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Ein bewohnbarer Mars?

Einleitung

Noch ist kein Astronaut zum Mars geflogen, da schwirren in den Köpfen mancher Weltraum-Enthusiasten schon Pläne dafür den Mars zu verändern, ihn bewohnbar zu machen. Dieser Artikel soll diesem auf den Grund gehen und erläutern wie wirklichkeitsgetreu dies ist.

Eine kleine Geschichte des Mars

Als Mars und Erde sicht entwickelten hatten sie dieselbe Atmosphärenzusammensetzung. Die ursprüngliche Atmosphäre entstand durch das Ausgasen der Gesteine und durch einschlagende Kometen. Sie bestand aus Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff mit Spuren von Methan, Ammoniak und Kohlenmonoxid.

Bedingt durch ihre größere Nähe zur Sonne dürften die Kollisionen von Körpern mit der Erde heftiger gewesen sein und ihre Atmosphäre dichter, auch weil sie als schwerer Körper mehr Kometen anziehen konnte. Dann begannen sich die Planeten abzukühlen und das Wasser fiel als Regen vom Himmel. Auf der Erde gab es dadurch die Meere. Auf dem Mars gab es auch zuerst Meere, wenn auch nicht so tiefe. Dann zeigte sich aber der große Unterschied zwischen beiden Himmelskörpern : Mars ist kleiner und weiter von der Sonne entfernt. Er kühlte rascher aus und seine geringe Schwerkraft konnte leichte Moleküle nicht halten. Sehr bald gefror das Wasser zu Eis und sublimierte direkt in den Gaszustand und die Atmosphäre wurde immer dünner wodurch es noch kälter wurde. Weiterhin zeigten die Viking Messungen dass der Mars tektonisch nicht so aktiv war wie die Erde. Das Argon 40:36 Verhältnis ist 10 mal kleiner als auf der Erde. Nach den Viking Daten ist es unwahrscheinlich, dass der Mars jemals eine dichtere Atmosphäre als eine mit 100 mb Druck besaß. Leider landete seitdem keine Raumsonde mehr mit einem Gaschromatograph oder einem Massenspektrometer um die Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen.

Auf der Erde liefern heute noch Vulkane ständig Gas in die Atmosphäre, auf dem Mars ist nach den gängigen Theorien die Periode mit vulkanischer Aktivität vor rund 3.5 Milliarden Jahren zuende gegangen. Heute ist der Mars sehr kalt. Die Atmosphäre extrem dünn. Das Vorkommen von Wasser ist eine der großen Unbekannten. Es gibt sichtbare Permafrostgebiete und Polkappen aus Eis, ebenso wurden unterirdische Eisgebiete entdeckt. Mars Express Beobachtungen zeigen auch gefrorene Seen. Wie viel Wasser es auf dem Mars gibt ist leider heute noch eine Spekulation. Die Schätzungen gehen von einer globalen Schicht von 3-10 m bis 500 m aus. Der erste Wert resultiert wenn man alle beobachteten Wasservorkommen verteilen würde. Der letzte Wert ist der des Wassers, das der Mars zu Beginn seiner Evolution besessen haben muss. Der Großteil dieses Wassers muss heute allerdings unter der Oberfläche stecken. Die meisten Schätzungen halten heute einen Obergrenze von 30-100 m für realistisch.

Die Atmosphäre ist deswegen so dünn, weil der Mars mit seiner geringen Schwerkraft leichte Moleküle nicht halten kann. Wasser verliert er laufend. Das ist auch der Grund, warum die Atmosphäre vorwiegend aus Kohlendioxid (Atommasse 44) besteht, obwohl der Mars wie die Erde und Venus bedeutende Mengen an Stickstoff (Atommasse 28) aufweisen müsste - aber er hat diese verloren. Neben der geringen Gravitationskraft tut die Sonne ihr übriges: Der Sonnenwind prallt ohne Magnetfeld auf die obere Atmosphäre und reist dabei diese mit. Heute verliert der Mars noch 500 t Wasser pro Tag. Aber auch größere Moleküle verliert er. Die Isotopenmessungen von Viking ergaben, dass der Stickstoffgehalt heute nur ein 20.stel des ursprünglichen Gehaltes entspricht. Kohlendioxid verliert der Mars am wenigsten, das es das schwerste Molekül in seiner Atmosphäre ist. Heute verliert der Mars nach den Aspera Messungen von Mars Express in etwa 1 kg/s Atmosphäre pro Tag, Das deckt sich recht gut mit den Modellen die einen Verlust von 152 t pro Tag vorhergesagt haben. Das bedeutet aber auch, dass eine vom Menschen erzeugte Atmosphäre nicht von Dauer sein wird.

Die derzeitige Atmosphäre mit einer Masse von 2.2 x 1016 kg sollte sich in etwa 200 Millionen Jahren verflüchtigt haben. Der Verlust des Mars ist sogar kleiner als der der Erde (2-3 kg/s), da seine Atmosphäre aber 160 mal dünner ist, wirkt er sich stärker aus. Es gibt an den Polen noch gefrorenes Kohlendioxid. Dieses macht weitere 1.0 x 1016 kg. Der Luftdruck könnte also noch auf Werte von etwa 9 mb steigen wenn dieses bei höheren Temperaturen sublimiert. Weitere Vorkommen werden in Permafrostboden und Regolit vermutet.

Wie weiter unter erläutert ist die Umlaufbahn und Polachsenneigung des Marses nicht stabil. Es kommt daher immer wieder zu kälteren und wärmeren Perioden. Aufnahmen von Marssonden zeigten, dass in der jüngeren Vergangenheit dadurch Wasser sich flüssig  halten konnte, eventuell die Temperaturen sogar soweit ansteigen, dass Teile des Peramfrostbodens abschmelzen. Leider sind diese Veränderungen (die auch einhergehen müssen mit einem gestiegenen Bodendruck und einem höheren Treibhauseffekt) nicht von Dauer.

Venus - Erde - Mars 3 Planeten, 3 Entwicklungen

VenusWir haben heute die Vorstellung, dass alle 3 erdähnlichen Planeten während ihrer Frühzeit sich ähnlich entwickelt haben. Aufgrund der Größe und des Sonnenabstandes liefen die Entwicklungen aber auseinander.

Alle 3 Planeten waren am Anfang heiß, weil noch häufige Einschläge die Oberfläche aufrissen und Energie durch den Aufschlag frei wurde. Zugleich gab es noch mehr radioaktive Elemente mit kurzer Halbwertszeit welche Hitze brachten. Zuletzt war die Sonne damals noch aktiver als später.

Alle drei Planeten haben damals eine Atmosphäre aus Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff besessen. Auf der Erde kondensierte irgendwann, als sie langsam abkühlte das Wasser aus und damit verringerte sich der Treibhauseffekt. Weiterhin wusch das Wasser auch einen Teil des Kohlendioxids aus. In der Folge konnte sich auf der Erde das Leben entwickeln. Bei der Venus war dies nicht möglich. Die Venus erhält durch ihre Sonnennähe etwa doppelt so viel Energie. Es wurde niemals so kalt, dass das Wasser ausfallen konnte. Wie genau es weiter gegangen ist, darüber streiten die Wissenschaftler. Doch in einem sind sie sich einig: Es wurde niemals unter 100 Grad "kalt". Wasser ist auch ein Treibhausgas und nach manchen Berechnungen könnten die Temperaturen sogar auf noch höhere Werte als heute - bis zu 800 °C wurden genannt - gestiegen sein. Die UV Strahlung der Sonne spaltete das Wasser auf und der Sauerstoff reagierte mit dem Gestein. Der Wasserstoff entwich in das All. Messungen des Deuterium/Wasserstoffverhältnisses in der Atmosphäre zeigten, dass die Venus in ihrer Vergangenheit sehr viel mehr Wasser als heute, annähernd so viel wie die Erde besessen haben muss.

Gleichzeitig führte die hohe Temperatur zu einer weiteren Freisetzung von vulkanischen Gasen bis schließlich die heutige Venus entstand mit einer Atmosphäre von 90 Bar Druck und Oberflächentemperaturen von 480 Grad Celsius. Auch auf der Erde wurde über geologische Zeiträume soviel Kohlendioxid freigesetzt. Nur haben Organismen dieses alles längst aus dem atmosphärischen Kreislauf entzogen. Enorme Mengen an Kohlendioxid stecken in Carbonatgesteinen und fossilen Brennstoffen. Die heutige Menge in der Atmosphäre ist weniger als 1/50000 stel des in Sedimenten, Karbonatgesteinen und fossilen Lagerstätten befindlichen Kohlenstoffs. Würde man dies alles freisetzten, so hätte die Erde eine Kohlendioxidatmosphäre mit 16 Bar Druck.

ErdeDer Mars war in einer viel schlechteren Position. Zum einen war er kleiner. Das bedeutete eine geringere geologische Aktivität und damit einer geringere Freisetzung von vulkanischen Gasen. Zum zweiten war er weiter von der Sonne entfernt. Ohne Magnetfeld war er auch mehr dem Sonnenwind ausgesetzt als die Erde. Auch beim Mars gehen die Meinungen über die Details der Entwicklung auseinander. Doch die grundsätzliche Entwicklung ist unstrittig. Auf den ersten Blick war Mars vor 4.5 Millionen Jahren der Erde ähnlich. Er hatte eine Atmosphäre und flüssiges Wasser. Jedoch war die Atmosphäre niemals so dicht wie bei der Erde und auch der Nachschub durch Vulkane geringer. Dafür forderte die Sonne ihren Tribut. Der Sonnenwind ionisierte Teilchen die dann leichter den Mars verlassen konnten als Moleküle. UV Strahlung spaltete die Moleküle ebenfalls auf.

Solange die Vulkane aktiv waren konnte der Mars eine Atmosphäre halten. Sie glichen die Verluste aus. Die größer waren, da durch die geringere Fluchtgeschwindigkeit von 5 anstatt 11 km/s auch Moleküle wie Wasser den Mars verlassen können. Als die Aktivität jedoch zurückging sank die Wassermenge in der Atmosphäre und auf dem Mars wurde es kalt. Das Wasser gefror und die Atmosphäre wurde langsam immer dünner, weil flüchtige Gase verloren gingen, bis sie fast nur noch aus Kohlendioxid bestand. Weiterhin gab es wie bei der Venus Reaktionen zwischen Oberflächengestein und Atmosphäre Hier reagierte der Sauerstoff der durch UV Strahlung aus Wasser und Kohlendioxid freigesetzt wurde mit dem Boden und oxidierte ihn. Die rostrote Farbe des Mars kommt von den oxidierten Eisenverbindungen im Boden.

Eines ist sicher. Es gab im Zeitraum von 4 Milliarden bis 3.6 Milliarden Jahren große Mengen an flüssigem Wasser. Es formte die heute noch sichtbaren Täler und Flüsse. Damit der Mars das Wasser halten konnte musste die Atmosphäre dichter sein. Wie dicht darüber gehen die Meinungen auseinander. Die Viking Daten können unterschiedliche interpretiert werden. Manche Forscher gehen von einem Druck von 100 mb aus, andere von einem von 0.5-1 Bar und die optimistischen Schätzungen liegen bei 5 Bar. Egal wie hoch: der Mars hat sein mindestens 3 Milliarden Jahren globale Temperaturen bei denen kein flüssiges Wasser längere Zeit existieren kann. (Kurzzeitig über einige Tausend Jahre ist dies möglich). Die Atmosphäre hat sich durch chemische Reaktionen und die Flucht kleiner Moleküle verändert. Alleine der heutige Verlust an Wasserdampf hochgerechnet über 4.5 Milliarden Jahren summiert sich zu einer Menge von 8.2 x 1017 kg. Genug um den Mars global mit einer 5.6 m hohen Wasserschicht zu bedecken.

Der Mars - Unterschiede zu Erde

Mars Der Mars unterscheidet sich in einigen Dingen von der Erde: Alles in allem ist der Mars also kein Badeparadies. Trotzdem gibt es Personen, die meinen man könnte ihn "begrünen". Was dazu nötig ist soll in den folgenden Absätzen diskutiert werden.

Das Problem des fehlenden Wassers

Wasser gibt es sehr wenig auf dem Mars. Es gibt in der Atmosphäre nahezu kein Wasser und an der Oberfläche sichtbar sind nur die relativ dünnen und kleinen Polarkappen. Viele Wissenschaftler meinen aber, das es tief im Boden Permafrost. gibt, Eis fest verbunden mit dem Boden metertief unter der Oberfläche. Die meisten Schätzungen gehen davon aus, das es vielleicht soviel Wasser gibt, um den Mars global um 5 m zu bedecken, einige optimistische Schätzungen liegen noch darüber im Bereich von 10-30 m. Das ist nicht viel, und es reicht nicht für echte Meere, die vor Austrocknung gewappnet sind. Zum Vergleich: Die Meere auf der Erde sind im Mittel 3000-4000 m tief und bedecken 70 % der Fläche. Allerdings sind die derzeitigen Daten noch recht beschränken sich auf die Oberfläche. Die Karte links zeigt die Auswertung von Daten der Raumsonde Mars Odyssey. Blaue Gebiete haben in dem obersten Oberflächenmeter bis zu 50 % Wasser eingeschlossen. Allerdings kann das Instrument nicht tiefer schauen und man weis daher nicht wie tief die Wasserschichten gehen. Aufschluss über tiefere Schichten sollen die Radarbeobachtungen von Mars Express und MRO geben. Die Frage ist allerdings ob Wasserschichten in 100 m Tiefe einem etwas nützen, denn man kommt ja an diese nicht heran.

WasserverteilungGroße, tiefe Wasseroberflächen sind wichtig, denn sie regulieren das Klima. Auf der Erde wird das Klima abseits der Meere rauh und extrem. So wird bei mittleren Breiten sowohl in Nordamerika wie auch in Europa/Asien das Klima trockener und mit höheren Temperaturextremen (und niedrigen Durchschnittstemperaturen) je weiter man sich von den Ozeanen entfernt. In Erdzeitaltern wie der Trias, als alle Kontinente zusammen waren, gab es dort endlose Wüsten. Dies würde auch auf dem Mars passieren, denn das Wasser würde sich, wenn man es auftauen würde in einigen Vertiefungen sammeln, der Rest des Mars bliebe eine Wüste. Dies wären wahrscheinlich zwei Tiefebenen auf der Nordhalbkugel und zwei weitere auf der Südhalbkugel. Der Rest bleibt Wüste.

Man benötigt erheblich mehr Wasser, alleine das es einen Wasserkreislauf gibt, also Wasser verdampft wird zu Regen und fliest über Flüsse wieder in das Meer. Auf der Erde ist z.B. eine erhebliche Wassermenge in der Atmosphäre. Der Mars hat nur ein Tausendstel der Wassermenge der erde in der Atmosphäre. Ein solcher Kreislauf kommt mit dem wenigen Wasser auf dem Mars nicht in gang. Damit wäre aber Leben auf einige geschützte Stellen beschränkt. Damit sind aber auch alle Hoffnungen zu begraben, dass man jemals die Atmosphäre verändern kann, indem Lebewesen das Kohledioxid zu Sauerstoff umsetzen. Bei der Photosynthese stammt der Sauerstoff aus dem Wasser, nicht dem Kohlendioxid.

Damit Wasser stabil sein kann braucht man aber auch eine dichtere Atmosphäre, denn bei der heutigen Atmosphäre geht es sofort vom festen in den gasförmigen Zustand über. Will man den Siedepunkt auf 30 Grad Celsius erhöhen muss die Atmosphäre mindestens einen Druck von 40 hpa aufweisen.

Woher nur das Wasser nehmen? Ich habe dazu noch keine Lösung gesehen, es muss aber eine geben, will die Besiedlung des Mars nicht auf hermetisch abgeschottete Städte beschränkt bleiben.

Nun man kann das Wasser von woanders her transportieren. Da wir alles Material für Roboter, Raumfahrzeuge etc. irgendwann einmal von der Erde unter enormen Energieverbrauch in einen Orbit transportieren müssen (und hier geht es sicher nie ohne chemischen Antrieb), ist dies von vornherein ein teures Unternehmen. Am besten wäre es wohl, wenn eine Raumsonde Kometen, die aus Eis bestehen besuchen würde. Man würde Kometen, deren Bahn den Mars kreuzen würde so umlenken, dass diese auf den Mars fallen würden.

Das ganze hört sich einfach an, hat jedoch ein Problem. Ein Kometenkern ist typisch ca. 1 km groß. Selbst wenn man nur wenig am Kurs korrigieren würde, so brauchte man bei den heute besten Antrieben (Ionen oder Nuklearantrieben) zirka 3 Millionen Tonnen Treibstoff um einen Kometen um zirka 100 m/s in seiner Geschwindigkeit zu verändern.

Ein Komet mit 1 km Durchmesser alleine liefert aber gerade genug Wasser um den globalen Wasserstand um 0.006 mm zu erhöhen. Mehr noch: Selbst jetzt, bei vollständig gefrorenem Wasser verliert der Mars pro Tag 500 t Wasser. Diese Rate dürfte rapide ansteigen, wenn man viel mehr Wasser in der Atmosphäre hat. Durch seine geringe Schwerkraft kann der Mars Wasser nicht über geologische Zeiträume behalten. Das bedeutet, dass man dauernd für Nachschub sorgen muss.

Damit man soviel Wasser auf den Mars bekommt, damit er wenigstens 200 m tief damit belegt wird und somit das Klima bei Binnenmeeren (Aralsee, schwarzes Meer) erreicht, müsste man insgesamt 33 Millionen Kometen umlenken. Da man pro Jahr nur etwa 10-100 neue entdeckt und die meisten zudem keine geeignete Bahn haben, dürfte es aussichtslos sein so Wasser auf den Mars zu bekommen. (Von dem enormen logistischen Problem mal abgesehen).

Alle anderen Wege Wasser zu erhalten sind noch aufwendiger. Würde man Wasser von der Erde oder den Jupitermonden holen, so brauchte man erheblich mehr Treibstoff, weitaus mehr als das Wasser selbst wiegt. Wasser kann auch nicht aus Gestein gewonnen werden, weil der Wasserstoff dazu fehlt. Sauerstoff ist in reichem Maße enthalten, doch den Wasserstoff hat der kleine Planet über die Jahrmilliarden verloren.

Das Problem des fehlenden Magnetfeldes.

Von Anfang an hatte die Erde ein Magnetfeld. Es schützt uns weitgehend vor kosmischen Partikeln, vor allem von der Sonne selbst. Diese können nur an den Polen eintreten und wenn die Sonne besonders aktiv ist und mehr Partikel eintreten. Dies hat schon zu Problemen geführt wie 1989 der Ausfall der Stromversorgung in Teilen von Kanada durch Überspannungen.

Wichtiger ist allerdings, das energiereiche Strahlen das Erbgut schädigen und damit nicht gerade gesund sind. In Zeiten in denen sich das Magnetfeld umpolte hat man in der Erdvergangenheit daher auch Veränderungen in den Populationen festgestellt. Ohne ein Magnetfeld kann sich eigentlich niemand lange auf dem Mars aufhalten. Die Strahlendosis ist einfach für uns Menschen zu hoch. Selbst Astronauten auf der ISS befinden sich noch innerhalb des Strahlenschutzgürtels der Erde.

Es gibt nach heutigen Erkenntnisstand keine Möglichkeit ein Magnetfeld künstlich aufzubauen, außer man brächte es fertig den Kern des Mars aufzuschmelzen und den Mars in rasche Rotation zu bringen. Damit beschränkt sich Leben nur auf Zonen im Wasser unterhalb von einigen Metern. Oder man versieht Gebiete mit dicken Kuppeln aus Plexiglas. Man darf nicht vergessen, das kosmische Strahlung sehr energiereich ist und dadurch erheblich tiefer eindringt als z.B. die UV Strahlung der Sonne. Auf der Erde werden Experimente bei denen die kosmische Strahlung stört, in stillgelegten Bergwerken und in Tunneln unter Bergen durchgeführt, so das einige Hundert Meter Fels diese Strahlung abschirmen.

Menschen auf dem Mars sind damit ungeschützter als Raumfahrer auf der ISS, denn diese umläuft die Erde unterhalb des Magnetfeldes. Selbst bei einem begrünten Mars dürfte die Aufenthaltszeit auf wenige Monate bis Jahre beschränkt sein. Bei niederen Bakterien kann es sein, dass diese hohe Strahlungen besser tolerieren, doch die Erbgutveränderungen durch die Strahlung dürften auch eingebrachte Änderungen zerstören, die der Mensch vorgenommen hat, damit diese z.B. den Mars für ihn bewohnbar machen.

Die fehlende Atmosphäre

Was nun auch noch fehlt ist eine für Menschen atembare Atmosphäre. Die heutige Atmosphäre des Mars besteht zu über 90 % aus Kohlendioxid und der Luftdruck am Boden beträgt im Mittel nur 6.1 Millibar Also ein 170-stel des irdischen Luftdrucks. In vielen Szenarios ist die Lösung ganz einfach: Man setzt einfach dort widerstandsfähige Algen aus, die verwandeln dann das Kohlendioxid in Sauerstoff. Selbst wenn sie funktionieren würde (dazu mehr weiter unten), so hätte man dann eine Sauerstoffatmosphäre von 6.1 Millibar Druck, also nichts gewonnen. Der Mensch hat schon Probleme, wenn der Sauerstoffpartialdruck in größeren Höhen (Berggipfel) auf 50-70 % des Normalwertes zurückgeht. 8000 m gelten bei Bergsteigern als die "Todeszone", dabei ist dort noch 15 mal mehr Sauerstoff vorhanden, als eine reine Sauerstoffatmosphäre von 6 Millibar hätte. Der Mars hat am Boden denselben Druck wie die Erde in zirka 30 km Höhe.

Die Atmosphäre ist ein echtes Problem, das man sich als Nicht-Chemiker nicht so schnell klar macht. Unsere Sauerstoffatmosphäre ist das Resultat eines globalen chemischen Ungleichgewichts. Freier Sauerstoff ist so reaktionsfähig, das er wenn er nicht laufend neu generiert wird, schnell in chemischen Verbindungen landet: Metalle oxidieren (z.B. Rost), organische Verbindungen verbrennen (Brände) oder oxidieren auch zu Kohlendioxid. Sauerstoff verdrängt andere Elemente aus Verbindungen, so werden aus Sulfiden Oxide. Es hat auf der Erde Jahrmilliarden gedauert das heutige Sauerstoffniveau zu bilden. Dazu trugen bei guten Lebensbedingungen gut wachsende Bakterien, Algen, Wasser und Landpflanzen bei. Der Mensch konnte trotz Verbrennen von organischer Materie, die in Millionen von Jahren entstand, in 100 Jahren den Gehalt an Sauerstoff kaum beeinflussen und den von Kohlendioxid nur von 0.028 auf 0.0357 % erhöhen!

Beim Mars finden wir - wie auf allen anderen Planeten - keinen freien Sauerstoff. Wir müssen ihn also bilden. Durch Pflanzen - das mag toll klingen, doch Pflanzen die Marsbedingungen ertragen - Kälte, wenig Wasser, kosmische Strahlung - gibt es bei uns nicht. Auf dem heutigen Mars herrschen im Sommer am Äquator Bedingungen, wie in der Antarktis auf dem Land (Im Wasser wird es nie kälter als 0°, daher gibt es um die Antarktis noch viel Leben, doch im Inneren des Kontinents können nur wenige Bakterien und niedere Algen überleben). Die Tiefsttemperaturen am Südpol des Mars liegen bei -100° bis -139°C. Die Südpolkappe besteht im Winter vorwiegend aus gefrorenem Kohlendioxid, nicht aus Eis! In der Antarktis können bei milderen Bedingungen bei uns noch Bakterien existieren, doch sie wachsen in Jahrtausenden nur um Millimeter. Selbst wenn sie Sauerstoff freisetzen würden, wäre die Bildungsrate klein im Vergleich zur Aufnahmerate durch Gesteine. Es würde viel zu lange dauern, bis sie eine Atmosphäre bilden würden. Dazu kommt, das auch photosynthetisch arbeitende Bakterien wie Blaualgen Sauerstoff benötigen - nämlich nachts. Nicht umsonst hat das Leben bei uns erst mal 3 Mrd. Jahre im Meer zugebracht, denn in Wasser kann sich der Sauerstoff lösen, während er in der Atmosphäre erst mal weg von dem Organismus ist, so das man einen Mindestpartialdruck an Sauerstoff aufbauen muss, das auch Lebewesen an Land existieren können.

Zudem müsste man die Atmosphäre um einiges dichter machen. Die heutige Atmosphäre des Mars ist ein schlechtes Vakuum, und der Bodendruck ist so hoch wie bei der Erde in großer Höhe! Geht man davon aus, das wir den Stickstoffanteil nicht benötigen - (es würde allerdings eine enorme Brandgefahr sich ergeben - siehe Apollo 1 Brand), so müsste man die Atmosphäre noch um den Faktor 30 dichter machen. Das Leben auf der Erde begann zwar auch in einer Kohlendioxid Atmosphäre, aber in einer dichten und bei hohen Temperaturen. Selbst wenn es genmanipulierte Bakterien gäbe, die besser angepasst wären, fehlten diesen Nahrung und gemütliche Temperaturen.

Wie soll man dies bewerkstelligen? Manche Autoren meinen, Kohlendioxid wäre im Eis eingeschlossen und würde frei werden. Dem mag so sein, doch die Löslichkeit von Kohlendioxid ist klein, so dass man die Atmosphäre nur etwas dichter bekommt. Das gilt auch dafür, dass die Südpolkappe abschmilzt. Alle Maßnahmen mögen den Druck auf ein Niveau von 10-20 mb bringen. Das ist immer noch viel zu wenig. Menschen können sich bei einem solchen Druck nicht aufhalten, ihr Blut würde sofort anfangen zu kochen. Für einen Siedepunkt von 50 Grad müsste man den Atmosphärendruck auf 100 mb anheben. In einer solchen Atmosphäre könnte man mit einer Atemmaske aber ohne Druckanzug leben. Für einen Daueraufenthalt müsste der Sauerstoffgehalt noch etwas höher sein. 140 mbar Sauerstoffpartialdruck (das entspricht einem Siedepunkt von 60 Grad) wären dafür ausreichend.

Doch woher nimmt man die Gase ? Das atmosphärische Kohlendioxid ist sicher wie bei der Erde nur ein Kleiner Teil der gesamten Kohlenstoffmenge. Die Schätzungen über den Gehalt von Kohlendioxid gebunden in Eis und Oberflächengestein (physikalisch oder chemisch) gehen weit auseinander. Doch das ist nicht von Bedeutung. Das Problem liegt woanders:

Soll der Planet für Menschen bewohnbar sein, so gibt es folgende Anforderungen:

Parameter Grenzen Bemerkungen
Globale Temperatur 0–30 °C Erdtemperatur 15 °C, 70 °C mehr als die Durchschnittstemperatur beim Mars
Nur Pflanzen 
Gesamtdruck > 10 hPa Wasserdampfdruck + O2, N2, CO2
Kohlendioxid > 0,15 hPa Untergrenze der Photosynthese; keine klare Obergrenze
Stickstoff > 1–10 hPa Stickstofffixierung
Sauerstoff > 1 hPa Pflanzliche Atmung
Menschen
Gesamtdruck reines O2 > 250 hPa Wasserdampfdruck in der Lunge + CO2, O2
Normales Luftgemisch > 500 hPa 
< 5.000 hPa 
Obergrenze in Gebirgen 
Stickstoffnarkose 
Kohlendioxid < 10 hPa Begrenzt durch CO2-Vergiftung
Stickstoff > 300 hPa Pufferwirkung
Sauerstoff > 130 hPa 
< 300 hPa 
Untergrenze durch Atemnot 
Obergrenze durch Brandgefahr 

Es ergibt sich dadurch folgende Forderung: Damit Pflanzen existieren können, muss die Atmosphäre nur leicht verändert werden. Es werden 1-10 hpa Stickstoff benötigt und etwa 1 hPa Sauerstoff. Der Stickstoff fehlt nach allem was wir wissen auf dem Mars. Keine Analyse von Oberflächenproben zeigte große stickstoffmengen und in der Atmosphäre ist der Gehalt zu gering (nur 2.7 % von 6.1 Hpa Gesamtdruck = 0.17 hpa). Der Sauerstoff könnte bei der geringen Menge durch Photosynthese entstehen.

Für Menschen gibt es einen Zielkonflikt:

Auf der einen Seite benötigt man für Temperaturen bei denen man sich wohl fühlt einen Treibhauseffekt von rund 75 K, verglichen mit dem jetzigen von rund 5 K. Dem entspricht eine Kohlendioxidatmosphäre die einen weitaus höheren Partialdruck aufweist als die maximalen 10 hpa die tolerierbar sind- diese wurden die Temperatur verglichen mit heute nur um rund 3 K steigern. Auch wird noch mehr Stickstoff benötigt um vor allem Brände zu verhindern. Man muss sich an dieser Stelle klar machen, dass auf der Erde wir einen Treibhauseffekt von rund 17 K bedingt vor allem durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan haben. Wasserdampf als Verursacher eines 5 mal größeren Treibhauseffektes auf dem Mars scheidet angesichts der kleinen Vorräte an Wasser aus. Kohlendioxid kann kaum über die derzeitige Menge angereichert werden (immerhin 3 mal höher als auf der Erde) und Methan ist ein instabiles Molekül - würde es durch biogene Prozesse nicht auf der Erde dauernd erzeugt. Seine Halbwertszeit beträgt lediglich 14 Jahre. Es scheidet daher als Langzeit-Garantie für einen Treibhauseffekt der erdähnliche Bedingungen bietet aus.

Das Problem der Umlaufbahn

Viking Lander 2 Landeplatz im winter Trotzdem wird der Mars nie eine zweite Erde werden. Warum? Er ist einfach zu weit von der Sonne weg. Man kann die Temperatur eines Planeten ohne Atmosphäre relativ einfach berechnen. Demnach müsste es auf der Erde -20°C warm sein und auf dem Mars -57°C. Die Atmosphäre hält jedoch Energie zurück, dies ist das was heute als "Treibhauseffekt" jedem bekannt ist. Auf der Erde kommen wir so zu molligen +17°C, also 37°C mehr als die Erde durch alleinige Sonnenstrahlung bekommt. Beim Mars ist es sogar noch günstiger als auf der Erde, denn er hat viel mehr Festland welches weniger Strahlung wieder abgibt als Meer auf der Erde. Trotzdem dürfte jedem klar sein, das man um den ganzen Planeten auf +17°C zu bringen viel tun müsste. Derzeit liegen die Temperaturen zwischen 0° im Sommer am Mittag am Äquator und -139°C am Südpol im Winter. Der Mars hat praktisch keinen Treibhauseffekt und eine globale Mitteltemperatur von -63 Grad Celsius. Es gibt auf dem Mars bedingt durch die dünne Atmosphäre, die exzentrische Umlaufbahn und das fehlende Wasser große Temperaturschwankungen. Im Mittel jedoch ist es auf dem Mars so kalt wie man für einen Planeten ohne Atmosphäre erwarten würde. Die in mittleren Breiten gelandeten Viking Sonden maßen über Jahre die Temperaturen, sie betrugen im Mittel zwischen -85 und -30°C.

Treibhauseffekt durch Ozonkiller

Es gibt nun ein Problem: Im obigen Abschnitt wurde erläutert, das man ohne enormen Aufwand keine dichte Mars Atmosphäre hinkommt. Damit aber wenigstens Wasser auf Dauer flüssig ist müsste man die globalen Temperaturen um 70°C steigern, also erheblich mehr als es die dichte Atmosphäre der Erde hinkommt. Die Lösung von manchen, besteht darin Treibhausgase wie CCl2F2 freizusetzen. Doch abgesehen davon, das man schon auf der Erde die Folgen für das Ozon, von nur Spuren dieses Gases nicht Voraussagen konnte - geschweige denn von enormen Mengen die man auf dem Mars freisetzen müsste, handelt man sich auch andere Probleme ein. Chlorkohlenwasserstoffe bauen Ozon ab, d.h. selbst wenn man eine Sauerstoffatmosphäre aufbauen würde (und dazu wären geologische Zeiträume notwendig), so wäre das Land durch den fehlenden UV Schutz nicht einmal für Mikroorganismen besiedelbar. Der Mars hätte dann keine Ozonschicht. Leben gäbe es nur in den Meeren, doch dafür fehlt das flüssige Wasser auf dem Mars.

Rechnen wir es trotzdem einmal durch. FCKW-11 (CCl3F) ist ein populäres Treibhausgas hat den 3500 bis 4600 fachen Treibhauseffekt von Kohlendioxid und eine Verweilzeit von 45-65 Jahren in der Atmosphäre. Die Konzentration auf der Erde beträgt 0.287 ppb bei einer Emission von 817000 t/Jahr mit einem Anteil von 2.5 % am Treibhauseffekt. Dieser beträgt im Jahr 2005 etwa 0.7 Grad. Man kann nun auf diesen Werten basierend auf eine Gesamtmenge von 1.472.310.000 kg dieser Gase in der Atmosphäre berechnen. Diese erzeugen nur 0,0175 Grad Temperaturanstieg (0.7 Grad * 2.5 %). Man braucht für 63 Grad Anstieg (Anstieg der globalen Temperaturen auf 0 Grad Celsius) also 5.300.316.000.000 kg (5.3x1012 kg) dieser Gase. Damit man einen Vergleich hat: Dies entspricht von der Masse her einem Fünftel des gesamten Kohlendioxid Ausstoßes der Menschheit. Um diese Menge an Kohlendioxid zu produzieren rauchen aber auf der Erde unzählige Schlote, fahren Autos umher und wird Wald abgefackelt. Es ist recht unwahrscheinlich dass ein paar Fabriken genauso viel Kohlendioxid produzieren wie ganz Europa !

Da die Verweilzeit nur 45 Jahre beträgt muss man jedes Jahr 117.784.800 t emittieren. Es reicht also nicht wie in Abbildungen suggeriert mal eben ein Kraftwerk zu platzieren, dass dann diese Gase emittiert. Ungelöst ist auch wie man zu den Gasen kommt. Dazu braucht man enorme Mengen an Chlor und Alkanen. Weltweit wurden auf der Erde im Jahre 2004 45 Millionen t Chlor produziert. Man bräuchte eine Produktion von 91.3 Millionen t um alleine diese Entwickler für Ozonkiller zu versorgen !

Dies ist natürlich nur eine grobe Annahme. So ist damit zu rechnen, dass FCKW-11 auf dem Mars nicht 45 Jahre lang in der Atmosphäre verbleibt, denn die Hauptursache für den Zerfall ist UV Strahlung. Ohne Ozonschicht (die es auf dem Mars nicht gibt) wird das FCKW-11 erheblich schneller gespalten als auf der Erde. Die angegebenen Werte dürften wahrscheinlich daher noch eher zu gering sein.

Klimaschwankungen

Ein langfristiges Problem ist das die Neigung der Planetenachse und Umlaufbahn des Mars extremen Schwankungen unterworfen sind. Schon heute ist diese exzentrisch und hat einen planetennächsten Punkt von 206 Millionen km und einen fernsten Punkt von 249 Millionen km - entsprechend schwankt die eingestrahlte Sonnenstrahlung um 46 % (auf der Erde nur 7 %) und dadurch kommen auch die extremen Temperaturschwankungen zustande.

Doch damit nicht genug. Der Einfluss von Jupiter führt zu Schwankungen der Rotationsachse und Umlaufbahn mit Perioden von 51000-2 Millionen Jahren. Dabei kann die Ausdehnung der Marsbahn von 195-260 Millionen Jahre schwanken und die Neigung der Rotationsachse zwischen 13 und 37° - wegen des fehlenden großen Mondes, der auf der Erde die Bahn stabilisiert. Es kommt daher über Zeiträume die zwar lang in unseren Begriffen, nicht aber, wenn man den Mars besiedeln will), noch zu erheblicheren Klimaschwankungen. (Eine Folge von nur 7% Schwankungen auf der Erde ist z.B. das die Sommer auf der Südhalbkugel heißer und die Winter kälter sind, da die Erde auf ihrer Bahn immer den sonnennächsten Punkt erreicht wenn es Januar ist. Es gibt daher auch in der Antarktis erheblich mehr Eis als in der Arktis).

Auf dem Mars bewirkten in der Vergangenheit die Klimaänderungen dass Wassermassen schmolzen und tiefe Täler formten um dann wieder zu Eis zu gefrieren. Trotzdem haben diese Veränderungen (die weitaus größere Klimafolgen haben als einige optimistische Spekulationen die einen sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt prognostizieren, wenn die Oberflächentemperatur nur gering ansteigt) nicht zu einer dauerhaft stabilen Atmosphäre geführt.

Zusammenfassung

Betrachtet man alle Aspekte so ist es unverständlich warum es noch Leute gibt, die das Bewohnen des Mars propagieren. Selbst wenn eine zukünftige Menschheit Energie im Überfluss hätte so wäre ein Mars nicht zur zweiten Erde zu machen. Sicher könnte man unter Glaskuppeln existieren, doch der Planet selbst wäre nur mit Mühe auch nur bewohnbar für Mikroorganismen zu schaffen. Entweder haben die Propagandisten solcher Ideen keine Ahnung wovon sie reden, oder es geht darum Geld für Raumfahrtmissionen zum Mars zu bekommen.

Oftmals wird argumentiert, das die wachsende Bevölkerung dies erfordern würde. Doch zum einen wäre dies eine Aufgabe für Jahrmillionen, während sich derzeit die Bevölkerung in wenigen Jahrzehnten verdoppelt. Die gesamte Oberfläche des Mars ist aber nicht größer als die Landmasse auf der Erde, so das eine Verdopplung der Bevölkerung ausreichen würde und der Mars wäre genauso dicht besiedelt wie die Erde.

Zum anderen wäre ein erheblich geringerer Aufwand notwendig, um auf der Erde überall die Bedingungen für die Menschen zu verbessern. Sobald diese aber besser sind, das zeigen die Erfahrungen, nimmt die Geburtenrate ab. Die Weltbevölkerung nimmt derzeit in den ärmsten Ländern am schnellsten zu. Es ist daher unsere Aufgabe die Erde lebenswerter zu machen, anstatt utopischen Träumen nachzugehen.

Selbst wenn wir es nicht schaffen sollten: Im Vergleich zum Mars sind selbst die Wüsten und Antarktis Paradiese. Wir können dort ohne Schutzanzug und Sauerstoffflasche leben. Selbst wenn man das ganze Eis von den Polen in Wüstengebiete befördern würde, um dort Landwirtschaft zu ermöglichen, oder die hohen Breiten mit Sonnenspiegeln aus dem Weltraum erwärmen, so wäre dieser Aufwand erheblich kleiner als nur eine kleine Siedlung auf dem Mars aufzubauen.

Wichtig ist für die Menschheit nur eines: Wir haben nur eine Erde, und keine zweite Chance auf dem Mars neu zu starten. Es gibt keine Klimaanlage die wir anmachen können, wenn es bei uns zu heiß wird. Vielleicht ist dies die Botschaft die uns der Mars senden will.

Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 144 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation , das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV

Das Buch Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation ist eine kompakte Einführung in die ISS. Es wird sowohl die Geschichte der Raumstation wie auch die einzelnen Module besprochen. Wie der Titel verrät liegt das Hauptaugenmerk auf der Technik. Die Funktion jedes Moduls wird erläutert. Zahlreiche Tabellen nehmen die technischen Daten auf. Besonderes Augenmerk liegt auf den Problemen bei den Aufbau der ISS. Den ausufernden Kosten, den Folgen der Columbia Katastrophe und der Einstellungsbeschluss unter der Präsidentschaft von George W. Bush. Angerissen werden die vorhandenen und geplanten Transportsysteme und die Forschung an Bord der Station.

Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.

Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.

Das bisher letzte Buch Skylab: Amerikas einzige Raumstation ist mein bisher umfangreichstes im Themenbereich bemannte Raumfahrt. Die Raumstation wurde als einziges vieler ambitioniertes Apollonachfolgeprojekte umgesetzt. Beschrieben wird im Detail ihre Projektgeschichte, den Aufbau der Module und die durchgeführten Experimente. Die Missionen und die Dramatik der Rettung werden nochmals lebendig, genauso wie die Bemühungen die Raumstation Ende der siebziger Jahre vor dem Verglühen zu bewahren und die Bestrebungen sie nicht über Land niedergehen zu lasen. Abgerundet wird das Buch mit den Plänen für das zweite Flugexemplar Skylab B und ein Vergleich mit der Architektur der ISS.  Es ist mein umfangreichstes Buch zum Thema bemannte Raumfahrt. Im Mai 2016 erschien es nach Auslaufen des Erstvertrages neu, der Inhalt ist derselbe (es gab seitdem keine neuen Erkenntnisse über die Station), aber es ist durch gesunkene Druckkosten 5 Euro billiger.

Mehr über diese und andere Bücher von mir zum Thema Raumfahrt finden sie auf der Website Raumfahrtbücher.de. Dort werden sie auch über Neuerscheinungen informiert


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