Mission to Mars Teil 1

Ich will heute mal in einer losen Blogserie die technischen Herausforderungen einer bemannten Marsmission skizzieren. Heute geht es um das Bahnmechanische. Es gibt eine ideale Bahn mit niedrigstem Energiebedarf und beliebig viele andere. Die mit dem niedrigsten Energiebedarf hat folgende Eigenschaften:

• Bei Ankunft an den Planeten bilden Sonne – Erde – Mars eine Linie
• Die Geschwindigkeit ist die einer Ellipse mit dem sonnennächsten Punkt bei der Erdbahn und dem sonnenfernsten bei der Marsbahn.
• Diese Hohmannellipse ist leicht berechenbar.

Das Problem ist nun folgendes: Wenn man auf einer Hohmannellipse zum Mars fliegt, so benötigt man dazu etwa acht Monate. Man muss also acht Monate vor dem Zeitpunkt der idealen Position losfliegen. Das Problem ist nun nur folgendes: Die Rückreise dauert wiederum acht Monate. Wenn man ankommt ist die Erde weiter gewandert und nicht an der Position an der man sie braucht.

Die früheren Planungen in den sechziger und siebziger Jahren wollten die gesamte Missionsdauer minimieren. Das ist nur möglich, wenn die Erde bei der Rückkehr da ist wo man sie benötigt. Doch auch sie wandert weiter. Acht Monate später, also der Rückreisezeit ist sie in der Umlaufbahn um 240 Grad weiter gewandert, man müsste also um sie zu erreichen gegen die Bahnrichtung starten, also praktisch die Bahn umdrehen. Daher plante man damals Bahnen mit Ellipsen die weit exzentrischer sind, also der sonnennächste Punkt innerhalb der Erdbahn oder der sonnenfernste außerhalb der Marsbahn liegt. Die Flugzeit auf diesen ist kürzer und vor allem schneiden sie die Marsbahn an einem Punkt vor der Konjunktion und gleiches gilt für die Erdbahn. Solche Bahnen erlauben dann Aufenthalte von bis zu 30 Tagen Dauer auf dem Mars. Der Preis dafür ist, dass auf diesen Bahnen viel höhere Startenergien benötigt werden. Unter bestimmten Umständen ist dies leicht reduzierbar indem der Rückweg über die Venus erfolgt. Doch der Preis dafür ist eine sehr hohe Wiedereintrittsgeschwindigkeit von über 14 km/s in die Erdatmosphäre.

Damals gab es keine Erfahrungen mit langen Missionen im All, sodass die Minimierung der Reisezeit maximale Priorität hatte. Diese Mission wäre aber nur mit nuklearen Antrieben durchführbar gewesen. Chemische Antriebe hätten nicht die Energie aufgebracht, elektrische Antriebe hätten eine zu lange Zeit zum Beschleunigen gebraucht.

Heute gehen die Planungen davon aus, das unausweichliche zu akzeptieren. Das bedeutet eine Rückfluggelegenheit gibt es dann, wenn wieder eine Hohmannbahn vorliegt. Das ist nach einem Marsjahr nach dem Abflug von der Erde der Fall. Die Aufenthaltsdauer auf dem Mars beträgt dann 776 Tage minus der Dauer für den Rückflug , also je nach Ellipsenbahn um die 500-550 Tage Aufenthaltsdauer. Die gesamte Missionsdauer beträgt dann knapp unter 3 Jahren.

Für Hohmannellipsen sind die Geschwindigkeiten recht einfach berechenbar:

• Start von der Erde in die Übergangsbahn: etwa 11,5 km/s (inklusive Fluchtgeschwindigkeit von der Erde aus)
• Beim Mars angekommen gibt es eine Geschwindigkeit von 2,7 km/s relativ zum Planeten. Je nach Bahn bedeutet dass mindestens 700 m/s mehr benötigt werden um eine Bahn um den Mars zu erreichen. Für eine kreisförmige Bahn in 200 km Höhe muss so um 2.200 m/s abgebremst werden, bei exzentrischen Umlaufbahnen deutlich weniger.
• Die Landung auf dem Mars erfolgt weitgehend abgebremst durch die Atmosphäre. Es wird nur etwas Treibstoff in der Endphase benötigt. Rechnet man mit 60 s Schwebezeit wie bei Apollo, so sind es etwa 300 m/s Geschwindigkeitsvermögen.
• Der Rückstart ist dafür deutlich aufwendiger. Für eine niedrige Umlaufbahn ist mit mindestens 4.400 m/s zu rechnen. (3,500 m/s für die Umlaufbahn plus etwa 900 m/s verschiedene Verluste).
• Die Umlaufbahn muss verlassen werden um zur Erde zurückzukehren. Nun muss der gleiche Betrag wir für das Einbremsen (also 2.200 m/s) aufgewendet werden.
• Bei der Erde angekommen kann man direkt landen (Eintrittsgeschwindigkeit 11,5 km/s, aerodynamisch abgebremst) oder in eine Erdumlaufbahn eintreten und dort in ein Raumgefährt zur Rückkehr umsteigen (3,7 km/s).

Schon bei diesem klassischen Szenario kann man einige Parameter variieren. Neben der Minimierung der Reisedauer (etwas höhere Startgeschwindigkeiten führen zu exzentrischen Ellipsen mit kürzeren Reisezeiten) gibt es mehrere größere Variationen:

• Landet man bei der Rückkehr direkt, tritt also nicht in eine Umlaufbahn ein, so kann man 3,7 km/s einsparen. Der Preis: Man benötigt eine Kapsel die den Wiedereintritt übersteht und diese muss zum Mars und zurückgebracht werden.
• Beim Mars gibt es viele mögliche Bahnen und verschiedene Möglichkeiten diese zu erreichen. Nur etwa 700-800 m/s müssen aufgewendet werden um in eine hochexzentrische Umlaufbahn einzuschwenken. Diese kann dann durch Aerobraking abgesenkt werden oder so bleiben.
• Bleibt sie so, so wird auch weniger Energie benötigt, um zur Erde zurückzukehren (nämlich die gleichen 700-800 m/s). Dafür muss das Vehikel, dass die Astronauten von der Oberfläche zur Station bringt eine höhere Geschwindigkeit aufbringen (etwa 6 km/s anstatt 4,4 km/s). Sofern dieses leicht gebaut ist, ist dieses günstiger als den Treibstoff für das Abbremsen der Station mitzuführen.

Aus meiner Sicht wäre die ideale Bahn eine 24,6 Stunden Bahn um den Mars, z.B. eine 200 x 34000 km Bahn. Ein Tag dauert auf dem Mars 24,6 h. So gibt es pro Tag ein Startfenster von der Oberfläche zur Station. Gleichzeitig werden nur etwas mehr als 900 m/s benötigt um diese Bahn zu erreichen. Der Rückstart vom Mars ist dagegen rund 1.300 m/s aufwendiger als wie für eine kreisförmige 300 km Bahn.

Der nächste Teil skizziert nun die einzelnen Elemente einer Marsmission und möglich Variationen dieser.