Bemannte Raumfahrt vs unbemanante Raumfahrt

Die Diskussion ist relativ alt, meiner persönlichen Einschätzung nach kam sie aber so richtig in Gang in der zweiten Hälfte der Achtziger, als das Space Shuttle nach dem Verlust der Challenger deutlich teurer wurde und man den Sinn dieser Missionen, die damals ja immer nur Kurzzeitmissionen waren, bezweifelte.

Letztendlich dreht sich die Diskussion um eine Kernfrage: Bringt ein Mensch bei einer bestimmten Forschung einen Zusatznutzen gegenüber einem Roboter und wenn ja, kann dieser Zusatznutzen auch die zwangsläufig höheren Kosten rechtfertigen.

Nun gibt es vier mögliche Ziele für bemannte Missionen die zumindest einmal angedacht sind, zwei davon wurden auch schon erreicht:

• Forschung im Erdorbit
• Erforschung der Mondes aus einem Orbit und der Oberfläche aus
• Erforschung der Mars aus einem Orbit und der Oberfläche aus
• Erforschung von Asteroiden.

Forschung im Erdorbit

Ich beginne mit einem kleinen geschichtlichen Rückblick. Die ersten Missionen in den Orbit hatten nur den Zweck zu zeigen das es ging, bzw. die Grenzen wie Aufenthaltsdauer, Anzahl der Personen, immer weiter auszudehnen. Bei dem US-Programm Mercury gab es eigentlich gar keine Experimente. Jede Mission hatte nur den Sinn die Zeitdauer immer weiter auszudehnen. Das galt auch für das Geminiprogramm, das eine Vorbereitung für Apollo war und bei dem die wichtigsten Techniken dafür im Erdorbit erprobt wurden wie Ankopplung an Räumfahrzeuge, Aufenthalt über 14 Tage im All, Arbeiten im Weltall. Das gilt auch für die russischen Programme Wostok, Woschod und Sojus. Sie waren auf russischer Seite sogar noch mehr geprägt davon vor der NASA Rekorde aufzustellen.

Die Froschung im Erdorbit begann auf US-Seite mit der Raumstation Skylab, und etwas früher auf russischer Seite mit Saljut. Skylab hat ein sehr breit angelegtes Forschungsprogramm, von der Sonnenforschung über allgemeine Astronomie, Werkstoffforschung, Erdbeobachtung bis zur biologischen Forschung und Forschung am Menschen. Saljut war dagegen eine militärische Station, bei der die Erdbeobachtung im Vordergrund stand.

Beim NASA-Nachfolger Space Shuttle engte sich das Spektrum der Forschungen schon ein. Die Astronomische Forschung spielte keine Rolle mehr. Dafür muss in der Regel ein Teleskop über längere Zeit punktgenau ausgerichtet bleiben und Menschen, die laufend durch ihre Bewegungen Impulse generieren, stören nur. Ebenso hatte sich in den letzten Jahren herausgestellt, das Erdbeobachtung von Satelliten einfacher und vor allem dauerhaft erledigt wird. Es gab nur wenige Experimente für die Erdbeobachtung, so eine metrische Kamera bei einer deutschen Mission und zwei eigene RADAR Missionen, bei denen man aber schon erkannte, wie wenig hilfreich Astronauten bei diesem Missionstypus sind – ihre einzige Ausgabe bestand darin, die Magnetbänder regelmäßig zu wechseln.

Beim Space Shuttle dominierte die Forschung am Menschen selbst, sowie anderen Lebensformen, daneben die Werkstoffforschung. In der Frühzeit des Programms hoffte man sogar, dass dabei so wertvolle Werkstoffe herauskämen das sich eine Fertigung im Weltraum lohnen würde. Was an Bord der russischen Saljuts und später Mir geforscht wurde, weiß man nicht, aber da selbst auf der ISS die Forschung im russischen Segment keine große Rolle spielt ging es vor allem um Präsenz im Weltraum – die USA konnten ja nur mit dem Space Shuttle Kurzzeitmissionen durchführen und vor allem immer längere Aufenthaltsbeendende die bis heute Gültigkeit haben.

Seit 1998 ist nun die ISS im Orbit. Im wesentlichen setzt sich der Trend fort. Vieles ist professioneller geworden. Die Forschung am Menschen führte z.B. zu einem Fitnessprogramm, das es erlaubte das die Astronauten in viel besserem zustand wieder auf der Erde ankommen. Die Experimente sind standardisiert und haben genaue Vorgaben für Abmessungen, Gewicht, Anschlüsse und Datenleitungen. Aber die Forschung ist immer noch die gleiche: primär am Menschen selbst, dann an Werkstoffen und an anderen Lebewesen. Die Forschung am Menschen wäre unnötig, wenn man nicht zum Mars fliegen würde (beim Mond ist die Reisedauer so kurz, das der Körper nicht an Leistung verliert) und selbst die Flugdauern zum Mars hat man längst an Bord der Mir geschlagen. Sicher fallen einige Ergebnisse für die irdische Forschung ab wie z.B. über den Abbau von Knochensubstanz, doch diese rechtfertigen nie und nimmer die Kosten der Station und wären auch einfacher in anderen Experimenten zu gewinnen.

Heute muss für Forschung an der ISS regelrecht geworben werden, sonst gäbe es zu wenig. Bei der DLR läuft das so, das jeder Leiter eines Instituts der ein Experiment zur ISS bringen will, dies kostenlos tun kann. Das DLR assistiert sogar bei der Entwicklung oder hilft beim Beschaffen von Fördermitteln. So findet man an und auf der ISS Experimente, die an und für sich nichts mit bemannter Raumfahrt zu tun haben. Prominentes Beispiel war die Antenne für das Icarus-Projekt, bei dem eine Antenne außen an der ISS angebracht wurde welche die Daten von Empfängern die an Tieren angebracht sind empfängt. So vermisst man Wanderungsbewegungen der Tiere. Mit bemannter Raumfahrt hat das nichts zu tun, das ginge auch mit einem unbemannten Satelliten. So sparte die Max Planck Gesellschaft aber den Transport ins All (nach NASA Preisliste: 20.000 Dollar pro Kilogramm), die Arbeit für die Installation des Computers und der Antenne (letztere wurde sogar bei einem Außeneinsatz montiert, der mehrere Stunden dauert): Kosten: 130.000 Dollar pro Stunde. Würden alle Nutzer, die so umsonst Experimente durchführen lassen, diese Services wirklich bezahlen, die Racks der ISS wären leer, denn auch bei der NASA läuft es nicht anders, der Großteil der Laborkapazität wird von US-Universitäten genutzt, die nichts für die Experimente zahlen. Diese Taktik ist nicht neu, schon in den Achtzigern wurde das Space Shuttle als universelles Startmedium vermarktet, indem der Start für alle NASA-Missionen nicht im Budget auftauchte, eine Trägerrakete aber durchaus.

Mondforschung

Beim Mond muss man unterscheiden zwischen Forschung aus dem Orbit heraus und auf der Oberfläche. Das gleiche gilt auch beim Mars. Forschung im Orbit geschieht mit Fernerkundungsexperimenten und die benötigen keine Menschen. Das bedeutet das man sie billiger mit Satelliten durchführen kann. Schon zu Apollozeiten konkurrierte das Apolloraumschiff mit den Lunar Orbitern. Der wesentliche Vorteil des Apollo-CSM war, dass es viel schwerer war und so eine Kamera mit viel Film mitführte weshalb es mehr Aufnahmen gab, aber dafür konnten die Lunar Orbiter in ihrer längeren Mission den Mond vollständig kartieren, anstatt nur einen Streifen um den Äquator. Heute ist klar das eine unbemannte Mission vollkommen für die Erforschung aus dem Orbit ausreicht, weshalb das Lunar Gateway für die Forschung weitestgehend überflüssig ist, zumal der Orbit des Gateways weit vom Mond entfernt ist.

Auf der Oberfläche kann der Mensch diese erkunden, indem er sie begeht und Fotos macht, er kann Bodenproben nehmen und vor Ort untersuchen oder zur Erde zurückbringen und er kann Meßgeräte ausbringen. Keines dieser Dinge benötigt den Menschen, das wurde schon zur Zeit des Apolloprogramms deutlich. Die Astronauten installierten Messgeräte die ALSEP Stationen, die man aber auch unbemannt hätte landen können. Sie liefen und fuhren über den Mond, dasselbe taten auch die beiden Lunochods und diese legten zudem eine längere Strecke zurück. Sie nahmen Bodenproben und brachten diese zur Erde. Auch das taten die Lunas. Nun sind die Bodenproben von Apollo qualitativ (von Menschen vorausgewählt) und quantitativ (wegen des viel größeren Raumschiffs) besser als die von Luna, doch hätte Russland die Fähigkeiten seines Lunochods mit denen der Bodenprobengewinnung kombiniert und das Programm als ein wirkliches Forschungsprogramm und nicht nur eine Retourkutsche zu Apollo verstanden, so wäre der Vorteil klein gewesen. Denn die Luna konnten größere Entfernungen zurücklegen und arbeiteten länger.

Heute, mit ausgeklügelten Rovern ist der Mensch noch ersetzlicher. Anders als beim Mars kann man einen Rover beim Mond aufgrund der kurzen Zeitverzögerung von 3 Sekunden auch von einer Bodenstation steuern, er kann bei mehreren Teams 24 Stunden am Tag arbeiten und braucht keine Ruhepausen. Selbst wenn ein Rover mit Roboterarm immer noch langsamer als ein Mensch ist, so kann er dies durch die Zeit aufholen. Bodenproben kann man genauso unbemannt in eine Kapsel verstauen und zur Erde bringen. Für die Mondforschung benötigt man also auch keine Menschen und wenn man eine Bilanz zieht, wie viel man mit einer gegebenen Summe erreichen kann, so sieht es schwarz aus: alleine die Artemis 1 Mondmission (noch ohne Mondlander) kostet 4,1 Milliarden Dollar, doppelt so teuer wie einer der beiden neusten Marsrover und die waren schon teuer, arbeiten mittlerweile aber auch seit 10 bzw. 3 Jahren, die Artemis Mission dauerte gerade mal drei Wochen. Heute könnte eine unbemannte Mission das wesentliche Forschungsziel einer bemannten Mission zu einem Bruchteil der Kosten durchführen, wahrscheinlich immer noch langsamer als bei einer bemannten Mission, aber es eilt ja nicht. Dabei sollte man wenn man gerecht ist, nicht nur die Kosten gegenrechnen, sondern auch das das laufende Artemis Programm sich nun schon über mehr als ein Jahrzehnt hinzieht, eine unbemannte Mission dagegen fünf bis sieben Jahren für den gesamten Entwicklungszyklus braucht. Also selbst wenn man Jahre dafür benötigen würde was eine bemannte Mission schafft, man hätte die Bodenproben trotzdem noch früher auf der Erde.

Mars

Das nächste Ziel der bemannten Raumfahrt ist der Mars. Ein bemanntes Marsprogramm unterscheidet sich beträchtlich von einem bemannten Mondprogramm. Aus himmelsmechanischen gründen dauert eine Mission knapp drei Jahre, von denen mehr als eineinhalb Jahre auf der Marsoberfläche entfallen. Das ändert die Arbeit. Es werden nicht in einigen Tagen Proben gesammelt und dann findet der Rückstart statt. Stattdessen wird es lang dauernde Expeditionen geben die weite Strecken zurücklegen, einige Missionsplaner gehen auch davon aus, dass man auf eine feste Unterkunft verzichtet und sich in Wohnmobilen fortbewegt, was die Reichweite natürlich deutlich vergrößert als wenn man am Abend zur Basis zurückkehren muss. Es wird viel mehr Ausrüstung geben, um zum einen Bodenproben aus dem Untergrund zu gewinnen, aber auch sie schon vor Ort zu untersuchen und nur die interessantesten zur Erde zurückzubringen. Allerdings ist eine Marsmission auch entsprechend aufwendiger. Alleine für die Ausrüstung benötigt man sechs bis achtmal mehr Starts als zum Mond. Viel bedeutsamer ist aber das alles über drei Jahre lang funktionieren muss. Man kann nicht bei einem Unglück innerhalb von wenigen Tagen zurück zur Erde gelangen, was bei Apollo 13 die Astronauten rettete. Das setzt das Preisetikett einer Marsexpedition deutlich höher an, außer man macht enorme Abstriche an die Anforderungen, das wäre aber nur für Egotrips von Milliardären denkbar.

Unbemannt unterscheidet eine Marsexpedition dagegen kaum von einer Mondexpedition. Auch hier ist eine Erkundung aus dem Orbit nur unbemannt finanziell vertretbar. Menschen bringen keine Vorteile, im Gegenteil: da dann die Phase auf der Oberfläche wegfällt verkompliziert dies die Mission, da die Besatzung im Orbit drei Jahre anstatt 2 x 180 bis 240 Tage unter Null-Gravitation leben muss.

Bei der Erforschung der Oberfläche hat eine unbemannte Mission den Nachteil der langen Signallaufzeit. Es ist nicht möglich Rover oder andere Sonden direkt zu steuern. Dazu braucht ein Kommando oder seine Bestätigung zu lange. Heute legt ein Rover maximal 100 m pro Tag zurück. Es wird tageweise geplant, an Stops dann festgelegt was man untersuchen will und all das dauert. Das ist aber kein Problem der Hardware. Es ist die Vorsicht der Missionsanalytiker. Raumsonden werden wie vor 60 Jahren heute noch durch Kommandos gesteuert. Viele Kommandos geben ein Script, das aber immer von der Missionsleitung generiert wird. Auf unseren Straßen haben wir heute selbstfahrende Fahrzeuge, die mit Gegenverkehr zurecht kommen oder auf Fußgängersteg reagieren müssen. Demgegenüber ist das Fahren auf dem Mars einfach: die Landschaft verändert sich nicht. Es gibt keine beweglichen Hindernisse. Würde man die Fähigkeiten die heute schon Fahrzeugelektronik hat nutzen, so müsste eine unbemannte Mission viel mehr Strecke als heute zurücklegen können. Analog müsste ein KI-System auch alleine erkennen können, welche Gesteine interessant sind und sie selbstständig untersuchen oder Proben nehmen. Natürlich muss man dafür Investitionen aufwenden, aber doch viel weniger als für eine bemannte Mission.

Das führt zu einem Dilemma. Es ist noch immer so, das man für die bemannte Raumfahrt gerne Milliarden ausgibt, ohne einen rechten Nutzen zu bekommen, doch viel kleinere Summen, aber immer noch deutlich mehr als heutige Missionen, für unbemannte Missionen werden nicht bewilligt. So steht eine Bodenprobengewinnung vom Mars seit über 20 Jahren auf der Agenda, war aber bisher immer zu teuer. Oder wie es so schon heißt: „You get no bucks without Buck Rogers“.

Darüber hinaus

Jenseits von Mars sind heute bemannte Missionen undenkbar. Die Reisezeiten steigen zu stark an. Zu Jupiter auf 2,5 Jahre gegenüber einem halben Jahr zum Mars. Jupiter scheidet aber aus Strahlenschutzgründen aus: Aktuelle Sonden wie Juno oder Europa Clipper haben eine Abschirmung aus mehreren Zentimetern Stärke aus Aluminium oder Titan, trotzdem ist die Elektronik für 25 kRad qualifiziert: für Menschen tödlich sind aber schon 0,8 bis 1 krad. Diese Strahlung ist nicht mit tragbarem Aufwand abschirmbar. Die weiteren Planeten sind noch weiter entfernt (Saturn bis Neptun) oder stellen andere Herausforderungen. Die Venus ist wegen des hohen Drucks und der hohen Oberflächentemperatur nicht für Menschen erkundbar. Selbst Sonden überleben nur wenige Stunden dort. Der Merkur ist so sonnennah das es bei ihm ebenso heiß ist. Eine Expedition wäre nur denkbar wenn sie dauernd in Bewegung ist – sie würde den Planeten umrunden, immer in derselben Zeitzone, am besten bei Sonnenaufgang. Da der Merkur 176 erdtage für einen Tag braucht müsste eine Mission am Äquator pro Tag rund 90 km zurücklegen. Oder man beschränkt sich wie beim Mond auf eine kurze Mission, was aber angesichts dessen, das man um zum Merkur zu gelangen fast genau soviel Energie braucht wie zum Jupiter kaum lohnenswert ist.

Es bleiben noch Missionen zu erdnahen Asteroiden die man mit verhältnismäßig geringem Aufwand in vertretbarer Zeit erreichen kann. Einige wurden ja schon so von Raumsonden erkundet wie Bennu, Itokawa oder Ryugu. Das Problem ist das hier der Mensch sogar hinderlich ist. Solche Asteroiden haben eine so geringe Gravitation, das selbst kleinste Bewegungen viel zu hohe Kräfte induzieren. Eine Erforschung durch Menschen vor Ort scheidet so praktisch aus. Sicherlich könnte man einen Körper einfangen und bergen (wofür aber relativ viel Treibstoff notwendig ist, oder Ionenantriebe die mit ihren langen Brennzeiten sich wiederum mit den Erfahrungen von Menschen in der Schwerelosigkeit beißen), aber das ginge genauso gut unbemannt.

Fazit

Betrachtet man es einfach logisch – ich weiß ich mute den Fans der bemannten Raumfahrt viel zu – dann ist es eigentlich doch recht einfach: die Fähigkeiten des Menschen sind konstant, die von Maschinen werden immer besser. Die bemannte Raumfahrt startete kurz nach der unbemannten. Während damals Satelliten einige Monate lang arbeiteten, mit einfachsten Experimenten und Elektronik als Steuerung haben wir heute selbstlernende Computersysteme, Sollbetriebszeiten von über einem Jahrzehnt und ausgeklügelte Experimente. Die Experimente sind unabhängig davon ob die von Menschen oder Maschinen betrieben werden, insofern ist meist kein Mensch notwendig. Natürlich dauert es auch heute (zumindest bei der Erkundung von Planeten) immer noch länger als wenn ein Mensch dieselbe Aufgabe durchführt, wohl werden Raumfahrtagenturen wohl auch nur sehr langsam Robotern Autonovität zugestehen, damit dieses Dilemma gelöst wird. Aber dafür reden wir über eine Differenz in den Kosten in einer Größenordnung: Die aktuelle Artemis 1 Mission kostete 4.100 Millionen Dollar, dauerte gerade mal drei Wochen. Der aktuelle Mondorbiter der NASA, der LRO umkreist den Mond seit 2009, also 13 Jahre, nicht 0,06 Jahre und kostete bis 2012 insgesamt 540 Millionen Dollar, seitdem etwa 9 Millionen Dollar pro Jahr, also zusammen etwa 600 Millionen Dollar. Das ist Siebtel der Summe bei der 200-fachen Betriebsdauer. Nun ist Konsens, dass man mit Forschung bemannte Programme nicht rechtfertigen kann. Das grundlegende Problem ist das die bemannte Raumfahrt aber in den westlichen Staaten ein Budget mit der unbemannten Raumfahrt teilt und die Erfahrung aus mehreren Jahrzehnten zeigt, dass die Gefahr groß ist wenn ein bemanntes Programm zu teuer wird man an der unbemannten Raumfahrt spart. Bei Russland oder China ist es ja sogar so, das es praktisch nur ein bemanntes Raumfahrtprogramm gibt, aber kein echtes Forschungsprogramm mehr, weil hier der Nutzen als Propagandainstrument höher bewertet wird, während Grundlagenforschung keinen so hohen Stellenwert hat. Denn darum geht es: um Renommee, pretty nice Pics. Katar hätte wohl gut getan, wenn sie für die 200 Milliarden Euro welche die WM gekostet hat ein Mondprogramm aufgelegt hätten – Artemis kostet bis Ende 2025 94 Milliarden Dollar, das ist nicht mal die Hälfte der Summe. (Sie hätten es ja nicht selbst machen müssen, die WM-Infrastruktur haben ja auch Fremdarbeiter gebaut und die einzige Raumsonde der VAE wurde auch von den USA gebaut und von Japan gestartet) … und ich hätte es anders als die WM auch angesehen.