Sagt nur: Oh, oh, oh – Nicht mit uns

Das Buch von Reichl hat mich inspiriert wieder mal etwas an der N1 zu recherchieren und meinen Artikel im Buch zu aktualisieren. Der Plan des L3M Programms hat mich auf eine Idee gebracht die ich mal vorstellen will. Nachdem Russland nur noch Zweiter werden konnte hat man sich überlegt, was man nun tun könnte. Wenn man wie vorher geplant nur auf dem Mond gelandet wäre, wäre das nicht nur als Kopie von Apollo erschienen und damit klar das man verloren hatte. Man wäre auch in technischen Aspekten unterlegen gewesen. So wäre nur ein Kosmonaut gelandet. Er wäre nur kurz auf dem Mond gewesen, so wie bei Apollo 11. Für längere Aufenthalte reichten die Ressourcen nicht. Die USA hatten das Apollo Programm abgeschlossen mit mehrtägigen Aufenthalten auf dem Mond, Ausflügen der Mondfahrzeuge und zahlreichen mitgeführten Experimenten. Das alles war mit dem L3 Programm nicht möglich.

So plante man als Steigerung eine Mondbasis. Das L3M; Programm würde als erste Stufe mit einem neu entwickelten Mondlander der auch das Raumschiff ist, landen und zur Erde zurückkehren. wegen des schweren Raumschiffes wären so zwei Starts der N-1F nötig gewesen. Später sollte eine Mondstation foilghen. Was ich mir nun gedacht habe ist: Hätte auch die NASA so etwas wie eine Mondstation durchführen können?

Für das L3M musste man das Mondprogramm praktisch neu erfinden, die eigentliche Station war noch gar nicht beschlossen. Das wäre bei der NASA bestimmt nicht möglich, schließlich strich man schon drei Apollomissionen. So habe ich mir überlegt, was die NASA (wenn es etwas anders gelaufen wäre) mit wenig Geld machen könnte, ohne nun alle Komponenten des Mondprogramms neu zu erfinden.

Nun einen Aufenthalt von bis zu 14 Tagen Dauer halte ich für möglich. 14 Tage lang ist auf dem Mond Tag und dann folgt eine 14-tägige Mondnacht, weil der Mond gebunden rotiert, also in den 28 Tagen die er für eine Erdumrundung braucht, auch sich einmal um die eigene Achse dreht. Danach wäre 14 Tage lang Nacht. Ein Aufenthalt dann macht wenig Sinn. Die Besatzung bräuchte Scheinwerfer um etwas außerhalb des Landers zu machen und wäre trotzdem schon aus Sicherheitsgründen auf die unmittelbare Umgebung eingeschränkt. Man braucht dann eine nukleare Stromversorgung die bei dem benötigten Strom doch sehr aufwendig und teuer geworden wäre. Zudem wäre bei meinem Szenario der Raum beschränkt und viel länger als 14 Tage würde man es dann auch sicher nicht aushalten.

Die naheliegende Lösung ist es einen Mondlander so umzubauen, dass er keine Aufstiegsstufe, sondern eine Behausung trägt. Beschäftigt man sich mit dem LM, so stellt man fest, dass die Aufstiegsstufe nicht viel wiegt: 4.700 kg beim Start und 2.150 kg leer. Das bedeutet, selbst wenn man nun die ganze Masse als Behausung ansieht ist das nicht viel: Das ursprüngliche LM hat ein Volumen von 6,9 m³ und ein bewohnbares Volumen von 4,5 m³. Für die Besatzung stand gerade mal ein Raum von 1,07 x 2,37 x 2,35 m zur Verfügung.

Es wird aber etwas besser. Zum einen gehen von den 2150 kg Trockenmasse noch das Antriebssystem ab. Das wiegt mit Triebwerken und Tanks bei dieser Größe typisch ein Sechstel der Startmasse und das Triebwerk nahm auch viel Platz weg.. Das bedeutet, die Trockenmasse der Behausung beträgt eigentlich nicht 2150 kg sondern nur 1786 kg und es stände etwa ein halber Quadratmeter mehr Fläche oder 1 m³ mehr Raum zur Verfügung. .4700 kg sind dann dreimal so viel Masse wie er Mondlander ohne Antriebssystem hat. Das zweite ist dass sehr viel von dem Gewicht konstant ist: Bordcomputer, Vorräte, Flüssigkeiten, steigen nicht im Gewicht, wenn wir mehr Platz haben wollen. Nehmen wir die ausgerüsteten ISS Module als Basis so sollte man in 2,9 t mehr Gewicht  etwa 11 m³ mehr Platz geben. Das wäre bei der Höhe von 2,35 m eine Gesamtfläche von etwa 6 m². Nimmt man nicht ausgebaute ISS-Module als Basis, weil man nur ein paar Betten und keine Experimente und sonstigen Subsysteme integrieren muss, dann sind es sogar 62 m³ und eine Fläche von 27 m². Also irgendwo dazwischen wird die Lösung liegen. Nimmt man das geometrische Mittel so kommt man auf 15-16 m² Fläche in etwa der Größe die ein kleines Zimmer hat. Das sollte für 14 Tage ertragbar sein. normalerweise würde der Lander noch mindestens das 210 kg schwere Mondauto und zwei Astronauten mit Raumanzügen transportieren. Dazu kämen noch Experimente. Das sind sicher 500 kg Masse. Die Apolloastronauten brauchten etwa 10 kg an Verbrauchsgütern wie Wasser, Essen, Sauerstoff und LiOH Kanister  pro Tag. Die würde man nun als Vorräte mitführen. 500 kg würden so für 50 Manntage oder bei zwei Astronauten für 25 Tage reichen. Das wäre also mehr als ausreichend.

Etwas kritischer ist die Stromversorgung. Die betrug bei dem Mondlandern 60 KWh in Form von Silber-Zinkbatterien. Die reichten bei Apollo 17 für 3 Tage. Das sind rund 0,9 KWh pro Stunde im Mittel. Nimmt man 100 Wh/kg an so bräuchte man für 14 Tage Batterien die 2800 kg wiegen. Daher würde man den Mondlander nun primär mit Solarzellen versorgen z.B. welchen die man am Dach befestigt. Dieser Mondlander bleibt als Basis auf dem Mond, da hat man den Platz dort zur Verfügung wo sonst der Kopplungsadapter sitzt. Damals hatten die besten Solararrays Leistungsdaten von 6,9 kg/m² und 13,3 W/kg. Man braucht für 1 KWh Leistung dann eine Fläche von 11 m² die 76 kg wiegen würde. Das wäre viel günstiger als Batterien, sogar günstiger als die schon vorhandenen Batterien. Man würde die Batterien der Abstiegsstufe neuaufladen, die haben 17 KWH Kapazität was für Spitzen ausreicht und die Batterien in der aufstiegsstufe weglassen. Geht man von einer Fläche von 15 m² als Wohnfläche aus, so hätte man auch die Fläche zur Verfügung. Der Lander hätte wenn er als Quader konzipiert würde etwa die Abmessungen von 4 x 4,5 – 5 m. (etwa 2,5 m³ muss man ja vom alten Mondlander für die Lebenserhaltungsysteme und sonstigen Subsysteme mitrechnen)

Eine zweite normale Apollomission landet dann nachdem der umgebaut LM gelandet wurde, in dessen Nähe. Sie führt die Experimente mit und Minimalvorräte für Landung und Start. Diese könnte, weil man so die Ressourcen beschränkt, sogar mehr Experimente mitführen. Glückt die Landung nicht oder erweist sich die Station als beschädigt startet man sofort zurück. Alternativ kann man auch eine normale Apollomission mit 3 Tagen Aufenthalt planen, dann eben mit geringerer Instrumentierung.

Das CSM bleibt wie bisher im Orbit. Doch auch hier sind Änderungen nötig. Eine Mond Mission kann nun mit Hin- und Rückflug 23 Tage dauern, etwa 11 Tage länger als die normalen Missionen. Es bietet sich an auch hier die Brennstoffzellen durch eine solare Stromversorgung zu ersetzen. Da das Servicemodul beim Aufstieg nicht verkleidet ist würde man Solarzellen unten wo die Düse ist befestigen. Es wären dann vier Zylinderschnitte die nach Ablösen des Adapters zur Saturn V aufgeklappt werden. Das Servicemodul hatte eine Gesamtkapazität an Strom von 900 KWh, bei 12 Tagen maximaler Missionsdauer sind dies durchschnittlich 3,2 KWh. Solarzellen mit den obigen Leistungsdaten würden 35 m² Fläche belegen, da man wegen der Rotation des Servicemoduls in Teilen der Mission nur die Hälfte zur Sonne drehen kann bräuchte man sogar 70 m². Als Zylinderschnitte wären das 4 x 0,98 x 4,5 m. Das passt noch in den Adapter hinein. Zudem startete die NASA schon 1971 die ST-2 Mission mit dem ersten ausrollbaren Solararray. Auch hier würde man die Brennstoffzellen reduzieren. Sie müssten nur noch Spitzenleistungen abdecken. dafür bräuchte man etwas mehr Vorräte, mehr Sauerstoff und Wasser für das Crewmitglied das im Orbit bleibt. Bei 1.200 kg nur für das elektrische System bleibt da aber noch etwas Gewicht übrig für mehr Nutzlast. Die NASA plante einmal die Apollo I-Missionen. Das waren Missionen ohne Landung, dafür aber einem Servciemodul in dem Instrumente angebracht waren. Während 14 Tagen könnte man die gesamte Mondoberfläche erfassen, nicht optimal, da es einige Gebiete geben würde die man nur bei niedrigem oder sehr steilen Sonnenstand sieht (beides ist wegen der Schattenwürfe die man für Profilanalysen und Höhenmessungen nutzt nicht ideal), aber bei zwei Missionen würde man so den ganzen Mond erfassen können. Kameras die das konnte gab es schon. Geplant war die Übernahme der militärischen Kameras des Gambit Systems, die Aufnahmen mit unter 1 m Auflösung anfertigen konnten.

Was technisch damals auch schon möglich war, war die Bestimmung der Verteilung der radioaktiven Elemente Kalium, Uran und Thorium mit einem Gammastrahlenspektrometer, Infrarotmessungen von Temperatur und einzelnen Punktspektren und es gab schon IR-Falschfarbenfilme die ein bisschen Aufschluss über die geochemische Zusammensetzung der Oberfläche liefern. Die Instrumente hätte man in einer bucht des CSM angebracht. Die meisten Messungen erfolgten damals mit Film, Radarhöhenmessungen auch auf Magnetband. Bei der Rückkehr zur Erde hätte man wie bei einigen Apollomissionen auch geschehen dann Filme und Bänder geborgen und in der Kapsel verstaut.

Auf zwei Missionen kommt man ohne größere Probleme, denn neben der Landemission muss es ja eine Mission geben, die das umegabute LM (Station) zum Mond bringt. Im Mondorbit angekommen kann man dann auch noch dort 14 Tage bleiben und die eine Hälfte der Kartierung durchführen, die zweite folgt dann mit der zweiten Mission bei der die Mannschaft bei der Station landet und dort bis zu 14 Tage bleibt (realistisch 12-13 Tage, da man bei Sonnenschein landen und starten will). Die Landung selbst wäre kein Problem. Die AGC Bordcomputer der Apollo hatten einen automatischen Landemodus. Sie hätten auch ohne Steuerung der Astronauten landen können und über das Radar ein grobes Profil der Mondoberfläche bekommen (im wesentlichen ein Kurvenzug der Höhe in Flugrichtung, aber keine 3D Auswertung). Man ging davon aus, das der Bordcomputer das Gefährt sicher auf einem Grund ohne größere Hindernisse landen kann. Ausprobieren wollte das Lowell bei der Apollo 13 Mission, dazu kam es aber nicht. Alle anderen Kommandanten wollten selbst lenken und taten dies im halbautomatischen Modus (bei dem sorgt der Computer für die Ausrichtung der Fähre, der Astronaut ist nur für Höhe und Bewegung zur Seite zuständig).

Also der Aufwand hält sich in Grenzen: man hätte zwei Apollofahrzeuge mit Solarzellen ausrüsten müssen und einige Brennstoffzellen entfernen müssen bzw. Experimente und Vorräte unterbringen. Ein Lander hätte zu einem Labor umgebaut werden, besser wäre vielleicht die Bezeichnung Behausung. Er könnte weitestgehend ausgeweidet werden, da er ja nicht zur Erde zurückkehrt. Alle Steuersysteme z.B. der RCS-Treibstoff und Bord Computer könnte man in die Abstiegsstufe transferieren, so hat man oben mehr Platz. Die Konstruktion einer kleinen Behausung mit Kojen, Tisch, Stühlen und einer Toilette und Vorratsschränken wäre sicher aufwendig, aber vergleichen mit einer Raunstation wie Skylab doch eher eine kleinere Aufgabe und die ging ja auch als Abfallprodukt von Apollo hervor.

Bei drei gestrichenen Missionen hätte man auch die Fahrzeuge dafür gehabt. Der Lohn wäre eine 12 Tagemission auf dem Mond gewesen, das ist länger als alle anderen Missionen vorher zusammen und als Nebeneffekt eine gründliche Erkundung aus dem Orbit. Mehr noch: Nutz man die Station weiter (indem man nochmals landet) so kann man sukzessive immer mehr Experimente installieren und die wissenschaftliche ausbeute erhöhen. Das einzige Manko ist das man beschränkt auf einen Landeort ist und natürlich die gleichen Sicherheitsaspekte wie Apollo gelten. Fahren mit dem Lunar Rover also nur einige Kilometer von der Station entfernt enden, damit die Besatzung selbst bei Versagen des Rovers zurückkehren kann.

Dabei habe ich bewusst das Programm so belassen wie es ist. Würde man mehr umbauten akzeptieren, so könnte man sich das CSM sparen, das den Großteil der Masse ausmacht und das Labor mit einer deutlich vergrößerten Abstiegsstufe (z.B. drei Triebwerken und dreifacher Treibstoffzuladung) direkt landen. Bei 48 t Startmasse betrüge so die Landemasse minimal 17 t (wenn man von dem komfortablen dV Budget der Abstiegsstufe übernimmt und um die 700 m/s ergänzt die man vorher verbraucht hatte um in den Orbit zu gelangen). Das wäre beim Strukturkoeffizienten der Abstiegsstufe dann eine Stationsmasse von 9,2 t oder fast doppelt so viel wie wenn man das CSM mitführt und dann würde es mit Sicherheit für ein komfortables Quartier reichen: Das ist die Masse des Columbuslabors ohne Innenausrüstung und das hat rund 100 m³ Volumen, was dem Volumen eines Zimmers mit 40 m² Fläche und 2,5 m Höhe entspricht. Das würde dann aber nicht mehr in die Saturn passen. So kommt man leicht auf weitere Kosten. Aber für ein paar Tage kann man sicher auch im kleineren Volumen unterkommen. Man hat ja viel Platz um draußen spazieren zu gehen….

Ein bisschen größer, aber nicht viel würde es bringen wäre, wenn man die Saturn in der Nutzlast steigert. Siehe dazu meinen Aufsatz. Mit vier Boostern der Titan 3C hätte man z.B. 8 t mehr zum Mond befördert. Leider kommt durch den Treibstoffverbrauch dort wenig an. Rechnet man Verbrauch von CSM und Abstiegsstufe zusammen so kommen netto noch 21% der Startmasse auf dem Mond an (reine Nutzlast, Trockenmasse der Abstiegsstufe schon abgezogen). Die 8 t mehr Nutzlast durch die Booster hätten also die Mondlandemasse gerade mal um 1,6 t erhöht.

So gesehen hat die NASA relativ viel aus den J-Missionen herausgeholt die nur rund 2 t schwerer als die H-Missionen waren, was sich in einer rund 500 kg schwereren Landemasse niederschlug.