Missionen: Planung der langen Reise
Der Ausbruch aus dem Gravitationsfeld der Erde ist nur die Eintrittskarte. Langzeitmissionen zum Mond, zum Mars und zu den äußeren Monden erfordern Lösungen für den Schutz vor kosmischer Strahlung, die Haltbarkeit kryogener Treibstoffe und geschlossene biochemische Überlebenssysteme.
Flugkandidat bei einem Basistest in der Zentrifuge. Die physiologische Telemetrie überwacht die Herz-Kreislauf-Reaktion unter anhaltenden mehrachsigen Gravitationsbelastungen.
Das Delta-v-Budget und die Betankung im Orbit
Die Tsiolkowski-Raketengleichung besagt, dass es mit chemischen Raketen mathematisch unmöglich ist, ein einziges Raumschiff von der Erdoberfläche mit genug Treibstoff zu starten, um in den Marsorbit einzutreten, dort zu landen und wieder zu starten. Das Schiff würde fast vollständig aus Treibstofftanks bestehen und hätte keinerlei Reserve für Besatzungskabinen oder wissenschaftliche Nutzlasten.
Die Lösung, die von theoretischen Arbeiten zu geplanten Testflügen im Orbit übergegangen ist, ist der kryogene Treibstofftransfer im Orbit. Ein unbemanntes Raumschiff wird in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht und mit mehreren spezialisierten Tankerflügen gekoppelt. So werden die Tanks bei einer Geschwindigkeit von 7.8 km/s vollständig aufgefüllt, bevor das Einschussmanöver zum Mars durchgeführt wird.
Umweltgefahren während des Transits: Erprobte gegenüber theoretischen Lösungen
| Umweltfaktor | Gemessene Gefahr | Technische Gegenmaßnahme | Einsatzbereitschaft |
|---|---|---|---|
| Galaktische kosmische Strahlung (GCR) | Hochenergetische Eisenkerne, die das Hüllenmaterial durchdringen und DNA-Stränge brechen | Wasserstoffreiche Polyethylen-Abschirmung und zentraler Wassertank als Schutzraum bei Strahlungsereignissen | Passive Abschirmung auf der ISS erprobt; aktive magnetische Ablenkung hochenergetischer Teilchen bisher nicht nachgewiesen |
| Knochenschwund in der Schwerelosigkeit | 1.0% bis 1.5% Abnahme der Knochenmineraldichte pro Monat in der Schwerelosigkeit | Widerstandstrainingsgeräte (ARED) & Rotation an einer Tether-Anlage zur künstlichen Schwerkraft | Tägliche Widerstandsübungen von 2.5 Stunden auf der ISS im Flug erprobt; Tether noch ungetestet |
| Marsperchlorate | Giftige chlorierte Salze im Regolith, schädlich für Schilddrüse und Lungengewebe des Menschen | Mehrkammer-Schleusen mit externen Suitports für Raumanzüge (Anzüge mit Rückeneinstieg) | Vakuum-Prototypen der Suitports gebaut; Verschleiß der Dichtungen gegenüber planetarem Regolith wird noch getestet |
In-situ-Ressourcennutzung (ISRU)
Eine glaubwürdige Marsmission kann ihren Rückflug-Treibstoff nicht von Florida mitführen. Die Massenbelastung wäre astronomisch. Deshalb müssen Erkundungsteams automatisierte chemische Verarbeitungsanlagen auf der Oberfläche errichten, Monate bevor die Besatzung eintrifft.
Indem ein autonomer Verarbeitungsreaktor Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre ($95\%$ $CO_2$) und unterirdisches Gletschereis ($H_2O$) gewinnt, führt er die katalytische Sabatier-Reaktion aus:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Die Wasserelektrolyse liefert Sauerstoff ($O_2$) und Wasserstoff ($H_2$). Der Wasserstoff wird weiterverarbeitet zu flüssigem Methan, das die kryogenen Treibstoffe für den Rückflug bereitstellt.
Das MOXIE-Experiment der NASA an Bord des Rovers Perseverance hat die elektrokatalytische Gewinnung von Sauerstoff aus dem atmosphärischen $CO_2$ des Mars im kleinen Maßstab nachgewiesen (bis zu 12 Gramm reiner Sauerstoff pro Stunde). Die Skalierung auf die 30 metrischen Tonnen, die für Rückflug-Raumfahrzeuge benötigt werden, bleibt eine laufende industrielle Herausforderung.