Marsmission

[Marsproject X]

Eine Kurzpräsentation zum Thema zukünftiger Marsmission


1.Planung

Wenn man sich auf die mit chemischen Antrieben erreichbaren beschränkt, so gibt es sehr viele Bahnen. Raumsonden haben im Extremfall nur 140 Tage zum Mars gebraucht oder auch über 300.(Es gibt theoretisch unendlich viele Bahnen zum Mars.) Das liegt nicht nur an der wechselnden Entfernung des Mars von der Sonne von 206 bis 249 Millionen km und entsprechend auch unterschiedlichem Abstand zur Erde.(56mio.km-101mio.km)
Mann kann auch die Reisezeit und den Ankunftszeitpunkt verschieben, indem man mit unterschiedlicher Geschwindigkeit von der Erde startet und eine Ellipse einschlägt, welche die Marsbahn kreuzt, aber nicht dort endet. Der Preis für solche schnellen Bahnen ist eine höhere Ankunftsgeschwindigkeit und damit braucht man mehr Treibstoff um in eine Umlaufbahn um den Mars einzuschwenken.
1.2.2Probleme:
Trotzdem gibt es eine Einschränkung: Mit den heutigen chemischen Antrieben kann man nur Bahnen einschlagen, die eine Einschränkung haben: Wenn man beim Mars ankommt, dann kann man mit vertretbarem Energieaufwand nicht zurück zur Erde fliegen. Das liegt an den unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Mars und Erde. Die Erde hat in den Monaten der Reise den Mars überholt, und um nun zurück zur Erde zu kommen, müsste man die Bahn praktisch um 180 Grad drehen - und das ist energetisch unmöglich.
Bei den ersten Planungen von Marsmissionen war das primäre Ziel, die Mission zu kurz wie möglich zu halten. Da war dies ein Problem. Man löste das Problem, indem man lange vor dem optimalen Startzeitpunkt zum Mars startete, dafür eine sehr hohe Startenergie brauchte. Beim Mars musste man entsprechend stark abbremsen. Nach nur 2-3 Wochen flog man schon zurück und brauchte nun erheblich mehr Energie, die man bei der Landung auf der Erde wieder vernichten muss. Diese Missionen waren nur mit nuklearen Antrieb möglich, trotzdem waren die Startmassen sehr hoch. Solche Oppositionsmissionen (wie oben beschrieben) haben eine Dauer von 400-550 Tagen. Außer der kurzen Dauer haben sie aber nur Nachteile. Der Aufenthalt ist auf wenige Wochen beschränkt, jeder Tag am Mars erhöht die Abfluggeschwindigkeit. Man brauchte enorme Treibstoffmengen. Eine Studie ergab bei 1200-1400 t Startmasse nur eine Nutzlast von 46 t.

1.2.3Lösungsvorschläge:
Die nächste Lösung war ein Umweg über die Venus. Die Venus kann entweder beim Hinflug oder beim Rückflug genutzt werden. Die Venus kann die Geschwindigkeit eines Raumschiffs um bis zu 4 km/s ändern oder entsprechend die Bahn umlenken. Bei der Passage beim Hinflug erspart die Venus einem die hohe Startgeschwindigkeit von der Erde aus. Bei der Passage bei der Rückreise lenkt die Venus die Bahn so um, dass man die Erde erreichen kann. In beiden Fällen braucht man weniger Treibstoff als bei einer Oppositionsmission. Für dieselben 46 t Nutzlast nur noch 500-700 t. Dabei sind längere Aufenthaltsdauern auf dem Mars von 60-80 Tagen möglich. Der Flug über die Venus dauert aber länger etwa 540-680 Tage.
Der Nachteil der Venusvorbeiflüge ist eine größere Annäherung an die Sonne. Das macht zahlreiche Modifikationen am Raumschiff notwendig. Weiterhin gibt es keinerlei Möglichkeit der Vorwarnung bei Sonnenstürmen, da das Raumschiff sich in diesem Teil der Bahn innerhalb der Erdbahn befindet und damit jenseits von Satelliten, die eine Vorwarnung ermöglichen. Das wichtigste Gegenargument ist jedoch, dass Planung erheblich komplizierter ist. Nun gilt es die relativen Stellungen von 3 anstatt 2 Planeten zu berücksichtigen. Dadurch ergeben sich günstige Startfenster nur noch alle 6.4 Jahre und jedes ist kürzer, das Risiko dass die Besatzung z.B.. den richtigen Rückreisezeitpunkt verpasst, ist entsprechend höher. Daher verfolgt man heute nur noch klassische Konjunktionsflüge (Welche gleich beschrieben werden).
Ein Startfenster zum Mars gibt es alle 26 Monate. Rund um diesen Zeitpunkt gibt es ein 4-6 Wochen Zeitfenster in dem man zum Mars starten kann. Eine Reise zum Mars dauert je nach Abstand und Flugbahn etwa 6-10 Monate. Dies ist nicht nur wegen der unterschiedlichen Entfernung des Mars so, sondern weil auch geringe Änderungen der Startgeschwindigkeiten die Reisedauer rapide verändern können. Dies kann man beim Start ausnützen um die Ausrüstung Wochen vor der Besatzung landen zu können. Bei unbemannten Sonden kann man dann noch den Bahntyp wählen. Es gibt zwei Typen die man noch variieren kann, genannt Hohmann I und II. Bei einer klassischen Hohmann Bahn (der Bahn mit der niedrigsten Energie und damit höchsten Nutzlast) erreicht man den Planeten wenn er genau 180 Grad gegenüber der Position der Erde beim Start ist. Leider sind die Bahnen von Mars und Erde zueinander um einige Grad geneigt und das Ändern der Bahnneigung benötigt zusätzlichen Treibstoff. Es ist günstiger dann den Mars in einem Winkel kleiner als 180 Grad (Hohmann I) oder größer als 180 Grad (Hohmann II) zu passieren, wenn dieser dann näher an dem Punkt steht wo der Winkel zwischen Erdbahn und Marsbahn 0 ist, es gibt davon 2 pro Umlauf. Weitere Kriterien für die Auswahl von Bahnen kann die Ankunftsgeschwindigkeit sein - je kleiner sie ist desto weniger Treibstoff braucht man um eine Umlaufbahn zu erreichen sowie andere Faktoren, wie z.B. die Tatsache, dass nahe des sonnennächsten Punkts der Marsbahn bevorzugt Sandstürme entstehen, diese würde man bei einem Landeunternehmen vermeiden wollen.
Die verschiedenen Bahnen haben aber auch den Vorteil, dass man die Ankunft am Mars unterschiedlich ist. Bei Viking und MGS / MPF lagen zwei Monate zwischen der Ankunft des ersten und zweiten Raumschiffs. Dies vereinfacht sowohl die Bodenkontrolle und die bemannte Mission, die nach den unbemannten Teilen ankommt kann notfalls bei einem Fehlschlag bei den unbemannten Teilen dann die Mission abbrechen und zur Erde zurückkehren.
Angekommen am Mars hat man jedoch keine Rückflugmöglichkeit, da die Erde in einer falschen Position steht. Lediglich eine energiereiche Bahn, deren innerster Punkt innerhalb der Erdbahn liegt, mit einer Umlaufzeit von einem Jahr würde einen Vorbeiflug am Mars gestatten, jedoch keine Landung.
2.Material:
2.1Raumschiff:
Als Raumfahrzeuge oder Raumschiffe, manchmal auch (wegen der Verwendung von Landekapseln für die Rückkehr zur Erde) Raumkapsel genannt.
Als Raumfahrzeug werden allgemein Geräte bezeichnet, die hauptsächlich für die Fortbewegung außerhalb der Erdatmosphäre konstruiert sind und auf technischem Wege Bahnänderungen vornehmen können(mithilfe von Steuerraketen). Ein Raumfahrzeug, mit dem Transport- und Versorgungsflüge zu Raumstationen unternommen werden, bezeichnet man als Raumtransporter oder Versorgungsraumschiff. Bei allen bisher entwickelten Raumtransportern handelte es sich um unbemannte Raumfahrzeuge. Die nur sehr eingeschränkt manövrierfähigen unbemannten Raumsonden, Raumstationen und vor allem Satelliten werden eher direkt den übergeordneten Raumflugkörpern zugeordnet, obwohl auch sie mit eigenen Antrieb für Bahnkorrekturen ausgerüstet sind und damit Merkmale von Raumfahrzeugen aufweisen. Auch Raumanzüge (vor allem solche wie das Manned Maneuvering Unit) sind den Raumfahrzeugen zuzuordnen.
Raumschiffe sind umgangssprachlich und im engeren Sinne Raumfahrzeuge, die im Rahmen der bemannten Raumfahrt für den Personen- oder Frachttransport im Weltraum gebaut worden sind. Aber auch modular aufgebaute Systeme, die aus Antriebseinheit, Landekapsel und unter Druck stehenden Sektionen für Fracht und Besatzung bestehen, werden als Raumschiff bezeichnet. Der Begriff Raumschiff lehnt sich dabei an veraltete sprachliche Formulierungen (Weltraumschifffahrt, Raumschifffahrt) an. In der Fachliteratur spricht man heute vorzugsweise von bemannten Raumfahrzeugen.
Zu den bemannten Raumfahrzeugen gehören die wiederverwendbaren Raumfähren und Raumflugzeuge, sowie die nur bedingt wiederverwendbaren Raumkapseln. Da die ersten bemannten Raumflugkörper wie Wostok und Mercury noch keine Bahnänderungen erlaubten, stellen sie noch keine Raumfahrzeuge im eigentlichen Sinne dar.
2.1.1Unsere Raumschiffe
Trägerraketen
1.Atlas V. (500 Series)
- modulare Bauweise(insgesamt 19 Versionen): beispielsweise Transport- oder Personenmodul
- Nutzlast je nach Version bis max. 30t (low earth orbit, LEO)
- Kosten pro Start ca. 200 Mio. US-$
2.SLS (Space Launch System)
- zwei Space-Shuttle-Feststoffraketen (Booster, beim Start verwendet)
- Nutzlast von 70t (LEO)
- Nachfolgerakete SLS II mit stärkeren Triebwerken für 130t Nutzlat
3.FALCON HEAVY
- Kosten pro Rakete: 125 Mio. US-$
- 53t Leo

Marsmodule

- Basismodul (1. Mission) ca.
- Wohn/ Schlafraum (2. Mission)
- Labor und Waschräume (3. Mission)

Sonstige Ausrüstungen
- Nuklearbetriebener Marsrover (1. Mission), erkundet Umgebung um Basis
- Bauroboter (1. Mission), verbindet Module miteinander
- Marstruck (5. Mission / erste Bemannte Mission (2020))

2.2 Aufbau und Technik
Wie bei jedem Raumflugkörper besteht auch ein Raumfahrzeug aus verschiedenen zum Betrieb des Flugkörpers notwendigen Strukturen und Subsystemen. Diese bestehen aus der Primärstruktur, in die die weiteren Subsysteme integriert werden. Dazu gehören die Energieversorgung (Solarzellen, Akkumulatoren), das Temperaturkontrollsystem und das Bordrechensystem für Steuerung und Datenmanagement. Da das Hauptmerkmal eines Raumfahrzeuges seine Fähigkeit zur Bahnänderung ist, kommt bei ihm ein entsprechendes Antriebssystem für die Lage-, Positionsregelung (Bahnregelung) und (falls geplant) Triebwerke zum Eintritt oder Verlassen einer Umlaufbahn oder zur Landung zum Einsatz. Der Hauptantrieb im luftleeren Raum erfolgt heute noch meistens durch konventionelle Raketentriebwerke. Vorerst nur konzipierte Antriebe wie etwa das Sonnensegel werden noch nicht von Raumfahrzeugen genutzt.


Verbesserungsvorschläge erwünscht