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Web Log Teil 114: 1.6.2009

Montag 1.6.2009: Bodenproben vom Mars - Teil 1

Nachdem ich mich in der letzten Zeit mal öfters mit anderen Themen im Blog beschäftigt habe heute wieder ein Raumfahrtthema. Die wichtigste Aufgabe einer bemannten Mission wird es ja sein Bodenproben zu nehmen und zur Erde zurückzubringen. Ich will hier nicht anfangen einen Vergleich zwischen bemannter und unbemannter Raumfahrt zu machen. Es gibt durchaus Gründe die jeweils für die eine oder andere Position sprechen. Ich will nur mal ein Szenario zeigen, wie eine unbemannte Bodenprobengewinnung aussehen könnte. Das soll in zwei Teilen geschehen: Zum einen benötigt man eine Sonde die zum Mars fliegt, dort Bodenproben entgegen nimmt und dann wieder zur Erde zurückkehrt. Aufgrund des mitgeführten Treibstoffs wird diese nicht mobil sein, so dass ich in einem zweiten Teil noch einen Rover behandeln werde, der auf dem Mars die Bodenproben sammelt.

Himmelmechanisches

Um die Nutzlast zu maximieren wird unsere Sonde auf einer Hohmann Bahn zum Mars und zur Erde zurückfliegen. Eine Hohmann Bahn ist eine Ellipse, deren sonnennächster Punkt bei der Erdbahn liegt und der sonnenfernste bei dem Mars. Abhängig von der Entfernung des Mars schwankt die Reisezeit

Hier die Extreme

Bahn VErde VMars Reisezeit
147.6 x 249.2 Millionen. km 11547 m/s 3172 m/s 279 Tage
152.1 x 206.7 Millionen km 11290 m/s 2007 m/s 239 Tage
149.5 x 222.7 Millionen km 1415 m/s 2549 m/s 258 Tage

Die letzte Bahn stellt das Mittel dar. Die Startgeschwindigkeit von der Erde ist die vom Erdboden aus mit einer 186 km hohen Kreisbahn als Erdorbit. Die Ankunftsgeschwindigkeit beim Mars muss berücksichtigt werden, wenn in einen Orbit eingeschwenkt wird.

Mars und Erde haben Oppositionen bei denen eine Reise möglich ist alle 26 Monate. Der Start von der Erde aus muss jedoch schon früher erfolgen und zwar so, dass die Sonde genau dann ankommt, wenn Sonne-Erde-Mars in dieser Linie stehen. Der Start muss also genau um die Reisezeit vor Erreichen der Opposition erfolgen (also 239-279 Tage früher). Am Mars angekommen ist eine sofortige Rückkehr nicht möglich, da nach der Flugzeit sich die Erde wieder weg vom Oppositionspunkt bewegt hat. Ein Start ist erst wieder möglich wenn die nächste Opposition ansteht - auch hier 239-278 Tage vor der Oppositionsstellung.

Die gesamte Mission dauert dann zwischen 1019 und 1059 Tage (780 Tage zwischen zwei Oppositionen und eine Reisezeit von 239-279 Tagen), also knapp 3 Jahre, wobei die Sonde zwischen 501 und 541 Tage auf dem Mars verbringt - genügend Zeit um Bodenproben zu verladen.

Es wären andere Bahnen denkbar, doch diese hat den Vorteil, dass sie den geringsten Energiebedarf hat. Da es anders als bei einer menschlichen Besatzung nicht auf Minimierung der Reisezeit ankommt ist es auch wahrscheinlich, dass eine solche gewählt wird.

Wie könnte die Mission allgemein aussehen?

Wie ich noch erläutern werde, benötigt man den meisten Treibstoff um vom Mars in einen Orbit zu kommen. Daher wird eine Missionsplanung versuchen die Masse zu minimieren, die von dem Boden in einen Orbit gelangt und auch den benötigten Treibstoff dafür zu minimieren. Daher wird wohl sicherlich die Mission in zwei Raumsonden auf gesplittet werden:

Eine Art Marssatellit. Er verfügt über Solarzellen, eine Hochgewinn Kommunikationsantenne und ein Antriebssystem für Kurskorrekturen beim Flug zum Mars und zurück und zum Einbremsen in einen Orbit und Verlassen des Orbits um zur Erde zurück zu gelangen. Er ist für die interplanetare Reise zuständig. Weitere aufgaben könnte eine Funktion als Kommunikationsrelais sein oder die Ausführung von Experimenten im Orbit

Eine Landesonde, die Bodenproben aufnimmt. Sie dürfte aus einer oder zwei Antriebsstufen bestehen. Auf ihr ist eine Kapsel mit einem Hitzeschutzschild angebracht, Sie nimmt die Bodenproben auf und bringt sie zur Erde zurück. Um Gewicht zu sparen wird an der Kapsel nur eine einfache Elektronik sich befinden, Batterie angetrieben gerade leistungsfähig genug um einen Orbit zu erreichen. Dort koppelt dann der Satellit aktiv an die passive Sonde an. Die Landestufe wird noch einen Hitzeschutzschild und ein Fallschirmsystem umfassen. Das Einbringen der Bodenproben wird vom Rover erfolgen, der auch über Greifwerkzeuge verfügen muss um sie zu sammeln. Der gesamte Treibstoff wird von der Erde auf den Planeten gebracht und ist lagerfähig, da sowohl kyrogener Treibstoff eine aufwendige Kühlung erfordert und die Gewinnung von Treibstoff vor Ort mag sich noch lohnen wenn eine mehrere Tonnen schwere Kapsel in den Orbit befördert werden muss, aber nicht wenn es nur um einige Hundert Kilo geht. Ein eingesetzter Treibstoff könnte z.B. Stickstofftetroxid als Oxidator mit Hydrazinen (Hydazin, Monomethylhydrazin oder UDMH) als Verbrennungsträger sein. Triebwerke mit diesen Treibstoffen erreichen bei Druckgasförderung spezifische Impulse von 3200 m/s. 

Geschwindigkeitsabschätzung

Es sind zahlreiche Szenarien vorstellbar. Zuerst einmal eines mit einem reinen chemischen Antrieb. Die optimale Lösung bekommt man leicht durch Nachdenken heraus: Die Landesonde wird vor der Ankunft abgetrennt, da sie rein aerodynamisch abgebremst wird. In den Orbit bremst nur der Orbiter mit seinem Antrieb ab. Welcher Orbit soll eingeschlagen werden? Auch hier liefert die Logik und weiter: Wenn es ein niedriger, kreisförmiger Orbit ist, so benötigt zwar die Landesonde am wenigsten Treibstoff um in den Orbit zu gelangen. Dafür benötigt aber der Satellit Treibstoff um aus einem energiearmen elliptischen Orbit in einen kreisförmigen Orbit zu gelangen. Nun kommt aber die Einschränkung: Der Satellit muss dann sein Gewicht und das der Landesonde wieder anheben - in der Summe benötigt er so viel mehr Treibstoff. Der optimale Orbit ist daher ein hochelliptischer Orbit.

Aus praktischen Gründen habe ich mich für einen 24.6 Stunden Orbit entschieden, z.B. ein 200 x 34000 km Orbit. Dieser hat den Vorteil, dass er mit der Marsrotation synchronisiert ist. Damit kann der Satellit zum einen als Kommunikationssatellit für die Landesonde und den Rover fungieren, da rund 20 Stunden Funkkontakt pro Umlauf besteht und zum anderen gibt es pro Marstag (24.6 h)  ein Startfenster in diesen Orbit. Die Geschwindigkeit die abgebaut werden muss um von einer Transferbahn in diesen Orbit zu gelangen beträgt zwischen 616 und 1160 m/s abhängig von der Transferbahn. Bei der Mitteleren Bahn sind es 859 m/s.

Dieselbe Geschwindigkeit muss aufgewandt werden um zurück zur Erde zu gelangen. Zusammen mit jeweils 100 m/s Korrekturen während der interplanetaren Phase (der größte Teil dafür für die Anpassung der Bahnneigung der Transferbahn an die Umlaufbahnen von Mars und Erde ergibt sich für den Orbiter ein Geschwindigkeitsbedarf von zweimal 960 m/s für den Orbiter.

Die Landesonde braucht ein wenig Treibstoff für die Landung - etwa 400 m/s, Der Verbrauch um in den Orbit zu gelangen ist viel höher. Es sind mindestens 4662 m/s um in den Orbit für ein Rendezvous zu gelangen. Dazu kommen dann noch Gravitationsverluste und der Luftweiderstand - insgesamt dürften die Werte viel kleiner sein als auf der Erde sein und 1000 m/s dafür ausreichen. Das macht dann rund 6061 m/s für die Landestufe - das ist zu viel bei lagerfähigen Stufen für eine Stufe. Daher sollte diese zwei Stufen einsetzen.

Auf der Erde angekommen ist es sinnvollsten die Kapsel abzusprengen und direkt landen zu lassen, anstatt mit weiterem Treibstoff eine Umlaufbahn zu erreichen - um die Kapsel in die Reichweite der ISS zu bringen wären rund 3.4-3.7 km/s nötig - weitaus mehr als zum Mars und zurück zu gelangen.

Wie kommt man nun zu den Parametern?

Nun es gibt sicher Programme dafür. Ich mache es mit einem klassischen Ansatz: Der Orbiter wird eine weitgehende konstante Masse haben, diktiert durch seine Funktion. Nehmen wir mal an es wären 300 kg. Dann gibt es noch die Kapsel. Sie soll weitere 300 kg wiegen, wovon dann etwa 50-80 kg auf Bodenproben entfallen. Mit dieser ersten Annäherung kann man ein Excel Sheet füttern und Treibstoffmasse jeweils soweit verändern, dass man die Zielgeschwindigkeiten erreicht.

System Masse
Orbiter (nur Satellit) 300 kg
Antriebssystem Orbiter 100 kg
Treibstoff Orbiter 500 kg
Orbiter (gesamt) 900 kg
Kapsel 300 kg
Stufe 2 Startmasse 840 kg
Stufe 2 Trockenmasse 140 kg
Stufe 1 Startmasse 3180 kg
Stufe 1 Trockenmasse 530 kg
Landemasse Landesonde 4320 kg
Landesonde Startmasse 6480 kg

Die Zahlen sind durch Anpassung mit Excel errechnet. Bei allen Antriebssystemen ist von einem Voll/Leermasseverhältnis von 5:1 und einem spezifischen Impuls von 3200 m/s ausgegangen. Die Landesonde benötigt noch einen Hitzeschutzschild und einen Fallschirm, sowie ein Gestell zum sicheren Landen. Das alles mag die Masse nochmals um 50 % erhöhen, so dass von einer Startmasse von 7380 kg auszugehen ist (900 kg Orbiter und 6480 kg Landesonde). Das ist deutlich mehr als die größten Trägerraketen transportieren können (Ariane 5 EC-A: 5200 kg, Delta IV Heavy 7000 kg). Reduziert man die Masse der Kapsel auf 200 kg so wäre eine Mission mit der Ariane 5 EC-A möglich:

System Masse
Orbiter (nur Satellit) 300 kg
Antriebssystem Orbiter 90 kg
Treibstoff Orbiter 450 kg
Orbiter (gesamt) 840 kg
Kapsel 200 kg
Stufe 2 Startmasse 600 kg
Stufe 2 Trockenmasse 120 kg
Stufe 1 Startmasse 2200 kg
Stufe 1 Trockenmasse 450 kg
Landemasse Landesonde 2900 kg
Landesonde Startmasse: 4350 kg

Wie viel davon wären nun Bodenproben? Das ist schwer zu sagen. Der Vergleich mit den Luna Kapseln ist falsch. Diesen nahmen einen Bohrkern, spulten diesen auf und brachten ihn zur Erde zurück. Sie waren weder ausgelegt mehrere Proben zu nehmen noch für einen langen Aufenthalt der dazu auch die Zeit gibt. Beides ist auf dem Mars gegeben. Vielmehr sollte man einen Vergleich mit den russischen Foton Kapseln oder Stardust ziehen - bei letzterem wog die Kapsel 45,7 kg bei einem Nutzlastvolumen von 3.4 l. Bei Füllung mit Bodenproben entspricht dies rund 6-7 kg Gestein.  Eine viermal schwerere Kapsel könnte so etwa 24-28 kg Gestein transportieren. Das entspricht immerhin fast der Menge die auch eine Apollo Mission erbrachte. Doch damit es so viel ergibt, benötigt man noch einen Lander der die Bodenproben sammelt.

Optimierungen

Der größte Teil der Sonde besteht aus Treibstoff: Von den rund 5200 kg entfallen rund 2540 kg auf Treibstoff und Tanks/Triebwerke. Der größte Teil davon entfällt auf die Landestufe. Wenn der Orbiter zwar chemisch in den Orbit einbremst und ihn ebenfalls mit einem chemischen Antrieb verlässt, aber im Orbit mittels Ionentriebwerken navigiert, indem er ihn sukzessive zuerst in einen 200 km hohen Orbit absenkt und dann diesen wieder in einen elliptischen anhebt, nachdem an die Kapsel angekoppelt wurde, dann können 1210 m/s bei der Landesonde gespart werden. Der Orbiter selbst muss zweimal diese Geschwindigkeit aufbringen. Doch bei Ionentriebwerken kostet dies weitaus weniger Treibstoff als bei chemischen Triebwerken. Weiterhin kann auch Treibstoff beim Orbiter eingespart werden indem nicht in einen 200 x 34000 km Orbit eingeschwenkt wird, sondern in einen 200 x 100.000 km und dieser dann mit Ionentriebwerken verändert wird. Das spart auch jeweils 150 m/s aus. So würde dieselbe Mission mit Ionentriebwerken aussehen:(vmax Orbiter = 2 x 720 m/s, VLander = 4850 m/s)

System Masse
Orbiter (nur Satellit) 300 kg
Antriebssystem Orbiter 70 kg
Treibstoff Orbiter 350 kg
Ionenantrieb 500 kg
Orbiter (gesamt) 1220 kg
Kapsel 200 kg
Stufe 2 Startmasse 372 kg
Stufe 2 Trockenmasse 62 kg
Stufe 1 Startmasse 960 kg
Stufe 1 Trockenmasse 160 kg
Landemasse Landesonde 2300 kg
Landesonde Startmasse: 3200 kg

Dies würde die Startmasse auf rund 4420 kg reduzieren. Von den 500 kg für den Ionenantrieb entfallen nur rund 100 kg auf den Treibstoff (für maximal 4 km/s Geschwindigkeitsänderung - es ist wegen dem Aufspiralen immer mehr als bei chemischen Treibstoffen), 80 kg auf den Tank, das Triebwerk und die Spannungskonverter und 320 kg auf Solarzellen, die eine Spitzenleistung von 10 kW erbringen. Benötigt werden 5.6 kW, aber man sollte nur nahe des marsnächsten Punktes der Bahn arbeiten. Das würde ausreichen um in 100 Tagen aus einem 200x70.000 km Orbit in einen kreisförmigen 200 km Orbit zu gelangen.

Der Orbiter wird so zwar um rund 500 kg schwerer, doch die Landestufe um rund 1150 kg leichter. Das erlaubt es eine etwas größere Kapsel mitzuführen - rund 250 kg anstatt 200 kg. Noch mehr Nutzlast wäre möglich wenn der Orbiter die Erde mit einem Ionenantrieb verlassen würde und auch damit zurückkehren würde. Ich habe darauf verzichtet, da dann die Missionsplanung sehr viel komplizierter ist: Das Verlassen der Erde dauert dann schon alleine Wochen. Startfenster gibt es dann im eigentlichen Sinn nicht mehr, da der Orbiter jeweils Monate in einem Übergangsorbit um die erde und den Mars zubringt.

Teil 2 wird sich dann mit der Konzeption eines Landers beschäftigen.

Mittwoch: 3.6.2009: Mythos fast gescheiterte Mondlandung

Gestern Abend kam die Mondlandung wieder in Quarks & Co und gerade bin ich auch beim Lesen des Abschnitts über Apollo 11 in der Neil Armstrong Biographie "First Man", das nun wegen der verfügbaren NASA Protokolle weitaus ausführlicher ist als das was der Autor bisher über das Leben als Astronaut und das Training brachte. In meiner Antwort auf Michels Kommentar bin ich ja schon auf die 1201 und 1202 Alarme des Bordcomputers beim Abstieg eingegangen. Heute will ich mal einen zweiten Mythos abklopfen, nämlich den das Apollo 11 mit dem letzten Sprit gelandet ist. Auch gestern habe ich wieder gehört, dass es nur noch für 20 Sekunden Treibstoff sind. Andere Zeiten die ich mal gehört habe sind 10 Sekunden (selten) und 30 Sekunden (häufiger). Doch was sagt das überhaupt aus? Wie kann man das in den Kontext der anderen Missionen einordnen (war es vielleicht normal mit so einig Treibstoff zu landen? Schließlich ist jeder Liter Treibstoff der nach der Landung übrig bleibt überflüssiges Gewicht, das besser in Ausrüstung investiert wäre).

Also die historischen Tatsachen. Der Bordcomputer steuerte das LM zum vorgesehenen Landegebiet - zumindest auf Basis der Navigationsdaten die er hatte. (Mike Collins konnte Apollo 11 nicht aus dem Orbit ausmachen, was für eine deutliche Abweichung vom vorgesehenen Flugpfad spricht). Dieser Kurs führt direkt in einen großen Krater. In 500 Fuß (150 m) Höhe übernahm Armstrong die manuelle Steuerung. Das war bei 4:06:43:15 Missionszeit.

Er überflog den Krater und wollte dahinter landen. Bei 4:06:44:00 fragt Armstrong nach dem Treibstoff und bekommt von Aldrin die Rückantwort  "Acht Prozent". Doch hinter dem Krater angekommen, nun in 200 Fuß Höhe ah er einen weiteren Krater und danach noch einen. Er hob die Fähre erneut auf 270 Fuß an, auch weil unterhalb von 100 Fuß höhe Staub aufgewirbelt wurde und die Sicht schlechter wurde. Als die Eagle nun erneut auf 160 Fuß angekommen war (inzwischen ein Geröllfeld überfliegend) kam die erste Warnung nun in Mission Control. Dort Bob Carlton, Systems Control engineer signalisierte, das der Treibstoff "Low Level" erreicht hatte. Ab diesem Punkt isst der Treibstoff nicht mehr präzise messbar, da der Boden stark kurvenförmig ist und sich die Mondfähre auch neigt.

Bei 100 Fuß Höhe signalisierte Aldrin bei 4:06:44:45 "Quantity Light". Das Licht ging schon an bei 44:31 und startete in Mission Control einen "Bingo Countdown". Nun waren die Treibstoffmengen auch nicht mehr in der Eagle bestimmbar. Sie lagen nun aber unterhalb von 5.6 %. basierend auf den Verbauchswerten zählte man nun in Mission Control 94 Sekunden lang herunter, bevor der Treibstoffverbrauch kritisch wurde. Nach dieser Frist hat die Besatzung noch 20 Sekunden Zeit zu Landen. Die Missionsregeln sahen vor, dass dies bei unter 50 Fuß Höhe in 20 Sekunden möglich ist und über 100 Fuß muss abgebrochen werden. Dazwischen liegt es im Ermessen der Besatzung wobei die meisten Besatzungen zwischen 50 und 70 Fuß in dem Training noch sicher landeten.

Bei 4:06:45:02 gibt Capcom Charlie Duke die erste Meldung über Bingo durch "60 seconds". Zu diesem Zeitpunkt ist die Eagle in 60 Fuß Höhe und sinkt mit 2 Fuß pro Sekunde. Als die nächste Warnung kommt ("30 Seconds" bei 4:06:45:31 ist die Eagle schon in 20 Fuß Höhe und sinkt mit 0.5 Fuß/Sekunde. Bei 4:06:45:40 signalisiert "drin "Contact Light" - das Bedeutet eines der Landebeine hat aufgesetzt. Damit ist die Eagle gelandet auch wenn das Triebwerk noch weiter arbeitet. Selbst wenn nun der Treibstoff ausgehen würde, wäre es egal. Armstrong hat dann noch einige Probleme das Triebwerk abzustellen und so ist es erst 4 Sekunden später ausgeschaltet.

Dies sind nun die Daten. Nimmt man die zusätzlichen 20 Sekunden nach "Bingo", so hatte die Eagle noch 41 Sekunden nach dem Kontaktlicht und 37 Sekunden nach dem Abschalten Treibstoff. Die Analyse der Daten nach dem Flug zeigte, dass die Eagle noch 770 Pfund Treibstoff hatte - genug für 50 weitere Sekunden Flug bei der Sinkrate. Es war knapp, denn jede andere Mission hinterließ mindestens 500 Pfund mehr Treibstoff, aber es war nicht kritisch. 50 Sekunden sind eine lange Zeit und auch wenn in der Schlussphase die Eagle wenig Treibstoff braucht  Die Gesamtzuladung betrug 18000 Pfund, also verblieben noch rund 4.2 % des Treibstoffs (inklusive nicht nutzbarer Reste). Das klingt nach wenig, man sollte aber bedenken, dass von den maximal 2470 m/s um die die Geschwindigkeit geändert werden kann (Maximal, weil die zusätzliche Ausrüstung bei den folgenden Landungen dies sukzessive reduzierten) alleine 1700 m/s benötigt wird um die Oribtalgeschwindigkeit abzubauen. Dazu kommen noch Gravitations- und Lenkungsverluste. Selbst unter optimistischen Zuständen stehen der Besatzung also nur ein kleiner Bruchteil der Treibstoffvorräte zur Verfügung. Bei einer nominellen Landung hätte die Decent Stage rund 12 Minuten gebrannt. Bei Apollo 11 brannte sie (nach einem Start bei 4:06:33:11) genau 12 Minuten 29 Sekunden, also 29 Sekunden mehr als geplant - so gesehen sind die rund 50 Sekunden Resttreibstoff verglichen mit den rund 29 Sekunden die der Abstieg brauchte ein recht komfortables Polster.

Was gab es sonst noch? In der angesprochenen Quarks & Co Sendungen spielte natürlich auch Wieder der Moon-Hoax eine Rolle. Es wurde in zwei Beiträgen zum einen die üblichen Argumente der Verschwörungstheoretiker entkräftet und zum zweiten Beweise vorgelegt, dass man doch auf dem Mond war. Ich weiß nicht ob das der richtige Weg ist. Zum einen sind die hartnäckigen Verfechter Überzeugungstäter. Denen geht es nicht um Tatsachen sondern sie hängen einer verrückten Verschwörungstheorie. an. Ich meine, was muss in dem Kopf eines Menschen vorgehen, der allen Ernstes glaubt, dass man 25 Milliarden Dollar für die Mondlandung ausgibt, rund 8 Jahre lang daran arbeitet und bis zu 400.000 Leute damit beschäftigt um dann, wenn es ansteht alles im Filmstudio zu drehen? Das sind die gleichen Leute die glauben das es keinen Holocaust gibt. Dann gibt es noch die zahlreichen Anhänger, die diese Theorie irgendwie abgespact finden. Wer so etwas glaubt und auf so plumpe Falschaussagen wie bei die Tatsache dass es keine Sterne auf den Aufnahmen gibt reinfällt, bei dem muss das allgemeine Bildungsniveau so niedrig sein, dass er sicher auch daran glaubt das die Kinder vom Klapperstorch gebracht werden. Es macht keinen Sinn Leuten die keinen Verstand haben etwas zu erklären, weil jede Erklärung ja viel komplizierter ist als die ausgedachten Lügen.

Donnerstag 4.6.2009: Warum gibt es von Neil Armstrong keine Bilder?

Eine gute Frage und vielleicht erst mal eine Erläuterung. Alle Hasselblad Bilder die von der EVA bei der ersten Mondlandung von einem Astronauten gemacht wurden zeigen Edwin "Buzz2 Aldrin. Neil Armstrong ist auf einigen zu sehen, aber niemals absichtlich fotografiert sondern als Bestandteil der Szene. Dazu gibt es noch die Aufnahmen der 16 mm Kamera vom LM aus das ihn zeigt und die verschwommenen Videoaufnahmen (auch bedingt, dadurch das bei Apollo 11 aus Zeitgründen das Entfalten der S-Band Antenne entfiel). Die Frage ist nun: War dies Absicht?

Es gibt darüber verschiedene Meinungen. Die eine ist, dass Buzz es wohl einfach vergessen hat. Dafür gibt es Gründe. Zum einen wurde während des ganzen Trainings niemals geprobt sich gegenseitig zu fotografieren, es war auch nicht vorgesehen. Die Astronauten sollten den Mond und die Experimente fotografieren und ihre Arbeit dokumentieren. Weiterhin waren sie im Zeitplan hinterher (weswegen auch die Entfaltung der S-Band Antenne entfiel, die viel bessere Fernsehsignale geliefert hätte - auch dies wäre publizistisch wichtig gewesen, genauso wie Astronautenfotos) das weite ist, dass die Astronauten in dem Bewusstsein arbeiteten, dass ihnen einige Hundert Millionen Menschen zugucken und sie eine historische Erstleistung vollbringen - da ist es natürlich wenn sie noch mehr auf die Arbeit fokussiert sind.

Ein dritter Grund ist die Aufteilung der Zeit: Es gab nur eine Hasselblad Kamera. Sie musste jeweils von Armstrong an Aldrin weitergegeben werden. Meistens hatte Armstrong sie in der Hand, der vielleicht auch das Potential der Fotios erkannte. Aldrin war auf andere spektakuläre Fotos fixiert: Von ihm stammen die Fotos vom Mondboden mit und ohne Fußabdruck und des Moonboots wie er gerade angehoben werden. Auch diese Bilder sind sehr prominent und haben ihren Einzug in die Geschichtsbücher gemacht. Armstrong wurde als Commander gewählt weil er kein ausgeprägtes Ego hat, er wollte sich niemals in den Vordergrund rücken und hat sich auch nach der Mondlandung weitgehend aus der Öffentlichkeit zurückgezogen und gibt kaum Interviews - anders als Aldrin. Vielleicht lag es ihm einfach auch nicht zu sagen "Buzz, mach mal eine Aufnahme von mir". Angesichts dessen was ich bisher über ihn in der Biographie gelesen habe halte ich das durchaus für möglich.

Was sagen nun einige Prominente zu dem Thema.

Meine persönliche Meinung? Ich halte es für unwichtig. Es ist wie Collins und Kraft anmerken: Man sieht nur einen Astronauten im Anzug. Wenn Collins, als Mannschaftskamerad erst realisiert, dass es Aldrin ist, wenn man es ihm sagt, dann sagt dies doch alles aus: solange man nicht das Gesicht erkennt ist es eben ein Astronaut und nicht Armstrong oder Aldrin. Ich wusste es auch nicht bis ich vor einigen Jahren mal das Apollo Surface Journal nach den Fotos durchsucht habe. Ich halte es auch nicht für wichtig. Genauso wie der Wert eines Erdaufgangs über der Mondoberfläche nicht davon abhängt, ob es der allererste fotografierte (von Apollo 8) ist oder nicht.

Samstag 6.6.2009: Warum bewirbt sich die NASA nicht beim Google Lunar X-Price?

Google hat einen Preis ausgeschrieben. für jemanden der bis zum 31.12.2012 auf dem Mond einen Roboter landet, der mindestens 500 m weit fährt und eine Übertragung zum Erdboden macht. Dieser ist mit 20 Millionen Dollar dotiert. Weitere 5 Millionen kann man gewinnen, wenn man zusätzliche Kriterien erfüllt wie mindestens 5000 m Fahrtzeit oder Landung an einem der Apollo Landeplätze.

Klar ist, dass dies für ein Startup harte Bedingungen sind: Der Zeitrahmen ist eng, die Hardware und der Raketenstart kosten viel Geld. Doch anders sieht es bei einer Raumfahrtagentur aus. Sie sollte eigentlich den Preis mit Leichtigkeit gewinnen können. Hier mal mein Vorschlag für die NASA:

Lander

Klar ist: Je leichter desto besser, da dann die gesamten Kosten geringer sind. Nun hat die NASA schon einen geeigneten Lander entwickelt: Der Mars Rover Sojourner. Er wog 10.6 kg. Es gibt neben dem gestarteten Exemplar mindestens ein weiteres dass damals zur Simulation genutzt wurde bevor man die Kommandos zum echten Rover auf den Mars schickte. Er kann relativ einfach auf dem Mond eingesetzt werden. Dort ist sogar einiges einfacher: Es gibt doppelt so viel Strom, durch die Nähe zur Erde ist eine direkte Steuerung möglich. Er müsste nur leicht umgebaut werden. Da es nicht um Experimente geht, sondern um das Fotografieren, wäre die sinnvollste Ausrüstung eine Videokamera an der Front und 5 Weitwinkelkameras, die die Umgebung rund um den Rover abdecken. Anstatt mit einem Modem über den Pathfinder zu kommunizieren, könnte der Rover entweder direkt mit der Erde kommunizieren (über eine Rundstrahlantenne) oder über die Basisstation (mit einer Mittelgewinnantenne an der Basisstation). Die Übertragung zur Basisstation könnte mit stinknormalem WLAN erfolgen.

Wenn die Weitwinkelkameras pro Sekunde eine Aufnahme mit 2560 x 1600 Pixels übertragen (Anzeigefläche eines 30° Monitors) in JPEG mit 8:1 komprimiert. und dazu ein 640 x 480 Video in MPEG-4 (Datenrate 1500 KBit/s) kommt man auf eine Datenrate von rund 12 MBit/s, der größte Teil entfällt dabei auf die Bilder (10.2 MBit/s). Selbst Full HDTV Video würde sie nur auf 22 MBit/s erhöhen. Bei Einsatz der 70 m Antennen des DSN kann dies eine Rundstrahlantenne mit 10 Watt Sendeleistung übertragen oder eine Mittelgewinnantenne. Bei 30 Grad Öffnungswinkel und Senden im X-Band reichen sogar nur 0.1 Watt. Sojourner hatte auf dem Mars eine Leistung von 16.5 Watt aus den Solarzellen. Sie würde auf dem Mond auf rund 33-35 Watt steigen. Strom für ein direktes Senden gibt es also genug.

Was nur mit großen Aufwand möglich wäre, ist ein Betrieb über die 14 tägige Mondnacht. Dies könnte durch radioaktive Isotope geschehen, die Wärme abgeben um das Auskühlen zu verhindern, aber dann wird es auch richtig teuer. Es ist möglich, dass der Rover die Kälte überlebt, so wie dies auch eine Reihe der Surveyor Raumsonden taten, doch verlassen sollte man sich nicht darauf.

Ergänzt wird der Rover durch eine Basisstation. Diese kann sehr einfach sein, und nur aus einer Elektronik rund um die Abstiegsstufe bestehen, ergänzt durch Solarpanels und eine Antenne . Ihre Aufgabe ist es, eine Plattform zu stellen von der der Sojourner nach der Landung herunterrollen kann (über eine Rampe) und während des Wegs die gesamten Kommandos zu empfangen und die Landung durchzuführen. Denkbar wäre (wie oben angesprochen) auch die Funktion als Datenrelais, dass würde eine schwere und leistungshungrige Ausrüstung des Rovers überflüssig machen. Eine Mittelgewinnantenne mit Erdsensor wäre denkbar, doch wie oben schon angesprochen recht bei 12 Watt Sendeleistung auch eine nicht ausrichtbare Rundstrahlanantenne.

Antrieb

Doch zum Mond muss man erst mal kommen. Eine ESA Studie geht von 2630 m/s für die Landung aus (in zwei Schritten mit Mondorbit, doch die direkte Landung spart auch nicht viel mehr ein). Von einer LEO Umlaufbahn aus kommen dann noch mal rund 3200 m/s dazu, von einem GTO Orbit noch 800 m/s. Das bedeutet, dass man noch mindestens eine Raketenstufe benötigt, bei einem Start aus einem LEO Orbit sogar zwei, da sonst das Leergewicht zu groß wird.

Zeit für eine Gewichtsabschätzung:

  Start aus dem LEO Orbit Start aus dem GTO Orbit
Sojourner 12 kg 12 kg
Basisstation 23 kg 23 kg
Landestufe 73 kg/12 kg v=2630 m/s 133 kg voll, 22 kg leer v=3430 m/s
Startstufe 343 kg/57 kg v=3200 m/s
Startgewicht: 561 kg 168 kg

Beide Tabellen gehen von einer (konservativen) Gewichtsabschätzung von einem Masseverhältnis von 6:1 bei den Stufen aus. (Voll/Leermasse) Man erhält als Resultat, dass die Mission mit einer Pegasus (oder riskanter mit einer Falcon 1) möglich wäre. Kosten 8-12 Millionen Dollar für die Rakete. Besser wäre es die Nutzlast als Sekundärnutzlast mitzuführen, idealerweise bei einem GTO Start, wo die 168 kg mehr kaum ins Gewicht fallen. Dann sind die Zusatzkosten gleich Null. Als Antrieb reichen bei dieser Größenordnung ein oder mehrere Satellitentriebwerke aus. Bei der GTO Mission z.B. ein 500 N Apogäumsantrieb, der eine Startbeschleunigung von 3 m/s liefert und etwa 700 Sekunden lang betrieben werden kann.

Mission

Wenn man davon ausgeht, dass der Sojourner die erste Mondnacht nicht überlebt, so muss er zu Beginn des Mondtages landen um dann maximal 14 Tage lang arbeiten zu können. Nimmt man 10 Tage als Betriebszeit an, so müsste er pro Tag 50 m weit fahren um den Basispreis zu gewinnen oder 500 m um den fortgeschrittenen Preis zu gewinnen - das ist machbar. Lunochod 2 legte in knapp 4 Monaten rund 37 km zurück, und war während der Nacht auch inaktiv. Das sind in 4 Mondtagen 37 km oder rund 8 km pro Mondtag.

Wenn die NASA ihr zweites Flugexemplar des Sojourners aus dem Museum holt, dann könnte sie bei schneller Umsetzung den Contest gewinnen und sogar noch Gewinn einfahren - Könnte. Nur dauern bei Weltraumagenturen alle Dinge Jahre und bis alleine alle Formulare ausgefüllt und bearbeitet sind, kostet alleine die Bürokratie mehr als man später durch den X-Price wieder rein bekommt. aber so ist das mittlerweile. Vielleicht liegt das aber nur daran, dass sie NASA keine aufnahmen von den Apollo Landeplätzen haben will (Sie wissen ja, dort ist niemals jemand gelandet.... ;-) ).


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