 x 3.75 m zum Leben.

Interplanetare Station

Die Station zur Reise wird praktisch nur Wohnquartier sein. Es macht keinen Sinn hier mehr als die absolut nötige Mindesmasse mitzuführen, also Experimente oder ähnliches. Hauptaufgabe der Besatzung wird es sein ihre fittness über die Reise aufrecht zu erhalten. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Der zuerst einfachste Vorschlag ist es die Raumstation nach Verlassen des Erdorbits von der Antriebsstufe (die immer noch etwa die Hälfte ihres Treibstoffs hat) abzutrennen und diese an einem Stahlseil hinterher zu ziehen. Durch Rotation um den gemeinsamen Schwerpunkt könnte man eine künstliche Gravitation erzeugen, die den sonst unvermeidlichen Muskelmasse und Knochensubstanzschwund verhindert.

Alelrdings hat diese zuerst so einfach aussehende Lösung auch gravierende Nachteile:

Für Feinkorrekturen der Bahn und das Einschwnken in den Marsorbit muss die Rotatioon gestoppt weren und beide Teile wieder fest verbunden werden.

Die künstliche Schwerkraft erzeugt auch eine Belastung auf die mechanischen Teile, da sie über die Länge different. Weiterhin wird eine zusätzliche, senkrecht dazu wirkende Kraft induziert die vor allem das Gleichgewichtsorgan der Astronauten verwirrt.

Die kommunikation mit Richtantennen wird durch die Rotation stark erschwert.

Einfacheer scheint es zu sein, an Bord der Station auf einem Deck eine Zentrifuge auufzustellen. Die ESA hält es möglich eine solche zusammenfaltbar zu entwickeln und dann erst im Orbit aufzubauen. bis zu  7 m Durchmesser sollen so möglich sein. In dieser Zentrifuge müssten sich die Astronauten dann über mehrer Stunden pro Tag aufhalten.

Eine Gewichtsabschätzung erlaubt die Skylab Raumstation. Der reine wohnraum OWS hatte 292 m³ Wohnvolumen bei 35830 kg Masse. Für die 450 m³ die eine sechsköpfige Besatzung braucht, result dann eine Masse von 55 t, dazu kommt noch das Lebenserhaltungssystem mit Vorräten, das nach einer Abschätzung (siehe Teil 4) etwa 10 t wiegt. Diese Masse muss zuerst zum Mars gebracht werden,, dann dort in eine Umlaufbahn einschwenken und nach dem Forschungsaufenthalt wieder zurück fliegen. Eine Abschätzung mit optimistischen Annahmen über die Geschwindigkeit (4000 m/s von der Erde zum Mars, jeweils 1100 m/s um in eine umlaufbahn zu gelangen und 1100 m/s zurück zur Erde) ergibt dass man im Erdorbit etwa 360 t bei leistungsfähigen chemischen Treibstoffen bringen muss um diese 65 t auf eine Reise zum Mars und zurück zu befördern. Das sind 3 Starts einer Ares V.

Daher glaube ich dass diese Station kleiner sein wird. sie wird gerade so viel Platz zur Verfügung stellen wie man braucht um zu leben. Wegfallen könnte z.B. der Fracht und Stauraum weitgehend. Bei 40 m³ pro Person reduziert sich die Masse z.B. um 25 t auf 40 t, das reduziert die Startmasse im Erdorbit auf 220 t, oder es sind nur noch zwei Ares V Flüge nötig.

Die Interplanetare Station dürfte eine große Ähnlichkeit mit einem heutigen ISS Labormodul haben. Zur Gewichtsrduktion dürfte es aber kürzer und brauchiger sein. Bei 7.5 m Maximaldurchmesser (Vorgabe durch die Trägerakete Ares V mit 8,38 m Durchmesser) wäre es 5.6 m hoch, was zwei Geschoße mit jeweils 43 m² Wohnfläche ermöglicht.

Zwischen Wohnmodul und Antriebsstufe liegt das Lebenserhaltungssystem mit Solarzellen zur Stromversorgung. An der Außen seite befinden sich Radiatoren zur Wärmeabgabe und Kommunikationsantennen zur Kommunikation mit der Erde. Am Anderen Ende ist ein Kopplungsadapter  Dort steigt die Besatzung in der Erdumlaufbahn ein und koppelt später an die Lande und rückstartstufe an.

Marshabitat

Dies ist der Wohn- und Arbeitsraum der Besatzung auf dem Mars. Auf dem Flug zum Mars ist sei von einem aerodynamischen Schutzschild umhüllt, der sie beim Eintritt in die Marsumlaufbahn schützt. Auf dem Flug zum Mars ist eine kleine Raketenstufe angebracht.

Auch hier gibt es ein Gewichts- und Größenprobelm. Zum Habitat selbst: Die Ares V hat heute einen Durchmesser von 8.38 m. Eine Nutzlasthülle die 50 % größer ist (wie sie es schon bei der Titan 4 gab) könnte 12 m Durchmesser haben, wobei dann die Nutzlast selbs11 m Durchmesser aufweisen kann. Das wäre bei 450 m³ Volumen ausreichend für ein zylinderförmiges Habitat von 11 m Durchmesser und 4.7 m Höhe, also zwei Geschosse von 2.2 m Höhe. Der Wohnraum betrögt dann 190 m² für 6 Personen.

Die Problematik ist die Masse von etwa 55 t, wozu dann noch 21 t für das Lebenserhaltungssystem kommen. Dies muss weich gelandet werden. Man braucht dazu einen Hitzeschutzschild und Triebwerke. Alles zusammen dürfte dies mit einer kleinen Kommunikationseinheit und Treibstoff für Kurskorrekturen sicherlich etwa 130-140 t Startmasse ausmachen. Das ist noch zu stemmen.

Das Hauptproblem ist es jedoch die Große. Wie im Teil 3 erläutert muss der Hitrzeschutzschild für ein solch schweres Gerät bei der dünnen Marsatmosphäre viel größer sein als auf de Erde, man kommt aufgrund der Extrapolation bestehender Raumsonden auf  sehr große Flächen die benötigt werden: 450 m² - das entspricht einem kreisförmigen Hitzeschutzschild von 23 m Druchmesser.

Dieser ist nicht in einem Stück transportierbar. Es gibt Ideen für aufschäumbare oder aufblasbare (durch Innendruck versteifte) Hitzeschutzschilde. Der einfachere Weg dürfte wohl ein segmentierter Hitzeschutzschild sein, der vor dem start in der Erdumlaufbahn zusammengebaut wird oder durch Mechanik seine form einnimmt.

Eine Reduktion der Strtmasse würde das Problem natürlich auch lösen. doch wird man hier wenig machen können. Um auf einen Schild von 11 m Durchmesser zu kommen, wie er in einem Stück transportiert werden könnte, müsste man anstatt einem Habitat deren 4 starten. Das würde zwar gehen, es gäbe dann wahrscheinlich 2-3 Wohnquartuere und 1-2 Arbeitsquartiere, doch die unbemannte Landung in räumlicher Nähe dürfte nicht leicht sein.

Das Marshabitat wird neben den Wohnquartieren auch Labors beinhalten in denen die Besatzung Bodenproben voruntersucht um die interessantesten auszuwählen für die Rückführung zur Erde.

Stromversorgung, schweres Gerät

Die Besatzung soll den Mars erforschen. Dazu benötigt sie Ausrüstung: Einen rover um sich fortzubewegen, Bohrgerät, Ausrüstung wie Anzüge, Lebenserhaltungssystem für diese. Man braucht einige tonnen an Wasser, Lebensmittel, Gasen. Eine Stromversorgung die nicht nur das Habitat mit Strom versorgt, sondern auch dei Energie zum Heizen liefert und die Akkus der Rover und der Ausrüstung auflädt.

Teilweise ist dies zu sperrig um es mit dem Habitat zu transportieren, wie ein Marsmobil. Doch selbst wenn es räumlich möglich ist: Es belegt Platz und das würde das Mars Habitat noch größer machen. Auch aus logistischen Gründen ist es besser mehrere Starts zu haben als einen großen, da man dann auch für den Start in die Erdumlaufbahn weniger starts braucht (pro Start zum Mars).

Das Habitat wird eine rudimentäre stromversorgung haben, z.B. durch Solarzellen auf dem Dach und eventuell eine Heizung durch Radioisotopenelemente - Deise sind zwar teuer, liefern aber große Mengen von Abwärme. Damit ist ein Überleben der Besatzung garntiert. Die voirdringliche aufgabe ist es aber dann in den ersten Tagen und Wochen die nahe der Station gelandete Ausrüstung in kontainern auszuladen und betriebsbereit zu machen. Solarzellen müssen aufgestellt weerden und an das Habitat angeschlossen werden, kontainer mit Vorräten umgeladen werden.

Manche Szenarien sehen auch eine Treibstoffproduktion auf dem Mars vor um die Startmasse rapide zu verringern. Teilweise soll auch die interplanetare Station wegfallen und die Besatzung nur im Habitat leben, welches dann direkt auf dem Mars landet und zuürckkehrt (Mars direct Plan von Dr. Zurbrin). Dann benötigt man viel mehr Strom um aus mitgeführtem Wasserstoff und kohlendioxid aus der Luft Methan als Treibstoff und Sauerstoff als Verbrennungsträger herzustellen.

Aus 4 t Wasserstoff kann man so 16 t Methan und 32 t Sauerstoff herstellen. Doch benötigt man dazu einen Reaktor um die spaltung bei hohen Temperaturen durchzuführen und dieser Reaktor braucht sehr viel Energie. Dann ist schon eine nukleare Energieversorgung nötig. Solarzellen sind dann wegen der großen Flächen unpraktikabel.

Lander + rückstartstufe

Die Besatzung muss von dem Orbit von der interplanetaren Station aus auf dem Mars landen und später wieder zurückkehren. Weiterhin muss die Besatzung nach etwa 550-600 Tagen zurück in den Orbit. Diese beiden Ttansfers kann man trennen, praktischerweise wird man aber einen Lander auf eine Raketenstufe setzen und diese dann zuerst in einen Orbit um den Mars senden. Dort steigt die Besatzung in die Stufe um, landet auf dem Mars, begiebt sich zu dem Habitat und lebt dort 600 Tage. Nach dieser Zeit llädt die Bodenproben und andere Ergebnisse in die Kapsel um und kehrt in den Orbit zurück. Die Raketenstufe wird abgekoppelt. Die Kapsel bleibt angekoppelt. mit ihr kehrt die Besatzung nach der interpkantaren Reise auf die Erde zurück, währned die Raumstation auf einer Umlaufbahn zwischen Erde und Mars verbleibt.

Die entwicklung dieses Landers acht nun weiatus weniger Probleme als bei den anderen Komponenten. Es kommen schon bewährte Komponenten zum Einsatz wie Kapseln ähnlich bei Orion oder Antriebe mit lagerfähigen Treibstoffen wie beim Mondlander. Gewinnt man den Treibstoff auf dem Mars so ist der Aufwand größer, da man ihn kühlen muss und Methan und Sauerstoff weder selbstentzündliche noch lagerfähige Treibstoffe sind. Dafür ist eine gravierende Gewichtsersparnis möglich.

Zusammenfassung:

Zum Mars wird es mindestens 4 Flüge geben, wobei jeder Flug sich wiederum aus einem oder mehreren Starts einer Schwelastrakete zusammensetzt. Nur einer davon ist bemannt.

Sinnvollerweise wird man die unbemannten Flüge dem bemannten auf einer schnelleren Bahn vorrausschicken. So weiss man wenn diese beim Mars ankommen, ob eine Landung überhaupt Sinn macht. Wenn nicht, so kann die Besatzung wieder zur Erde zurückkehren. Es wäre sogar möglich diese Komponenten ein ganzes Startfenster vor der Besatzung zu entsenden, dann könnte man den Start der Besatzung ersparen, wenn eine der Komponenten versagt. Bei den unbemannten starts besteht auch die Möglichkeit diese mit ionentriebwerken zum Mars zu bringen, da man hier nicht die Resiecdauer minimieren muss um einem Abbau der Knochen- und Muskelmasse bei den Astronauten zu vermeiden.

 

© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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