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Die Reise zum Mars: Visionen und Konzepte



Mars, der erdnächste der äußeren Planeten, kommt uns nie näher als 55 Millionen Kilometer. Eine Reise dorthin und zurück würde Jahre dauern. Die mit der Raumfahrtplanung betrauten Wissenschaftler und Ingenieure versichern jedoch, dass ein bemannter Flug zum Mars technisch zu meistern sei. Das größte Hindernis sind die immensen Kosten.

Diese Kosten hängen dabei vor allem von der Masse des Raumschiffs ab. Die Regel ist einfach: Je weniger Material für die Montage des Schiffs in die Erdumlaufbahn zu transportieren ist, desto weniger Zubringerflüge sind nötig. Deshalb standen alle bisher vorgeschlagenen Projekte für Marsraumschiffe unter der Prämisse, möglichst viel Gewicht einzusparen, ohne übermäßige Abstriche hinsichtlich Sicherheit oder wissenschaftlicher Zielsetzung machen zu müssen.

Im Jahre 1952 hegte der Raketenpionier Wernher von Braun noch die Vision von einer wahren Armada an Marsschiffen, jedes von konventionellen Raketentriebwerken angetrieben und zu Beginn der Reise 37200 Tonnen schwer. Der Bau einer solchen Flotte hätte mehrere hundert Milliarden Dollar verschlungen. Seither haben die Planer die kalkulierten Kosten eines bemannten Marsfluges erheblich reduziert – durch Einsatz effizienterer Triebwerke, Verkleinern der Besatzung, geringere Redundanz einiger Bordsysteme und durch die Gewinnung von Treibstoff auf Mars selbst.

Das einfachste Projekt sieht direkte Landungen auf der Marsoberfläche vor, ohne ein den Planeten umkreisendes Mutterschiff, aber mit Anlagen, die Treibstoff aus der Marsatmosphäre für den Rückflug gewinnen (siehe den Beitrag Seite 61). Dafür wären innerhalb eines Jahrzehnts 20 Milliarden Dollar erforderlich, zuzüglich zwei Milliarden Dollar für jeden einzelnen Flug. Der offizielle Plan der Nasa – die so genannte Referenz-Mission – hat viele Elemente dieses Direkt-Planes übernommen, kostet jedoch ungefähr das Doppelte, da hier umfassendere Sicherheitsvorkehrungen und eine größere Mannschaft (sechs Astronauten statt vier) vorgesehen sind.

Die Nasa sieht drei Raumschiffe vor: - ein unbemanntes Lastschiff, das eine Rückkehrkapsel für die Astronauten sowie eine Anlage zur Gewinnung von Raketentreibstoff auf der Marsoberfläche absetzen soll; - eine Wohn- und Landeeinheit, die in eine Marsumlaufbahn einschwenken soll, sowie - ein Passagierschiff mit der Mannschaft (crew transfer vehicle, CTV), das genau 26 Monate nach dem Start der beiden ersten Raumschiffe nachfolgt, sofern diese wohlbehalten am Roten Planeten angekommen sind.

Das Passagierschiff bringt die Astronauten zum Mars und koppelt dort an die Wohn- und Landeeinheit. Mit dieser landet die Crew auf dem Planeten, verbringt dort 500 Tage und kehrt mit der bereitstehenden Rückkehrkapsel zum Passagierschiff zurück, mit dem sie die Heimreise zur Erde antritt. Alle 26 Monate soll ein weiteres Raumschiff-Trio losgeschickt werden, um so die Infrastruktur für eine permanente Besiedlung des Mars zu schaffen.

Die von der Nasa für dieses Projekt veranschlagten Kosten sind geringer als jene für die Internationale Raumstation oder für das Apollo-Mondlandeprogramm. Nun ist die Nasa nicht gerade bekannt dafür, sich an solche Kostenvoranschläge zu halten. Deshalb haben viele Befürworter bemannter Marsflüge, die in Organisationen wie der "Mars Society" oder der "National Space Society" zusammengeschlossen sind, eigene Vorschläge entwickelt. Einer der am weitesten gediehenen Pläne ist eine Arbeit von "ThinkMars", einer Gruppe von Studenten am Massachusetts Institute of Technology und von der Harvard Business School in Cambridge (Massachusetts). Ihrem Vorschlag zufolge soll ein Privatunternehmen das Marsprogramm managen und die verschiedenen Teile des Projekts an Firmen und Nasa-Forschungszentren vergeben. Die USA und andere Länder könnten dann Plätze oder Transportraum auf dem Marsraumschiff zu günstigen Preisen kaufen. Die restliche Finanzierung würde über den Verkauf von Werbe- und Übertragungsrechten sowie über die Lizenzierung von "Spin-Off"-Produkten erfolgen.

Doch welche technischen Hürden müssten bei einem bemannten Marsflug überwunden werden? Und was würde die Astronauten auf dem Nachbarplaneten erwarten?

Das erste Problem wäre, das Marsschiff in eine niedrige Umlaufbahn um die Erde zu bekommen, also in eine Höhe zwischen 200 und 500 Kilometern. Von dort aus könnte es in Richtung Mars aufbrechen. Sein Gewicht betrüge vollbeladen mindestens 130 Tonnen. Keine der heutigen Trägerraketen vermag eine solche Nutzlast zu befördern. Die US-Raumfähren oder die Titan-4B-Rakete können jeweils nur knapp 25 Tonnen in einen Erdorbit hieven. Außerdem würde ein solches Unterfangen bereits an den Startkosten scheitern, die gegenwärtig pro Tonne Nutzlast 20 Millionen Dollar betragen.

Die früher für das Apollo-Programm benutzte Saturn V oder die von der Sowjetunion entwickelte Energija-Rakete hätten zwar eine ausreichende Transportkapazität, doch ein Nachbau dieser Trägersysteme erscheint nicht praktikabel. Deshalb wird ein Marsraumschiff in mehreren Teilen in eine Erdumlaufbahn gebracht und dort zusammengesetzt werden müssen. Die Andockmanöver würden wohl vom Boden aus ferngesteuert. Ein Space Shuttle könnte die Besatzung zum Marsschiff bringen.

Am Marshall-Raumflugzentrum der Nasa in Huntsville (Alabama) haben Ingenieure bereits eine Rakete namens "Magnum" entworfen, die großteils auf heute schon vorhandenen Raketenkomponenten beruht und die bis zu 80 Tonnen Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn tragen kann. So könnten mit nur zwei Raketenstarts alle Bauteile des Marsschiffs in den Orbit befördert werden. Die Entwicklungskosten der Rakete werden auf zwei Milliarden Dollar geschätzt. Die Startkosten pro Tonne Nutzlast sollten mit zwei Millionen Dollar nur ein Zehntel des heutigen Wertes betragen.

Triebwerkssysteme


Alle Raketentriebwerke beruhen auf dem Prinzip des Rückstoßes. Doch je nach Wahl des Materials, mit dem man den Rückstoß erzeugt, können die verschiedenen Triebwerkstypen sehr unterschiedliche Leistungen sowie spezifische Vor- und Nachteile haben. Welche Antriebstechniken eignen sich nun besonders für einen bemannten Marsflug?

Der grundsätzliche Zwiespalt besteht hierbei zwischen der Schubkraft einer Rakete und ihrem Treibstoffverbrauch. Systeme mit hohem Schub sind sozusagen die "Sprinter": Sie beschleunigen schneller, verbrauchen aber auch mehr Treibstoff. Systeme mit niedrigem Schub – gewissermaßen die "Schleicher" – beschleunigen langsamer, verbrauchen jedoch weniger Treibstoff. Es könnten durchaus beide Systeme zum Einsatz kommen: die "Sprinter" für den Transport der Mannschaft, die "Schleicher" für unbemannte Frachtschiffe.

Fast alle der bisher eingesetzten Raketentriebwerke nutzen chemische Treibstoffe, die entweder in flüssiger oder fester Form vorliegen. Durch das Verbrennen des Treibstoffs und die Expansion der heißen Abgase in einer Düse entsteht ein Schub in Gegenrichtung zum ausströmenden Gas. Solche chemischen Triebwerke liefern mehr Schub als viele andere Antriebsformen, doch ist ihre Effizienz geringer. Ein Marsraumschiff mit dieser Antriebstechnik würde gewaltige Mengen an Treibstoff benötigen. Eines der Konzepte sieht ein Raumfahrzeug mit einem Startgewicht von 233 Tonnen vor, von denen allein 166 Tonnen auf den Treibstoffvorrat aus flüssigem Wasser- und Sauerstoff entfallen.

Schon in den sechziger Jahren erprobten die USA nuklear-thermische Antriebe am Boden. Flüssiger Wasserstoff wird durch einen Reaktor mit festem Kern geleitet und erhitzt sich dort auf Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius. Anschließend entweicht er mit hoher Geschwindigkeit durch eine Raketendüse. Solche Triebwerke erzeugen hierbei einen mehr als doppelt so hohen Impuls pro Kilogramm Treibstoff als die besten chemischen Raketenmotoren und stellen mit ihrem Kernreaktor sogar noch Elektrizität bereit. Ein 170 Tonnen schweres bemanntes Raumschiff, das mit drei nuklear-thermischen Antrieben sowie 90 Tonnen flüssigen Wasserstoffs bestückt wäre, könnte Mars in sechs bis sieben Monaten erreichen. Weil jedoch der Einsatz von Kernreaktoren im Weltraum auf Widerstand der Öffentlichkeit stößt, hat die Nasa nuklear-thermische Antriebe seit fast einem Jahrzehnt nicht mehr weiter erforscht.

Ein Ionentriebwerk, wie es erstmals in den fünfziger Jahren entwickelt wurde, beschleunigt den Treibstoff nicht durch Verbrennung, sondern durch elektrische Felder. Ihr gasförmiger Treibstoff, wie zum Beispiel Cäsium oder Xenon, strömt in eine Kammer, wo er von einer Elektronenkanone (ähnlich der in Fernsehgeräten) ionisiert wird. Die an einem Metallgitter-Paar anliegende Spannung beschleunigt die positiv geladenen Ionen, sodass sie durch das Gitter in die Leere des Alls hinausschießen. Eine Kathode am rückwärtigen Teil des Triebwerks pumpt währenddessen Elektronen in den Ionenstrahl, um zu verhindern, dass sich das Raumschiff negativ auflädt.

Vor einem Jahr bestand die Raumsonde "Deep Space 1" den ersten interplanetaren Test eines Ionentriebwerks. Mit 2,5 Kilowatt Leistung – gespeist aus Solarzellen – lieferte es einen steten Schub von 0,1 Newton. Ein Marsraumschiff würde allerdings einige Megawatt an Leistung benötigen. Die damit verbundene Belastung würden die Metallgitter nicht überstehen. Zudem müssten große Ionenantriebe ihren Betriebsstrom ebenfalls aus Kernreaktoren beziehen, da Solarzellenpaddel ab einer Leistung von 100 Kilowatt recht unhandlich werden.

Auch so genannte Hall-Effekt-Triebwerke beschleunigen positiv geladene Teilchen (meistens Xenon) mittels eines elektrischen Feldes. Der Vorteil gegenüber einem Ionentriebwerk besteht darin, dass man keine Metallgitter benötigt und sich deshalb auch höhere Leistungen erreichen lassen sollten. Ein Ringmagnet erzeugt ein radiales Magnetfeld, das Elektronen auf eine kreisförmige Bahn zwingt. Diese Bewegung der Elektronen lässt ein axial gerichtetes elektrisches Feld entstehen, das schließlich den ionisierten Treibstoff beschleunigt. Die Effizienz solcher Hall-Effekt-Antriebe ist zwar geringer als die von Ionentriebwerken, doch kann sie durch Anfügen einer zweiten Beschleunigungsstufe erhöht werden. Nachdem russische Satelliten bereits seit Anfang der siebziger Jahre mit Hall-Effekt-Triebwerken im Einsatz sind, erfolgt die weitere Entwicklung in einem amerikanisch-russischen Gemeinschaftsprojekt. Bisher wurde mit einer elektrischen Leistung von fünf Kilowatt ein Schub von 0,2 Newton erreicht.

Magnetoplasmadynamische Antriebe beschleunigen geladene Teilchen mit magnetischen statt mit elektrischen Feldern. Das Triebwerk besteht aus einer trichterförmigen Anode und einer zentralen stabförmigen Kathode. Die zwischen beiden Elektroden angelegte Spannung ionisiert den Treibstoff und erlaubt so einen Stromfluss radial durch das Gas zur Kathode. Dort ruft dieser Strom ein kreisförmiges Magnetfeld hervor, das zusammen mit dem Stromfluss im Gas Teilchen in axialer Richtung beschleunigt. Als Treibmittel eignen sich – in der Abfolge steigender Ausbeuten – Argon, Lithium und Wasserstoff. Nachdem an verschiedenen Instituten in Russland, Japan, Deutschland und den USA solche Triebwerke untersucht wurden, hat sich die Nasa letztes Jahr entschlossen, einen ersten 1-Megawatt-Prototypen zu bauen.

Auch pulsations-induktive Triebwerke werden wieder erforscht. Ein Gas (meistens Argon) entströmt stoßweise einer Düse und verteilt sich entlang einer flachen, etwa einen Meter breiten Drahtspule. Anschließend entladen sich einige Kondensatoren in einem Spannungspuls von etwa zehn Mikrosekunden Dauer in die Spule. Das von diesen Pulsen hervorgerufene radiale Magnetfeld induziert ein kreisförmiges elektrisches Feld im Gas, das jenes ionisiert und die Teilchen genau in die entgegengesetzte Richtung zum anfänglichen Spannungspuls treibt. Da diese Bewegungsrichtung senkrecht auf dem Magnetfeld steht, werden die Ionen schließlich aus dem Triebwerk herausgeschleudert. Im Gegensatz zu anderen Antriebstechniken werden hier keine Elektroden benötigt, die verschleißen könnten. Die Leistung lässt sich einfach durch Erhöhen der Pulsrate steigern. Für ein 1-Megawatt-Triebwerk werden 200 Pulse pro Sekunde benötigt.

Die Lücke zwischen Raketensystemen mit hohem und niedrigem Schub könnte ein innovatives Antriebssystem schließen: VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, etwa: impulsveränderlicher Magneto-Plasma-Antrieb). Nach diesem Prinzip wird der Treibstoff – meistens Wasserstoff – zunächst mittels Radiowellen ionisiert und dann in eine von Magnetfeldern durchzogene Zentralkammer geleitet. Dort laufen die Teilchen mit einer bestimmten Eigenfrequenz spiralförmig um die Magnetfeldlinien herum. Durch Einstrahlen von Radiowellen genau jener Frequenz werden die Teilchen auf zehn Millionen Grad aufgeheizt. Am Auslass der Kammer, wo sich ein weiteres Magnetfeld befindet, wird die Spiralbewegung der Teilchen in eine axiale Bewegung übergeführt. Durch Feineinstellungen der Heizung sowie des Magnetfeldes lässt sich der erzeugte Schub regulieren.

Hierdurch erhält man gewissermaßen eine Zweigangschaltung. Durch Verengen der magnetischen Drossel reduziert sich die Zahl der ausströmenden Teilchen (und somit der Schub), wobei aber deren Temperatur (und somit die Ausströmgeschwindigkeit) hoch bleibt – das Triebwerk befindet sich im hohen Gang. Öffnen der Drossel entspricht dem Schalten in einen niedrigeren Gang: hoher Schub, jedoch niedrige Ausströmgeschwindigkeit und Effizienz. Ein Marsraumschiff könnte also in einem niedrigen Gang plus Nachbrenner erst die Erdumlaufbahn verlassen und anschließend für den interplanetaren Flug in einen höheren Gang schalten. Die Nasa plant den Testflug eines 10-Kilowatt-Prototyps für das Jahr 2004. Eine Marsmission benötigte dagegen eine Leistung von 10 Megawatt.

Sonnensegel weisen das extremste Verhältnis zwischen Schub und Treibstoffeffizienz auf. Angetrieben werden sie durch den sanften, aber konstanten – und kostenlosen – Strahlungsdruck des Sonnenlichts. Um eine Nutzlast von 25 Tonnen damit in einem Jahr von der Erde zum Mars transportieren zu können, müsste ein solches Segel eine Fläche von mindestens vier Quadratki-lometern aufweisen. Das Material dürfte dabei nicht mehr wiegen als ein Gramm pro Quadratmeter. Moderne Kohlenstoffverbindungen erreichen schon fast diese extreme Leichtigkeit. Allerdings ist das Entfalten einer solch großen, aber zugleich zerbrechlichen Struktur offenbar nicht so einfach. Während 1993 ein erster Versuch des russischen Space-Regatta-Konsortiums mit einem 300 Quadratmeter großen Weltraumspiegel gelang, schlug ein zweiter Test fehl. Die Nasa entwickelte erst vor kurzem die Idee eines "Magnetsegels", das den ebenfalls relativ konstant von der Sonne her wehenden Strom geladener Teilchen, den Sonnenwind, nutzen soll.

Viele Wege führen nach Rom, wie ein Sprichwort sagt. Auch zum Planeten Mars gibt es mehrere Routen, die sich durch Länge, Reisezeit und Energieaufwand unterscheiden. Energetisch am günstigsten ist, wie bereits 1925 der deutsche Ingenieur Walter Hohmann herausgefunden hat, eine Übergangsbahn, die jeweils tangential am Ausgangs- und Zielorbit beginnt beziehungsweise endet. Diese Hohmann-Bahn nutzt nämlich die Eigenbewegungen von Ausgangs- und Zielplanet optimal aus. Dazu muss das Marsraumschiff auf der Erde starten, wenn der Rote Planet in einem Winkel von 44 Grad vor der Erde steht (was alle 26 Monate der Fall ist). Das Marsschiff fliegt auf einer Bahn, die der Hälfte einer Ellipse entspricht, nach außen und erreicht den Roten Planeten dann, wenn er – von der ursprünglichen Erdposition aus gesehen – genau auf der gegenüberliegenden Seite der Sonne steht. Eine solche Konstellation nennen die Astronomen "Konjunktion". Für den Rückflug müssen die Astronauten warten, bis Mars 75 Grad vor der Erde steht. Dann starten sie auf einer nach innen führenden Bahn, die ebenfalls die Hälfte einer Ellipse beschreibt.

Mögliche Routen


Für den Hin- und Rückflug muss das Marsschiff jeweils zweimal beschleunigen. Um das Schwerefeld der Erde verlassen und in eine Übergangsbahn einschwenken zu können, ist eine Geschwindigkeit von 11,5 Kilometern pro Sekunde erforderlich. Startet es von der Erdoberfläche, muss es direkt auf diesen Wert beschleunigen. Befindet es sich bereits in einer niedrigen Erdumlaufbahn, braucht es seine Geschwindigkeit nur noch um 3,5 Kilometer pro Sekunde zu steigern. Am Mars angekommen, ist das Tempo um etwa 2 Kilometer pro Sekunde zu verringern, damit das Raumschiff in eine Umlaufbahn einschwenken kann. Das Bremsmanöver erfolgt entweder über das Zünden von Bremsraketen oder durch das so genannte aerobraking, das Abbremsen durch die Reibung in den oberen Atmosphärenschichten des Mars. Für eine Landung auf der Marsoberfläche selbst muss die Geschwindigkeit gar um 5,5 Kilometer pro Sekunde reduziert werden. Beim Rückflug läuft die Sequenz umgekehrt ab. Die komplette Reise dauert zweieinhalb Jahre: jeweils 260 Tage für den Hin- und Rückflug plus 460 Tage Aufenthalt auf dem Mars.

Soweit der Idealfall. Weil die Bahnen von Erde und Mars nicht kreis-, sondern ellipsenförmig sowie um 1,8 Grad gegeneinander geneigt sind, kann die optimale Flugbahn auch kürzer oder länger sein. Zudem lässt sich mit einem moderaten Mehrverbrauch an Treibstoff die Flugzeit um einiges verkürzen. Ausgefeilte Planungen können sogar gewährleisten, dass ein Marsraumschiff auch bei Ausfall aller Triebwerke wieder sicher zur Erde zurückkehren kann.

Ein Nachteil der Hohmann-Bahn ist, dass die Astronauten auf dem Mars recht lange verweilen müssen, bis die beiden Planeten wieder in einer für den Rückflug günstigen Konstellation zueinander stehen. Deshalb fassen die Planer der Nasa auch eine andere Klasse von Flugbahnen ins Auge: die so genannten Oppositions-Bahnen. Im Laufe eines solchen Fluges nähern sich die beiden Planeten auf ihren minimalen Abstand an. Weil sich Mars dann von der Erde aus gesehen in entgegengesetzter Richtung zur Sonne befindet, nennen die Astronomen diese Stellung eine Opposition. Die Reise würde etwa eineinhalb Jahre dauern: 220 Tage für den Hin-, 290 Tage für den Rückflug plus 30 Tage für den Aufenthalt auf Mars. Auf dem Rückweg nähert sich das Raumschiff der Sonne – holt sich dabei möglicherweise am Planeten Venus zusätzlichen Schwung – und holt die Erde quasi von hinten ein. Die beiden Bahnstücke lassen sich auch vertauschen, sodass der Hinflug länger als der Rückflug dauert. Oppositions-Bahnen eignen sich insbesondere für schubstarke Raketen und für Versorgungsraumschiffe, die zwischen Erde und Mars hin- und herpendeln.

Raketen mit geringem Schub – wie zum Beispiel Ionentriebwerke – sparen zwar Treibstoff, können sich aber nur sehr langsam auf spiralförmigen Bahnen aus dem Schwerefeld der Erde herauswinden. Es kann dabei bis zu einem Jahr dauern, bis die notwendige Entweichgeschwindigkeit erreicht ist. Für ein bemanntes Raumschiff wäre dies zu lange, zumal die Besatzung ständig der Strahlung des die Erde umgebenden Van-Allen-Gürtels ausgesetzt wäre. Deshalb sind solche Bahnen nur für den Materialtransport vorgesehen. Ein anderer Vorschlag sieht vor, die Besatzung erst kurz vor Erreichen der Entweichgeschwindigkeit mit einer Art "Weltraumtaxi" – ähnlich dem Space Shuttle – zum Raumschiff zu bringen.

Die interplanetare Reise


Nichts ist auf dem Weg zum Mars für die Sicherheit der Mannschaft wichtiger als das Lebenserhaltungssystem des Raumschiffs. Forscher am Johnson-Raumfahrtzentrum der Nasa in Houston (Texas) haben bereits damit begonnen, Effizienz und Verlässlichkeit der heutigen Systeme zu verbessern. Hierfür verbrachten Freiwillige bis zu drei Monate in hermetisch abgeschlossenen Räumen, um zum Beispiel neue Verfahren für das Recyceln von Luft und Wasser zu erproben. Neben physikalischen und chemischen Methoden experimentierte man auch mit einer biologischen Wiederaufbereitung, indem die Ausscheidungs-produkte der Mannschaft als Düngemittel für die Aufzucht von Getreide benutzt wurden, um die Versorgung mit Sauerstoff und frischem Brot zu gewährleisten.

Außerdem untersuchen Wissenschaftler, wie die negativen Folgen eines langen Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit in den Griff zu bekommen sind. Astronauten, die mehrere Monate in einer Umlaufbahn verbrachten, verloren Knochensubstanz und klagten über gesundheitliche Probleme ("Der Mensch in der Schwerelosigkeit", von Ronald J. White, Spektrum der Wissenschaft 12/1998, S. 38).

Der Knochenschwund ließe sich verhindern, wenn das Marsraumschiff während seiner Reise rotierte und so eine künstliche Schwerkraft erzeugte. Verschiedene Vorschläge sehen ein Kabel oder eine Trosse vor, das die Mannschaftskabine mit einem Gegengewicht, wie etwa einer gebrauchten Raketenstufe, verbindet. Eine Drehung pro Minute um einen 340 Meter langen Ausleger herum könnte eine Schwerkraft von 0,38 g erzeugen, wie sie auch auf der Oberfläche des Mars herrscht. Eine Verdopplung der Frequenz würde die Länge des notwendigen Dreharms auf ein Viertel reduzieren, würde jedoch die Coriolis-Kräfte stärker anwachsen lassen, was wiederum die Astronauten bei Bewegungen im Raumschiff erheblich ins Schwanken brächte. Eine Rotation des Raumschiffs hätte auch andere Nachteile: So würden das Manövrieren und die Kommunikation mit der Erde komplizierter werden. Viele Mediziner suchen schon nach Alternativen, wie zum Beispiel regelmäßiges Körpertraining, Essenszusätze und Stühle mit Zentrifugenfunktion.

Ein anderes Problem ist die Strahlung. Zum einen sind es die hochenergetischen Ionen, die aus kosmischen Quellen stammen und mit konstanter Stärke unser Milchstraßensystem durchströmen, zum anderen die intensiven Protonenschauer, die unsere Sonne im Laufe ihres Aktivitätszyklus immer wieder ausstößt. Die Teilchen der kosmischen Strahlung sind weitaus energiereicher als die Protonen aus den solaren Ausbrüchen und darum auch schwieriger abzuschirmen. Der ungeschützte Körper eines Astronauten wäre im Weltraum einer Dosis von ungefähr 0,75 Sievert pro Jahr ausgesetzt. An Bord eines Raumschiffes mit einer sechs Zentimeter dicken Wandung aus Aluminium wäre die Dosis etwa 20 Prozent geringer. (Eine stärkere Abschirmung würde die Situation nicht verbessern, denn die Astronauten wären auf der Oberfläche des Mars ebenfalls einer solchen Dosis ausgesetzt.) Das Risiko, innerhalb von 30 Jahren an Krebs zu sterben, würde sich dadurch aber nur um wenige Prozentpunkte erhöhen.

Landung und Wiederaufstieg


Die solaren Protonenschauer sind da schon gefährlicher. Sie lassen sich nur schlecht vorhersehen und könnten bei besonders intensiven Ausbrüchen durchaus 40 Sievert an die Hautoberfläche und 2 Sievert an innere Organe abgeben – eine wahrhaft tödliche Dosis. Mindestens ein Schauer dieser Stärke ereignet sich jeweils nahe des Maximums des elfjährigen Sonnenzyklus. Kleinere, deswegen aber nicht ungefährlichere Sonnenstürme brechen alle paar Jahre aus. Während Astronauten in einer niedrigen Erdumlaufbahn noch durch das irdische Magnetfeld vor diesen Teilchenschauern geschützt sind, das die Protonen einfängt und ablenkt, müssten sie auf dem Weg zum Mond oder zum Mars ohne diesen natürlichen Schutzschild auskommen.

Es gibt allerdings eine technische Lösung: Wasserstoffreiche Materialien wie Polyethylen oder Wasser schirmen die Protonen effektiv ab. Schwerere Atomkerne eignen sich weniger, da aus ihren Kernen Neutronen herausgeschlagen würden und so eine weitere, sehr gefährliche Strahlungskaskade entstünde. Eine etwa zehn Zentimeter dicke Wasserschicht reduziert die Strahlendosis schon auf nur noch 0,2 Sievert. Damit ließe sich eine Art Bunker konstruieren, indem man den Wassertank schalenartig um den Schlaftrakt der Astronauten anordnete. Sonnenbeobachtungssatelliten könnten als Frühwarnsystem dienen und die Astronauten vor einem bevorstehenden Sonnensturm warnen.

Die Landung eines bemannten Raumschiffs auf dem Mars ist bedeutend schwieriger als auf dem Mond. Anders als der Erdtrabant hat der Rote Planet nämlich eine Atmosphäre, und seine Schwerkraft ist doppelt so groß. Zudem ist das auf dem Mars abzusetzende Wohnmodul ungleich schwerer als die Mondlandefähren, da es das Überleben der Astronauten für 500 Tage gewährleisten muss.

Nur drei automatische Sonden sind bisher erfolgreich auf dem Roten Planeten niedergegangen: Viking 1 und 2 im Jahr 1976 und Mars Pathfinder im Jahr 1997. Alle drei benutzten für den Abstieg nacheinander Hitzeschilde, Fallschirme und Bremsraketen. (Bei Pathfinder kamen sogar riesige Airbags zum Einsatz, die den Aufprall abfederten.) Ein bemanntes Landefahrzeug wird den gleichen Landevorgang durchlaufen, doch ist für die einzelnen Phasen eine aufwendigere Technik vonnöten. Während etwa die Robotersonden mit einem untertassenförmigen Hitzeschild unkontrolliert durch die Marsatmosphäre stürzten, muss der Abstieg eines bemannten Marsschiffes viel präziser gesteuert werden, da es in unmittelbarer Umgebung des zuvor gelandeten Versorgungsraumschiffs niedergehen sollte.

Die aktuellen Pläne der Nasa sehen eine zylindrische Landefähre vor, die mit einem zeppelinförmigen Hitzeschild umgeben ist. Sie soll unbemannt zum Mars gebracht werden und dort in einer Umlaufbahn warten, bis die Astronauten eintreffen. Nach dem Umsteigen leitet die Besatzung den Landevorgang ein. Ähnlich wie beim Space Shuttle kann der Pilot durch sanftes Hin- und Herdrehen der Landefähre nach links oder rechts möglichst nahe an die vorgesehene Landestelle heranmanövrieren. In den letzten Phasen des Abstiegs wird die Sinkgeschwindigkeit durch Fallschirme und Bremsraketen verzögert. Nach Ende ihres 500-tägigen Aufenthaltes starten die Astronauten mit einem Wiederaufstiegsfahrzeug und steigen in das in der Umlaufbahn wartende Passagierschiff, das sie wieder zur Erde zurückbringt. Für die erste bemannte Marsmission wird ein vollbetanktes Wiederaufstiegsfahrzeug an die Wohn- und Landeeinheit angekoppelt sein; bei späteren Missionen werden die Wiederaufstiegsfahrzeuge hingegen schon vorher auf der Marsoberfläche bereitgestellt und nutzen dann auch Raketentreibstoff, der auf dem Mars hergestellt wurde. Erste Tests zur Produktion von Treibstoff sollen die unbemannten Sonden "Mars Surveyor" durchführen. Nach dem Fehlschlag der beiden letzten Marsmissionen ist jedoch ungewiss, wann sie starten werden.

Die Marsumgebung


Als erstes werden die Astronauten merken, dass sie wieder der Schwerkraft unterliegen. Doch das Gehen auf Mars wird anders sein als auf der Erde. Die geringere Schwerkraft bedingt, dass ein Schritt nur etwa halb so viel Energie kostet wie auf unserem Heimatplaneten. Außerdem werden sich die Astronauten nur mit etwa 60 Prozent ihrer irdischen Schrittgeschwindigkeit fortbewegen.


In der sehr dünnen Marsatmosphäre – ihr Druck entspricht der irdischen Atmosphäre in 35 Kilometern Höhe – werden Temperatur- und Druckwerte in weiten Bereichen und sehr schnell schwanken, die Wetterbedingungen insgesamt jedoch recht gleichförmig sein. Auch wenn der Wind auf Spitzengeschwindigkeiten von 100 Kilometern pro Stunde auffrischen kann, ist die Kraft, die er ausübt, nur sehr gering. Die Astronauten können auf Mars durchaus Nebel, Frost und zarte, blaue Wolken am frühen Morgen erleben. Der Himmel ändert im Laufe des Tages und je nach Blickrichtung seine Farbe: Mittags und nahe dem Horizont erscheint er durch die Streuung an dem feinen Staub in der Atmosphäre rot: bei Auf- und Untergang der Sonne ist er blau, ansonsten karamellfarben. Die Beleuchtung verwirrt das Auge. Durch den Wechsel von direkter zu indirekter Sonneneinstrahlung können Felsen ganz unterschiedlich wirken, je nachdem zu welcher Tageszeit man sie beobachtet (Fotos unten).

Der Mars ist eigentlich recht langweilig und flach. Die durch Fotos der Pathfinder-Mission bekannte Formation "Twin Peaks" ist nur 50 Meter hoch, jedoch aus einer Entfernung von einem Kilometer deutlich gegen den Horizont auszumachen. Selbst "Olympus Mons", mit 26 Kilometern Höhe der höchste Berg im Sonnensystem, hat nur eine Steigung von wenigen Prozent. Doch gibt es auch canyonartige Landschaften wie etwa das so genannte "Valles Marineris".

Wegen seiner extremen Flachheit werden die Astronauten leicht bemerken, dass Mars kleiner als die Erde ist: Der Abstand zum Horizont ist nämlich proportional zur Quadratwurzel des Planetenradius. Zwei 1,70 Meter große Menschen könnten sich noch bis zu einer Entfernung von sieben Kilometern sehen. Auf der Erde kann man nur selten die theoretische Horizontlinie (etwa 9,5 Kilometer entfernt) sehen, da sie meistens von der Topographie verdeckt ist. Die nahe Horizontlinie auf Mars beschränkt zugleich die Möglichkeiten einer direkten Funkverbindung, da es dort keine die Funkwellen reflektierende Ionosphäre gibt. Die Astronauten werden deshalb auf Telekommunikationssatelliten angewiesen sein.

Die größten Probleme für Menschen auf dem Mars könnten von den feinen Staubteilchen herrühren. Da es auf dem Roten Planeten kein flüssiges Wasser gibt, das die Erosionsprodukte binden und fortschwemmen könnte, ist er vollständig mit einer dicken Staubschicht bedeckt. Die mittlere Größe der Teilchen entspricht mit zwei Mikrometern hierbei in etwa der Größe von Aerosolen im Tabakrauch. Dieser feine Staub könnte die Raumanzüge verkleben, die Helmvisiere verkratzen, Kurzschlüsse hervorrufen, Geräte sandstrahlen und Elektromotoren lahm legen. Auf dem Mond, der ähnlich staubig ist wie Mars, begannen die Raumanzüge der Apollo-Astronauten bereits nach zwei Tagen zu lecken.

Ferner lassen die Analysen der Viking-Sonden darauf schließen, dass die Staubteilchen mit Substanzen ummantelt sind, die in höchstem Maße Korrosion begünstigen, wie zum Beispiel Wasserstoffperoxid. Auch wenn ihre Konzentration nur gering ist, können diese Stoffe Gummidichtungen doch nach und nach zerstören. Die Nasa plant detailliertere Studien hierzu auf einer ihrer nächsten Marslandemissionen.

Ein geringer Teil der Staubpartikel besteht, wie Ergebnisse des Mars Pathfinder vermuten lassen, aus Quarz und stellt somit ein nicht zu vernachlässigendes Gesundheitsrisiko dar. Wird er inhaliert, kann die gefürchtete Staublunge entstehen – eine nicht zu behandelnde Lungenkrankheit, der jedes Jahr Hunderte von Minenarbeitern allein in den Vereinigten Staaten zum Opfer fallen. Vor jeder Rückkehr in das Wohnmodul müssten sich die Astronauten einer gründlichen Reinigung unterziehen. Das wird nicht einfach sein, da der Staub durch magnetische oder elektrische Ladungen überall hängen bleibt und Wasser zum Abspülen Mangelware ist. Die Astronauten könnten sich allerdings mit Trockeneis, das aus der Marsatmosphäre auskondensiert, abreiben. Des weiteren könnten zweilagige Raumanzüge helfen, deren äußere Schicht stets in einer Luftschleuse außerhalb des Wohnbereichs verbliebe.

Auch die Elektrizitätsversorgung wäre durch den Staub gefährdet. Die elektrische Leistung der Solarzellen von Mars Pathfinder sank kontinuierlich ab – um ein Prozent alle drei Tage –, da sich auf ihnen immer mehr Staub ablagerte. Ein Sturm auf Mars würde den Himmel sogar soweit verdunkeln, dass sich die Leistung der Solarmodule halbierte. Aus diesem Grunde könnte eine bemannte Marsmission auf die Versorgung durch einen Kernreaktor mit mindestens 100 Kilowatt Leistung angewiesen sein.

Besonderes Augenmerk muss auf Mikroorganismen gelegt werden. Es ist praktisch nicht zu vermeiden, dass die Astronauten Mikroben von der Erde auf den Roten Planeten einschleppen, was natürlich dort die Suche nach Leben erschwert. Umgekehrt könnten auch Marsorganismen – falls es sie gibt – mit den Astronauten zur Erde zurückkehren. Diese würden zwar vermutlich keine Epidemien beim Menschen oder anderen irdischen Lebewesen auslösen, da sie sich zu sehr von unseren Krankheitserregern unterschieden. Das Risiko ist jedoch nicht gleich Null.

Noch gibt es keine verlässliche Methode, einen zurückkehrenden Astronauten vollständig zu dekontaminieren. Die Quarantäne-Vorschriften während des Apollo-Programms waren unhandlich, nicht unumstritten und vor allem nicht hundertprozentig sicher. Außerdem könnte sich ein großes Dilemma ergeben: Sollte ein erkrankter Astronaut daran gehindert werden, zur Erde zurückzukehren, wenn die Gefahr einer Infektion durch Marsorganismen nicht ausgeschlossen werden kann? Ein Bericht des Nationalen Forschungsrates der Vereinigten Staaten von 1992 empfahl, die Existenz von früherem oder gar noch immer vorhandenem Leben auf Mars zu klären, bevor Astronauten dorthin fliegen. Denn wenigstens diese sollten wissen, welche Regionen der Marsoberfläche als sicher gelten können und welche Vorkehrungen an anderen Stellen getroffen werden müssten, um einen direkten Kontakt mit marsianischen Lebensformen zu vermeiden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2000, Seite 53
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
6 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 6 / 2000

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