Money for Nothing … and the Asteroid for Free
Gestern hat die NASA ihren Haushaltsentwurf präsentiert. Also nicht das was sie bekommt, sondern das was sie haben will. („Request“) 17,7 Milliarden sind es. Betrachtet man die einzelnen Ressorts so bleibt es beim Niveau von 2012 und auch bei der Verteilung, auch wenn es im Kleinen Umverteilungen gab. So bekommt die Erforschung der Planeten 200 Millionen das ist ein Siebtel des Budgets weniger, dafür das JWST die Summe mehr. Interessant ist dass die Raumstation nun so viele Mittel wie vorher Shuttle und Raumstation zusammen bekommt ohne das man deswegen mehr Flüge hätte. Das steigt übrigens in den nächsten Jahren noch an. Rechnet man noch die Mittel für CRS dazu, so kostet die ISS die NASA alleine 4,7 Milliarden Dollar, fast ein Drittel des Haushalts.
Mir geht es aber um das Projekt das am meisten in den Meiden kam: Das Einfangen eines Asteroiden. Dafür gab es es eine Anfangsfinanzierung einer Asteroideneinfangmission. Dazu hat Bolden sogar eine eigene Pressmitteilung herausgegeben. 40 Millionen ist die Anfangsfinanzierung, doch das ganze Projekt wurde von einer unabhängigen Gruppe auf 2,65 Milliarden Dollar geschätzt. Boulden sagt das diese Mission nützlich ist um neue Technologien wie solar-elektrische Antriebe oder Laserkommunikation zu entwickeln. „Game-Challengeng“, was immer das auch heißen soll (Spiele finde ich sonst nicht sehr herausfordernd).
Nun die Entwicklung neuer Technologien ist ja nicht schlecht. Eine Reihe wird man nur für den Asteroiden brauchen wie das Einfangen dessen. Doch wenn ich solar-elektrische Antriebe im Großmaßstab, also deutlich größer als bisher mit Dawn als Rekordhalter und Laserkommunikation entwickeln will, warum mache ich das nicht mit einer wirklich nützlichen Mission. Beides könnte man gut in einer Mission um Marsbodenproben zur Erde zurückzubringen einsetzen. Diese und einige andere Technologien wie die Landung größerer Massen auf dem Mars sind auch für bemannte Missionen interessant.
Aber beschäftigen wir uns mal mit der Umsetzung. Ein 20 bis 30 Fuß großer Asteroid soll eingefangen werden. Nun zum einen kennen wir fast keine dieser Größe, weil sie mit den derzeitigen Programmen erst entdeckt werden wenn sie nahe der Erde sind, was reiner Zufall ist. Selbst 2012 DA14 war deutlich größer. Das erste wäre also viel mehr Geld für Asteroidensuchprogramme, weil für diese eine Asteroid dieser Größe bisher uninteressant war. Er ist zu klein um den Eintritt in die Erdatmosphäre zu überleben und kann zwar lokal einigen Schaden anrichten, aber nicht wie ein 100 m Brocken eine ganze Stadt auslöschen und er ist schwer zu entdecken.
20 bis 30 Fuß, sind 6 bis 9 m Durchmesser. Chrondrite, mit 86% die häufigsten Meteoriten, haben eine Dichte von 3 bis 3,7 g/cm³. Nimmt man eine kugelförmige Gestalt an, so liegt ein Brocken bei 20 Fuß Durchmesser und 3 g/cm³ bei 356 t Masse und 30 Fuß Durchmesser und einer Dichte von 3,7 g/cm³ bei 1481 t. Wenn er seine Bahn zwischen Venus und etwas außerhalb der Erdbahn zieht dürfte er eine Relativgeschwindigkeit von 4 km/s zur Erde haben wenn er dieselbe Bewegungsrichtung hat, sonst sind es über 30 km/s. Im günstigsten Fall muss ich bei einem Niedrigschubantrieb erst diese 4 km/s abbauen und dann wenn ich von der Erde eingefangen werde noch die Bahn in einer niedrigen Bahnhöhe zirkularisieren. Das sind zusammen über 7 km/s. Mit dem chemischen Antrieb wirds weniger, weil ich den hyperbolischen Exzess ausnutzen kann, dann sind noch 3,5 km/s. Das macht selbst im günstigsten Fall beim kleinen Asteroiden eine Raketenstufe mit 800 t Masse aus. Solarelektrisch brauche ich weniger Treibstoff, bei 40 km/s Ausstömungsgeschwindigkeit rund 80 t beim kleineren Asteroiden, doch dafür eben einen enorm leistungsfähigen Antrieb. Wenn man ihn 1 Jahr lang betreibt, müsste er bei gängigen Modellen z.B. rund 5 MW elektrische Leistung aufweisen. Alleine die Solarzellen um so viel Leistung zu erzeugen würden heute noch rund 28 t wiegen und heute über 20.000 m² groß sein. Das scheint man bei der NASA noch nicht realisiert zu haben, denn dort sind auf den Abbildungen die Solarpanel recht klein, in etwa so groß wie der Asteroid, haben also maximal 100 m² Fläche. Dafür brauche ich auch keine neuen Technologien, da sind selbst die für die ISS schon größer.. Mit Antrieb, Treibstofftanks etc. ist man leicht bei >120 t die zum Asteroiden befördert werden müssen, den Behälter zum Einfangen nicht mal mitberechnet. Das schafft eine einzelne SLS nicht, nicht mal die Block II Variante. Selbst von der bräuchte man rund drei Flüge (zumindest hat man nun einen Einsatzzweck für die Rakete gefunden.
In den NASA Präsentationen ist alles viel kleiner, der Antrieb soll z.B. einen Strombedarf von 30 – 50 kW aufweisen. Das ist nur etwa 10-mal mehr als Dawn hat. Wie man damit hunderte von Tonnen selbst in Zehn Jahren bewegen soll ist mir ein Rätsel.
Natürlich gäbe es Optimierungsmöglichkeiten, sofern man genügend Zeit hat. So könnte man mehrmals die Erde und den Mond in geringer Distanz passieren und so die Relativgeschwindigkeit absenken. Beim Einfangen selbst könnte der Mond die Geschwindigkeit in der elliptischen Bahn absenken. Das senkt auch den Treibstoffbedarf.
In der Summe ist es sicher machbar, wenn auch mit enorm großen Aufwand (alle Rechnungen übrigens für den günstigsten Fall, der 9 m Brocken liegt dann schon viermal höher). Doch wozu? Damit Asteroiden Asteroidenmissionen üben können, wie die NASA als Begründung angibt? Warum sollten Astronauten zu Asteroiden? So interessant sind sie nicht. Sie sind im Prinzip das Restgestein, das vom Ursprung des Sonnensystem übrig blieb und noch nicht auf einen Planeten oder Mond geknallt ist. Es ist urtümlich, aber das wars schon. Es gibt keine geologische Entwicklung wie bei Planeten.
Vor allem aber: wir haben etliche dieser Brocken bereits auf der Erde. Es gibt rund 27000 Chronditen aus Meteoritenfunden auf der Erde. Natürlich sind diese davon durch die Atmosphäre gegangen und aufgeheizt worden. Bei großen Brocken ist die Hitze aber nicht ins innere gekommen. Will ich also unverändertes Material haben muss ich diese nur aufsägen. Der größte Chrondrit wiegt übrigens 17.700 t, rund zehnmal mehr als der 9 m Brocken. Und das man den Brocken, wenn man ihn in einer Erdumlaufbahn hat zur Erde bringen will, davon war ja auch nie die Rede. Im Gegenteil: Ist er erst mal in der Umlaufbahn hat man das gleiche Problem wie bei der ISS wie man ihn sicher verglühen lassen kann, denn niemand wird ihn wohl wieder ins All befördern…
Kurzum: es ist eine reine Technologiemission ohne wissenschaftlichen Nutzen. Dann entwickelt die Technologie aber sinnvoll – mit einer Marsbodenprobensonde oder einer Kometenbegleitsonde oder etwas anderem was auch einen hohen Energieaufwand erfordert, anstatt solche dämlichen Ideen zu verwirklichen. Die NASA jammert über zu wenig Geld und startet auch kaum noch Satelliten oder Raumsonden aber für einen solchen Sch… hat sie dann immer Mittel. Leute, dann wundert euch nicht wenn euer Budget zusammengestrichen wird!
Soweit ich bisher gelesen habe will die NASA den Asteroiden in einen Mondorbit schleppen. Ich hoffe doch dass das nicht ihr ernst ist. Die Treibstoffmenge um in das schwache Gravitationsfeld des Mondes einzuschwenken und den Brocken danach in seiner instabilen Umlaufbahn zu halten dürfte sich dann nochmals stark vergrößern.
Ich habe auch von einem Librationspunkt gehört. In der NASA Pressenotiz ist nur von einem „low Orbit“ die Rede. Der Librationspunkt hat natürlich den Vorteil, dass man ihn energetisch günstiger erreichen kann – man muss nur 4 anstatt 7 km/s abbauen und von dort aus bekommt man den Asteroiden auch wieder schnell weg. Für ein bemanntes Raumschiff ist er in vertretbarer Zeit zu erreichen und Kommunikation ist auch kein Problem. Aber das löst ja nicht die Sinnfrage.
Mir ist aufgefallen, daß in dem Nasa Video auf Youtube der Asteroid eingefange wird, dann dockt eine Orion an, Astronauten steigen aus und nehmen eine Handvoll bodenproben im schicken Metallköfferchen nach hause.
Japans Hayabusa Mission hat genau dasselbe gemacht, also daher meine Frage: Wozu brauche ich Menschen um einen klumpen Dreck von einem größeren Klumpen zurückzubringen?
Man braucht weder Orion, noch Menschen bei dem Szenario.
Es sieht eher nach einem verzweifelten Versuch aus, Beschäftigung für das SLS zu finden. Dabei ist man nach dem Ausschluss Prinzip vorgegangen: Mars, können wir nicht, Mond auch nicht, lass uns nen Asteroiden nehmen.
Alles in allem: Zeitverschwendung
Ich denke diese Asteroidenmission als kombiniertes unbemanntes und bemanntes Unternehmen ist eine der besten Ideen die die NASA seit vielen vielen Jahren hatte.
Es vereinigt Technologieentwicklung, Asteroidenhandling und Wissenschaft in einem Projekt. Es wird (und hat in bescheidenem Maße jetzt schon)ein großes Medieninteresse auslösen und dadurch die beste PR für bemannte und unbemannte Raumfahrt bieten die es seit vielen Jahrzehnten gab.
Man hat die Möglichkeit unberührtes Material im Kilogramm-Maßstab zur Erde zu bringen (Osiris-Rex glaube ich grade mal 60g). Und das von allen möglichen Stellen der Asteroidenoberfläche. Was aber auch von großem Vorteil ist: Man wird genau wissen woher das Material stammt. Bei den Meteoriten auf der Erde ist das nur selten rekonstruierbar.
In der sog. Keck-Studie welche diesem Projekt zugrunde liegt wird exemplarisch eine Mission anhand des Asteroiden 2008 HU4 durchgerechnet. Ein 7m-Brocken mit geschätzten 1300t Gewicht.
Es sind 40kW Leistung mit 180m2 Ultraflex-Solarzellen vorgesehen.
Ziel ist ein hoher Mondorbit. Für den Transport dieses Asteroiden muss lediglich ein deltaV von 170m/s aufgebracht werden bei einer Flugzeit von 6 Jahren! Eingefangen wird er dann von einem Mond Gravity Assist.
Das halten der Mondumlaufbahn benötigt ein deltaV von 10m/s und Jahr.
Ich habe lediglich Zweifel dass so eine Mission bis 2021 (wenn dann die Astronauten hinfliegen sollen) durchführbar ist. Für das obige Beispiel wird die Gesamtmissionsdauer nämlich zu 10 Jahren berechnet. Da müssen sie also schon einen deutlich geeigneteren Kandidaten finden um das im Zeitrahmen zu schaffen.
Das Ganze ginge auch wesentlich einfacher, billiger und schneller: Phobos Grunt sollte ja im Prinzip auch nichts anderes machen. Die Sonde hätte genau so gut auch zu einem erdnahen Asteroiden fliegen können. Die NASA bräuchte also nur nach den schon existierenden Plänen ein neues Exemplar bei den Russen bauen lassen (spart Entwicklungskosten), und mit eigener raunfahrttauglicher Elektronik aufrüsten. Das würde nur ein Bruchteil kosten, und könnte schon starten bevor Orion und SLS überhaupt verfügbar sind. Aber warum einfach, wenn es auch umständlich geht.
Nach der Pleite der russischen Raunfahrt ist jetzt wohl die NASA dran. Was zur Zeit im Land der unbegrenzten Unmöglichkeiten läuft, ist schon fast ein Bürgerkrieg mit Papier und Stempel. Ob unter diesen Umständen noch etwas Sinnvolles möglich ist, ist fraglich.
Nein, eine Probenrückführung a la Hayabussa oder Phobos Grunt kann man mit diesem Projekt hier überhaupt nicht vergleichen.
Wieviel Milligramm Staub hat Hayabussa zurückgebracht? Wieviel Gramm sollten es bei Phobos Grunt sein?
Und dann geht es hier um das Bewegen eines Körpers unseres Sonnensystems. Das erste Mal in der Geschichte der Menschheit dass wir so etwas in großem Stil versuchen (Deep Impact ist nicht vergleichbar). Dies liefert wichtige Erkenntnisse zum Thema Planetary Defense.
Es würde das mit Abstand stärkste Ionentriebwerk der Geschichte der Raumfahrt eingesetzt und nicht wieder nur der übliche chemische Antrieb wie bei Phobos Grunt. Außerdem ist eine der Hauptaufgaben der NASA die Entwicklung neuer Technologien und Verfahren (klar machen sie das oftmals nicht bei ihren Projekten). Aber eine fertige Sonde bei den Russen einkaufen wäre der größte Blödsinn den man sich aus NASA-Sicht vorstellen kann.
Momentan wird das SLS auf Geheiß des Kongresses entwickelt, ob man das nun will oder nicht. Die Amis haben kein Geld für Mond- oder Marslandung, nicht einmal für eine richtige bemannte Langzeitmission zu einem Asteroiden. Von daher ist dieses Projekt das mit Abstand Großartigste was man in der Anfangszeit von SLS/Orion machen kann. Denn vor allem: Dies ist der Ersatz für die ursprünglich geplante bemannte Mondumrundung, welche wirklich keinen wissenschaftlichen und technologischen Erkenntnisgewinn gebracht hätte sondern nur ein Testflug gewesen wäre.
Also das letzte was ich machen würde wäre Phobos Grunt einkaufen, und das hat auch seinen guten Grund. Zu der Problematik wie viel Material man braucht morgen mehr
Mondsonden kann inzwischen jede Raumfahrtnation bauen, die die ersten Schritte hinter sich hat. Planetensonden werden schon seit Jahren von der ESA gestartet, und selbst Indien hat eine Marssonde angekündigt.
Eine bemannte Landung auf dem Mond und später eine bemannte Marsmission wäre etwas, womit die NASA zeigen könnte daß sie doch etwas mehr kann als alle Anderen. Nur mit den zusammengestrichenen Geldern wird das nichts. Also sucht man verzweifelt etwas, das man als Erstleistung verkaufen kann. Egal ob es Sinn hat oder nicht.
Sicher könnte man bessere Sonden als Phobos Grunt bauen. Aber es wäre eine Möglichkeit, etwas schnell und ohne große Entwicklungskosten zu realisieren.
Was „unberührt“ heißen soll, wenn der Asteroid in einem menschengemachten Beutel eingefangen wurde und Menschen dort einen Stein rauskloppen, weiß ich nicht.
Ansonsten denke ich, dass die Hochenergie-Variante, die Bernd vorschlägt, nicht die sein wird, die die NASA wählt. Man wird wohl einen Asteroiden wählen, der irgendwo zwischen Venus- und Erdbahn pendelt, und bei dem schon einige 100 m/s Delta-V ausreichen, um ihn im richtigen Augenblick in die richtige Position zu Mond und Erde zu bringen, damit er eingefangen wird. Dann hat man einige Erdorbits Zeit, den Asteroiden wieder in sichere Entfernung zum Mond zu bringen, damit er nicht wieder rausgekickt wird.
Als Vorbild mag die ausgebrannte Oberstufe von Apollo 12 dienen, die sich 1972 aus einem Erdorbit in einen Sonnenorbit verabschiedete, und vor zehn Jahren mal wieder vorbeischaute 🙂
http://en.wikipedia.org/wiki/J002E3
Kai
Zwischen Venus und Erdbahn ist das Delta V bei 2-3 km/s nicht einige 100 m/s. Wenn man dann noch etwas jenseits der Erdbahn ist (man muss sie ja kreuzen), dann kommt man auf die von mir angesetzten 4 km/s.
So jetzt gibts auch ne offizielle Studiue zum Thema die schaut welche Körper in Frage kämen. Dabei wurden 12 Kandidaten ausgemacht, und einige davonsind wirklich rechteinfach einzufangen.
Hier ein Artikel zum Thema:
http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/08/13/asteroiden-fangen-zwolf-kleine-himmelskorper-warten-auf-unseren-besuch/
und das Original Paper gibts hier: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1304/1304.5082.pdf (seite 22-23 dürften auch dem interessierten Laien was sagen)
@Luk: Vielen Dank für den Link! Erstaunlicherweise stimmt sogar meine Einschätzung „einige 100 m/s“ aus einem früheren Kommentar: 11 Objekte könnten mit einem Δv von 181 m/s bis unter 500 m/s beim L1 bzw. L2 eingefangen werden. In einem Fall beträgt das Δv sogar nur 58 m/s. Hätte man eine Saturn V, könnte man eine Stufe mit ausreichend viel Treibstoff zum Einfangen (die Autoren berechnen für 6 konkrete Asteroiden und Einfang-Trajektorien einen Treibstoffbedarf von 17 bis 46 Tonnen, allerdings gerechnet noch ohne Flug zum Asteroiden, der aber ebenfalls nicht sonderlich viel Δv braucht, da geringer hyperbolischer Exzess reicht) losschicken. Aktuell berechnen die Autoren wohl eine Niedrig-Energie-Variante mit Ionenantrieb, wie sich in diesem Fall das Δv erhöht.
Kai
Ja ich denke ein grosses Ionentriebwerk dürfte die beste Lösung sein. Selbst ein riesieges Solarsegel fällt nicht so sehr ins Gewicht (insbesondere wenn man dann noch die Asteoridenmasse dazurechnet) und dafür spart man viel Treibstoff ein.
Aber die Berechnungen wurden nicht für langsame Bahnänderungen gemacht! Daher kann man das nicht 1:1 umrechnen.
Trotzdem sollte ein 10 mal höhere spez. Impuls einen Vorteil bei der Sondenmasse liefern.