Meine Meinung zur Marsorbitstation

So anstatt einem Kommentar meine etwas ausführlichere Antwort auf den Gastblog von Elendsoft.

Delta-V Betrachtungen

Betrachten wir zuerst einmal die Geschwindigkeitsanforderungen. Ich bin im folgenden von diesen Randbedingungen ausgegangen:

• Ankunft und Rückstart aus einer Hohmann-Transferbahn 150 x 228 Millionen km.
• Chemische Abbremsung in einen 200 x 70.000 km Fangorbit
• Weitere Abbremsung durch Aerobraking

Dies sind Randparameter der energieärmsten möglichen Mission. Alles andere braucht mehr Energie.  Es gilt auch eingeschränkt für andere Szenarien. Bei der Treibstoffproduktion auf dem Mars mag man Treibstoff einsparen den man von der erde mitbringt, dafür muss man eine umfangreiche Gerätschaft zum Mars transportieren. Mit Ionentriebwerken kann man zwar Treibstoff auf der interplanetaren Reise einsparen, dafür dauert die Reise länger und es verkürzt sich auf der Aufenthalt auf dem Mars.

Direkte Marslandung und direkter Rückstart zur Erde

Die Besatzung ist die gesamte Zeit in einem Habitat das sowohl für die direkte Phase zum Mars eingesetzt wird, wie auch für den Marsaufenthalt und die Rückkehr genutzt wird. Erst an der erde angekommen wird sie verlassen und eine Landung erfolgt in einer Kapsel.- Aufgrund der Masse braucht dieses Szenario enorm viel Triebstoff, der nach heutigem Stand der Technik nur durch Treibstoffsynthese auf dem Mars gewonnen werden kann.

• Abbremsung in der Endphase der Landung: 200 m/s
• Rückstart zur Erde: 5600 m/s + Gravitationsverluste (geschätzt: 600-900 m/s)

Marslandung und Rückstart mit einer Station im Marsorbit als Zwischengefährt

Eine Raumstation wird zum Mars transportiert. Eine weitere auf dem Mars abgesetzt. Nach Ankunft beim Mars (oder kurz vorher) steigt die Besatzung in einen Lander um und landet. Die Station erreicht einen kreisförmigen Orbit in in 200 km Höhe. Nach 500 Tagen steht der Rückstart an. Die Besatzung steigt mit einer kleinen Kapsel ine eine Marsorbitstation um und in ihr erfolgt der Rückstart zur Erde

• Lander: Abbremsung in der Endphase der Landung: 200 m/s
• Raumstation: Abbremsung in 200 x 70.000 km Obrit: 800 m/s
• Länder: Rückstart in den Orbit: 3450 m/s + Gravitationsverluste (geschätzt: 600-900 m/s)
• Raumstation;: Rückstart zur Erde: 2116 m/s

Der Geschwindigkeitsbedarf ist theoretisch höher, da man die Raumstation chemisch abbremsen muss. während bei der direkten Landung man nur wenig Treibstoff verbraucht. In der Praxis ist diese Lösung aber viel günstiger:

Man muss die Behausung für die 200+ Tage dauernde Rückreise nicht erst von der Marsoberfläche anheben. Das verbraucht viel mehr Treibstoff als sie in einem Orbit zu platzieren

Das Gefährt das von der Marsoberfläche in einen Orbit führt, kann eine kleine und daher leichte Kapsel sein, man wird sich maximal einige stunden in ihm aufhalten. Beim direkten Konzept ist es dagegen die Behausung in der die Besatzung während der ganzen Reise wohnt – viel größer und damit schwerer.

Nur Raumstation im 200 km Kreisbahnorbit

• Raumstation: Abbremsung in 200 x 70.000 km Orbit: 800 m/s
• Raumstation;: Rückstart zur Erde: 2116 m/s

Wir sparen hier gegenüber dem indirektem Rückstart den Rückstart in den Orbit ein (kleine Kapsel) und dazu ein Habitat auf der Oberfläche, das ist in etwa die Hälfte der Startmasse.

Station im Phobos/Deimos Orbit:

• Raumstation: Abbremsung in 200 x 70.000 km Orbit: 800 m/s
• Raumstation: Zirkularisierung der Bahn nach aerodynamischer Abbremsung der Apoapsis auf Phobos/Deimosbahnhöhe: 546 / 688 m/s

Raumstation;: Rückstart zur Erde: 1923 / 1939 m/s

Diese Lösung ist energetisch nur wenig ungünstiger als die reine 200 km Kreisbahn. Es werden 400-600 m/s mehr benötigt, was angesichts der Geschwindigkeitsänderung klein ist. Etwas mehr ist es wenn man beide Monde besuchen will, da man dann zwei Zirkularisierungen hat, bzw. eine Ausweitung des Orbits mit chemischen Treibstoff.

Betrachtet man es energetisch, so ist sicher eine reine Marobitstation erheblich günstiger als die Landung, egal ob direkt oder über eine Raumstation. Selbst wenn man den Treibstoff auf dem Mars gewinnen kann, so muss man immer noch eine Wohnung für die Astronauten auf dem Mars landen und die Kapsel, das bedeutet der Aufwand ist deutlich größer als bei einer Marslandung.

Wenn man es von der Nutzlast her betrachtet, so entfallen bei einer konventionellen Marslandung (keine ionenantriebe, keine Treibstoffgewinnung auf dem Mars) in etwa gleich große Massen auf:

• Wohnung auf dem Mars mit Vorräten (landet auf dem Mars)
• Rückkehrkapsel, Stufe, sperrige Ausrüstung (landet auf dem Mars)
• Interplanetare Behausung für die Hin/Rückreise (bleibt im Orbit)
• Stufe und Vorräte für die Hin/Rückreise

Man kann die Hälfte der Starts und des Equipments einsparen. Bei den Kosten wird der Einspareffekt noch höher sein, weil eine Miniraumstation, die man zum Mars und zurückbringt eigentlich Stand der Technik vor 30 Jahren ist, das Marshabitat und die Ausrüstung dagegen noch nie entwickelt wurde.

Wissenschaftlicher Nutzen

Der Grund warum heutige Raumsonden-Missionen so langsame Fortschritte machen, liegt nicht so sehr in der Technik als vielmehr in dem Bestreben der Missionskontrolle alles zu kontrollieren. Für die Fahrt gibt es heute Software, weil man sonst nicht sehr weit kommen würde. Bei einem Ziel angekommen,  wird der Fortschritt aber dann langsamer. Man macht erst Aufnahmen der Umgebung, dann sitzen die Wissenschaftler zusammen und sucht interessante Ziele aus. Die werden dann weiter untersucht mit Fernerkundungsinstrumente. Eventuell ist ein Stein oder eine Formation so interessant, dass man diese in Situ untersuchen will. Für alle diese Schritte müssen die Abläufe festgelegt werden und die Roboter bekommen einen genauen Instruktionssatz zugespielt, was genau sie machen müssen, inklusive der Bewegungsdaten für Arme. Das zu planen dauert. Es stehen Konferenzen der einzelnen Institute an, wer was machen will, wann es erfolgen kann und weil alles genau festgelegt wird dauert alleine das Erstellen der Programme die man übermittelt lange. Das ist natürlich der Gegensatz zu bemannten Missionen wo Menschen etwas einfach tun und man ihnen nicht jeden Schritt beschreiben muss (allerdings nur, weil diese vorher jahrelang geübt haben – vielleicht geht das bei Robotern mit mehr Übung ja auch schneller)

Es wäre mehr Autonomistin möglich, so gibt es heute schon Roboter die Gegenstände erkennen und selbstständig greifen, anstatt das man die Befehle gibt wohin der Arm zu fahren hat, wann er die Hand zu öffnen hat etc. Würde man mehr riskieren und heute schon verfügbare Techniken für autonomes Arbeiten einsetzen, so könnte man den Vorgang beschleunigen und braucht keine Besatzung im Orbit. Das Risiko eines Verlustes oder Beschädigung kann man minimeren wenn man mehr Raumsonden startet, was immer noch billiger als die bemannte Lösung ist. Zumal viele baugleiche Roboter die kosten deutlich senken. Viele Roboter würden natürlich durch ihre Zahl dann auch die bisher konventionelle Vorgehensweise ermöglichen. Man gleicht durch die Zahl die Langsamkeit aus.

Ansonsten kann die Besatzung aus dem Orbit nichts durchführen, was nicht auch entsprechend ausgerüstete Raumsonden zu einem Bruchteil der Kosten durchführen können.

Bei einer Station auf einem Marsmond sieht es genauso aus. Manschen können aufgrund der geringen Schwerkraft dort nicht sinnvoll arbeiten. Hier sind Landesonden deren mechanische Elemente definierte Kräfte zum Bewegen freisetzen können und die man für lange Zeit mit Harpunen festzurren kann viel nützlicher. Bei der Erkundung von Phobos oder Deimos aus der Ferne gilt das gleiche wie bei einer Marsumlaufbahn.

PR-Nutzen

Der wichtigste Nutzen einer Marsmission wird im Orbit verschenkt. Nein, dann kann man keine Astronauten vor dem Rand von Valles Marineris bei Sonnenuntergang filmen. Bemannte Raumfahrt ist vor allem öffentlichkeitswirksam. Man will Menschen sehen und die Motive aus dem Orbit sind da lange nicht so interessant wie die von der Oberfläche. Es ist eben dann der Mars im Hintergrund, interessant aber nicht vergleichbar mit hopsenden Astronauten über die Marsoberfläche.

Das gleiche gilt auch für die Marsmonde. Eine Landung auf ihnen dürfte fast unmöglich sein. Daher wird man sie nur aus der Nähe beobachten. Hier gibt es neben der Alternative der unbemannten Sonden auch noch den Besuch eines erdnahen Asteroiden. Diesen kann man wahrscheinlich schneller erreichen, muss dort nicht so lange auf die Rückreise warten als wie bei den Marsmonden. Der einzige Vorteil der bleibt, ist der bei Mars ohne größeren Aufwand zwei Asteroiden zu besuchen die sich auch soweit wir wissen deutlich unterscheiden.

Nachteile

Es gibt sogar einen beträchtlichen Nachteil: In einer Raumstation ist man die gesamte Reise über schwerelos. Das wäre man bei einer rund 1000 Tage dauernden Mission sonst nur während 45-50% der Zeit, der Rest wäre die Besatzung auf dem Mars bei 2/3 fer Schwerkraft der Erde (sicher ausreichend für das Erhalten der Muskeln, zumal man ja auch im Raumanzug arbeiten, muss der das Gewicht erhöht und Kraft für die Bewegung der Extremitäten erfordert. Bisher fehlen Daten ob man 1000 Tage in Schwerelosigkeit übersteht. So lange war bisher am Stück niemand im All.

Dazu kommt das die Strahlung im Marsorbit höher ist und der Schutz aufwendiger. Auf der Oberfläche wird der Mars selbst mindestens 50% der Zeit die Strahlung abschirmen, dazu kommt eine leichte Schutzwirkung der Atmosphäre. Es ist sicher aufwendig, aber nicht unmöglich einen kleinen Schutzbunker unter der Oberfläche anzulegen. Dann ist die Besatzung während über der Hälfte der Gesamtdauer vor solarer und kosmischer Strahlung geschützt. Das ist sie im Orbit nicht oder man muss so viel Wasser als Schutz mitführen und auch auch über die Mission nicht verbrauchen, dass deren Masse sehr hoch wird.

Fazit

Ich sehe keinen Sinn für eine Marsraumstation. der Aufwand im Verhältnis zu den Kosten ist sogar noch geringer als bei der Marslandung. Sie ist zwar viel billiger, der Nutzen aber noch geringer als bei der Landung.