Wie gelingt der Rückflug vom Mars?

Wenn die Ingenieure der NASA zum Mars blicken, sehen sie eine planetengroße Venusfliegensfalle.

Sie lockt mit dem Versprechen neuer wissenschaftlicher Entdeckungen – aber sobald wir auf ihr landen, wirken Schwerkraft und widriges Klima so unheilvoll zusammen, dass uns das Verlassen der Oberfläche des Planeten so gut wie unmöglich ist.

Und genau diese Aussicht ist nicht akzeptabel. Die grundlegende Lehre, die sich aus dem Roman „Der Marsianer“ für die Weltraumforschung ziehen lässt, ist die Erkenntnis, dass die Öffentlichkeit nicht bereit sein wird, Milliarden Dollar zu investieren, wenn letztlich Astronauten rettungslos auf einem fremden Himmelskörper stranden. Der wichtigste Teil aller NASA-Planungen für Expeditionen zum Roten Planeten dürften deshalb die Vorkehrungen für die Rückkehr sein.

Die Raumfähre für das Abheben vom Mars, die von der NASA für diese Aufgabe gebaut werden müsste – im Roman als „Mars Ascent Vehicle“ oder kurz „MAV“ bezeichnet –, stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar. Vollständig betankt wäre das MAV zu schwer, um von der Erde zu starten und sicher auf dem Mars zu landen.

Es müsste vormontiert und bereits Jahre vor dem Eintreffen der Astronauten zum Roten Planeten gesendet werden. Dort müsste es aus der dünnen Marsatmosphäre seinen eigenen Treibstoff gewinnen.

Und dann? Das MAV müsste hinreichend robust gebaut sein, um trotz starker Sandstürme und erbarmungsloser UV-Strahlung vollständig funktionsfähig zu bleiben. Wenn der Start des MAV letztendlich gelingt, müssen die transportierten Astronauten tagelang in seinem beengten Innenraum überleben, bis das MAV das Raumschiff erreicht, das auf einer Umlaufbahn um den Mars darauf wartet, die Astronauten zurück zur Erde zu bringen.

Das Mars Ascent Vehicle wäre eine Mission innerhalb einer Mission: Es ginge um nichts weniger als um das Starten eines bemannten Raumfahrzeugs von der Oberfläche eines fremden Planeten.

Und die Mannschaft hätte nur einen einzigen Versuch.

Transport der Nutzlast

Eine Marsmission wäre die erste Reise von Menschen in den fernen Weltraum. Insgesamt könnten bis zu fünf Raumfahrzeuge notwendig sein, um die Astronauten und die benötigte Fracht zum Roten Planeten zu befördern.

Teile der Ladung könnten in kleinere Einheiten geteilt und von den Astronauten am Ziel zusammengebaut werden. Davon ausgenommen ist jedoch das MAV. „Niemand möchte auf dem Mars stehen und Maschinen zusammenschrauben, im Raumanzug und mit Fausthandschuhen mitten in einer windigen Sandwüste“, bringt Michelle Rucker, Systemtechniker im Johnson Space Center der NASA, die Probleme auf einen einfachen Nenner.

In NASA-Sprache ist deshalb das MAV das „größte nicht teilbare Nutzlastelement“ der Mission. Es hat ein geschätztes Gewicht von 18 Tonnen. Das bisher schwerste Objekt, das wir auf der Marsoberfläche abgesetzt haben, ist der Mars-Rover „Curiosity“. Er wiegt knapp eine Tonne.

Das Landen eines Objekts auf dem Mars – insbesondere eines Objekts, das mehrere Tonnen wiegt – ist schwieriger als das Landen auf der Erde, auf der eine Kapsel letztlich vom Himmel fällt und dabei von der Atmosphäre abgebremst wird.

Auf dem Mars, wo die Atmosphäre nur ein Hundertstel der Dichte der Erdatmosphäre aufweist, „reicht die Atmosphäre gerade so aus, um uns Probleme zu bereiten, aber nicht, um uns irgendwie nützlich zu sein“, sagt Rucker. Anders formuliert: Das Raumfahrzeug wird zwar glühend heiß, aber es wird nicht abgebremst.

Deshalb entwickelt die NASA Vorrichtungen wie den Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator – einen riesigen, kegelförmigen aufblasbaren Hitzeschild, der auch als Bremssystem fungieren würde.

Der Schild würde beim Eintritt in die Marsatmosphäre aktiviert werden und die Landeeinheit von Hyperschall- auf Überschallgeschwindigkeit abbremsen. Daraufhin würden Raketentriebwerke eingeschaltet, um eine kontrollierte Landung einzuleiten.

Die folgende Berechnung würde Astronaut Mark Watney anstellen, um die Voraussetzungen für den Erfolg der Mission zu ermitteln: Die Landung verbraucht um die fünf bis sieben Tonnen Treibstoff. Für den späteren Start von der Marsoberfläche wird das MAV 33 Tonnen Treibstoff brauchen, um die Anziehungskraft des Roten Planeten zu überwinden, seine Atmosphäre zu durchdringen, die Astronauten mit ihrer wissenschaftlichen Fracht sicher in den Orbit zu bringen und dort an das Earth Return Vehicle (ERV) anzudocken.

Und das ist einfach zu viel. Es wird notwendig sein, den Treibstoff auf dem Mars selbst zu erzeugen.

Vorhandene Ressourcen nutzen

Wenn Expeditionen zum Roten Planeten eine Erfolgschance haben sollen, müssen sie die dort vorhandenen Ressourcen nutzen.

Durch die Herstellung von Treibstoff auf dem Mars kann die NASA die notwendige Nutzlast beim Start um viele Tonnen reduzieren. Und nach dem Abschluss der ersten Mission könnte die Ausrüstung auf dem Mars zurückbleiben, um als Ausgangspunkt einer wachsenden Infrastruktur von Anlagen zu dienen, die nicht nur Treibstoff, sondern auch Wasser und Atemluft für zukünftige Forschergenerationen verarbeiten können.

Die Motoren des MAV werden von Methan und flüssigem Sauerstoff angetrieben. Alle Ausgangsstoffe, die für die Herstellung dieser Treibstoffe benötigt werden – Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff –, sind auf dem Roten Planeten vorhanden, wenn man an den richtigen Orten sucht.

Theoretisch lässt sich Sauerstoff aus der Marsatmosphäre extrahieren, die zu 95 Prozent aus Kohlendioxid (CO2) besteht, sowie aus flüssigem und eisförmigem Wasser (H2O), das unterhalb der Oberfläche lagert. Die dabei freiwerdenden Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff könnten miteinander zu Methan reagieren.

Das Bohren nach Wasser wäre jedoch ein wenig wünschenswerter Unsicherheitsfaktor innerhalb einer ohnehin schwierigen Mission. Brunnenbau und Wasseraufbereitung sind erheblich komplexer als das reine Ansaugen von Marsluft. „Das andere Problem bei der Herstellung von Treibstoff mit unterirdischem Wasser ist die Abhängigkeit von einem Landeort, an dem es mit hoher Sicherheit Wasser gibt“, erklärt Rucker. Auf Brunnenwasser angewiesen zu sein und dann „an einem Ort zu landen, der sich als harter Felsen herausstellt, wäre das Aus für die gesamte Mission“, gibt sie zu bedenken.

Wenn kein Wasserstoff aus Marswasser extrahiert werden soll, könnte als Plan B eine bestimmte Menge Wasserstoff als Nutzlast zum Mars gesendet werden, die als Ausgangspunkt für die Herstellung von Methan verwendet werden kann. Aber für eine erste Mission scheidet auch diese Variante aus. Wasserstoff ist zwar nicht schwer, aber es werden große Speichertanks benötigt, die sehr viel wertvollen Platz beanspruchen würden.

„In unseren bisherigen Entwürfen gibt es im oberen Bereich der Landeeinheit eine flache Ladefläche“, erklärt Tara Polsgrove, Raumfahrtingenieurin im Marshall Space Flight Center der NASA. „Zurzeit nimmt das MAV den meisten Platz auf dieser Ladefläche ein. Es gibt nicht viel Platz für einen Wasserstofftank.“

NASA-Ingenieure könnten Freiraum für Wasserstofftanks schaffen, indem sie das MAV eher hoch als breit konstruieren. Aber das Raumfahrzeug höher zu bauen, ist ein Szenario, das sie lieber vermeiden möchten. Bei einer allzu schlanken Bauform sehen sie eine erhöhte Gefahr des Umkippens nach der Landung.

Und Rucker weist darauf hin, dass sich ein höheres MAV für die Astronauten als schwieriges Hindernis erweisen könnte. Wenn es bei einzelnen oder mehreren Astronauten während der Mission zu körperlichen Beschwerden kommen sollte, wäre das Erklimmen einer hohen Leiter möglicherweise nicht mehr zu schaffen. Der einfache Zugang muss höchste Priorität erhalten.

Deshalb wird in den derzeitigen Plänen davon ausgegangen, dass eine Fähre zum Mars geschickt wird, die vollständig mit flüssigem Methan beladen ist und über eine chemische Anlage verfügt, die flüssigen Sauerstoff aus der Marsatmosphäre produziert.

Es wird davon ausgegangen, dass der entsprechende Prozess ein bis zwei Jahre dauern wird. Wenn die Tanks des MAV voll sind, würde die menschliche Besatzung zum Mars aufbrechen, in der beruhigenden Gewissheit, dass sie am Ziel ein vollständig betanktes Raumfahrzeug vorfindet, mit dem sie zurück in den Weltraum fliegen kann.

Aber die NASA-Ingenieure könnten sich trotzdem noch längst nicht zurücklehnen. „Eine der Herausforderungen besteht darin, dass wir Tieftemperatur-Treibstoffe einsetzen“, sagt Rucker. „Wenn es gelungen ist, die Treibstoffe auf dem Mars herzustellen, müssen sie noch mehrere Jahre gekühlt werden, bevor sie letztlich zum Einsatz kommen, und sie dürfen nicht verdunsten.“

„Wir haben Treibstoffe, aber bisher haben wir keine Ventile, die leckagesicher sind“, ergänzt Polsgrove. „Darüber müssen wir uns Gedanken machen. Deshalb haben bei uns Forschung und Entwicklung im Bereich verlustarmer Ventile höchste Priorität.“

Deutlicher formuliert: Die Ingenieure fürchten, dass ihnen die Zeit davonläuft. Das MAV wird ein bis zwei Jahre brauchen, um seinen Treibstoff herzustellen. Danach wird die menschliche Besatzung 200 bis 350 Tage für die Reise zum Mars benötigen. Anschließend erforscht sie den Roten Planeten. Diese Arbeiten könnten bis zu 500 Tage in Anspruch nehmen.

Insgesamt muss das MAV also ganze vier Jahre nach seiner Landung auf dem Mars funktionsfähig und startbereit bleiben. „Es steht während dieser Zeit auf der Marsoberfläche“, erinnert Rucker. „Es steht im Dreck. Es ist intensiver UV-Strahlung ausgesetzt. Wie sehen Ihre Gartenmöbel aus, wenn sie so lange im Freien stehen? Und das, obwohl sie auf der Erde stehen, wo sie erheblich besser geschützt sind als dort.“

Bitte angemessene Kleidung tragen!

Zu den vielen Fragen, mit denen sich die Ingenieure bei der Konstruktion des MAV beschäftigen müssen, gehört die besonders wichtige Frage: „Welche Kleidung werden die Astronauten tragen?“

„Sie kennen die Bilder von der Internationalen Raumstation“, sagt Rucker. „Dort bewegen sich die Besatzungsmitglieder in kurzen Hosen und T-Shirts. Auf einer stabilen Flugbahn und in einem großen Raumfahrzeug ist das machbar. In der Fähre gibt es keinerlei Ausweichmöglichkeiten. Wenn irgendwo ein kleines Loch entsteht, ist ein Raumanzug die einzige Überlebenschance.“

Aber welche Art von Raumanzug? Die Anzüge, die die Astronauten beim Erforschen der Marsoberfläche tragen – die „Anzüge für Außenbordtätigkeiten“ –, sind schwer und sperrig. Würden die Astronauten diese Anzüge auch an Bord des MAV tragen, müssten die Ingenieure die Kabine vergrößern.

Und es gäbe ein Problem mit Marsstaub, der an den Anzügen haftet. Substanzen dieser Art dürfen von den Astronauten nicht zur Erde gebracht werden, ohne geeignete planetare Schutzprotokolle anzuwenden.

Rucker hält es für die beste Lösung, die sperrigen Anzüge auf dem Mars zurückzulassen, wo sie von zukünftigen Missionen geborgen und ausgeschlachtet werden könnten. Es wäre besser, wenn die abreisenden Astronauten sogenannte „IVA-Anzüge“ für Tätigkeiten an Bord tragen würden – die bauschigen, orangefarbenen Anzüge, die von den Besatzungen der Spaceshuttles bei Start und Landung getragen wurden.

IVA-Anzüge sind leichter und gewähren etwas mehr Bewegungsfreiheit. Und sie können staubfrei gehalten werden, solange sie nicht bei Ausflügen auf die Marsoberfläche zum Einsatz kommen. Die Astronauten würden ihr Habitat verlassen und über eine Luke einen Rover besteigen. Im Rover würden sie ihre schicken sauberen IVA-Anzüge anziehen und zum MAV fahren, das sie über einen speziell für diesen Zweck konstruierten Überdrucktunnel betreten würden.

Der Nachteil des Transports eines derartigen Tunnels zum Mars ist das zu transportierende Gewicht eines Ausrüstungsgegenstands, der nur ein einziges Mal benutzt wird. Rucker denkt aber, dass der Tunnel auch für andere Zwecke nützlich sein könnte.

„Ich sehe ihn als ein praktisches Extra“, erklärt sie. „Statt eines einzelnen großen Habitats können wir damit vielleicht kleinere Habitate aufbauen und mit dem Tunnel verbinden. Jedes zusätzliche Element schafft zusätzliche Schwierigkeiten, aber wenn das Element viele Probleme löst, kann es sich als Vorteil erweisen.“

Unterwegs nach Hause

Irgendwann wird es Zeit, Abschied zu nehmen.

Der Innenraum des MAV wird äußerst spartanisch eingerichtet sein, um Gewicht zu sparen. Es ist ein Einweg-Weltraumtaxi, kein Habitat. Möglicherweise werden die Ingenieure nicht einmal Sitze einbauen – was bedeuten würde, dass die Astronauten während des Transports stehen müssen.

Der raketengetriebene Aufstieg wird sieben Minuten dauern. Aber damit ist der Transfer noch nicht abgeschlossen. Die Astronauten werden noch mehr Treibstoff verbrennen müssen, um einen Orbit zu erreichen, in dem sie an das Rückkehr-Raumschiff (Earth Return Vehicle, ERV) andocken können.

Dies bedeutet, dass sich die Astronauten 43 Stunden lang an Bord des MAV aufhalten würden, falls das ERV in einer „1-Marstag-Umlaufbahn“ geparkt ist – einem elliptischen Orbit in einer Höhe von 250 bis 34.000 km über der Marsoberfläche. Rucker weist jedoch darauf hin, dass sich die Planer der Marsmission über diese Frage bisher nicht einig sind.

„Die Experten für Raumfahrtantriebe möchten dieses riesige Transit-Habitat so hoch wie möglich fliegen lassen“, berichtet sie. „Sie möchten der Marsgravitation nicht gern nahe kommen. Sie würden lieber auf einer Fünf- oder Zehn-Marstage-Umlaufbahn bleiben, und das MAV dort hinfliegen lassen.

Das Problem dabei ist laut Rucker, dass bei einem längeren Aufenthalt an Bord des MAV zusätzliche Betriebsanlagen benötigt werden.

„Im Raumanzug zu bleiben und ohne warme Suppe und Toilette auszukommen, ist für 43 Stunden vielleicht möglich“, meint sie. „Aber wenn es um drei oder fünf Tage oder vielleicht um sieben Tage geht, muss für bestimmte Bedürfnisse gesorgt werden, und dann muss zwangsläufig auch das MAV größer konstruiert werden.“

Nachdem das MAV letztendlich erfolgreich angedockt hat – und Besatzung und Fracht in das Raumschiff transferiert wurden, das den Rückweg zur Erde antreten soll –, löst sich das MAV und führt ein letztes Entsorgungsmanöver aus, das es in eine Umlaufbahn bringt, auf der es zukünftige Marsmissionen nicht stört: ein unwürdiges Ende für ein kleines Raumfahrzeug, das eine entscheidende Rolle in der Geschichte der Menschheit gespielt haben wird.

Artikel in englischer Sprache veröffentlicht am 2. Oktober 2015