Raumsonde „Mars Dust“

Die nächste Runde für Discovery Class Sonne ist eröffnet, nachdem die NASA den nächsten Rover um zwei Jahre nach hinten verschoben hat. Einer der ersten Kandidaten ist die Mars Dust Mission, die gerade wegen des amerikanisch-russischen Verhältnis in den Schlagzeilen ist.

Das Projekt war das Ergebnis einer gemeinschaftlichen russisch-amerikanischen Studie die vor kurzem im renommierten Journal „Planetary and Space Science“ veröffentlicht wurde. Russische Wissenschaftler erhofften sich eine Argumentationshilfe für eine Phobos Grund 2 Mission, die nach 2020 starten soll, amerikanische Wissenschaftler wollten simulieren was mit Meteoriteneinschlägen passiert, vor allem dem Auswurfmaterial um festzustellen in welchem Radius sich verteilt und Russland wollte wissen ob Phobos solches Material aufsammeln könnte.

Das Ergebnis war, das durch die dünne Atmosphäre und geringe Fluchtgeschwindigkeit sehr viel Material bis in große Höhen gelangt und vor allem der Marsmond Phobos eine Menge Marsmaterial „aufgesammelt“ hat. Bis zu einem Viertel des lockeren Materials an der Oberfläche von Phobos könnte vom Mars stammen.

Das inspirierte Wissenschaftler am Ames Forschungszentrum der NASA zu dem Vorschlag einer Mission die Material von Phobos zur Erde bringt. Anders als bei der Phobos Grunt Mission ist man vor allem am Marsmaterial interessiert. Seit Jahrzehnten taucht ja eine Solche Mission bei den Langzeitplanungen der NASA auf, doch es fehlt die Finanzierung einer solchen auf mehrere Milliarden Dollar geschätzte Mission.

Am Ames Forschungszentrum, das ja schon Erfahrungen mit 2Low Cost Missionen“ hat, wie Pioneer Venus oder Pioneer 10+11, zuletzt LADEE, überlegte man sich wie man im Rahmen einer Discovery Class Mission Bodenproben vom Phobos zur erde zurückbringen kann. Das setzt eine Obergrenze von 500 Millionen Dollar ohne Trägerrakete. Michael Carpenter, Wissenschaftler an der Uni von Arizona schrieb in seinem Blog: „At first we looked after existing Hardware we could use. MAVEN should be usable, since it too needed a lot of fuel and is also a cost capped Mission“. MAVEN, die derzeit auf dem Weg zum Mars ist wird allerdings nur auf einer Marsumlaufbahn bleiben, und nicht zur Erde zurückkehren. MAVEN erwies sich als an der Grenze der Nutzlast einer Atlas 551, trotz Umstellung des Antriebssystems auf einen diergolen Treibstoff und Gewicht zu sparen. Die wissenschaftliche Nutzlast musste radikal verschlankt werden und auf eine Weitwinkel- und Telekamera beschränkt werden.

Doch das Hauptproblem war: wie gewinnt man Bodenproben und bringt sie zur Erde zurück. Dazu Carpenter: „We looked at previous Missions which sampled extraterrestial Material. NASA launched in the nineties the Stardust and Genesis Missions. The Capsules of these could be used. Also we thought about buying a capsule form Japan which recently developed one for their Hayabusa Mission, this might be cheapier than rebuild 20 year old hardware“.

Doch das Kernproblem war: wie gewinnt man Bodenproben und vor allem in einer Menge die ausreichend für Analysen ist (wie oben beschrieben ist man ja an der Marsmaterie interessiert und die macht nur einen Teil der Oberflächenmaterie aus, wobei die Schätzung mit einem Viertel schon optimistisch ist, es können auch nur wenige Prozent sein). Bohrungen schieden wegen der Kosten für die zu entwickelnde Hardware ebenso aus wie Greifer. Es würde aber auch Staub ausreichen. Carpenter „On Earth you would use an vacuum cleaner. But in Space it won’t work, unlike his name suggest, a vacuum cleaner won’t function in vacuum“. Dann las jemand von in den neulich veröffentlichten Unterlagen der NRO über das KH-9 Projekt die nun freigegeben wurden und kam auf die Idee: Warum nutzt man nicht die Technologie, die man für den Filmtransport entwickelt hat? Bei den Spionagesatelliten wurde Film von der Filmrolle durch die Kamera gezogen, belichtet und dann in eine Rückkehrkapsel verfrachtet die schließlich geborgen wurde. Dafür gibt es funktionierende Hardware. Das System für KH-9 war viel zu schwer, doch man konnte aus einem Museum sich noch eine funktionierende Kamera für das KH-2 System ausleihen. Diese hielt auch die Gewichtsgrenzen ein. Die KH-2 Kamera kann rund 36 kg Film transportieren.

Monatelang tüftelte man allerdings wie man Staub aufnehmen kann. Der Film wurde durch eine dünne Schicht Mylarfolie ersetzt, die Verringerung der Dicke erlaubt es an der Oberfläche gebundenen Staub mitaufzurollen, ohne das Transportsystem zu verändern. Doch bald gab es Ernüchterung. Alle getesteten Kleber fielen nach einem Monat simulierten Weltraumbedingungen (Vakuum, Erhitzung auf +90 und Abkühlung auf -110 Grad) aus. Teilweise bildeten sie feste Krusten die den Film beim Transport hängen ließen, im besten Fall verloren sie jegliche Haftfähigkeit. Schlussendlich versuchte man es mit einer anderen Technik: Die Folie wurde auf der Unterseite aluminisiert und elektrostatisch aufgeladen. Nun zog sie sogar Staub an, ohne das sie damit in Kontakt kam, doch beschränkte sich dies auf sehr kleine Partikel bis maximal 100 Mikrometer Durchmesser. Mittels Kleber hoffte man noch größere Staubkörner bis zu 500 Mikrometer Größe aufnehmen zu können. Dafür vereinfachte sich der Transport, man kann auf einen Mechanismus verzichten der größere Partikel zurückhält und durch Abfahren eines Spannungsprogramms kann man nacheinander von einer Fläche zuerst den feinen Stauvb aufnehmen und dann sukzessive größere Partikel. Trotzdem wird die Menge sehr klein sein etwa 2-3% des Gewichts der Folie, das wären bei 36 kg Folie rund 720 bis 1080 g.

Zwei Probleme gab es jedoch. Zum einen war der KH-2 Mechanismus sehr schwer und wog 110 kg, was zusammen mit der Kapsel dann die Nutzlastkapazität der Atlas 551 sprengte, wenn man MAVEN als Basis nutzt. Eine Neuentwicklung wäre aber zu teuer. Zum zweiten müsste sich Maven jeweils für eine Bodenprobenentnahme auf die Seite legen, wodurch die Kommunikationsverbindung unterbrochen ist. Zumindest für erstes Problem gab es eine Lösung: Roskosmos wollte sich an dem Projekt beteiligen, auch weil die Phobos Grunt 2 Mission nicht stattfinden wird. Putin persönlich soll das Projekt abgelehnt haben: nach drei fehlgeschlagenen Sonden zu Phobos wäre der Himmelskörper schon als Unglücksbringer gebrandmarkt, so eine inoffizielle Stellungnahme. Russland würde eine Proton Trägerrakete und eine Fregatoberstufe zur Verfügung stellen. Beides zusammen erhöht die Nutzlast zum Mars von 4,7 auf 6 t und verringert die Kosten für die NASA. Bedingung war ein Anteil von 20% an den Bodenproben und die Mitführung der Fernerkundungsinstrumente von Phobos Grunt. Dieses Mehrgewicht von 40 kg war bei dem nun üppigeren Gewichtsbudget tragbar und so kam man zu einer Einigung bis …

… ja bis Russland die Krim annektierte. War das Projekt vorher der heißeste Kandidaten für die nächste Runde der Mars Scout Missionen, über die im September entschieden wird, so ist es nun ein krasser Außenseiter, angesichts der abgekühlten russisch-amerikanischen Beziehungen. Zwar wurde gerade betont wie wichtig die Mission sei, gerade um zu zeigen, dass man jenseits der Politik zusammenarbeiten kann, doch leider scheint man gerade das Gegenteil vorzuhaben. So wird derzeit erwogen die RD-180 in den USA zu bauen, obwohl alleine der Aufbau der Produktion 1 Milliarde Dollar kosten soll. Die Maxime scheint zu sein: Keine Abhängigkeit von Russland. das hat schon früher Programme beendet, so die erste Zusammenarbeit die mit Apollo-Sojus begann als unter Carter ein Konfrontationskurs begann, der unter Reagan noch schlimmer wurde.