Wege zum Mars

Damit mir meine Raumfahrtfans nicht einschlafen. Heute mal wieder was zur bemannten Marslandung und zwar die verschiedenen Szenarien die es gibt. Es gibt beim Mars wegen der vielen Elemente und der Himmelkonstellation viel mehr Variationsmöglichkeiten als bei einer Mondlandung. Die Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, aber ich denke, die wesentlichen Fälle habe ich abgedeckt.

Himmelsmechanisches

Es gibt prinzipiell zwei mögliche Routen zum Mars, die ich mal als „kurz“ und „lang“ bezeichne. Sie sind leicht zu verstehen, wenn man die Himmelsmechanik kennt. Jede Expedition startet von der Erde aus, die da sie näher an der Sonne ist, weniger Zeit für einen Umlauf braucht: 365,2422 Tage, beim Mars sind es 689 Tage. Die ideale Bahn ist eine bei der nach der Ankunft, die je nach Entfernung des Mars von der Sonne (die stark zwischen 206 und 249 Millionen km schwankt) genau beim Mars endet, das ist 180 Grad vom Startpunkt entfernt und die Reise dauert 219 bis 280 Tage. In der Zeit hat aber die Erde den Mars überholt. Eine Mission könnte nun nicht mehr zur Erde zurückgelangen, weil sie auch in der Transferbahn langsamer als die Erde ist, die Erde würde sich also laufend entfernen. Sie muss warten, bis die Erde wieder in einer Position ist, bei der nach der Rückkehr sie 180 Grad vom Startzeitpunkt ist. Das ist erst nach rund 500 Tagen der Fall. Eine solche Mission dauert dann ein Startfenster zum Mars (alle 26 Monate) plus die Dauer für die Rückreise, das sind typisch 8 bis 9 Monate, also zusammen fast 3 Jahre. Man kann dies noch leicht variieren, indem man nicht Transferbahnen nimmt, die die Bahnen von Erde und Mars berühren, sondern schneiden. Die Reisedauer in der Transferbahn ist dann etwas kürzer. Dafür benötigt man mehr Treibstoff, um in die Umlaufbahn einzuschwenken oder wenn man dies bei der Rückkehr zur Erde nicht tut, tritt man mit höherer Geschwindigkeit in die Atmosphäre ein.

Heute ist das die einzige Art zum Mars zu gelangen, sie ist die energetisch günstigste. Die ersten Marsexpeditionen, wie sie z. B. Wernher von Braun für den Beginn der achtziger Jahre plante, waren dagegen kurze Missionen. Sie starteten von der Erde aus mit hoher Geschwindigkeit und erreichten den Mars viel früher. Damit konnten sie auch schneller wieder zurückkehren, aber auch hier musste man sich sputen – 10 bis 30 Tage am Mars waren möglich. Danach wäre man zurückgekehrt auch wieder auf einer schnellen Bahn. Dieser Typ dauert viel weniger lang, aber man muss sehr viel Energie aufwenden. In einer Zeit, in der man gerade mal 14 Tage maximal am Stück im Weltraum war, war aber die Missionsdauer ein wichtiger Punkt. Diese kurzen Typen dauern nur 15 Monate, aber eben auch maximal 30 Tage beim Mars.

Es gibt noch einen dritten Typ. Man kann, anstatt bei der Rückkehr zur Erde zu fliegen auch zur Venus. Dieser Planet hat genügend Gravitationskraft um die Bahn wieder zur Erde zu drehen. Das ist auch bei der Abreise möglich (Passage der Venus, dann erst zum Mars). Dieser Umweg über die Venzs liegt sowohl in Dauer wie Geschwindigkeitsanforderungen zwischen beiden Extremen. Die Missionsdauer liegt bei rund 20 bis 21 Monaten mit 2 bis 3 Monaten beim Mars. Der Nachteil: da drei Planeten richtig zueinander stehen müssen sind solche Startgelegenheiten selten, im Mittel nur alle 10 bis 11 Jahre gibt es eine.

Wenn wir also die langen Missionen als Standard nehmen, haben wir in etwa folgenden Ablauf:

Start von der Erde → Reise über 7 bis 10 Monate zum Mars.

Ankunft und Aufenthalt auf dem Mars → 16 bis 19 Monate

Rückstart zur Erde → Reise über 7 bis 10 Monate

Gesamtdauer: 28 bis 33 Monate.

Szenarien

Aufgrund der langen Dauer benötigt man so etwas wie eine Wohnung für die Besatzung. Monate lang kann man kaum in einer Kapsel verbringen, auch wenn die MarsSociety meint die Marsexpedition in Dragons durchführen zu können. Bei der interplanetaren Reise kann man auf die Erfahrungen mit Raumstationen zurückgreifen. Die Behausung kann also so was wie ein ISS-Modul sein, oder, wenn man Gewicht sparen will, ein aufblasbares Modul wie von Bigelow. Hier macht deren Technologie durchaus Sinn, da man anders als bei ISS-Modulen ja nicht viele Schränke mit Experimenten integrieren muss, die man noch dazu austauschen will. Ursprünglich wurde die Technologie ja auch von der NASA entwickelt für Marsmissionen.

Ebenso braucht man für den Aufenthalt auf dem Mars eine Wohnung. Diese muss aber gelandet werden, das heißt das Modul muss in eine aerodynamisch günstige Hülle gepackt werden, wie z.B. die Doppelkegel die man für die letzten Raumsonden genutzt hat.

Irgendwie muss man dann auch noch vom Mars zurückkommen. Daher braucht man eine Raketenstufe oder etwas ähnliches. Die Besatzung sietzt dann meist in einer Kapsel auf dieser, da man selbst ei einer niedrigen Umlaufbahn eine Geschwindigkeit von 4,1 km/s aufwenden muss. Für eine Fluchtbahn kann dies auf 6 km/s steigen.

Praktisch alle Szenarien gehen davon aus, dass man nicht bei der Rückkehr in eine Erdumlaufbahn einschwenkt. Dafür benötigt man genau soviel Energie wie beim Start und das bedeutet das nur ein Drittel der Masse die den Mars verlässt noch ankommt. Man müsste also schon beim Start die dreifache Masse einer Mission mit direkter Landung starten. Stattdessen landet man direkt wie die Apolloraumschiffe. Dazu benötigt man ein aerodynamisches Gefährt wie eine Kapsel oder ein Shuttle,

Konventioneller Ansatz

Nimmt man die heutige Erfahrung als Ausgang, so wird man wie folgt vorgehen: Man startet die Wohnung für die Marsoberfläche separat, idealerweise schon ein Startfenster vorher, sodass man weiß, das sie sicher auf dem Mars gelandet ist. Das gilt auch für andere Teile wie schweres Gerät, die Vorräte für 500 Tage, oder ein Wohnwagen um längere Expeditionen durchzuführen oder eine Energieversorgung / Treibstofffabrik. Erst wenn das alles erfolgreich gelandet ist, startet man ein Startfenster später die Besatzung. Sie reist in einem kleinen Modul zum Mars. An diesem angekoppelt eine Raketenstufe und eine Kapsel mit eigener Raketenstufe in einer aerodynamischen Hülle. Beim Mars angekommen bremst man mit der ersten Raketenstufe das Modul für die interplanetare Reise in einen Orbit ein. Dann steigt die Besatzung in die Kapsel um und landet mit ihr. Es schließt sich die Oberflächenerkundung an, die rund 500 Tage dauert. Man kann in dieser Zeit den Treibstoff für die Raketenstufe gewinnen oder sie schon mit diesem landen. Danach startet man mit der dort befindlichen Kapsel zur Station zurück, koppelt an und verlässt wieder den Marsorbit. Bei der Erde angekommen, koppelt die Kapsel ab, das Wohnmodul zündet ein letztes Mal die eigenen Triebwerke, um einen Kollisionskurs abzuwenden (die Station fliegt an der Erde vorbei) und und die Kapsel landet – als einziges Element der ganzen Expedition, typisch 5 bis 10 t schwer.

Neu an diesem Szenario, gegenüber dem was man schon entwickelt hat, ist eigentlich nur das man die Elemente für die Oberflächenerkundung, Energieversorgung und Wohnung entwickeln muss. Ein Nachteil ist, dass man mit der Raketenstufe, die die Kapsel vom Mars startet und der Stufe, welche die Station in den Orbit bringt, man zwei Elemente mit viel Treibstoff hat, welches dieses Element sehr schwer machen. Man kann es noch etwas aufteilen, indem man den Lander ebenfalls in einer Marsumlaufbahn parkt und dort auch Treibstoffvorräte zum Auftanken. Dann benötigt man für die Sicherheit – wenn man nicht in eine Marsumlaufbahn einschwenken kann eine zweite Kapsel an der interplanetaren Station oder muss diese umkoppeln.

Mars direkt

Von Zubrin stammte der zweite Ansatz. Es gibt nur ein Habitat, das direkt auf dem Mars landet. Es kann noch Unterstützungsflüge für schweres Gerät und Vorräte geben. Ebenso muss man eine Kapsel mitführen, die man zweckmäßigerweise nicht auf den Mars landet, sondern in einem Marsorbit parkt. Das Habitat startet dann wieder von der Oberfläche, koppelt eventuell an die Kapsel im Orbit an, dort geparkter Treibstoff kann auch zur Rückkehr genutzt werden und muss nicht auf die Oberfläche und von dort in einen Orbit transportiert werden.

Der Angelpunkt dieses Plans ist die Masse. Das NASA-Habitat DST für eine Erkundung aus dem Orbit wird mit Vorräten knapp 50 t wiegen. Ein Habitat das auf dem Mars landen kann ist sicher nicht leichter. Mit Treibstoff um es in den Orbit zu bringen, kommt man dann leicht auf 350 t Startmasse, das ist mit einer Schwerlastrakete nicht zu wuppen. Daher sah Zubrin die Treibstoffgewinnung auf dem Mars aus Wasserstoff vor. Aus 1 t Wasserstoff kann man mit der Marsatmosphäre 20 t Treibstoff gewinnen. Heute würde man noch weiter gehen und gar keinen Treibstoff auf den Mars bringen, sondern aus dem dort vorhandenen Wasser und Kohlendioxid Methan und Sauerstoff gewinnen. Für alle direkten Missionen ist eine Treibstoffgewinnung auf dem Mars Voraussetzung, sonst kann man die großen Massen (anstatt einer kleinen Kapsel) nicht starten. Man braucht um von der Oberfläche in eine Synchronbahn zu kommen selbst mit Methan/LOX pro Tonne Nutzlast eine Startmasse von 7 t, also rund 50 t für eine 7 t Kapsel oder 140 t für ein 20 t Modul.

Mars semidirect

Mars semidirect nähert sich schon dem konventionellen Ansatz. Der einzige Unterschied ist, das man nun die Treibstoffproduktion auf dem Mars voraussieht. Er ist Zubrins zweite Idee, nachdem unabhängige Paneele seinen Mars Direct Plan für undurchführbar hielten, weil er viel optimistische Masseanahmen hat.

Interplanetare Stationen

Die NASA hat einmal untersucht, ob es eigentlich zwingend nötig ist, die Station die man für die rund 200 bis 250 Tage Hin- und Rückflug braucht wirklich in einen Marsorbit zu bringen. Die Antwort war nein. Wenn man vier dieser Stationen auf unterschiedlichen ínterplanetaren Bahnen schickt, dann sollte jeweils eine beim Start, wie der Rückkehr die Erde oder den Mars passieren. Die Besatzung würde dann in einer Kapsel auf Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt werden und an die Station ankoppeln. Am Ziel angekommen, sie wieder verlassen und dann direkt landen. Der Vorteil ist, dass man den Treibstoff für das Einschwenken in den Marsorbit spart, der selbst unter günstigen Umständen die Masse verdoppelt. Da man aber vier Stationen braucht, lohnt sich dies nur bei einem längeren Programm mit mehreren Landungen. Zudem kommen diese Stationen nicht ohne gravierende Kurskorrekturen aus, die sich vor allem durch die exzentrische Bahn des Mars ergeben. Sie könnten aber mit Ionentriebwerken erfolgen.

Gleitvehikel

In der Space-Shuttle Ära dachte man auch daran, die Besatzung mit einem aerodynamischen Gleiter anstatt einer Kapsel zu starten. Er hätte sich sowohl durch Aerobraking in einen Orbit bringen können, wie auch direkt landen können, benötigt nur für die Endphase der Landung Treibstoff. Er startet und landet senkrecht auf ausfahrbaren Beinen. Auch hier wäre dieser Gleiter alleine durch das Zusatzgewicht der Flügel und dem Wohnraum, den man braucht so schwer, dass man Treibstoff auf dem Mars produzieren muss. Weitere Unterstützungsflüge für Vorräte, Treibstofffabrik, schweres Gerät wären nötig. Der Gleiter wäre zugleich Wohnung für die interplanetare Phase wie auch Habitat auf der Marsoberfläche. Den Gleiter könnte man mehrmals verwenden, anders als eine Kapsel. So kann er sich bei Rückkehr zur Erde zuerst in einen elliptischen Orbit durch Aerobraking einbremsen und diesen dann durch weitere Manöver sukzessive abbremsen. In einem niedrigen Erdorbit angekommen würde man in eine Raumstation umsteigen und die Erde mit einem Space Shuttle oder einer Kapsel erreichen. Der Gleiter bleibt im Erdorbit für die nächste Mission. Das spart dessen erneuten Start, was die Treibstoffbilanz für die nächsten Missionen deutlich verbessert.

Dieses Konzept wurde inzwischen wieder aufgenommen von SpaceX mit ihren Marsplänen. Ich freue mich ja schon, wenn Musk in sieben Jahre auf den Mars umzieht, das dürfte die Anzahl seiner Eskapaden deutlich reduzieren.