Musks Marspläne bringen mich auf mein heutiges Thema: die Marskolonisation. Soweit ich weiß ist er der Einzige, der das ernsthaft will. Die meisten anderen versuchen erst mal, eine Marsexpeedition zu stemmen. Ich will auch nicht auf den Sinn einer Marskolonisation eingehen. Sonst wäre der Blog relativ schnell erledigt. Die wurde bei Musk nach den Vorgaben der berühmten Weltraumpionierin Pippilotta Viktualia Rullgardina Krusmynta Efraimsdotter Långstrump[ erarbeitet gemäß ihrem berühmten Zitat: „Ich mach‘ mir die Welt Widdewidde wie sie mir gefällt ….“ erarbeitet.
Denn selbst bei 100.000 bis 200.000 Euro pro Ticket wird das nur für eine Minderheit erschwinglich sein, und man wird so die Probleme auf der Erde nicht lösen. Meiner Ansicht nach ist es besser anstatt 100.000 Euro dafür auszugeben, dass eine Person auf den Mars fliegt, 20 Frauen zu sterilisieren und diesen 5.000 Euro zu geben, dass sie keine weiteren Kinder mehr bekommen. Das ist für das Hauptproblem – es gibt zu viele Menschen auf der Erde – und das löst man nicht durch Auswandern, sondern durch Reduktion der Weltbevölkerung, dann reichen die Ressourcen auch für alle.
Perchlorate im Boden
Doch nehmen wir mal an, wir würden eine Marskolonisation betreiben. Welche Probleme und Herausforderungen gibt es. Ich will in diesem Blog mich auf ein Problem konzentrieren: die Landwirtschaft.
Eine Marskolonie muss natürlich auch ihre Nahrungsmittel selbst erzeugen. Da gibt es einiges zu tun. Fangen wir mit dem Boden an. Die Viking Lander und Phoenix zeigten, dass der Marsboden zahlreiche oxidierende Substanzen enthält. Beim Phoenix Landeort waren es 0,5 Gewichts-% Perchlorate im Boden. Das ist nicht wenig. Perchlorate sind oxidierende Substanzen. Sie reagieren mit organischen Substanzen und oxidieren diese und bilden dabei Chlorid. Aufgrund dieser Eigenschaft werden sie auch als Raketentreibstoff genutzt: 70% des Treibstoffs von Feststoffraketen bestehen aus Ammoniumperchlorat. Früher waren sie auch in WC-Reinigern anzutreffen. Perchlorate würde so schon die Samen schädigen, Wurzeln ebenfalls und natürlich könnte sich keine Bakterienfauna und Pilze entwickeln.
Das bedeutet, man müsste im großen Maßstab den Boden erst entgiften, wahlweise, indem man ihn stark erhitzt. Ammoniumperchlorat zersetzt sich bei 200°, Kaliumperchlorat aber erst bei 525 °C. Das dabei freiwerdende Chlor kann man dann verwenden, um Chlorierte Kohlenwasserstoffe oder Salzsäure zu erzeugen. Das ist natürlich energieintensiv, vor allem wenn man bedenkt, um welche Flächen es hier geht. Noch fehlt eine Erforschung des Untergrundes, d.h., findet man Perchlorate nur in den obersten Zentimetern des Bodens oder auch in großer Tiefe? Beim Letzten müsste man sehr viel entgiften, weil Perchlorate wasserlöslich sind und so mit dem Wasser auch von tieferen Schichten nach oben gelangen.
Nacktes Gestein, anstatt Erde
Hat man so den Boden für die Marskolonisation vorbereitet, dann kommt die zweite Herausforderung: Es ist „nativer“ Boden. Sprich es ist Gestein, zerkleinert durch Wind und thermische Spannungen. Boden, den wir nutzen, enthält zahlreiche organische Stoffe, den Humus, er ist auch deutlich Feiner und enthält Lehm und Ton, also durch Wasser und Säuren zerkleinertes Gestein. Vor allem enthält er zahlreiche Mikroorganismen. Man weiß, dass viele Pflanzen ohne Pilze im Boden nicht gut wachsen, viele sogar ganz von den Pilzen abhängig sind, so z.B. die meisten Laubgehölze. Marsboden entspricht nach der Reinigung vielleicht dem von frischer Lava, selbst Sand aus der Sahara enthält immerhin einige Mikroorganismen, die besonders resistent sind wie z.B. Pilzsporen. Trotzdem kommen nur wenige auf die Idee, auf Sand Pflanzen anzubauen.
In jedem Falle fehlen für die Marskolonisation Stickstoffverbindungen, also Nitrate. Die Atmosphäre enthält auch zu wenig Stickstoff, dass Stickstoff fixierende Bakterien diesen den Pflanzen zur Verfügung stehen können. Es müssen also Düngemittel synthetisiert werden.
Wahrscheinlich wird man so vorgehen, dass man zuerst auf einer Fläche anspruchslose Pflanzen anbaut, deren Biomasse kompostiert (das kann auch ohne Boden durch Algen geschehen, die man in Bottichen aufzieht – dann hat man das Problem der Entgiftung der Boden nicht) und diesen Kompost unter den Boden mischt. Die Oxidation des Kompostes kann dann die Peroxide abbauen und nach und nach erhält man einen größeren Teil an organischen Substanzen im Boden. Die Pflanzenwurzeln der ersten Pflanzen zersetzen mit ausgeschiedenen Säuren dann auch die Körner etwas. Nach einigen Durchgängen hätte man dann eine Erde, die auch anspruchsvollere Pflanzen aufnehmen kann.
Die Atmosphäre
Der Boden alleine reicht für die Landwirtschaft nicht. Pflanzen brauchen auch eine Atmosphäre, um zu wachsen. Die heutige Marsatmosphäre hat eine Dichte, die maximal dem in 30 km Höhe auf der Erde entspricht. Die dünne Atmosphäre ist nicht nur ein Hindernis für die Marskolonisation, sondern auch für die Pflanzen.
Pflanzen brauchen zwei Gase: Kohlendioxid für die Photosynthese und Sauerstoff für die Atmung. Für Stickstoff fixierende Bakterien wäre auch Stickstoff wichtig. Wie viel, das müsste man bestimmen. Bei uns wachsen Pflanzen nur bis zu einer bestimmten Höhe über dem Meeresspiegel, doch das ist bedingt durch die in der Höhe sinkenden Temperaturen bedingt. Macht man einen Blick in die Erdgeschichte, so begannen die Pflanzen im Silur an Land zu gehen, als die Atmosphäre schon einen Sauerstoffgehalt von 10% hatte. Der Kohlendioxidgehalt von 5-8% war damals ebenfalls höher, aber da wird man sicher den heutigen Gehalt ansetzen können. 10% Sauerstoffgehalt bei einem Bar Druck das ist auch das, was man erreichen muss, damit Arbeiter dort ohne Raumanzug arbeiten können. Die ganze Fläche wird überglast sein müssen, das wird auch aus anderen Gründen notwendig sein. Das Grundproblem ist es, erst einmal für eine große Fläche so viel Sauerstoff zu erzeugen.
Wenn das Glasdach bei 2,5 m Höhe ist, braucht man für 100 m² Fläche und einem Sauerstoffpartialdruck von 10 kpa rund 36 kg Sauerstoff, denn man aus der Marsatmosphäre oder Wasser gewinnen muss. Die Marsatmosphäre hat einen Kohlendioxidgehalt der rund 0,6 kPa entspricht. Das wäre bei dieser Atmosphäre ein Kohlendioxidgehalt von 6% oder 3% wenn die Atmosphäre so dicht, wie unsere ist. Das wäre schon oberhalb der Konzentration, die heute bei einem Arbeitsplatz zulässig ist (0,5%). Diese Konzentration würde man anstreben auch um das Pflanzenwachstum anzukurbeln. Man braucht aber neben dem Sauerstoff noch Stickstoff, sonst wäre die Brandgefahr zu hoch. Bei Skylab enthielt die Atmosphäre 28 % Stickstoff, bei reduziertem Druck (280 Hpa). Man müsste daher die Marsatmosphäre trennen, da Stickstoff nur ein Spurengas in der Atmosphäre ist. Das ist ein ziemlich Aufwand.
Den Sauerstoff erhält man, wenn man aus Wasser und Kohlendioxid in dem Bosch-Prozess Graphit erzeugt, denn man wiederum für die Eisenverhütung braucht. Für die Marskolonisation wird man auch Rohtsoffe vor Ort erzeugen müssen. Dazu in einem weiteren Beitrag über die Marskolonisation mehr.
Schutz vor Strahlung
Die Marsatmosphäre enthält keinen Sauerstoff und ist zu wenig dicht um eine Ozonschicht zu bilden. Schon alleine deswegen muss die ganze Fläche verglast werden wie bei einem Treibhaus, nur hermetisch abgeschottet. Damit man bei Beschädigungen nicht um das Leben der Arbeiter fürchten muss, wird man wohl kleinere Parzellen jeweils hermetisch abschotten und mit Türen versehen, die man schnell luftdicht verschließen kann.
Normales Glas lässt keine UV-Strahlung passieren. Damit kann man die Ozonschicht ersetzen, allerdings werden die Arbeiter auch nicht braun beim Arbeiten. Sicherheitsglas, das wünschenswert wäre, um Mikrometeoriten abzufangen, blockiert durch die Kunststofffolie leider auch einen Teil des blauen Lichts und eignet sich auch auf der Erde nicht für Gewächshäuser.
Leider hat der Mars auch kein Magnetfeld und um die gesamten Partikel abzuschirmen, braucht man dann doch eine deutlich höhere Glasschicht. Wenn Glas genauso gut wie Aluminium Strahlung absorbiert, so braucht man etwa 1 cm dickes Glas um einen Wert zu erreichen, der langfristig erträglich ist. Bei Sonnenstürmen müsste man trotzdem die Arbeit einstellen und einen Schutzraum aufsuchen.
Die Marskolonisation wird in jedem Falle unter abgeschotteten Habitaten erfolgen. Selbst wenn die Pflanzen mehr Sauerstoff produzieren als die Kolonie verbraucht und man die Rückstände am Verrotten hindert, so braucht man Jahrmillionen bis man eine atembare Luft erzeugt hat. Man muss sich nur klarmachen, dass dieser Prozess selbst nachdem es Landpflanzen gab auf der erde über 50 Millionen Jahre dauerte.
Die Temperaturen
Das Hauptproblem ist, das der Mars viel weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde. Die Erde hat eine nahezu kreisförmige Umlaufbahn zwischen 147,6 und 151,5 Millionen km Entfernung. Der Mars eine stärker elliptischere mit Extremwerten von 206 und 249 Millionen km Entfernung. Die Umrechnung der Strahlungsleistung ist durch die Neigung der Erdachsen daher nicht einfach, aber es gibt einen Vergleich:
Die Strahlung, die am Marsäquator ankommt, entspricht je nach Distanz der die bei der Tag- und Nachtgleiche auf der erde beim 59 Breitengrad (höchste Annäherung) bis 69 Breitengrad (größte Sonnenferne) ankommt. Schaut man sich auf einer Weltkarte um, so liegen zwischen dem 60 bis 70 Breitengrad Alaska, Island, die nördlichen Teile von Norwegen und Schweden und Finnland. Die letzten drei Länder sind allerdings aufgrund des Lorenzstroms und des warmen Wassers, das er bringt nicht repräsentativ. In Alaska und Island kann man nur Weidewirtschaft durchführen. Nahrungspflanzen wachsen dort nicht.
Dabei gilt dieser Vergleich nur, wenn die Erdachse senkrecht zur Bahn steht, wie beim Marsäquator (woanders wird man nicht siedeln wollen) das ist bei uns rund um den 21.3 und 23.9 der Fall und zu dieser Zeit findet auch bei uns in südlicheren Breiten kein weiteres Wachstum mehr statt. Das geht einher mit der Beobachtung das beim Marsäquator je nach Jahreszeit die Höchsttemperaturen bei 0 bis 20° Celsius liegen. Das entspricht auch den Höchsttemperaturen in diesen Ländern. 0 Grad bei rund 70“ Breite, 20 Grad bei 60 Gad Breite.
Vergleich mit der Erde
Auf Island betreibt man heute das Züchten von Obst mit Heizung (geothermische Energie) unter Glas. Doch beim Mars gibt es keine Geothermie. Die Wärme wird man künstlich über einen Reaktor erzeugen können. Trotzdem wird der Mars nie eine zweite Erde sein, denn der Anbau geschieht auch in diesen Ländern im Sommer, wenn man mehr Licht hat, weil die Erdachse zur Sonne zeigt, die Sonne also deutlich höher steht und die Tage länger sind. Das heißt, die Bedingungen sind dann deutlich besser. Bei uns erreicht man im Sommer z.B. 50% mehr Sonneneinstrahlung als beim Marsäquator am Sommer. Durch die elliptischere Bahn sind beim Mars die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter extremer, bei uns entstehen die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter nur durch die Neigung der Erdachse, doch beim Mars schwankt auch die Sonneneinstrahlung um 50% aufgrund der Umlaufbahn.
Dazu kommt, dass ein Marsjahr länger ist. Man wird nur den Sommer nützen können, dieser ist immerhin mit 178 Sols (ein Sol = 24 Stunden 37 Minuten) deutlich länger als unser Sommer. Das gleicht in gewisser Weise die geringere Strahlung aus. Doch dann folgen 512 Sols in denen keine Landwirtschaft möglich ist. Das bedeutet, man wird sehr viel Vorratswirtschaft betreiben müssen und große Flächen brauchen.
Klappt die Marskolonisation?
Wenn die Leute nicht nur von relativ genügsamen Pflanzen wie Kartoffeln, Hafer und Roggen leben wollen, so steigen die Ansprüche noch. Verschiedene Angaben über den Flächenbedarf pro Person für die Versorgung von Nahrungsmitteln schwanken je Land zwischen 800 und 4000 m², am oben Ende liegen die USA. Europa liegt mit 2000 bis 2700 m² je nach Land in der Mitte. So effizient wird es aber auf dem Mars auch bei Heizung nicht sein. Dafür gibt es zu wenig Sonne und ein Jahr dauert doppelt so lange. Man wird sicherlich eine landwirtschaftliche Fläche von rund 8000 m² brauchen, um eine Person zu versorgen. Diese Fläche könnte man bei alleiniger vegetarischer Ernährung auf ein Drittel verkleinern (nur 15% der Weltproduktion an verzehrbraren Pflanzen sind Nahrungsmittel, 58% sind Futtermittel).
Trotzdem ist Landwirtschaft, wenn überhaupt nur am Äquator möglich. Wie schon geschrieben: Im Sommer bekommt der Mars am Äquator so viel Sonne wie bei 59 Grad nördlicher Breite zur Tag- und Nachtgleiche bei uns und das ist am 21.3 und 23.9 der Fall. Beim ersten Termin kann man auf der Erde noch nichts ernten, weil vorher der Winter war, beim zweiten Termin kann man ernten, aber nur weil es vorher den Sommer über erheblich wärmer wahr und mehr Licht gab. Nachwachsen tut Ende September nichts mehr. Unklar ist, ob unsere Pflanzen überhaupt an die Marsbedingungen anpassbar sind, mit weniger Sonnenschein, viel längeren Jahreszeiten. Die nötigen Temperaturen könnte man noch durch Beheizung erreichen z.B., indem man neben jedes Feld ein gleich großes Stück mit doppelwandiger schwarzer Folie verkleidet und durch dieses Wasser zirkulieren lässt, das so erwärmt wird. Dies kann dann am bebauten Grundstück seine Wärme wieder abgeben.
Algen anstatt Brot
Wahrscheinlich ist alleine wegen des hohen Aufwands – man müsste enorme Flächen mit Glas bedecken die Marskolonie keine Landwirtschaft in unserem Sinn betrieben, sondern Algen züchten. Die kann man in relativ kleinen geschlossenen Systemen züchten. Nährsalze zugeben. Man braucht weniger Fläche, Algen wachsen auch in kaltem Wasser und hohen Breiten und sie wachsen schnell. Nur ist das sicher nicht die Marskolonie die Musk vorschwebt. Für 200.000 Euro will man sicher mehr Komfort: Nach Shotwells Aussage muss der Lebensstandard dort sehr hoch sein:
A version of that system would also eventually be used at Mars, she added. “If you send a million people to Mars, you better provide some way for them to communicate,” she said. “I don’t think the people who go to Mars are going to be satisfied with some terrible, old-fashioned radios. They’ll want their iPhones or Androids on Mars.”
Dies zur Frage nach der Satellitenkonstellation von SpassX (eine anderes Vaporprojekt). Wenn man solche Ansprüche an Komfort hat, wird man sicher nicht jeden Tag Algensalat oder Algenpulver essen wollen… Doch die richtig Reichen werden sicher auch nicht alleine reisen. Sondern noch etliche Angestellte für die Auswanderung auf den Mars bezahle. Die wollen sicher nicht auf dem Mars arbeiten und Beete jäten ….
In einem weiteren Beitrag über die Marskolonisation werde ich mich mit den Rohstoffen und der Industrie beschäftigen.
