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Web Log Teil 481: 31.10.2016 - 16.11.2016

31.10.2016: Marskolonisation Teil 2

Kommen wir zum zweiten Teil der Marskolonisation: Geht die überhaupt und macht es Sinn?

Elon Musk meint ja das eine Million Menschen zum Mars wollen, wenn er die Preise auf 100.000 Dollar pro Ticket senkt. (Als Nebeneffekt müsste man für einen Bruchteil dieses Preises in den Erdorbit kommen, was wohl für viel mehr Leute interessant wäre). Genau dieses Szenario nehme ich mal auf und will zeigen, wie wahrscheinlich es ist. Ich vermute Musk denkt es sich so wie in den Science-Fiction Filmen: Da ziehen die Sieder dann mit tollen Maschinen aus und bauen auf dem Mars eine ganze Zivilisation auf und genießen dann beim Campari den Untergang der beiden Marsmonde...

Der falsche Vergleich

Meiner Ansicht nach ist das völliger Unsinn. Die Wirklichkeit sieht ganz anders aus. Wahrscheinlich denken viele Leute zumindest im Hintergedanken an die Siedler, die in den vergangenen Jahrhunderten aus Europa auswanderten. Nehmen wir die Siedler die 1610 die ersten Siedlungen an de US-Ostküste gründeten. Die brachten von Zuhause vor allem Saatgut und Werkzeuge mit. Alles andere produzierten sie vor Ort. Häuser bestanden aus Holz. Dafür musste man nur Bäume fällen. Holz war nicht nur Brennstoff und damit wichtigste Energiequelle. Es war auch das wichtigste Baumaterial und man konnte aus ihm Holzkohle erstellen, womit man Eisen schmieden konnte und so die Werkzeuge reparieren oder neue herstellen, konnte. Dass die Siedler trotzdem im ersten Winter ohne die Hilfe der Indianer fast verhungert wären, ist eine andere Geschichte. Aber der springende Punkt: nicht mal diese einfache Gesellschaft auf dem Niveau vor 400 Jahren, ohne Elektrizität, Kunststoffe, Elektronik wäre auf dem Mars möglich. Auf dem Mars gibt es kein Holz, es gibt überhaupt keine Vegetation. Man kann nicht ohne Raumanzug die Behausung verlassen und damit zu arbeiten wird schwer sein.

Natürlich kann man nun anfangen, alle erdenklichen Maschinen auf den Mars zu bringen, inklusive Reaktoren als Energiequellen. Man kann Maschinen für die Bearbeitung des Bodens, Trinkwassergewinnung etc. mitbringen. Doch das ist keine Lösung. Jede dieser Maschinen kann defekt werden, und wenn man dies nicht reparieren kann, dann hat man ein Problem. Eine Zivilisation auf dem Mars, die irdische Maschinen nutzt, ist also auf eine ständige Zufuhr an Ersatzteilen angewiesen. So ist die Masse, die man auf dem Mars bringen muss, enorm. Einfach weil es nicht „die Maschine“ gibt, sondern es gibt zig Maschinen für die unterschiedlichsten Dinge. Jede muss vorhanden sein. Fangen wir mit der Behausung an. Die kann man aus Gestein oder aus Stahl herstellen. Im ersten Fall braucht man so etwas wie ein Zementwerk, im Zweiten einen Hochofen und eine Walzstraße. Beides sind nicht gerade kleine Gerätschaften. Weitere Maschinen braucht man um die Rohstoffe (Kalk, Eisenerz, Kohle) zu gewinnen oder herzustellen. Je höher die Ansprüche an Technik sind, desto mehr Maschinen braucht man. Für Elektronik braucht man eine Halbleiterfabrik, die nicht gerade klein ist. Kurzum: es darf bezweifelt werden, ob man autark sein wird. Sicher wird es auf dem Mars auch Erzvorkommen geben, die man ausbeuten kann. Es gibt auch Prozesse, mit denen man aus Kohlendioxid und Wasser Kohle herstellen kann, mit denen man Eisen verhüten kann. Aus Kohlendioxid und Wasser kann man Methan herstellen und daraus Kohlenwasserstoffe als Basis für Kunststoffe. Auch dafür braucht man eine größere Fabrik (man kann sich mal das BASF-Gelände als Vorbild anschauen …) Das ist jedoch energieintensiv, denn alle Prozesse sind endergonisch, benötigen also Energie, um überhaupt anzulaufen. Wäre dem nicht so, schon längst würden wir Wasserstoff durch Elektrolyse gewinnen und als Ersatz für fossile Brennstoffe nutzen. So wird er heute aber aus Erdgas gewonnen.

Der Effekt verschiedener Populationsgrößen

Nähern wir uns mit einem anderen Ansatz: der Größe der Population. Man wird ja klein beginnen. Eine Kolonie wird anfangs klein sein. Ich will mal die Größen 100, 10.000 und 1 Million Einwohner betrachten, die liegen jeweils um den Faktor 100 auseinander. Dann kommt man zu einem anderen Problem: der Spezialisierung. Mit 100 Personen ist man auf der Größe, die früher kleine Dörfer hatten. Innerhalb einer solch kleinen Gesellschaft sind schon eine Reihe von Personen nur damit beschäftigt, Nahrung anzubauen und zu verarbeiten. Das Getreide alleine nützt ja nichts. Man muss es mahlen (Müller) und Brot backen (Bäcker). Aus Milch muss Käse gemacht werden und es müssen Tiere geschlachtet werden. Irgendjemand muss dann noch die Häuser instand halten und etwas reparieren können. Wir sind auf dem Niveau, was eine kleine Dorfgesellschaft leisten kann – die kann bei 100 Personen nicht mehr als wenige Spezialisten unterhalten. Damit kann man die Idee vergessen das diese irgendwelche Maschinen bauen. Wenn diese Gesellschaft ohne die Erde autark funktionieren soll, dann wird sie maximal das Niveau einer jungsteinzeitlichen Siedlung erreichen. Zwar wissen die Leute sicher mehr als die Leute damals. Sie könnten mit ihrem Wissen kompliziere Dinge herstellen, doch es fehlt ihnen an Arbeitskraft und Rohstoffen. Selbst wenn die Landwirte Maschinen haben, die wie heute es ermöglichen, viele Menschen zu ernähren (ein Landwirt in der BRD rund 160 Menschen) so nützt das nichts, denn diese sind aufgelegt für große Flächen, viel größer als die Fläche die eine 100 Personengesellschaft bewirtschaftet. Die Überschüsse, die so produziert werden, nützen den Kolonisten nichts, vor allem braucht man für die Bewirtschaftung der größere Fläche dann im Endeffekt doch prozentual mehr Personen als bei einer großen Gesellschaft.

10.000 Kolonisten

Mit 10.000 Personen sieht es besser aus. Wir sind dann auf dem Niveau einer Stadt an der Wende zum Industriezeitalter. Es gibt dann genügend Leute, die nicht mit der Nahrungsversorgung beschäftigt sind und die zumindest die Dinge herstellen die keine Fabrik brauchen. Eine solche Gesellschaft könnte Eisen verhüten und Kalk brennen und so alle Gebäude und einen Großteil der Gebrauchsgeräte herstellen. Im Mittelalter waren viele Städte in Europa nicht größer. Mit dem Beginn des Industriezeitalters sehen wir aber schon die Grenze von solchen Gesellschaften: Mit dem Aufkommen von Fabriken brauchte man so viele Arbeitskräfte, dass diese von den umliegenden Landkreisen oder sogar anderen Landstrichen herkommen mussten. (Polen z.B. im Ruhrgebiet, was man immer noch an zahlreichen Nachnamen bemerkt). Im Ruhrgebiet gab es mal kleine Dörfer wie das Düsseldorf. Durch die Kohle zog die Eisen- und Stahlindustre dorthin und die wiederum zog die Fabriken an die Eisen als Material für ihre Produkte brauchten und aus Dörfern wurden Städte und heute ist es ein Ballungsraum, wo die Stadtgrenzen verschwimmen. Klar, heute kann man mit Robotern viel Arbeitskraft einsparen. Doch das löst nicht das Problem. Denn um den Roboter zu bauen, brauche ich ebenfalls eine Fabrik die braucht Spezialmaschinen, die wiederum andere Fabriken herstellen. Was ich sagen will: für jede Gesellschaft einer gewissen Größe gibt es eine Grenze der Technologie, die sie erreichen kann. Nicht, weil sie nicht fähig wäre, diese umzusetzen, sondern weil man um die Technologie praktisch anzuwenden so viele Arbeitskräfte binden würde, dass es sich nicht lohnt. Als Beispiel will ich mal unsere „Schlüsselindustrie“ nehmen: die Automobilindustrie. Die beschäftigt nach dem Statistischen Bundesamt über 700.000 Personen. Es dürfte mit den Zulieferern erheblich mehr sein, weil heute das Auto zum größten Teil aus Teilen der Zulieferer besteht. Sicher: Es gibt mehrere große und einige kleine Automobilhersteller. Die produzieren auch mehrere Modelle, die mehrere Marktsegmente abdecken. Doch selbst der VEB Sachsenring, der nur den Trabant herstellte, hatte schon 11.300 Mitarbeiter und die fertigten auch nicht alles selbst, sondern setzten nur zusammen, d. h. für die Automobilproduktion braucht man erheblich mehr Personen die auch die ganzen Einzelteile herstellen. Doch schon 11.300 Mitarbeiter sind zu viele, denn bei 10.000 Personen fallen etwa die Hälfte weg die Kinder oder Alte sind und wie schon gesagt irgendjemand muss auch die Nahrung anbauen ... Man kann damit rechnen, dass eine Gesellschaft mit 10.000 Personen autark in etwa das Niveau einer Zivilisation um 1800 erreichen kann.

Die Kolonie im Vollausbau

Wie sieht es bei 1 Million Personen aus? Das wird schwierig, weil mit der Industrialisierung auch eine Globalisierung einhergeht. Das heißt man importiert Rohstoffe oder Halbwaren und verlagert damit auch den Arbeitsaufwand. Zudem sind Länder mit so kleiner Population heute meist nicht fähig, auch nur die Dinge alleine zu produzieren, die man für das Leben braucht, zumindest in dem Stil, in dem wir es heute gewohnt sind. Eine Ausnahme stellen lediglich künstliche Einschnitte dar. Das Deutsche Reich konnte im Zweiten Weltkrieg autonom existieren und Nordkorea kann es heute. In beiden Fällen gab es ein Embargo. Doch Nordkorea ist nicht wirklich autark (in einem Dokumentarfilm „inside Nordkorea“ fielen mir z.B. die Fahrzeuge von Nissan auf) und das Deutsche Reich hatte auch mehr als 1 Million Einwohner. Immerhin: Ein Leben auf dem Stand der Technologie des Zweiten Weltkriegs mit Elektrizität, Mobilität aber ohne Elektronik und moderne Telekommunikation wäre möglich. Die Grenzen sehen wir, auch wenn es andere Embargos gibt. So darf man mit chinesischen Raketen keine Satelliten starten, die irgendein elektronisches Bauteil verbaut haben, das aus den USA stammt. Das limitiert den Start auf wenige „ITAR-free“ Satelliten, etwa einen alle fünf Jahre. Alle von europäischen Satellitenbauern. Dabei sollte man annehmen, dass die EU bei über 400 Millionen Einwohnern alle elektronischen Bauteile selbst herstellen kann.

Selbst bei SpaceX geht man nicht von einer autonomen Siedlung aus. So sagte Shotwell unlängst, als sie auf die (ausbleibenden) Fortschritte ihres 4000 Satelliten-Projektes angesprochen wurde, man wöllte diese dann auch zum Mars senden, schließlich wollen die Leute dort auch ihr Iphone benutzen. Nur das müsste man auch dorthin importieren. Man sollte man eine Rechnung aufstellen, wie viele Leute an dem Gerät beteiligt sind, von dem Abbau der seltenen Erden über deren Gewinnung, Reinigung, Verarbeitung in Halbleiterfabriken bis hin zum Zusammenbau. Ich vermute, man kommt in den Bereich von 100.000+ Personen. Sie können dann sicher mehrere Millionen davon produzieren, doch das nützt ja nichts, wenn die Marskolonisation nur 1 Million Personen umfasst. Ähnliches kann man auch bei anderen Dingen ansetzen. So wird als Energiequelle ja oft ein Kernreaktor angesprochen. Nun gibt es zig Länder die Kernreaktoren einsetzen, aber nur eine Handvoll von Betrieben baut sie auch. Auch hier lohnt es sich für kleinere Länder nicht, eine eigene Industrie hervorzubringen. In der Rüstung fertig man inzwischen die Jagdflugzeuge als Europäische Gemeinschaft und für en nächsten Kampfpanzer ist das auch geplant. Wahrscheinlich könnte jedes Land es noch selbst stemmen, aber der Bedarf ist einfach zu gering. Das gleiche gilt im verschärften Maße für einen Markt der maximal 1 Million Personen umfasst.

Resümee

Kurzum: Wenn wir von einer Marskolonie reden, so wird die auch bei 1 Million Menschen nicht autark sein. Sie wird auf dauernden Nachschub von der Erde angewiesen sein. Vielleicht nicht in Form von Nahrung, aber in Form von Maschinen, Ersatzteilen, hoch aufbereiteten Halbwaren wie Reinstsilizium. In der Summe ist so auch die Rechnung von Ticketpreisen von 100.000 Dollar eine Augenwischerei, denn was so zum Mars transportiert wird, ist viel mehr als das was die Personen so an persönlicher Habe mitbringen können. Die kommen vielleicht mit einigen Hundert Kilogramm aus, doch wenn man einen Hochofen transportiert, dann redet man von Hunderten von Tonnen.

Bevor man das durchdenkt, sollte man auf der Erde einen realistischen Test machen: Die Antarktis ist in einigem mit dem Mars vergleichbar: Dort herrscht das gleiche Klima, es gibt keine Vegetation. Heute erforschen wir die Antarktis. Doch wir bringen dort alles hin. Wenn es so leicht wäre, warum stellen wir dort nicht alles vor Ort her? Bevor man Kolonisten zum Mars schickt, sollte man sie in die Antarktis schicken, und zwar realitätsnah: in einem Raumschiff von dem Sie selbst alles in Raumanzügen ausladen und zusammenbauen müssen und dann sollen sie dort natürlich auch sich selbst versorgen. Heute werden Teilnehmer von Mars 500 oder anderen Experimenten durch die Fernsehstudios geschleust, doch nicht mal die (die nur einen Kurzzeittrip zum Mars simulieren sollen) haben einen realistischen Alltag, denn ihre Behausung steht auch schon fertig da. Eine Marsexpedition müsste diese erst mal in Betrieb nehmen und wahrscheinlich viel ausladen, was man aus Platzgründen innen abgestellt hat, selbst wenn sie die Behausung nicht aufbauen müsste, was aber wahrscheinlich ist, da wir bisher keine Behausung entwickelt haben, die in eine Raketenspitze und den nötigen Hitzeschutzschild passt und die genügend Platz bietet.

Wie immer bei Musk: ein schönes Märchen vom Märchenonkel Elon.

6.11.2016: Die Marskolonisation Teil 3

So, die Arbeit für den Kunden ist fast abgeschlossen, das heißt, ab nächster Woche gibt es wieder öfters einen Blog. Die beiden ersten Beiträge zur Marskolonisation haben ja eine rege Diskussion ausgelöst. Ich habe mich weitestgehend rausgehalten, weil ich diesen Teil der sich mit den Kosten beschäftigt, ja schon in Planung hatte und vieles fällt da rein.

Fangen wir mal mit der landwirtschaftlich genutzten Fläche und der Art der Versorgung an. Als Erstes gehe ich davon aus, das eine Marskolonie autark ist. Elon Musk nennt als Grund ja auch einen dritten Weltkrieg und bei nötigen Zulieferungen wäre da die Kolonie genauso betroffen wie die Erde. Das Zweite ist das die Leute dort wenn sie schon 100.000 Dollar für ein Ticket bezahlen (wahrscheinlich mehr) genauso leben wollen wie auf der Erde, also mit einem ähnlichen Lebensstandard und ähnlicher Auswahl bei der Nahrung. Auf 12,6 m² kann man vielleicht Algen anbauen, die haben einen kurzen Vegetationszyklus, aber mit dem was wir konsumieren wie Getreide, Kartoffeln, Obst und Gemüse geht das nicht. Untersuchungen ergeben das 2000 m² das Minimum an Fläche beim Mars ist, das man braucht. Andere Untersuchungen veranschlagen bis zu 8000 m² pro Person. Wir haben bei uns schon kaum noch steigerbare Erträge pro Hektar, etwas besser sieht es noch in Ländern aus, wo es keinen Winter gibt, es aber auch nicht zu heiß ist, denn dann sinken die Erträge schon wieder. Wenn man mit mehr Licht und Hitze die Erträge steigern könnte, würde man bei uns am Äquator Getreide anbauen und nicht Palmöl. Noch mehr Fläche braucht Gemüse und Obst. Fleisch oder auch nur Milch und Hühner brauchen Futtermittel und dann steigt der Flächenbedarf enorm, weil von dem Energiegehalt der Futtermittel typisch nur ein Fünftel, bis ein Achtel im Fleisch landet. In der EU reicht die Fläche nicht aus, um die Bevölkerung autonom zu versorgen. Man ist auf den Import von Futtermitteln angewiesen.

Intensivwirtschaft mit künstlicher Beleuchtung und Heizung betreibt man bei uns nur bei teuren Produkten wie Gemüse und Obst oder wenn man die Wärme durch Geothermie umsonst hat. Vor allem künstliche Beleuchtung ist ein dummer Gedanke. Zum einen muss ich den Strom für die Lampen mit Verlust erzeugen, dann haben selbst LED nur einen Wirkungsgrad von 20%, wenn man dann Solarzellen zur Stromversorgung nimmt, die auch nur 20 bis 25% Wirkungsgrad haben, dann bekomme ich nur 4-5 der Energie des Sonnenlichts als Nutzlicht, anstatt das ich es direkt nutze, notfalls durch Spiegel verstärkt. Billiger als Solarzellen ist das allemal.

Vor allem sind Pflanzen nicht besonders effizient. Bei Landpflanzen ist Chinaschilf derzeit eine der Pflanzen mit dem höchsten Ertrag an Biomasse: Nach Wikipedia 2,5 g pro Megajoule absorbierter Energie. Da der Heizwert 18,5 KJ/g beträgt entspricht das 0,046 MJ, also ein Wirkungsgrad von 4,6%. So macht die Beleuchtung als noch weniger Sinn.

Da bin ich schon beim heutigen Thema: den Kosten. Um es vorwegzunehmen: Ich nehme Elon Musk beim Wort. Fans von ihm haben da ja den Ansatz, dass sie nur das glauben, was ihnen in den Kram passt und wenn er so was raushaut, dann heißt es „Das darf man nicht so ernst nehmen“. Vielleicht sollte ich es auch mal so machen: Marspläne muss man ernst nehmen. Wiederverwendungsvorhaben sind dagegen lustige Geschichten. Dazu würden die großartigen Ankündigungen von Einsparungen (80 % des Herstellungspreises) und nun 10% als Ergebnis gut passen.

Elon Musk verspricht 100.000 bis 200.000 Dollar als Ticketpreis. Das ist doch eine angenehme Summe. So viel kostet auch eine Eigentumswohnung und die können sich bei uns Millionen leisten. Statt einer Eigentumswohnung zum Mars auswandern, das wäre es doch. Doch selbst wenn das so klappen würde, dann wäre das wohl der Preis für das Ticket. Denn ich denke Musk hat einfach für seinen Marstransporter den Ticketpreis hochgerechnet von der Luftfahrt: Extrapoliert man vom Treibstoffanteil am Ticketpreis bei Flugzeugen auf die Startmasse der Rakete und ihrer Besatzung, so kommt man auf die 100,000 Dollar pro Ticket.

Nur bleibt es ja nicht dabei. Man wird nicht nur Personen mit einigen Kilogramm Gepäck zum Mars transportieren müssen, sondern eine ganze Wohnung und die ganze Arbeitsstätte. Würde man, wenn man nach Australien auswandert, sein Haus in Teilen verpackt per Luftfracht nach Sydney transportieren, eine Ausreise wäre genauso unbezahlbar wie eine Marslandung. Nun gilt das wohl für die Endphase, wenn die Kolonie schon ausgebaut ist und man vieles vor Ort herstellen kann. Immerhin: Selbst Shotwell meint, das man die Iphones und Kommunikationssatelliten, von der Erde transportiert. So wird das Leben aber teuer. Rechnet man für den Transport von 200 kg (Person mit Gepäck) zum Mars mit 100.000 Dollar, dann kostet ein verpacktes iPhone alleine 5.000 Dollar für den Transport. Das Leben wird dort teuer, auch weil man 100% regenerative Energien oder Atomenergie nutzen muss. Deutschland hat einen Gesamtenergieverbrauch von 13.500 PJ, das sind rund 160.000 MJ pro Person. Mit den niedrigen Temperaturen und der Forderung für die Landwirtschaft große Flächen zu heizen wird es eher mehr sein. Auf dem Mars gibt es keine fossilen Energieträger, am sinnvollsten wird man also Strom nutzen, der entweder aus Kernkraftwerken stammt oder solarelektrisch gewonnen wird. Mangels Wasser und wind scheiden Wasserkraftwerke und Windkraftwerke aus. Die 160.000 MJ entsprechen rund 45.000 kWh, die, selbst wenn man die Steuern und Abgaben abzieht, die heute auf dem Strom liegen dann rund 6750 Euro pro Jahr kosten. Energie ist also teuer und ohne Kernkraftwerke wird es nicht gehen. Für diesen Energieverbrauch bräuchte die Kolonie 5 Kernkraftwerke der 1 GWatt-Klasse. Hinkley Point, das letzte in der EU gebaute Kernkraftwerk kostet bei 3260 MW Leistung 27,6 Milliarden Euro, d.h. alleine die Kraftwerke für die Kolonie kosten 43 Milliarden Euro oder 43.000 Euro pro Person, auch wenn dann der Strom vergleichsweise billig ist. Dafür braucht man dann mehr was die Einsparung wieder zunichte macht.

Das ist aber noch nicht alles. Nicht alles kann man mit Strom machen. Man wird Kunststoffe brauchen, auch wenn die Gesellschaft wohl Abwärme zum Heizen nutzen kann und Autos elektrisch arbeiten (die Kolonie ist klein). Bestimmte Metalle kann man nur gewinnen, wenn man den Sauerstoff durch reduzierende Substanzen bindet, z.B. Kohle bei der Eisenverhütung.

Nun gibt es zwar Prozesse um aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenstoff oder Methan herzustellen (Bosch- oder Sabatierprozess) doch die haben einen Wirkungsgrad von maximal 38%. Das erzeugte Synthesegas kann man dann für die Fischer-Tropsch Synthese nehmen, dabei kommen niedere Alkane heraus, die dann wieder die Grundlage für die Petroindustrie sind. Doch auch die hat einen maximalen Wirkungsgrad von 41%. Kurzum so landen nur 16% der Primärenergie in Form von Kohlenwasserstoffen. Bei 15 ct/Kwh kostet so ein Kilogramm Alkane in der Herstellung rund 37 Euro, ein Kilogramm Kohle immerhin noch 3,17 Euro. Das Grundproblem: Dieser Preis schlägt dann durch die Kette der Produkte durch. Überall braucht man Energie zur Herstellung, und wenn man diese nicht elektrisch bereitstellen kann, dann wird es teurer. Eine ungefähre Vorstellung erhält man, wenn man in Grönland Gemüse und Obst kauft, das dort nicht wächst und importiert werden muss. Nebenbei stimmt so übrigens auch nicht die Rechnung für den Ticketpreis, denn auch Methan und Sauerstoff für den Rückflug des Transporters kosten so in der Herstellung rund 5 Euro/kg. Bei der Falcon 9 kostet ein Kilogramm Treibstoff dagegen rund 0,33 Euro.

Unabhängig wird die Kolonie nicht sein. Selbst wenn man Güter ausblendet, die die Kolonie mangels Bevölkerungszahl nicht selbst herstellen kann, weil man zu viele Personen für die ganze Produktkette braucht, so bleiben immer noch Stoffe, die es zwar auf dem Mars gibt, aber nicht in unmittelbarer Nähe. Das sind z.B. Metalle wie seltene Erden, aber auch das Uran für die Kernreaktoren. Sie werden auf dem Mars genauso ungleichmäßig verteilt sein wie auf der Erde, nur lohnt es sich dort kaum, eine Produktion einige Tausend Kilometer von der Kolonie entfernt aufzubauen. Über diese Distanz muss man alles transportieren, was man dort zum Leben aber auch gewinnen braucht und dann braucht man noch ein Transportnetz über diese Distanz in einem Planeten ohne Straßen und ohne Tankstellen. Der laufende Transport vieler Güter und Rohstoffe von der Erde macht diese extrem teuer und so auch das Leben auf dem Mars. Kurzum: Selbst wenn ein Ticket nur 100.000 Dollar kostet, so kann man leicht davon ausgehen das im Jahr noch ein weiterer fünfstelliger Betrag dazukommt für die Lebenshaltungskosten auf dem Mars. Dabei sehe ich keine Verdienstmöglichkeiten dort. Die Kolonie kann viel importieren, doch was kann sie exportieren? So wird das wohl darauf hinauslaufen, dass dort Superreiche leben, denen diese Kosten nichts ausmachen und die dann es sich leisten, können auch einige Angestellte zu bezahlen, die für sie arbeiten.

Das leitet mich zum letzten Punkt über: Wie wahrscheinlich ist das? Zuerst einmal sind historisch betrachtet immer die Transportkosten gesunken. 1982 kostete ein Ariane 5 Start 47 Millionen Dollar bei 1800 kg Nutzlast. 2020 wird die Ariane 6 90 Millionen Euro (mit in etwa gleichem Wechselkurs wie damals zum Dollar) bei 10.500 kg Nutzlast kosten: doppelter Preis aber sechsfache Nutzlast. Nimmt man konservative 3% Inflation an (in den Achtzigern und frühen Neunzigern lag sie bei 5-6%, seitdem ist sie gefallen auf unter 1%) dann ist der Start sogar um den Faktor 10 billiger geworden – pro Kilogramm Nutzlast gerechnet.

Wann immer jemand aber enorme Sprünge prognostiziert hat sich das als falsch erwiesen. Das war beim Space Shuttle so und auch bei Musks Wiederverwendung: Die bringt mal gerade 10% Startpreiseinsparungen – sogar noch weniger als die 20-30%, die ich geschätzt habe. Andere rechnen sogar mit 40%. Dazu kommt die Kapsel. Beim CRS Programm ist SpaceX 17% billiger als Boeing. Für das Marsprogramm müsste er eine 20-mal größere Rakete mit Raumschiff für ein Sechstel des Preises den heute eine Falcon 9 kostet bauen, wenn man die Dragon mitrechnet sogar für ein Zwanzigstel.

Also wenn Tesla den ersten PKW rausbringt, der ein Zwanzigstel eines anderen Elektroautos kostet, dann würde ich das glauben, doch solange nicht. Denn das ist einfacher zu bewerkstelligen als die Technologie, die er für die Marsmission skizziert. Dafür gibt es heute schon alles, man muss nur noch den Preis drücken. Als 1997 Zubrin meinte man könnte für 8 Milliarden Dollar auf dem Mars landen, hielten das alle für utopisch. Aber Musks Trip ist noch 800-mal billiger und kostet nur 10 Millionen pro Flug (100 Personen x 100.000 Dollar). Wie heißt es so schön: Es gibt Lügen, verdammte Lügen und es gibt Elon Musk...

7.11.2016: Der Untergang des Römischen Weltreichs

So der Titel eines Buchs von Peter Heather. Jemand hat es mal als Kommentar zu einem Blog empfohlen und da mein Blog eigentlich nur Intelligente und Vielbelesene anzieht (die anderen bekommen von den Blogkommentatoren schnell Kontra) habe ich es mir zugelegt und durchgelesen. Dazu kommt noch eine Buchkritik in den nächsten Tagen.

Heute geht es aber um den Tatbestand, also des Untergangs des Römischen Weltreichs. Wenn man das Buch liest, so wird die Meinung des Historikers deutlich. Dass römische Reich war zu groß. Es hatte zu lange Grenzen zu verteidigen. Die Truppen konnten kleine Gruppen von Plünderern aufhalten, aber nicht einen ganzen Stamm mit 10.000 bis 20.000 Kriegern. Wenn er erst mal auf dem Reichgebiet war, dauerte es Monate um Truppen, die im ganzen Reich verstreut warenn zu sammeln und in eine Schlacht zu führen. Mehr als einmal ging auch diese verloren, und selbst wenn man die "Barbaren" schlug, so hatten sie eine Gegend geplündert und die lieferte über Jahre keine Steuern. Das Reich kannte das Problem und verlegte die Regierungssitze an die Grenzen, nach Trier oder Ravenna. Es wurde das Reich geteilt, um so die Distanz zu den Grenzen zu verringern und die Verwaltung, die das gleiche Problem mit langen Reisen und Distanzen hatte, effektiver zu gestalten. Zeitweise gab es neben dem weströmischen und oströmischen Reich vier Regierungssitze.

Die Völkerwandung bringt ab 376 das Reich in Bedrängnis. Zuerst ziehen die Ostgoten in den Balkan. Es gelingt sie nicht gleich zubekämpfen, weil das Westreich sich gegen Alemannen wehren muss und das Ostreich einen Feldzug gegen die Perser. Schließlich verlor der oströmische Kaiser eine Schlacht, weil er nicht auf seinen Kollegen aus dem Westreich wartete und er musste die Ostgoten auf römischen Boden ansiedeln. Eine zweite Welle gibt es 406 bis 410, als die Westgoten sogar Rom plündern. Um 440 brechen dann gleich mehrere Stämme durch und erobern Spanien und Nordafrika, später breiten sie sich in Gallien aus. Versuche die Länder wieder zu erobern scheitern. Daneben wurden zweimal die erfolgreichen Heerführer ermordet, weil die Kaiser fürchteten, sie würden zu mächtig werden. Die Kaiser selbst wurden auch ermordet und die letzten 20 Jahre vor dem Untergang regierten die Kaiser nur noch für einige Monate bis Jahre.

Die Argumentationskette von Heather ist schlüssig. Es ist eine Art Kettenreaktion. Wenn ein Stamm einfällt, dann kann, selbst wenn er besiegt werden kann, die Region über Jahre durch die Plünderung keine Steuern liefern und das Reich ist noch mehr geschwächt bei folgenden Invasionen, da das Geld für neue Truppen fehlt. Die Truppenstärke hat sich nach dem Buch zwar gehalten, aber schon 378 musste man Grenztruppen ins Feldheer eingliedern. Meistens gewann Rom nun aber nicht mehr und musste den germanischen Stämmen Siedlungsgebiete zuweisen, die dann ganz aus dem Reich herausfielen. So als 435-440 Vandalen, Alanen, Sueben gleichzeitig einfielen und das römische Reich nichts gegen sie machen konnte. Drei Stämme hatten auch ein handlungsfähiges Reich überfordert. Damit entfielen zwei wertvolle Provinzen: Spanien und Nordafrika, die durch ihr gutes Klima den Großteil der Steuereinnahmen einbrachten: 85% der Bevölkerung warne Bauern, so waren Steuern auf Ernten die Haupteinnahmequelle des Staates.

Auch war die Situation eine andere. Rom war in der Vergangenheit mit vielen stärkeren Gegnern konfrontiert. Es hatte Karthago ausgelöscht. Dann die seleukidischen Nachfolgestaaten. Jede dieser Staaten war eine Regionalmacht mit einer Armee, erprobt und schlagkräftig. Aber keine der Mächte wollte Rom zerstören oder ihr Gegenden wegnehmen. Keine, außer Hannibal fiel jemals in Italien ein. Verlor Rom einen Krieg, versuchte sie es einige Jahre später nochmals. Es war der Wille zu siegen und den vermisse ich dann doch im späten Rom. Der Niedergang ging über 100 Jahre und es gibt nur wenige Versuche einmal verlorene Gebiete wieder zurückzuerobern. Mehr noch: viele Schlachten gingen verloren. Rom hatte zu seinen besten Zeiten eine Armee die Schlachten selbst dann gewann, wenn sie von der Truppenstärke weit unterlegen war. Cäsar konnte bei Alesia einen Entsatzversuch eines dreimal so großen Entsatzheeres ab dabei wurde er von zwei Seiten angegriffen von der belagerten Bergfestung und von außen und er musste trotzdem die Belagerung aufrechterhalten, damit nicht woanders ein Durchbruch gelingt. Nun konnten germanische Stämme mit maximal 10.000 bis 20.000 Kriegern, keine Berufssoldaten, sondern Freie Germanen gegen ein ähnlich großes römisches Heer siegen und Rom hatte das Problem schon diese 10.000 bis 20.000 Mann aufzubieten. Heather spricht von zwei Truppen: der Feldarmee und der Grenzarmee. Letzte soll deutlich weniger schlagkräftig gewesen sein. Auch die Taktik scheint verbesserungswürdig. Die Vandalen setzten bei Gibraltar über, wahrscheinlich mit kleinen Booten, die zwischen Spanien und Nordafrika pendelten. Da es in Nordafrika, wo es setn Jahrhunderten nur Probleme mit Nomaden aber keine anderen Truppen gab, nur wenige römische Truppen gab, glückte dies. Rom stellte dagegen zweimal große Invasionsflotten auf, die so teuer waren dass sie, nachdem sie zweimal durch Glück und Strategie von den Vandalen zerstört wurden, das Kapital fehlte, woanders noch Gebiete zu erobern. Dabei hätten sie wie die Vandalen übersetzen können, denn die befanden sich schließlich 2000 km weiter östlich rund um Karthago und nicht in Mauretanien. Dort waren die ertragreichsten Regionen Nordafrikas.

Vor allem: Die Grenzproblematik ist nicht neu. Schon Augustus gab seinen Nachfolgern den Rat mit, auf eine Erweiterung des Imperiums zu verzichten. Von den 24 Legionen, die das Reich damals hatte, waren 14 an Rhein und Donau aufgestellt. Seine Nachfolger haben das nicht beherzigt. Alle Kaiser versuchten danach noch weiteres Gebiet zu erobern. Doch unter Trajan ein Jahrhundert später, erreichte das Römische Reich seine größte Ausdehnung. Danach ging es zurück. Man versuchte Grenzen durch Befestigungen wie den Limes oder Hadrianswall zu halten, gab diese aber später auf, nachdem man die Truppenstärke reduzieren musste, als man im Osten Krieg führte. Den komischerweise trachteten auch danach noch alle Kaiser daran, das Imperium zu erweitern. Allerdings vor allem im Osten, wo auch wirtschaftlich einträgliche Gebiete lagen. So begann ein über Jahrhunderte sich hinziehender Krieg zuerst gegen die Parther, dann als diese von den Persern abgelöst wurden gegen die Perser.

Auch 376 bei den ersten Einfällen führte das Ostreich einen Feldzug gegen die Perser in der Türkei, der kläglich scheiterte. Dass die Grenzen zu lang waren, ist eigentlich offensichtlich. Dass es immer wieder Invasionen gab, kam auch vor, doch waren es in der Regel vagabundierende Horden, die auf Beutezug waren. Niemals ein größeres Heer. Das die Grenztruppen, die in kleinen Kastellen von 500 bis 1000 Mann untergebracht waren, nicht 10.000 Germanen aufhalten konnten war eigentlich klar, und wenn diese erst mal auf römischem Gebiet waren, so dauerte es Monate, ein Feldheer aufzustellen und in die betroffene Region zu schicken. Warum Rom niemand daran dachte, die Grenzlinie zu verkürzen, indem man den Balkan aufgab, wo es eh nicht viel Steuereinnahmen gab, ist unverständlich. Italien ist geschützt durch die Alpen, Griechenland auch durch den dünnen Istmus und Gebirge, das Ostreich durch die Meerenge der Dardanellen. So blieben als mit Truppen stark zu bewachende Grenzen nur der Rhein und die Ostgrenze zum Perserreich. Zumindest beim Westreich sank die zu bewachende Grenze so auf ein Drittel.

Ich glaube aber das auch so Rom abgebaut hat. Man muss nur mit dem zweiten punischen Krieg vergleichen. Damals war Rom so groß wie etwa um 470 n. Chr. Nämlich auf Italien beschränkt. Doch dieses Rom konnte gegen Hannibals Armee kämpfen, gab den Kampf nicht auf selbst nachdem sie 50.000 Soldaten bei Cannae verloren und der Krieg sich über ein weiteres Jahrzehnt erstreckte. 470 n.Chr. reichten die Steuereinnahmen Italiens nicht mal mehr aus, um die Soldaten in Italien zu bezahlen und Odoaker, General der Truppen ernannte sich zum „Stadthalter“ über Italien, setzte den letzten Kaiser ab und verteilte Land an die Soldaten, die seit Monaten auf den Sold warteten. Noch mehr muss sich geändert haben. Hannibal machte nie den Versuch Rom zu belagern. Man begründet dies damit, dass er keine Belagerungsmaschinen mitführte. Aber die Vandalen, die von See über Schiffe kamen, plünderten Rom nach kurzer Belagerung und die hatten sicher auch keine Belagerungsgeräte. Dabei hatte man unter Kaiser Aurel die Befestigungen stark ausgebaut. Der Wehrwillen der Bevölkerung muss in den Jahrhunderten stark abgenommen haben. Vielleicht auch, weil sich die Bevölkerung änderte. Es gab immer mehr Großgrundbesitzer, die ihre Güter mit Sklaven bewirtschafteten und immer weniger kleine Bauern, die früher der Grundstock der römischen Gesellschaft gewesen waren. Schon im frühen Kaiserreich war Rom aus Getreidelieferungen aus Ägypten und Nordafrika angewiesen, so hatte sich die Landwirtschaft verändert in Richtung Anbau von Wein und Oliven und anderen „Genussmitteln“.

Meiner Ansicht nach greift Heathers Erklärung zu kurz. Sie ist logisch, aber nicht die ganze Sicht. Vor allem, wenn man seine Einführung liest, in der er scheibt, das zu dieser Zeit das ganze Reich romanisiert war und viele in den Provinzen sich als Römer empfanden. Gallier wurden zu bekannten Dichtern, sie waren genauso als Römer akzeptiert wie die Einwohner Roms Jahrhunderte früher. So hätte man in diesem Reich doch enorm viele Einwohner gehabt, die man zum Militär einziehen konnte, während lange Zeit nur Römer zum Militärdienst verpflichtet waren. Was wohl fehlte, war eine dezentrale Regierung. Wenn also Gallien überfallen, wurde so fehlte es an regionalen Machthabern, die eigene Truppen zur Verteidigung hatten und so vielleicht die Germanen nicht besiegen konnten, aber zumindest Plünderungen eindämmen konnten. Es gab keine Zwischeneinheit zwischen Städten und Kaiser. Es gab regional stationiertes Feldheer, doch diese Einheiten konnten auch zur Gefahr werden. Oft genug erhoben diese ihre Befehlshaber zum Kaiser und es kam zum Bürgerkrieg. So auch um 410, als der britische Kommandeur sich zum Kaiser erhob, mit seinen Truppen zur Durchsetzung nach Gallien übersetzte und Britannien alleine lies. Es wurde dann von den Angeln und Sachen eingenommen. Zu einer Zeit, als gleichzeitig die Westgoten unter Alarich nach Italien vordrangen und schließlich Rom plünderten, gab es so einen zweiten Krieg gegen einen Usurpator. Diese fehlende Zuverlässigkeit der Truppen ist sicherlich auch ein Erklärungsgrund für den Zerfall. Das gab es schon früher, als Nero starb, riefen sich z.B. gleich drei Befehlshaber zum Kaiser aus, doch in Zeiten äußerer Bedrohung war dies verhängnisvoll.

Das Oströmische Reich lebte dagegen weiter, konnte zeitweise auch einige Gebiete zurückerobern, so Nordafrika und den Balkan. Es verlor erst ab 624 Gebiete gegen die Araber und Konstantinopel wurde sogar erst 1453 eingenommen.

10.11.2016: Treibstofferzeugung auf dem Mars

Da das Thema seit Zubrin ja immer wieder kommt, denke ich wird es mal an der Zeit einiges über die Grundlagen zu schreiben. Leider habe ich für die Programmierung einen Anschlussauftrag bekommen, sodass ich die nächsten zwei Wochen wieder wenig Zeit für den Blog habe. Aber der heutige Artikel dürfte genug Diskussionsstoff liefern.

Treibstoffe und Oxidatoren

Fangen wir mal an, woraus man im Prinzip Treibstoffe gewinnen kann. Auf der Erde setzen wir als Verbrennungsträger Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe (Methan, Kerosin) und Hydrazine ein (Hydrazin, Monomethylhydrazin und Dimethylhydrazin). Als Oxidator verwenden wir Sauerstoff oder Stickstofftetroxid. Dazu gäbe es noch die Feststofftriebstoffe die aus Ammoniumperchlorat, Aluminium und einem Kunstharz, meist hydroxylterminiertes Pulybutadien (HTPB) bestehen.

Von diesen Substanzen findet man nur Perchlorate nativ auf dem Mars, allerdings in Form des weniger effektiven Kaliumperchlorats, das keinerlei Wasserstoff enthält. Da die Gewinnung von reinem Aluminium und die Synthese von HTPB nicht ohne eine größere Infrastruktur möglich ist, wird man aber keine festen Treibstoffe einsetzen.

Die Wahl der flüssigen Treibstoffe wird bei uns von Performance und Kostenüberlegungen bestimmt. So nahm man Hydrazine und NTO, weil sie lagerfähig sind, und setzte sie vor allem in militärischen Raketen ein. Wasserstoff ermöglicht es, die Nutzlast deutlich zu steigern. Stufen, die ihn einsetzen sind wegen der Forderung nach niedrigem Tankgewicht und guter Isolation aber auch den hohen Anforderungen an die Turbopumpen durch die hohe Fördermenge und dem Problem der Schmierung sehr teuer, sodass man ihn eher in Oberstufen einsetzt. Kerosin wird dagegen vor allem in Erststufen eingesetzt die die größten Stufen sind und bei denen daher die Kostenersparnis am größten ist. Hier haben wir derzeit den Trend Kerosin durch Methan zu ersetzen.

Prozesse um Treibstoffe und Oxidatoren herzustellen

Auf dem Mars gibt es zwei Rohstoffe, aus denen man Treibstoffe gewinnen kann. Das eine ist die Atmosphäre die zu 95% aus Kohlendioxid besteht und das Zweite ist Wasser, das aber meist nicht direkt an der Oberfläche zugänglich ist. Weder Kohlendioxid noch Wasser kann man direkt als Treibstoff nutzen. Beide Substanzen sind voll oxidiert.

Man muss daher zuerst einmal die Substanzen aufspalten oder in reduzierbare Substanzen umwandeln, wofür man Energie braucht. Diese reduzierbaren Substanzen kann man dann als Treibstoffe einsetzen. Der abgespaltene Sauerstoff kann man als Oxidator nutzen.

Wasserelektrolyse

Ein Prozess, der sehr gut beherrscht wird, und auf der Erde auch sehr gut läuft, ist die Elektrolyse von Wasser. Das Marseis muss dazu gereinigt werden und es wird dann mit Stoffen versetzt die die Leitfähigkeit erhöhen entweder Schwefelsäure oder Kaliumhydroxid und eine stromdurchflossene Elektrode spaltet es dann in Wasser. Wer mal Chemie studiert hat, bzw., vielleicht auch als Schulversuch das mal sah, kann sich vielleicht noch an die Elektrolyse mit einer Platin-Elektrode erinnern. Bei der technischen Umsetzung trennt man Anode und Kathode und leitet so die entstehenden Gase ab. Das funktioniert sehr gut mit Wirkungsgraden von 70%, an einer Steigerung auf 80% wird gearbeitet. Den Wasserstoff und Sauerstoff könnte man direkt als Treibstoff nutzen. Die Problematik ist aber eine andere. Zum einen muss man das Wasser gewinnen. Dazu braucht man wesentlich komplexere Anlagen, welche die Oberfläche abtragen oder sogar in die Tiefe bohren, man muss das Wasser-Gesteingemisch reinigen und vor allem die Gase dann flüssig lagern. Das Letztere schaffen wir heute nicht mal im Weltraum, wo man Raketenstufen durch Sonnenschirme sehr gut vor der Sonneneinstrahlung schützen kann. Vor allem der Wasserstoff hat hier große Verluste durch die Verdampfung und durch das hohe Volumen (Dichte nur 0,07 g/cm³) und niedrige Temperatur, gekoppelt mit kleinem Bereich, indem der Wasserstoff flüssig ist, erhöhen die Anforderungen an eine Rückverflssüigungsanlage. Zudem kann Wasserstoff als kleinstes Element durch Metall diffunideen, was nicht nur die Verluste erhöht, sondern auch das Metall versprödet. Er müsste auf dem Mars je nachdem, wann man ihn produziert über einige Tage bis zu 500 Tage flüssig gehalten werden.

Der Sabbatierprozess

Daher wird heute vorgeschlagen, den Wasserstoff sofort weiter umzusetzen. Wasserstoff ist ein stärkeres Reduktionsmittel als der Kohlenstoff. Er kann daher den Sauerstoff aus Kohlenstoffverbindungen freisetzen:

CO2 + 4 H2 → 2 H2O + CH4

Dieser Prozess ist schon lange bekannt. Sabbatier hatte ihn 1872 entwickelt und dafür den Nobelpreis gewonnen. Man benutzt dazu Katalysatoren. Dieser Prozess wird heute auf der ISS eingesetzt um das Kohlendioxid aus der Luft zu binden, wobei der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Brauchwasser stammt. Das Methan wird seltsamerweise nicht genutzt, obwohl man mit dem bei der Elektrolyse freiwerdenden Sauerstoff es verbrennen könnte und so als Lageregelungsantrieb nutzen könnte. Der Prozess wird auch untersucht, um damit Wind- und Solarstrom zu speichern, indem man mit ihm Wasser spaltet und dann Methan erzeugt, dass man ins Leitungsnetz einspeisen oder relativ leicht als Flüssiggas lagern kann. Hier rechnet man mit Wirkungsgraden von 49-64%.

Gegenüber der Erde ist man sogar beim Mars in der glücklichen Lage, dass man das Kohlendioxid nicht anreichern muss. Die Atmosphäre besteht zu 95% aus dem Gas (Erde: 0,04 %) und das zweite Spurengas Stickstoff stört nicht, bzw. wenn etwas Ammoniak als Nebenprodukt entsteht, so ist das kein Beinbruch, auch den kann man mit Sauerstoff verbrennen. Kurzum: Das funktioniert und sollte auch auf einer US-Raumsonde getestet werden, leider ging diese bei der Landung verloren.

Es gibt nur einen kleinen Nachteil: Wenn Methan mit Sauerstoff verbrannt wird, man ein Verhältnis von 3,5 zu 1 (leichter Überschuss an Methan) bis maximal 4:1 stöchiometrisches Verhältnis) bezogen auf das Methan anstreben. Beim Sabbatierprozess braucht man 4 Mole Wasserstoff die aus 4 Wassermolekülen stammen für ein Mol Methan, aus dem dann mit dem Sauerstoff ein Mol Kohlendioxid entsteht. Die beiden Sauerstoffatome im Kohlendioxid stammen aus zwei Wassermolekülen. Das heißt, man erhält zu wenig Sauerstoff, nur die Hälfte der stöchiometrischen Menge. Als Lösung kann man in einem zweiten Reaktor mit Wasserstoffunterschuss Kohlendioxid nur zu Kohlenmonoxid reduzieren und dabei neben Methan Wasser gewinnen, das man abscheiden und erneut elektrolysieren kann. Doch meiner Ansicht nach ist das nicht lohnend, denn dann muss man aufwendig das Kohlenmonoxid aus dem Gemisch abtrennen.

Zubrins Plan

Zubrin hatte vor Wasserstoff auf den Mars zu bringen und mit Methan umzusetzen, also nicht aus dem Wasser zu gewinnen. Das ist, wenn das Ganze automatisch ablaufen will und man nicht weis, ob am Landeplatz Wasser ist und in welcher Tiefe sicher der bessere Weg. Das Wasser, das bei der Reaktion entsteht, würde man durch Abkühlen abscheiden und elektrolysieren. Das Ganze lohnt sich deswegen, weil man aus 8 Tonnen Wasserstoff 16 t Methan und 32 t Sauerstoff gewinnt. Das Methan wird dann in großem Überschuss verbrannt. Vor allem aber kann die sechsfache Treibstoffmenge gewinnen werden und der Oxidator muss nicht mitgeführt werden. Wie Zubrin aber den Wasserstoff auf der Reise zum Mars und dort lagern will, hat er nicht erläutert.


Für alle Prozesse braucht man Strom, doch das ist nicht so kritisch. Einen niedrigen Gesamtwirkungsgrad von 40% angesetzt braucht man für die Erzeugung von 1 t Methan und 2 t LOX eine Energie von rund 40.000 kWh. Ein 7 t schweres Raumschiff braucht für ein ΔV von 5000 m/s bei einem spezifischen Impuls von 3600 m/s und einem Voll-/Leermasseverhältnis eine Raketenstufe von etwa 35,5 t voll und 3,5 t Leermasse, also 32 t Treibstoff. Das sind Ingesamt 1280 kWh. Klingt auf den ersten Blick nach viel, doch man hat bei einer bemannten Marslandung 500 bis 550 Tage dafür Zeit, bis sich das Rückstartfenster wieder öffnet. Bei 400 Tagen (mit etwas Luft für Probleme und Anlaufschwierigkeiten) sind das nur 0,14 KW Dauerleistung, das bringt schon ein RTG auf. Nimmt man Solarzellen und setzt man die Leistung der MER-Rover (900 Wh/Tag) an, so bräuchte man die Solarzellenfläche, die auf 3,6 Rovern installiert ist. Das ist also ein überschaubarer Strombedarf.

Das Problem ist wahrscheinlich aber ein anderes, denn 32 t Treibstoff flüssig zu halten braucht eine viel höhere Leistung als diese 0,14 kW. Das ist auch der Hauptgrund gegen die Idee den Wasserstoff von der Erde auf den Mars zu bringen, denn die Kühlleistung, die man für Wasserstoff braucht, ist wegen seiner geringen Dichte, tieferen Temperaturen und des geringen Bereichs, in dem er flüssig ist, noch viel größer. Da man aus 1 t Wasserstoff 6 t Treibstoff gewinnen kann und der Sauerstoff im Unterschuss vorliegt, wäre es sogar überlegenswert, ob man Wasser zum Mars bringt. Das ist problemlos zu lagern, und wenn man es spaltet, bekommt man aus 18 t Wasser 12 t Treibstoff und 16 t Sauerstoff, wobei dann das LOX/LNG Verhältnis auf das stöchiometrische 4:1 bringt und man hat immer noch mehr Treibstoff, als wenn man lagerfähige Treibstoffe einsetzt und einen um 20% höheren spezifischen Impuls.

Vor allem wundert es mich wenn man schon Wasserstoff, von der Erde bringt, diesen also mindestens 250 Tage lang kühlen muss, bis er verwendet wird, man ihn dann zu Methan umsetzt. Stattdessen könnte man ihn auch weiter kühlen und aus der Atmosphäre Sauerstoff freisetzen, indem man das Kohlendioxid ind Kohlenmonoxid und Sauerstoff spaltet. Das braucht zwar mehr Energie, aber man kann dann LOX mit LH2 umsetzen mit einem deutlich höheren spezifischen Impuls und man erhält aus 1 t Wasserstoff 9 t Treibstoff und Oxidator, also ein viel besseres Verhältnis als das bei der Umsetzung zu Methan (1:6).

Lohnt es sich

Das ist die entscheidende Frage. Sie hängt im wesentlichen von der Architektur der Mission ab. Es gibt hier zahlreiche Varianten. Auf der einen Seite sind, da Varianten die Ionentriebwerke einsetzen. Diese sind, selbst wenn man den höheren Geschwindigkeitsbedarf einkalkuliert deutlich effizienter als chemischer Treibstoff. Bei ihnen wird man nur so viel chemischen Treibstoff einsetzen, wie man unbedingt braucht und das ist während der ganzen Reise etwas für die Landung und dann noch einen Batzen für den Start in eine Marsumlaufbahn. Dann wird man eine kleine Kapsel (nehmen wir mal 8 t an, so viel soll eine Dragon wiegen) in eine niedrige Marsumlaufbahn befördern, was ein ΔV von etwa 4 bis 4,2 km/s bedeutet. Bei einem spezifischen Impuls von 3600 braucht man dann eine 26 t schwere Stufe, davon 23,4 t Treibstoff. Bei einer Gesamtmasse zum Mars von >200 t spart man nicht sehr viel ein, wenn man diesen vor Ort produziert.

Auf der anderen Seite sind da Pläne wie Mars-Direkt oder Mars-Semidirekt bei denen man vom Start weg bis zur Rückkehr in derselben Wohnung ist (beim ersten Szenario sind es zwei: Eine landet auf dem Mars und bleibt dort, eine Zweite wird für die Reise zwischen den Planeten gebraucht und in der Marsumlaufbahn geparkt). Ein solches Habitat wiegt beim letzten NASA Szenario von 2009 23,5 t und es muss da es den Mars verlassen soll auf eine höhere Geschwindigkeit nämlich 6,1-6,3 km/s beschleunigt werden. Dafür braucht man dann eine 263 t schwere Stufe, davon 234 t Treibstoff (beim selben Strukturfaktor von 10, bei 20, den man für so große Stufen ansetzen kann sinkt sie auf 157 t ab. Dann lohnt sich natürlich das Ganze, bzw. es ist sogar nötig denn so viel Treibstoff kann man nicht landen. Bei der Masse die von der Erde aus befördert werden muss ist das Mars-Direkt Verfahren trotzdem nicht so überzeugend, denn, was man an Treibstoff einspart, hat man dann in Form von Maschinen, die man für die Treibstoffherstellung braucht, wieder drin, und wenn man den Wasserstoff zum Mars bringt, wiegt alleine der Wasserstoff schon 25 t, also genauso so viel wie der Treibstoff für eine kleine Rückstartstufe. Wenn man die Kapsel zusätzlich in den Orbit bringen muss und das sehen die Szenarien schon aus Sicherheitsgründen vor (man landet und startet also in einer Kapsel und nicht im Habitat), dann kommt deren Masse sogar noch hinzu.

Die Treibstofffabrik

Machen wir einen Riesensprung zu Musks Plänen, bei denen der Transporter ja 1000-mal wiederverwendet wird und dauernd zwischen Erde und Mars pendelt. Dafür muss auf dem Mars dann natürlich erheblich mehr Treibstoff hergestellt werden. Das Ding ist groß und schwer und um 1 Million Menschen zu befördern, muss er 10.000-mal pendeln, das gibt also eine schöne Startrate. Dann redet man von viel Treibstoff für die dann die Kühlprobleme beim Wasserstoff kleiner werden. Ein großer Tank ist viel besser zu kühlen als ein kleiner und Rückverflüssigungsanlagen lohnen sich dann auch eher. Wenn man dann trotzdem auf Methan setzt, das man erst in einem zweiten Schritt aus Wasser bekommt, noch dazu in kleinerer Menge (6 t anstatt 9 t aus 1 t Wasser) und schlechterem Wirkungsgrad (40-50 anstatt 70-80%), das bei einem mindestens 800 m/s geringerem spezifischen Impuls, das den Treibstoffbedarf weiter senkt (im obigen Beispiel z.B. von 263 auf 129 t) dann hat das keine technischen, sondern ideologische Gründe. Musk scheut Wasserstoff wie der Teufel das Weihwasser.

16.11.2016: Die Marsmission und die Frage der Transportkosten

Da ich bei meinem Auftrag recht gut in der Zeit liege schiebe ich mal wieder einen Blog 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 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 und 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.

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.

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.

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.

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 ,und diese sind 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.

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 und auch 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 Marsmission durchführen, warum macht ihr sie nicht einfach? Und auf die Frage gibt es nur eine klare Antwort: kein US-Politiker will die Summen investieren und alle anderen können es sich nicht leisten.


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