Die Marsmission und die Frage der Transportkosten

Da ich bei meinem Auftrag recht gut in der Zeit liege schiebe ich mal wieder einen Blog über die Marsmission ein, zu einem Thema das nicht neu ist, aber meiner Ansicht nach falsch diskutiert wird: Die Frage der Transportkosten zum Mars.

Wann immer man über eine Marsmission redet, die ja angeblich in 10 bis 15 Jahren kommt (und das schon seit 20 Jahren …), dann tauchen hohe Summen auf. Wie viel es wirklich heute kostet, das weiß man nicht, weil seit 1990 keiner Präsident mehr eine genaue Schätzung haben wollte. Damals beauftragte Bush Senior die NASA mit einer 90-Tages Studie die auf 400 Milliarden Dollar für ein Mars unternehmen und 541 Milliarden mit einem Mondunternehmen als „Seiteneffekt“ oder Vorbereitungsprogramm kam. Das war zu teuer und so wurde es eingestellt.

In jedem Falle wird es teurer sein als ein Mondmission, schon alleine wegen der Dauer (mehr Fracht, höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Systeme und teurere Habitate). Für ein Mondprojekt gibt es dagegen einigermaßen aktuelle Zahlen. Das sollte als „Constellation“ 99 Milliarden Dollar kosten. Die Augustine Komission kam auf 145 Milliarden und dass nur wenn man dafür 10 Milliarden pro Jahr ausgibt. Bei dem geplanten niedrigeren Haushalt von 7 Milliarden wären es schon 170 Milliarden gewesen. Das ist in etwa die Hausnummer des Apollo-Programms, das wenn man die Kosten inflationskorrigiert hochrechnet auch 156 Milliarden in heutigen Dollars kostet und in etwa die Summe die man bisher für die ISS ausgegeben hat (allerdings über 30 und nicht 10 Jahre).

Wann immer ich aber Sendungen über das Thema Marsmission(en) ansehe, habe ich das Gefühl es läuft etwas schief. Zum einen der lange Zeithorizont von 15 ja sogar 20 Jahre für die Entwicklung. Apollo ging in 8 Jahren von der Genehmigung bis zur Landung. Streckt man eine Entwicklung wird sie zwangsläufig teurer, weil die Leute ja über die Zeit beschäftigt und bezahlt werden müssen und man hat die Gefahr, das alles längst technisch veraltet ist wenn es zum Einsatz kommt oder es schwer wird Ersatzteile aufzutreiben. Das Space-Shuttle Programm kostete fix 2 Milliarden Dollar pro Jahr. Ein Großteil wurde dafür bezahlt, dass zig Zulieferfirmen dafür bezahlt wurden, personelle Unterstützung zu leisten und Hardware zu liefern. Hardware die in den Siebzigern entwickelt wurde. Man dürfte die Produktionsstätten nicht schließen und bekam das bezahlt.

Der Vergleich mit Apollo

Apollo wird daher gerne auch als Referenz herangezogen. Doch der Vergleich ist falsch und er führt in die falsche Richtung. Bei Apollo entfielen 40% der Entwicklungskosten und 50% der Startkosten auf die Saturn Trägerraketen. Das verwundert nicht. Zum einen gab es bei ihnen den Größten Sprung: sie waren 20-mal schwerer als die bisher größten gebauten Raketen mit flüssigen Treibstoffen. Zum andern mussten sie sehr zuverlässig sein. Das traf zwar auch auf den Rest der Komponenten zu, doch anders als bei einer Rakete, gibt es dort im Falle eines Versagens meist genügend Zeit zu reagieren und eine Lösung zu suchen, wie man auch bei Apollo 13 sah. Eine Rakete dürfte einfach nicht ausfallen. Der Sprung gegenüber dem stand der Technik der Atlas oder Titan war daher bei den Saturn enorm, sowohl in technischer Sicht wie auch in dem Erprobungs- und Qualifizierungsprogramm.

Die Apollo-Kapsel konnte dagegen auf Mercury und vor allem Gemini aufbauen. In Gemini wurde sogar eine Menge von Apollo flugerprobt wie Bordcomputer, Brennstoffzellen und ganze Abläufe wie die Kopplungsmanöver und Langzeitmissionen. Der Mondlander war zwar technisches Neuland, aber er musste nur auf eine Betriebsdauer von 3 Tagen konstruiert werden und hatte anders als das CSM nur eine einfache Mission: zu Landen und später zu starten.

Die SLS

Betrachten wir heute eine Marsmission so sieht es anders aus. Die Trägerrakete ist weitaus weniger teuer, weil wir von einem anderen technischen Level aus beginnen. Trägerraketen für kommerzielle Transporte kann man heute mit Zuverlässigkeiten von über 98% konstruieren (kann man, muss aber nicht, siehe SpaceX) das ist mehr als die Saturn V nominell hatte (95%). Vor allem müssen wir weniger neu entwickeln. Die SLS verwendet modifizierte Shuttle-SRB, modifizierte Shuttle SSME und RL-10 der Centaur / DCSS. Was an Konstruktion bleibt ist die Struktur einer Zentralstufe und die Oberstufe. So kostet die Entwicklung auch nur einen Bruchteil der Saturn, wenn sie im Budget bleibt 11,7 Milliarden Dollar, das ist etwa ein Fünftel der Saturn Entwicklungskosten inflationsbereinigt. Das gilt auch für den Startpreis. Eine Saturn V kostete 216 Millionen Dollar das wären heute über 1200 Millionen Dollar. Die SLS soll 500 Millionen pro Start kosten.

Man kann Marsunternehmen unterschiedlich auslegen. Sowohl vom Ablauf wie auch wie man den Antrieb auslegt (chemisch, nuklear, solarelektrisch) entsprechend variiert die Masse die man transportieren muss. Die meisten Konzepte liegen zwischen 600 und 1200 t in einen Erdorbit. Die SLS wird mit Oberstufe etwa 100 t erreichen. Während man bei Apollo für eine Mission mit 50% Transportkosten rechnete wird es beim Mars weniger sein, denn selbst die höchste Ziffer entspricht 12 Starts der SLS also rund 6 Milliarden Dollar oder bei 50% Anteil 12 Milliarden für eine Mission. Es fällt dann schwer zu glauben das man mit 6 Milliarden eine Dreijahresmission auf dem Mars hinbekommt, wenn man sonst dafür gerade mal zwei ISS-Module oder zwei Jahre Vollzeitbetrieb der ISS bekommt.

Fehlentwicklungen

Wenn ich Sendungen ansehe die über NASA-Entwicklungen berichten, scheint man davon nicht so viel begriffen zu haben. Denn überall geht es darum Gewicht zu sparen indem man neue Systeme baut die noch effizienter Wasser und Luft wiederaufbereiten, neue leichtgewichtige entfaltbare Hitzeschutzschilde etc. Meiner Ansicht nach ging eine Marsmission schon heute, mit der verfügbaren Technologie. Was braucht man? Wenn ich minimale Entwicklungskosten haben will dann brauche ich:

Eine Mini-Raumstation, in der die Besatzung zum Mars fliegt und zur Erde zurück. Sie wird beim Mars angekommen in einem Marsorbit geparkt. Das kann ein ISS-Modul sein oder geräumiger ein aufblasbares Modul wie gerade von Bigelow erprobt.

Man braucht eine Wohnung auf dem Mars. Hier sehe ich die einzige Herausforderung bei der Entwicklung. Es muss zum einen Platz zum Wohnen und Arbeiten bieten und man kann nur in der Schwerelosigkeit Leute auf wenige Kubikmeter beschränken (auf dem Mars kann man z.B. nicht im Stehen schlafen) zum andern muss es von einer aerodynamischen Hülle umgeben werden, die seine Größe begrenzt. Auch hier wäre vielleicht ein aufblasbares Modul eine Lösung. Eine andere könnte es sein mehrere zu starten und in jedem nur 2-3 Besatzungsmitglieder wohnen und arbeiten zu lassen. Das wäre aufgrund der Serienbauweise vielleicht sogar die günstigere Lösung.

Man braucht eine Kapsel mit der die Besatzung auf dem Mars landet und wieder in den Orbit startet. Diese wird auf einer Raketenstufe sitzen. Das ist herkömmliche Technik die wir heute schon beherrschen. Man kann sie mit chemischen Treibstoff durchführen, dafür existieren Triebwerke und es ist erprobt.

Dazu kommt etliches an Gerät wie Fahrzeuge, Laboreinrichtungen, eventuell schweres Gerät wie Tiefenbohrer, auch Caravans für weitere Exkursionen wurden schon vorgeschlagen.

Das meiste davon existiert schon. Ebenso die Stromversorgung. Sicher man kann einen weltraumtauglichen Kernrekator bauen, man kann aber auch einfach Solarzellen aufspannen. Es gibt ja Menschen dort, die das leisten können. Batterien puffern dann den Strom für die Nacht ab. Ergänzen kann man dies durch RTG die dann weniger Strom liefern als Wärme. Ein RTG für heutige Missionen z.b. rund 2,8 kW Wärmeleistung. Das senkt den Stromverbrauch für das Heizen enorm ab.

Optimierung auf Gesamtkosten, nicht minimales Startgewicht

Stattdessen versucht man heute vor allem die Startkosten respektive das Startgewicht zu minimieren. Ich würde einen anderen Ansatz wählen. Eine SLS kann etwa 100 t in den Erdorbit bringen, das entspricht rund 30 t zum Mars oder wenn man es landet, extrapoliert von den bisherigen (deutlich kleineren) Missionen, 15 t auf dem Mars. Verdoppeln wir den projektierten Startpreis von 500 Millionen Dollar auf 1 Milliarde (ich halte ihn für zu gering) so hat man ein Preisschild: 1 Milliarde für 15 t auf dem Mars oder 30 t in die Transferbahn. Das sind 66.700 bzw. 33.300 $/kg (übrigens billiger als Transporte im Rahmen des CRS-Programms zur ISS). Jede Technologie die ich untersuche muss sich daran messen: Vergleicht man ihren Nutzen in reduziertem Gewicht zu ihren Entwicklungskosten so kann man sie angehen wenn sie pro Kilogramm eingespartem Gewicht mehr als die 66.700 Dollar einspart.

Doch auch das hat Grenzen. Eine SLS wird immer ein Stück Hardware befördern. Also entweder ein Labor oder eine Rückstartstufe oder Geräte. Es nützt nichts wenn das Habitat dann nur 10 t wiegt aber es 15 t wiegen könnte. Dann stelle ich alle Entwicklungen für noch leichtere Technologie dort ein.

Da bei fast allen anderen Missionen es so ist das die Nutzlast deutlich teurer als der Start ist wird es auch bei der Marsmission so sein. Selbst bei Routine-Transporten wie den Dragon, ATV oder Cygnus kosten die Transporter doppelt so viel wie die Trägerrakete. Dabei sind diese unbemannt. Unter dem Gesichtspunkt macht es für mich wenig Sinn, viel Neues zu entwickeln, was nur Zeit und Geld kostet, dafür könnte man die Marsmission sofort angehen und nicht erst in 20+ Jahren.

Die Vorbereitung könnte jetzt schon beginnen

Das man es nicht so ernst meint, zeigt sich an der Vorbereitung. Die ESA hat zwar mit viel Reklamerummel mehrere Vorbereitungsprogramme wie Mars 500 gemacht. Das gilt auch für andere Unternehmen gibt es wo Leute auf der Erde in einer Behausung auf einer Einöde leben. Aber nur auf der ISS kann man den Autarkieaspekte richtig erproben. Schließlich muss die Luft aufbereitet werden. Es muss repariert werden und es muss die Nahrung für fast 3 Jahre zur Verfügung stehen.

Konsequenterweise würde man für einen realen Test einer Marsmission die ISS mit Vorräten für 3 Jahren bestücken, eine Besatzung für drei Jahre hochschicken und sehen ob sie alleine zurecht kommt. Wenn nicht kann sie jederzeit zurückkehren, aber man hätte eine Generalprobe der Lebenserhaltungssysteme und der Vorratshaltung. Das wäre möglich, man müsste die Transporter nur genügend oft starten lassen. Wenn die ESA noch einige ATV baut wäre es technisch möglich. ATV und HTV haben ja auch über Jahre die ISS versorgt und nun hat man noch zwei (bald drei) US-Systeme mehr.

Aber ich fürchte fast man will das gar nicht. Denn wenn es gelingt, dann fragen sich doch alle: Also ihr könnt eine Marsmssion durchführen, warum macht ihr sie nicht einfach? Auf die Frage gibt es nur eine klare Antwort: kein US-Politiker will die Summen investieren und alle anderen können es sich nicht leisten.