Der Flug zum Mars

Einleitung

Wernher von Braun sah den Flug zum Mond als eine Zwischenstation an, der eine bemannte Raumstation folgen würde und dann ein Flug zum Mars, den er für 1986 geplant hatte. Nach der historischen Landung von Apollo 11 verflog sehr bald das Interesse an teuren Unternehmen, man konnte noch aus Resten des Apollo Programms die vergleichsweise preiswerte Raumstation Skylab (Kosten 2.1 Mrd. USD, heute kostete alleine das Columbus Modul für die ISS mehr) verwirklichen, doch an einen bemannten Flug zum Mars war nicht mehr zu denken.

Heute befindet sich der Mars wieder im Mittelpunkt der Forschung. Bei jedem Startfenster starten eine und oder mehrere unbemannte Sonden. Seit einigen Jahren ist nun wieder auch von einem bemannten Marsflug die Rede. In diesem Artikel geht es nicht um konkrete Pläne - derartige gibt es nicht, jedoch einige Studien. Es soll vielmehr aufgezeigt werden, was die Unterschiede zu bisherigen Flügen zum Mond oder in eine Erdumlaufbahn sind, welche Probleme gelöst werden müssen.

In mehreren Teilen will ich dieses Thema eingehender beleuchten.

• Teil 1 befasst sich mit den nicht technischen Problemen einer Mars Mission
• Teil 2 befasst sich mit den Technischen Herausforderungen für einen Marsflug (exklusive des Antriebs)
• Teil 3 beschäftigt sich mit den Antrieben
• Teil 4: (Dieser Teil) beschäftigt sich mit der Lebenserhaltung.

Umweltkontrollsysteme und Vorräte

Dieser Artikel beschäftigt sich mit einem für die Massebilanzsehr wichtigen Teil, und dem größten Unterschied zu einer unbemannten Mission: Der Herstellung einer Umgebung in der Menschen leben können und die Versorgung mit Verbrauchsgütern. Atmung, Abfälle und Essen, sowie die Aufrechterhaltung der Umweltbedingungen werden als ein System betrachtet, im englischen ist die Bezeichnung Environmental Climate and Life Support System(ECLSS) dafür gängig. Wie auf der Erde sind die Prozesse nicht unabhängig sondern miteinander verbunden, so wird aus Nahrungsmitteln (Ressource) Kot und Urin gebildet (zu entsorgender Abfall) und aus Sauerstoff wird Kohlendioxid gebildet. Umgekehrt liegt darin auch die Chance der Wiederaufarbeitung und damit der Gewichtsersparnis von Rohstoffen.

Atmosphäre

Die Atmosphäre auf dem Mars ist für den Menschen nicht atembare und viel zu dünn. Wie auf dem Flug zum Mars braucht der Mensch eine künstliche Atmosphäre. Die frühen US Missionen von Mercury und Apollo setzten eine reine Sauerstoffatmosphäre unter vermindertem Druck (0.28-0.29 Bar) ein. Technisch bietet diese einige Vorteile:

• Man benötigt weniger Gase, da es bei jedem Raumschiff Leckverluste gibt, d.h. das Raumschiff gibt kleinere Mengen an Gas an den Weltraum ab. Verglichen mit einer irdischen Atmosphäre benötigt man so 75 % weniger Gase. Der Stickstoff entfällt ganz.
• Auch die Leckverluste sind geringer, weil die Druckdifferenz zwischen Kapsel und freiem Raum geringer ist.
• Die Kapseln müssen für einen geringeren Druck konstruiert werden und sind leichter.
• In Raumanzügen ist man beweglicher, da man alle Bewegungen gegen den innendruck durchführen muss.
• Die Regelung eines Gases ist einfacher als die eines Gasgemisches.

Das Feuer bei Apollo 1 zeigte aber auch die Brandgefahr bei einer solchen Atmosphäre. In der Folge übernahmen die NASA die normale Atmosphäre, wie sie auch bei den Russen immer schon eingesetzt wurde. Bei Skylab gab es eine Zwischenlösung mit einer Sauerstoff-Stickstoff Atmosphäre unter vermindertem Druck, bei dem Space Shuttle und der ISS wird eine normale Atmosphäre von 100 hpa Druck und 20 % Sauerstoff und 80 % Stickstoff eingesetzt.

Beim Mars könnte es sein, das man sich für den Oberflächenaufenthalt wieder um entscheidet. Schon heute wird bei den Raumanzügen immer noch eine angereicherte Sauerstoff Atmosphäre eingesetzt. Arbeit gegen einen Druck von 1 Bar ist praktisch nicht möglich. Das wird beim Mars noch schwieriger werden, denn dort sind die Astronauten nicht schwerelos sondern wiegen immerhin 40 % der irdischen Gewichts. Dazu kommt, dass sie die schweren Raumanzüge tragen müssen. in den Raumanzügen wird eine weitgehend reine Sauerstoff Atmosphäre herrschen, zum einen wegen der Belastung bei der Arbeit, zum anderen wegen des Gewichts des Anzugs, schließlich braucht man dann noch eine Stickstoffversorgung und muss 5 mal mehr Gas mitführen.

Wenn man aber in der Wohnung auf dem Mars eine normale Atmosphäre einsetzt und dann im Raumanzug reinen Sauerstoff von 0.2 bis 0.3 Bar Druck, dann müssen die Astronauten sich stundenlang adaptieren um den Stickstoff aus dem Blut auszutreiben, der sonst wie bei Tauchern Bläschen bilden würde, und zur tödlichen Taucherkrankheit führen würde. Beim Space Shuttle erfordert der Übergang von 100 kpa auf 29 kpa im Raumanzug eine Verweildauer von 12 Stunden bei 70 kpa mit 27 % Sauerstoff und weitere 90 Minuten bei 100 % Sauerstoff. Es könnte daher durchaus sein, dass man zumindest für die Arbeit an der Marsoberfläche wieder zu einer reinen Sauerstoffatmosphäre übergeht.

Verbrauch an Atmosphäre

Es gibt folgende 3 Aspekte bei der Aufrechterhaltung der Atmosphäre:

• Erstens gibt es allgemeine Leckverluste. Diese hängen natürlich von der Konstruktion und Größe der Module ab. Die NASA rechnet mit einem normalen Leckverlust von 0.5-1 kg pro Person und Tag. Nicht eingeschlossen dafür sind Verluste die entstehen wenn man in eine Luftschleuse öffnet und die dort noch enthaltene Atmosphäre ins All ablässt (Die Luft in einem 1.5 x 1.5 x 2.5 m großen Raum wiegt bei 1 bar Druck etwa 7.3 kg). Die Leckverluste hängen von der Dichtheit der Konstruktion aber auch vom umbauten Volumen ab.
• Verbrauch an Sauerstoff: Der Mensch verbrennt die Nahrung und verbraucht dadurch Sauerstoff. Dieser muss laufend ergänzt werden. Bei der Arbeit auf der ISS, die körperlich nicht sehr anstrengend ist rechnet man mit 0.84 kg Sauerstoff/Person und Tag. Auf dem Mars dürfte bei 0.4 G Bedingungen und körperlicher Arbeit, eher ein Wert von 1-1.2 kg/Person und Tag realistischer sein. Der Sauerstoffbedarf hängt in kleinerem Maße auch von der Zusammensetzung der Nahrung ab.
• Entsorgung von Kohlendioxid. Kohlendioxid als Endprodukt der Atmung ist ein Atemgift, das laufend aus der Atmosphäre entfernt werden muss. Dies ist auf unterschiedliche Verfahren möglich. Alle haben gemein, dass man weitere Stoffe braucht, um das Kohlendioxid zu binden. Auf der ISS rechnet man mit einer Produktion von 1.0 kg Kohlendioxid pro Person und Tag. Auch dieser Wert dürfte beim Mars höher liegen.

Stickstoff

Die Versorgung mit Stickstoff ist das System bei dem es am wenigsten Auswahlmöglichkeiten gibt. Die Vorgehensweise wie bei der Raumstation ISS ist für Marsflüge nicht gangbar. Bei der ISS wird der Stickstoff in Drucktanks gelagert und durch Versorgungsflüge ergänzt. Schon bei 180 Tagen Dauer braucht man bei 6 kg Leckverlust pro Tag dann etwa 2000 kg Stickstoff . Fast die Hälfte davon entfallen auf die Drucktanks. Geht man auf flüssigen Stickstoff über, so sinkt das Gewicht auf 1500 kg. Ein System mit der katalytischen Spaltung von Hydrazin senkt dies auf 750 kg. Bei einer Marsmission liegen die Einsparungen dann im Bereich von einigen Tonnen.

Hydrazin ist eine lagerfähige Flüssigkeit, die bei Zimmertemperatur flüssig ist und auch als Treibstoff genutzt werden kann. (Wenn man die Kombination Hydrazin/Stickstofftetroxid benutzt kann man es z.B. aus den Treibstoffvorräten entnehmen). Hydrazin ist chemisch instabil und zerfällt unter Wärme oder bei Anwesenheit von Katalysatoren in Wasserstoff und Stickstoff. Dabei entsteht im ersten Schritt Ammoniak der dann ebenfalls gespaltet werden kann.

6 N₂H₄ → 2 N₂ + 8 NH₃

8 NH₃ → 4 N₂ + 12 H₂

N₂H₄ → N₂ + H₂ (NH₃)

Eine Stickstoffgewinnungsanlage besteht aus einer Ammoniakspaltungsstufe, bei der man Hydrazin zuerst in Stickstoff und Ammoniak spaltet. Dem sind 3 Reinigungsstufen nachgeschaltet, bei dem man den Ammoniak aus dem Ammoniak/Stickstoff Gasgemisch entfernt und in einer weiteren Stufe zu Stickstoff und Wasserstoff spaltet. Dem folgen dann 4 Wasserstoffabtrennungsstufen. Dies ist nötig, weil Ammoniak als ätzende Flüssigkeit nicht in der Atemluft sein sollte, und Wasserstoff wegen der Explosionsgefahr nicht vorhanden sein darf. Der entstehende Wasserstoff kann dann entweder verworfen werden (das vereinfacht die Konstruktion, da man praktisch durch Molekularsiebe gegen das Vakuum des Weltraums arbeiten kann) oder - das ist vorzuziehen - er wird gesammelt und zur Kohlendioxidreduktion genutzt.

1 kg Hydrazin liefert 875 g Stickstoff und 125 g Wasserstoff. Der Wasserstoff kann genutzt werden um 0.5 kg Kohlendioxid zu reduzieren. Obwohl bei der Spaltung von Hydrazin Energie frei wird, benötigt das System Energie. Denn die freiwerdende Energie ist Wärme, die abgeführt werden muss und die Konzentration von Wasserstoff und Stickstoff benötigt ebenfalls Energie.

Der mehrstufige Prozess ist vergleichsweise aufwendig, weshalb er auf der ISS noch nicht eingesetzt wird, bei einer Marsmission wird er aller Wahrscheinlichkeit aber aus Gewichtsgründen eingesetzt werden, zumal er Wasserstoff als Reduktionsmittel als Nebenprodukt liefert.

Sauerstoff

Sauerstoff kann ebenfalls in Drucktanks mitgeführt werden, wie dies bei der Raumstation auch erfolgt. Zumindest für Raumanzüge ist dies auch das einzige System, welches vom Gewicht her tolerierbar ist. Doch die gesamte Sauerstoffversorgung sollte auf einem anderen Wege erfolgen.

Der beste Weg ist heute Wasser elektrolytisch zu spalten. Das Wasser kann aus dem Brauchwasser stammen. Dies ist die Umkehrung der Energiegewinnung aus Wasser durch die Brennstoffzellen.

2 H₂O + Energie → O₂ + 2 H₂

Der Prozess ist recht energieintensiv. Für die Gewinnung von 1 kg Sauerstoff braucht man 4.7 kWh (bei 100 % Wirkungsgrad, in der Praxis eher 6-7 kWh). Der dabei entstehende Wasserstoff kann leicht an der entsprechenden Elektrode abgetrennt werden und genutzt werden um Kohlendioxid zu reduzieren. 1 kg Wasser liefert 889 g Sauerstoff und 111 g Wasserstoff.

Kohlendioxid

Kohlendioxid muss aus der Atemluft entfernt werden. Der Partialdruck soll bei einer dauerhaften Atmosphäre 3.8-4 kpa nicht überschreiten (3.8-4 % Anteil bei einer Atmosphäre wie auf der Erde, bei sauerstoffreichen Atmosphären ist der prozentuale Anteil höher).

Bei der Kohlendioxid Entsorgung gibt es mehrere Möglichkeiten. Die einfachste und für Raumanzüge einzig praktikable, ist die chemische Bindung mit Lithiumhydroxid:

2 LiOH + CO₂ → Li₂CO₃ + H₂O

Diese Technologie ist einfach, zuverlässig und garantiert recht niedrige Kohlendioxidgehalte in der Luft. Jedoch braucht man um 1 kg Kohlendioxid zu binden 1.1 kg Lithiumhydroxid. Das würde bei einer 8 Mann Besatzung und einer 1100 Tage Mission nicht weniger als 10 t ausmachen. Theoretisch kann man das Lithiumhydroxid regenerieren, indem man zuerst durch starkes Erhitzen das Lithiumcarbonat in Lithiumoxid und Kohlendioxid spaltet. Das Lithiumoxid kann dann mit Wasser zu Lithiumhydroxid umgesetzt werden. Bislang wird dies nicht gemacht. Der gesamte Prozess ist sehr energieintensiv.

Lithiumhydroxid ist wegen des geringen Gewichts - man benötigt praktisch nur einen Kanister mit der Chemikalie und keinerlei Energieversorgung für die Abtrennung und Rückgewinnung des Kohlendioxids - das einzige System für Außenbordeinsätze oder Arbeit auf dem Mars in Raumanzügen. Eventuell wird man auf einer Marsmission wo diese Einsätze täglich vorkommen die Kanister regenerieren. Für die Station selber ist die Abtrennung und Rückgewinnung des Kohlendioxids die Methode der Wahl.

Das Kohlendioxid muss zuerst vom Sauerstoff der Atmosphäre getrennt werden, da dieser chemisch viel reaktionsfähiger ist und bei der Aufarbeitung stören würde. Die Problematik dabei ist, dass die Kohlendioxidkonzentration in der Atemluft sehr gering ist. Der Gehalt in der Atemluft sollte unter 4 % liegen, sonst treten Kopfschmerzen und Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit auf.

Stand der Technik ist das Abtrennen über Molekularsiebe. Die ISS verwendet ein vierbettiges Molekularsieb, mit der Option es durch ein einzelnes Kohlenstoff-Molekularsieb zu ersetzen, das weniger Energie benötigt. Molekularsiebe sind üblicherweise ausgeleidete Röhren, durch die unter hohen Druck die Atemluft gepresst wird. Bestimmte Teile der Atemluft können diese passieren und andere Moleküle sind zu groß. Eine zweite Technologie bindet Kohlendioxid chemisch z.B. an Aminen, die dann abwechselnd Kohlendioxid binden und dann erhitzt werden, um es wieder freizusetzen. Diese Technologie benötigt zwei aktive Siebe und wurde bei Skylab eingesetzt.

Das Kohlendioxid kann dann freigesetzt werden, z.B. in den Weltraum entlüftet werden, dies ist jedoch keine praktikable Lösung. Aus 1 kg Kohlendioxid kann man 727 g Sauerstoff für die Atemluft rückgewinnen. Das ist ein Großteil des Sauerstoffs, denn die Besatzung braucht. Es gibt dazu zwei physikalische Prozesse die man nutzen kann. Die Reduktion von Kohlendioxid nach Sabatier und nach Bosch.

Der Sabatier Prozess wird in der ISS eingesetzt werden, wenn sie fertig gestellt ist. Dies geschieht in dem von Europa entwickelten Node 3, der mit STS-130 voraussichtlich im Dezember 2009 gestartet wird. Node 3 (Harmony) ist ausgelegt das Kohlendioxid durch Sabatier zu reduzieren. Der Bosch Prozess ist derzeit noch nicht auf einer Weltraummission erprobt.

Bei Sabatier wird das Kohlendioxid mit einem Katalysator mit Wasserstoff bei 370 °C umgesetzt. Dabei entsteht Wasser und Methan.

CO₂ + 4 H₂→ 2 H₂O + CH₄ + Energie

Die Reaktion ist exotherm,, liefert also mehr Energie als man benötigt und die Temperatur kann so leicht aufrecht erhalten werden, zumal sie relativ niedrig ist. Sabatier benötigt Wasserstoff zur Reduktion: Pro Kilogramm Kohlendioxid 182 g Wasserstoff. Dieser kann aus der Gewinnung von Stickstoff aus Hydrazin stammen, aber auch durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden, bei der dann auch noch Sauerstoff für die Luft gewonnen wird. Praktisch gesehen besteht eine Sabatier Anlage aus einer Verbrennungskammer mit nachgeschalteten Kondensationskühlern, bei denen das Wasser kondensiert. Die reine Methan/Wasserstoffmischung (Es wird immer etwas mehr Wasserstoff als Kohlendioxid eingesetzt werden um die Reaktion quantitativ durchzuführen) kann dann gesammelt und getrennt und entlüftet werden. Im letzteren Fall benötigt man pro Kilogramm Kohlendioxid 91 g Wasserstroff, welchen man nicht wiedergewinnen kann.

Das erzeugte Methan wird auf der ISS in den Weltraum entlassen. Denkbar wäre es aber auch es zu sammeln und als Treibstoff zu nutzen, z.b. für Lageregelungsmanöver. Die Wahl für den Treibstoff dürfte bei einer Marsmission entweder auf Sauerstoff/Wasserstoff (höchster Energiegehalt) oder auf Hydrazin/Stickstofftetroxid (einfachste Handhabung, da flüssig über einen breiten Temperaturbereich) fallen. Methan wird so nur zur Unterstützung der Antriebe nutzbar sein. Es bringt sonst keine direkten Vorteil als Antriebselement. Einige Marsprojekte sehen die Erzeugung von Methan auf dem Mars aus dem Kohlendioxid vor. Dies geschieht aber nicht um das Kohlendioxid der Besatzung aufzuarbeiten, sondern um Treibstoff zu gewinnen und erfolgt mit der Marsatmosphäre. Gemäß obiger Gleichung kann man aus 1 t Wasserstoff 2 t Methan gewinnen. Spaltet man das erzeugte Wasser auf und führt den Wasserstoff in die Reaktion zurück so gewinnt man aus 1 t Wasserstoff 4 t Methan und 8 t Sauerstoff.

Der Bosch Prozess kommt ohne die Erzeugung von Methan aus. Bei diesem Prozess wird Stahlwolle auf 1270°C erhitzt. An der Oberfläche wird Kohlendioxid durch Wasserstoff direkt zu Kohlenstoff reduziert. Als Nebenprodukt fällt Wasser an, das wie bei Sabatier erneut aufgearbeitet werden kann.

CO₂ + 2 H₂ → C + 2 H₂O

Der Bosch Prozess ist endotherm, d.h. es ist eine dauernde Energiezufuhr nötig. Während eines Durchlaufs reagieren nur 10 % des Kohlendioxids, so dass man den Prozess im Kreislauf fahren muss, um es quantitativ abzuscheiden. Dabei wird das Wasser durch Wärmeaustauscher jedesmal abgeschieden und so eine Rückreaktion unmöglich. Im Reaktor befinden sich auswechselbare Patronen mit Stahlwolle, auf denen sich der Kohlenstoff abscheidet und die regelmäßig gewechselt werden müssen, wenn die Oberfläche bedeckt ist. Für die Aufbereitung von 1 kg Kohlendioxid, entsprechend 270 g Kohlenstoff benötigt man 12 g Stahlwolle.

Organische, geschlossene Systeme

Auf unserer Erde herrscht ein vollkommenes Gleichgewicht. Dabei wird nicht nur die Luft regeneriert, sondern auch die Ausscheidungen wieder zu Nahrung. Organismen bilden aus Kohlendioxid und wasser Traubenzucker und höhere Kohlenhydrate und Fett. Sie nutzen den Stickstoff in Fäzes und Urin um Eiweiße zu bilden. Idealerweise ernten wir diese Organismen und essen sie dann.

• Heute würde jedoch niemand ein organisches System für eine Marsmission einsetzen. Es sprechen eine Reihe von Argumenten gegen diese:
• Die Störanfälligkeit: Auf der Erde funktioniert ein System im Gleichgewicht, auf dem kleinen Volumen einer Raumstation ist dies nur schwer herzustellen. Sehr lehrreich war hier "Biosphere II", ein Experiment eines Milliardärs der ein Ökosystem im kleinen nachbaute und hermetisch von der Umwelt abschloss. Obwohl die Fläche mehrere Hektar groß war und mehrere Ökosysteme en minaiature beinhaltete, kam es weder zu einem Gleichgewicht bei der Nahrungsproduktion (die Bewohner hungerten) noch bei der Atmosphäre (der Kohlendioxidgehalt steig an und die Atmosphäre musste von außen belüftet werden). Heute gelten kleine Systeme nicht als geeignet für einen völligen Gleichgewichtszustand. Sie mögen einsetzbar sein um einen Aspekt zu verfolgen, beispielsweise Wasser zu reinigen oder Kohlendioxid zu binden Sie können jedoch nicht komplett eine physikalisch-chemische Aufarbeitung ersetzen.
• Auf dem zur Verfügung stehenden platz können nur begrenzt Nahrungsmittel erzeugt werden. Jede Nahrung die wir essen, ist mit Ausnahme von Gemüse stark aufgearbeitet, man vergegenwärtige sich nur die Schritte von der Weizenernte bis zur Brotherstellung. Auf dem in einer Raumstation verfügbaren Volumen könnte man allerhöchstens niedere Algen in ausreichender Menge züchten, und davon würde sich sicherlich nicht die Besatzung über 3 Jahre ernähren.
• Biologische System im kleinen Format neigen zum Umkippen oder sind anfällig gegen Krankheiten, wenn davon das Überleben der Besatzung abhängt ist, dies fatal

Gesamtübersicht

Wie schon bei der Beschreibung der Einzelelemente klar geworden ist, sind die Regelkreisläufe ineinander verwoben. Das heißt das Nebenprodukt eines Kreislaufs wird in einem zweiten benötigt um ein anderes Produkt zu regenerieren. In der Praxis ist die Erneuerung der Atmosphäre auch mit dem Wasserkreislauf verbunden, denn sie benötigt von dort Wasser, liefert aber auch Brauchwasser zurück. Ich will im folgenden einmal eine Bilanz aufstellen. Basis ist eine 8 Personen Crew die folgende Verbrauchsgüter verbraucht bzw. erzeugt:

• 4.4 kg Stickstoff Leckverlust
• 2.2 kg Sauerstoff Leckverlust
• 6,72 kg eingeatmeter Sauerstoff
• 8.0 kg ausgeatmetes Kohlendioxid.
• zusammen: 23.12 kg Verbrauchsgüter pro Crewtag (ohne Nahrung)

Dies ist die Verbrauchsbilanz ohne Regeneration:

• Die Regeneration von 4.4 kg Stickstoffs aus Hydrazin erfordert 5.03 kg Hydrazin. Dabei werden 0.63 kg Wasserstoff frei.
• Die Regeneration des Sauerstoffs aus Wasser erfordert 10.04 kg Wasser und liefert den gesamten Sauerstoff (8.92 kg) zurück. Dabei entstehen weitere 0.99 kg Wasser.
• Die Bindung von 8 kg Kohlendioxid nach Sabatier benötigt 1.46 kg Wasserstoff. Dabei werden 2.91 kg Methan und 6.46 kg Waser gewonnen.

Bei Einsatz des Sabatier Prozesses, gibt es also folgende Summen:

• 5.03 kg Hydrazin werden benötigt
• 10.04 kg Wasser werden benötigt
• 1.46 kg Wasserstoff werden benötigt
• Gesamt: 16.53 kg

erzeugt werden:

• 1.62 kg Wasserstoff
• 8.92 kg Sauerstoff
• 4.4 kg Stickstoff
• 2.91 kg Methan
• 6.46 kg Wasser.
• Gesamt: 24.31 kg

(Die Summen sind nicht identisch, da der Kreislauf nicht geschlossen ist, so wird das Kohlendioxid ja laufend durch den Menschen nachgeliefert und Gase gehen durch Leckverluste verloren).

Bei genauer Betrachtung erhält man mehr Wasserstoff als man benötigt (1.62 zu 1.46 kg). Das ist normal, da ja auch Wasserstoff in der Nahrung steckt. Der Preis dafür ist, dass man Wasser von außen benötigt: 6.46 kg werden zurückgewonnen, aber 10.04 kg werden benötigt. In der Summe hat man dann folgenden realen verbrauch:

• 5.03 kg Hydrazin
• 3.58 kg Wasser
• und man bekommt 2.91 kg Methan und 0.16 kg Wasserstoff die man nicht umsetzen kann.

Das reduziert aber den Bedarf an Verbruchsgütern sehr stark. Es sind nun nur noch 8.61 kg pro Tag für eine 8 Mann Crew. Dazu kommt dann noch die Nahrung und das Trinkwasser, das aber zu einem hohen Prozentsatz wiedergewonnen werden kann.

Wasserbedarf

Bislang gibt es Erfahrungen über den Wasserbedarf nur von Raumstationen. Auf Raumstationen unterscheiden sich einige Dinge gravierend von der Erde. Duschen hat sich z.B. als nicht praktikabel erwiesen. Selbst bei Einsatz einer Art Staubsauger, der freischwebende Tropfen aufsaugt bleibt das Wasser ohne Schwerkraft an der Haut haften. Die Astronauten mussten es mühsam mit Handtüchern entfernen und kamen sich wohl eher vor wie in Glibber gehüllt. Stattdessen haben sich zur Reinigung feuchte Lappen bewährt. Die Toiletten haben aus demselben Grund keine Spülung und nach Reinigung der Zähne wird die Zahnpasta mit dem Speichel in Lappen gespuckt und diese entsorgt. Diese Liste ließe sich auch mit der Reinigung des Geschirrs und anderer Dinge fortsetzen- keiner der Prozesse dafür, die auf der Erde Waser benötigen, lässt sich so unverändert auf der ISS durchführen.

Der Wasserbedarf von Astronauten ist daher relativ gering: 4.72 kg Wasser für das Trinken und rehydrieren von Nahrung, Waschen und Nahrungszubereitung ist ein typischer Wert für eine Raumstation. Die ISS liefert 2.5 l Trinkwasser und 4.53 l Wasser für Hygiene und Reinigung pro Astronaut und Tag. Dabei ist auch eine Dusche mit 4 l Wasserverbrauch eingeschlossen, aber nicht jeden Tag.

Auf dem Mars dürfte dies anders aussehen. Die NASA geht bei Optimierung der derzeitigen Technologien von einem Wasserbedarf von 29 l/Tag für eine sechsköpfige Crew (entsprechend 4.84 l pro Person) auf einer Raumstation aus, aber für eine Marsmission während der Oberflächentätigkeit von 77 l (11 l/Person aus). Der Unterschied liegt darin, dass nun wieder eine (reduzierte) Schwere vorliegt. Astronauten können (und wollen) dann sicher duschen, Geschirr kann nicht nur mit Reinigungstüchern gereinigt werden, die Bekleidung kann gewaschen werden und muss nicht entsorgt werden, wenn sie schmutzig ist. Es gibt allerdings anders als bei der Versorgung mit Gasen und Nahrung, im Wasserbedarf sehr große Streubreiten bei den Abschätzungen verschiedener Studien. Andere NASA Studien gehen von einem Wasserbedarf von bis zu 27-30 kg pro Crewmitglied aus. Zum Vergleich: Der Wasserverbrauch eines Bundesbürgers liegt bei etwa 100-130 l/Tag.

Wasser kann heute zu 98 % aufgearbeitet werden. Feuchtigkeit wird kondensiert, Urin wird biologisch vergärt und danach destilliert, organische Verunreinigungen durch Filterung, Destillation oder chemische Bindung entfernt. Wahrscheinlich wird es einen Zweiteilligen Kreislauf geben: Zum einen Frischwasser für die Nahrung und zum Trinken und wiederverwendbares Brauchwasser für alle anderen Dinge. Sauerstoff wird aus dem Brauchwasser gewonnen, das laufend durch den Verbrauch an Frischwasser durch die Besatzung ergänzt wird. Pro Astronaut rechnet man mit 2.35 l Trinkwaser und 0.72 kg Wasser zur Nahrungsaufbereitung. Die Wasseraufarbeitung von Brauchwasser arbeitet heute mit Wirkungsgraden von bis zu 98 %, d.h. 98 % des vorhandenen Wassers können wiedergewonnen werden.

Nahrung

Die Nahrungsversorgung über 2 Jahre ist kein Problem - die Technologien dafür existieren schon seit Jahrzehnten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten Nahrung über längere Zeit haltbar zu machen:

• Gefriertrocknen: An Raumstationen die Methode der Wahl. Die Nahrungsmittel werden zuerst tiefgefroren und dann im Vakuum auf 60 "C erhitzt und das Wasser geht dann sofort in Dampf über der entfernt wird. Übrig bleibt eine wasserfreie Struktur, die sie vielleicht vom Instant Kaffee kennen. Durch einfaches Hinzugeben von kaltem oder warmen Wasser kann man es rehydratisieren und dies geht recht einfach in Portionsbeuteln, die auch in der Schwerelosigkeit gut zu handeln sind.
• Haltbare Lebensmittel: Entweder von sich aus haltbar wie Kekse oder Schokolade oder durch Erhitzen haltbar gemacht wie z.B. Dosen: Auf dem Mars gibt es mit dem Handling keine Probleme. In der Schwerelosigkeit sind Dosen nicht ganz so ideal, dort müssen krümelnde Lebensmittel auch mit einem essbaren Überzug versehen sein, der das Krümeln verhindert.
• Tiefkühlnahrung: Diese kann aufgetaut und dann als Fertigprortion wie Fertiggerichte auf der Erde erwärmt werden. Dies ist auch für verderbliche Lebensmittel wie Gemüse oder Obst die einzige Möglichkeit diese ohne größere Geschmackseinbußen zu befördern. Je stärker die Temperatur abgesenkt wird desto länger ist ein Nahrungsmittel haltbar. Bei Skylab gab es für empfindlichere Lebensmittel eine Temperatur von -40°C und für weniger empfindliche eine von -23 °C.

Hinsichtlich des Gewichtes (inklusive der Verpackung oder nötigem Stauraum / Tiefkühltruhe) ist gefriergetrocknete Nahrung vorzuziehen. Tiefgefrorene Nahrung erfordert hier den höchsten Aufwand, wird sich jedoch nicht vermeiden lassen, will man die Besatzung bei Laune halten (heute bringen Versorgungsflüge regelmäßig kleinere Mengen an frischen Lebensmitteln zur ISS, so dass keiner der Astronauten dort 180 Tage aus der Konserve leben muss und 180 Tage sind kurz im Vergleich zu einer Marsmission).

Für eine Raumstation, mit weigehend dehydrierter Nahrung rechnet man mit 0.62 kg Nahrung pro Tag, zuzüglich 0.72 kg Wasser zum dehydrieren. Zusammen also 1.34 kg pro Person und Tag. Bei tiefgefrorener Nahrung sind es dann die 1.34 kg. Dazu kommt noch die Verpackung und wie bei allen Systemen: Die Tiefkühltruhen und das Mehrgewicht für die nötige Stromversorgung dieser.

Abfälle

Nicht zu vergessen sind die Abfälle. Sie entstehen an verschiedenen Teilen. Zum einen gibt es den Kot und den konzentrieren Urin, dies macht 0,03 und 0.06 kg nach Dehydrierung aus. Zum anderen ist hier der Abfall aus dem Brauchwasser. Bei 98 % Aufarbeitung sind dies pro Liter weitere 0.02 kg. Bei 5-11 l/Astronaut und Tag also 0.1 bis 0.22 kg. Kann man das Lithiumhydroxid nicht aufarbeiten, so kommt pro Arbeitstag auf dem Mars und Person weitere 0.5 kg dazu. Dazu kommen Behälter für Nahrung, Wasser, Gase, Hydrazin, die schlussendlich auch zur Massebilanz gezählt werden müssen. Druckgase haben hier eine besonders schlechte Bilanz, hier wiegt der Behälter annähernd das gleiche wie der Inhalt, danach kommt die Nahrung bei der die Verpackung auch 2/3 des Inhalts wiegen kann.

Schlussendlich muss man noch mit Verbrauchsmaterialen rechnen, wie benutzter Kleidung (kann zumindest in der Schwerelosigkeit nicht gewaschen werden) Ersatzteilen und Nahrungsresten. Neben dem Gewicht der Abfälle (der zusätzlicher Ballast ist) braucht man natürlich auch Lagerungsmöglichkeiten für diese. Eine Entsorgung in den Weltraum dürfte nur für die Reise von und zum Mars möglich sein.

Das System

Die Erläuterungen zeigen, dass die Versorgung der Besatzung nicht profan ist, sondern verschiedene Kreisläufe und Subsysteme ineinander greifen. Weiterhin braucht man Umwelt und Lebenserhaltungskontrollsystem zweimal mit leicht verschiedenen. Anforderungen. Ohne jegliche Wiederverwendung von Ressourcen kommt man für eine Crew von 6 Personen und eine Gesamtmissionszeit von 3.5 Jahren auf 100-200 t an Vorräten, Verpackungen, Behältern etc. Die Aufarbeitung der Abwässer und Abfälle reduziert diese Masse beträchtlich.

Eine Untersuchung von Donald Rapp vom Jahr 2006 skizziert folgende Systeme, getrennt für die Station um zum Mars und zurück zur Erde zu gelangen, einem Oberflächen Habitat für 600 Tage Aufenthalt und einem Lander für 30 Tage Aufenthalt (um von einem Orbit aus zu landen und zurück in diesen zu gelangen).

Dies ist die Übersicht für eine Besatzung von 6 Personen für das Crew Transport Vehicle zum Mars und zurück zur Erde und eine Dauer von 360 Tagen. Die zweite Spalte gibt den Bedarf an den Verbrauchsgütern ohne Aufarbeitung an, die Spalte "Vorratsgüter" dagegen bei Aufarbeitung und Rückgewinnung. Für das Marshabitat auf dem Mars und 600 Tagen rechnet man mit folgenden Zahlen:

Auffällig sind vor allem die wesentlich höheren Wassermengen die benötigt werden. Auch Luft geht mehr verloren (wahrscheinlich durch die Ein/Ausstiege). Zuletzt gibt es noch einen Lander mit dem die Besatzung vom Orbit zum Mars hinabsteigt und zurückkehrt. Für diesen ist geplant, das die Besatzung sich maximal 30 Tage in ihm aufhält.

Bei diesen Kalkulationen sollte man nicht vergessen, dass man natürlich erst einmal die Systeme zum Mars bringen muss: Um 1 kg Nettozusatzmasse zu transportieren braucht man:

• 3 kg in der Erdumlaufbahn für ein Crew Habitat zum Mars
• 7 kg in der Erdumlaufbahn für auf dem Mars gelandete Nutzlast
• 8 kg in der Erdumlaufbahn für Systeme die vom Mars zurückkehren.

Die knapp 22 t für Vorräte und Wiederaufarbeitungsanlagen auf der Marsoberfläche entsprechen so etwa 154 t in der Erdumlaufbahn, die restlichen 132 t entfallen auf eine Raketenstufe und ihren Treibstoff, einen Hitzeschutzschild, Fallschirm und Triebwerke und Treibstoff für eine weiche Landung auf dem Mars. Die gesammelten Umweltkontrollsysteme machen so locker ein Viertel bis Fünftel der Gesamtmasse im Erdorbit aus.

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