Hier wurde ein Konzept einer bemannten Kurzzeitmission zum Mars vorgestellt, die himmelsmechanischen Hintergründe erklärt und somit die theoretische Machbarkeit gezeigt. Grob gesagt dauert der Hinflug zum Mars acht Monate, der Aufenthalt sechs Wochen und der Rückflug zur Erde sechs Monate. Eine Besonderheit ist das Paternoster-Prinzip, also die Verwendung zweier Raumschiffe, die zwischen Erde und Mars auf freien Rückkehrbahnen pendeln und auf die die Astronauten sozusagen „aufspringen“. Das Raumschiff für den Hinflug wurde Obelix getauft, das für den Rückflug Asterix.
Dieser Teil befasst sich mit den technischen Randbedingungen und stellt Lösungsansätze für einige Detailprobleme vor.
Mehrere Jahre vor Beginn der ersten bemannten Marsmission wird Obelix unbemannt auf eine exzentrische Bahn um die Sonne geschossen. Seine Masse beträgt 25000 kg. Eine Rakete der Größe der Saturn 5, die für das Apollo-Programm eingesetzt wurde, schafft es, Obelix einen Geschwindigkeitszuwachs von 6424 m/s zu ermöglichen. Dies reicht bei weitem aus, um das Schwerefeld der Venus zu erreichen. Dort wird die Exzentrizität der Bahn durch einen nahen Vorbeiflug an dem Planeten weiter erhöht. Mehrere Monate später wird wieder die Erdbahn erreicht, wo ein weiteres Swingby an der Erde erfolgt und der endgültige hochexzentrische Orbit von Obelix erreicht wird, der bis zur Marsbahn reicht.
Zwei Startfenster vor dem Beginn der ersten bemannten Mission wird mit zwei getrennten Flügen der Marsorbit-Komplex auf einer energiearmen Hohmann-Bahn vom Erdorbit zum Marsorbit gebracht. Der Marsorbit-Komplex besteht aus den beiden Landerstufen, zwei Rückkehrstufen und zwei Andockknoten. Seine Gesamtmasse wird mit mehr als 55 t angenommen. Zwei Trägerraketen der Größe von jeweils einer Saturn 5 reichen dafür aus.
Asterix wird drei Jahre vor dem Beginn der Rückreise der späteren Mannschaft vom Mars, also 26,5 Monate vor deren Start von der Erde, ebenfalls mit einer Rakete der Größe einer Saturn 5 in seinen Orbit um die Sonne gebracht. Er enthält bereits die Versorgungsgüter für die Astronauten für den künftigen Rückflug vom Mars zur Erde. Insgesamt beträgt seine Masse 25000 kg.
Die eigentliche bemannte Marsmission beginnt mit dem Start von zwei Taxis mit jeweils zwei Astronauten. Für jedes dieser Taxis ist wiederum eine Rakete wie die Saturn 5 erforderlich, weil Obelix ohne weitere Swingby-Manöver direkt vom Erdorbit aus erreicht werden muss. Ein Taxi besteht aus der eigentlichen Kapsel für die beiden Astronauten sowie einem Antriebs- und Versorgungsteil. Die Kapsel hat eine Masse von 2000 kg, das Antriebs- und Versorgungsteil von 5000 kg. Das Antriebs- und Versorgungsteil wiederum führt 1935 kg Wasser mit, das als Trinkwasser oder als Antrieb für Obelix später benötigt wird. Diese Masse von insgesamt 7000 kg kann bei einer Gesamtmasse im Orbit von 120000 kg auf die notwendigen 11834 m/s beschleunigt werden, um Obelix direkt zu erreichen. Die Kopplung der beiden Taxis an Obelix findet wenige Tage nach dem Start von der Erde statt.
Zeitgleich mit den beiden bemannten Starts findet ein dritter unbemannter Start mit der Versorgungskapsel statt, die wie die Taxis eine Masse von 7000 kg hat, unterteilt in 3500 kg Leermasse, 400 kg Treibstoff und 3100 kg Zuladung. Auch diese Kapsel benötigt eine Gesamtmasse von 120000 kg im Erdorbit und einen Geschwindigkeitszuwachs von 11834 m/s und koppelt dann automatisch an Obelix.
(Die Massen von Taxi und Versorgungskapsel sowie die Verhältnisse Leermasse, Treibstoff und Zuladung wurden nach den jeweiligen Werten der Gemini-Kapseln und des ATV abgeschätzt. Die Gemini-Kapseln waren auf einen Zweimannbetrieb sowie Bahnkorrekturen ausgelegt und das ATV ist quasi auch eine Versorgungskapsel mit begehbarem Laderaum und eigenem Antrieb.)
Der Weiterflug der vier Astronauten erfolgt an Bord von Obelix und dauert insgesamt acht Monate. An Bord von Obelix sind der notwendige Platz, alle Versorgungsgüter für die lange Reise und Atemluft- und Wasseraufbereitungsanlagen bereitgestellt. Nach zwei Monaten wird der sonnennächste Punkt der Bahn erreicht, der fast der Bahn von Merkur entspricht. Obelix wendet stets die gleiche Seite der Sonne zu, die mit einer stark reflektierenden Folie versehen ist, die den größten Teil der Strahlungswärme reflektiert. Dahinter befindet sich ein Wärmetauscher, der die Instrumente und die Kabine von Obelix mit Wärme versorgt. Überschüssige Wärme wird von Radiatoren abgestrahlt. Vor ionisierenden Strahlen sind die Astronauten durch große Massen vor der Mannschaftskabine abgeschirmt. Vier Monate nach dem Start wird wieder die Erdbahn erreicht, allerdings mit einem großen Vorsprung vor der „dahinter anfliegenden“ Erde. Vier weitere Monate vergehen bis zum Erreichen der Marsbahn.
Bild 1: Obelix in Konfiguration Reise Erde-Mars.
Falls während der Zeit technische Probleme mit irgendeiner der Komponenten der Marsmission auftreten kann der Flug abgebrochen werden, in dem die Astronauten einfach in Obelix verbleiben. Ein Jahr nach dem Abflug bzw. vier Monate nach dem Vorbeiflug am Mars wird die Erde wieder erreicht und die Astronauten können mit den Taxis in die Atmosphäre der Erde eindringen, auf Orbitgeschwindigkeit abgebremst werden und von dort mit einer Raumfähre abgeholt werden.
Wenn der Flug störungsfrei verläuft lösen sich kurz vor Erreichen der Marsbahn die beiden Taxis mit den Astronauten von Obelix.
Obelix fällt nach Passieren des Mars antriebslos wieder zur Erde zurück, die er vier Monate später wieder erreichen wird. Durch ein Swingby-Manöver an der Erde wird er dort auf einen neuen Kurs zum Mars gebracht. Mit einem Ionentriebwerk, das mit 8181 kg Wasser betrieben wird, ist er in der Lage, bis zum nächsten oder übernächsten Startfenster wieder für einen Flug zum Mars auf dem richtigen Kurs zu sein. In dieser Zeit wird er von einem Versorgungsraumschiff erreicht und so für den nächsten bemannten Flug zum Mars vorbereitet.
Die beiden Taxis dringen in die Atmosphäre des Mars ein und werden dadurch auf eine Relativgeschwindigkeit abgebremst, die ein Einschwenken in einen niedrigen Marsorbit ermöglicht. Dort folgt dann die Kopplung mit dem Marsorbit-Komplex.
Bild 2: Marsorbit-Komplex nach Ankunft der Besatzung.
Die Antriebs- und Versorgungsteile der Taxis werden nicht mehr benötigt und unmittelbar nach dem Andocken an den Orbit-Komplex abgekoppelt. Schon bald danach werden auch noch ein bemanntes Taxi sowie eine Landereinheit abgekoppelt und miteinander verbunden. Dieser Verbund landet dann auf dem Mars. Die beiden verbleibenden Besatzungsmitglieder folgen mit gleicher Methode bald darauf. Sie können drei oder vielleicht vier Wochen auf der Marsoberfläche verbleiben, bevor sie mit den Aufstiegsstufen und den Taxis wieder zum verbleibenden Marsorbit-Komplex zurückkehren. Details sind im nächsten Kapitel aufgeführt.
Bild 3: Technische Umsetzung von Landung und Start auf dem Mars sowie des Fluchtmanövers aus dem Marsorbit.
Nach 44 Tagen auf dem Mars oder im Marsorbit folgt das Verlassen des Marsorbits der beiden Taxis mit den Astronauten. Der benötigte Flüssigtreibstoff ist in den beiden Rückkehrstufen gelagert, die noch an den Marsorbit-Komplex gekoppelt sind.
Bild 4: Marsorbit-Komplex unmittelbar vor dem Rückflug zur Erde
Nach wenigen Tagen Flug ist Asterix erreicht, der seit seinem Start vor zweieinhalb Jahren in seinem zweiten Orbit um die Sonne ist. Hier verbringen die Astronauten die sechs Monate Rückflugzeit zur Erde. Asterix ist dem „Schwesterraumschiff“ Obelix recht ähnlich. Auch seine Aufgabe ist, den Astronauten genügend Platz, Versorgungsgüter, Atemluft und Wasser zur Verfügung zu stellen. Asterix hat einen großen Hitzeschutzschild, der eine aerodynamische Abbremsung in der Atmosphäre der Erde ermöglicht. Die Reise endet daher in einem niedrigen Erdorbit, in dem die Astronauten von einer Raumfähre abgeholt werden können. Asterix wird im Anschluss daran im Erdorbit für seine nächste Reise zum Mars vorbereitet.
Bild 5: Asterix in verschiedenen Konfigurationen beim Rückflug zur Erde.
In der Zwischenzeit sind mit weiteren unbemannten Missionen zum Marsorbit aufgebrochen, um den nächsten Marsorbit-Komplex zu installieren und eine weitere Versorgungskapsel für Obelix ist ebenfalls bereits auf Kurs, so dass die nächste bemannte Reise zum Mars vorbereitet ist. Vielleicht ist sogar bereits ein zweiter Asterix unterwegs, damit alle Startfenster für Reisen zum Mars genutzt werden können. Oder es wurde entschieden, nur jedes zweite Fenster zu nutzen, um die Startfrequenzen niedrig zu halten.
Wie bei der konventionellen Mission zum Mars ist es auch beim Paternoster-Konzept sinnvoll, eine Mars-Infrastruktur vorab und ferngesteuert über eine energiegünstige Hohmann-Bahn zur Verfügung zu stellen. Durch den kurzen Aufenthalt von 44 Tagen ist der Aufwand hierfür allerdings viel geringer als bei dem konventionellen Szenario; lediglich im Marsorbit muss diese Infrastruktur vorhanden sein, auf dem Mars selber aufgrund der kurzen Aufenthaltszeit nicht. Natürlich drängt sich hierbei sofort der Verdacht eines geringeren wissenschaftlichen Nutzens einer solch kurzen Aufenthaltszeit auf. Bei genauerer Betrachtung ist der Nutzen allerdings nur unwesentlich verringert.
Im Marsorbit muss mit dem Marsorbit-Komplex bereits Ausrüstung vorhanden sein, die den Astronauten Landung und Rückstart vom Mars sowie Treibstoff für den Weiterflug zu Obelix zur Verfügung stellt. Eine Vorstellung davon vermittelt Bild 2 oben. In Bild 6 ist schematisch gezeigt, wie so eine Hälfte des Marsorbit-Komplexes aussehen könnte und in Bild 7 wird deutlich, wie die Landung mit dem angekoppelten Taxi vonstatten geht.
Bild 6: Querschnittszeichnung der Ausstattung, die vorab zum Marsorbit fliegt
Bild 7: Querschnittszeichnung der Landereinheit
Die Landereinheiten sind ähnlich den Landefähren aus dem Apollo-Programm relativ spartanisch gehalten. Dennoch sollten sie den beiden Insassen einen wesentlich längeren Aufenthalt auf der Marsoberfläche ermöglichen. Anzupeilen sind ein bis zwei Wochen. Daher ist keinesfalls eine komplexe Infrastruktur für einen Daueraufenthalt auf dem Mars erforderlich. Des Weiteren ermöglichen die beiden Landungen eine größere Flexibilität als eine einmalige Landung an einem Ort. Die jeweiligen Aufenthalte auf der Oberfläche können ausnahmslos für wissenschaftliche Untersuchungen verwendet werden; weitere Arbeiten an der Infrastruktur am Marsboden sind nicht notwendig. So rechtfertigt der viel geringere Aufwand eines kurzen Aufenthalts die geringen Einbußen an wissenschaftlichem Ertrag verglichen mit einem langen Aufenthalt.
Bild 8: Rückstart vom Mars
Bei einer Startmasse von 3500 kg (2000 kg für die Kapsel und 1500 kg für den Laderaum) bräuchte ein Taxi 6282 kg Treibstoff für den Rückflug von der Marsoberfläche in einen niedrigen Marsorbit. Geht man davon aus, dass die Landung auf dem Mars ausgehend von einem niedrigen Marsorbit mit einer relativ leichten Ausrüstung zu bewerkstelligen ist, da der größte Teil der Geschwindigkeit durch einen Hitzeschild und durch Fallschirme in der Marsatmosphäre abgebaut werden kann, bevor letztendlich Raketentriebwerke für ein weiches Aufsetzen verwendet werden müssen, kommt man auf eine Gesamtmasse von etwa 16500 kg im Marsorbit. Diese Masse wird über eine Hohmann-Bahn vom Erdorbit zum Marsorbit gebracht. Auch für die Abbremsung von der Hohmann-Bahn auf den niedrigen Marsorbit kann die Atmosphäre des Mars verwendet werden, so dass die Masse des Landers nach dem Verlassen des Erdorbits in etwa 20625 kg betragen könnte. Dazu ist eine Treibstoffmasse von etwa 28448 kg notwendig, also eine Gesamtmasse von 103835 kg für beide Landereinheiten im Erdorbit. Das ist weit weniger als die Nutzlast einer Saturn 5-Rakete.
Die Paternoster Obelix und Asterix ähneln technisch prinzipiell einer kleinen Raumstation wie z.B. Saljut. Allerdings gibt es wichtige Unterschiede zu überwiegend für wissenschaftliche Missionen konzipierte Raumstationen: es müssen keine Laborgeräte mitgenommen werden, wodurch die Versorgung mit Energie und Abfuhr der Abwärme (und damit aufwändige Kühlkreisläufe) entfallen. Des Weiteren wird stets die gleiche Seite zur Sonne gewandt und es entfällt der bei Raumstationen gewohnte Durchlauf der Nachtseite der Erde, was zu konstanten thermischen Belastungen und stets konstanten Stromfluss aus den Solarzellenflächen führt. Auch Probleme mit Gravitationsgradienten und Reibung an Restatmosphäre, die bei Raumstationen technisch bedeutsam sind, entfallen.
Allerdings sind die Anforderungen an die Autonomie der Systeme höher als bei Raumstationen im nahen Erdorbit, die relativ einfach mit Nachschubgütern versorgt werden können; wie oben erwähnt kann Obelix höchstens ein Mal pro Jahr von Nachschubtransporten von der Erde erreicht werden, und diese Transporte sind aufgrund der hohen Exzentrizitäten der Orbits mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Asterix ist nur alle drei Jahre zur Wartung im Erdorbit. Für die Versorgung eines einzigen Astronauten pro Tag werden Güter von etwa 13 kg benötigt (im Wesentlichen Nahrung, Wasser, Sauerstoff, Kleidung); der größte Anteil davon ist Wasser. Sauerstoff kann mit einem realistischen Aufwand aus dem ausgeatmeten Kohlendioxid zurückgewonnen werden; die Technologie ist für die nahe Zukunft auf der internationalen Raumstation geplant und bei einer zukünftigen Marsmission sicher Stand der Technik. Zusätzlicher Sauerstoff, der in nur geringen Mengen vom Körper absorbiert wird, und der Stickstoff, der aufgrund von Leckverlusten ersetzt werden muss, kann aus Urin gewonnen werden (Elektrolyse der Wasseranteile liefert Sauerstoff und Stickstoff kann aus Ammoniak gewonnen werden, der wiederum aus dem Harnstoff im Urin hergestellt wird; Abfallprodukt ist in beiden Fällen Wasserstoff, der für die Lagekontroll-Triebwerke genutzt oder einfach abgeblasen werden kann). Eine Wiederaufbereitung des Wassers, das zur Körperpflege benötigt wird, müsste durchgeführt werden, allerdings ist dabei keine hohe Trinkwasserqualität notwendig, so dass sich der Aufwand in Grenzen halten dürfte. Ein Mensch braucht pro Tag 2,8 kg Wasser und 0,64 kg Nahrung. Es ist in jedem Falle anzustreben, dass von den benötigten 13 kg fast 10 kg pro Tag wieder aufbereitet werden können. Wenn man davon ausgeht, dass von den Astronauten nur frisches Wasser getrunken werden soll kommt man also mit einer Masse von 3,44 kg täglich pro Astronaut aus. Für Obelix würde das bedeuten, dass er für die 243 Flugtage mit 3344 kg Lebensmittel beladen werden müsste. Im Notfall müssten die Astronauten allerdings 365 Tage an Bord bleiben, daher muss Obelix weitere 1680 kg Lebensmittel als Reserve mitführen. Asterix braucht für jede Mission 2576 kg Nachschub an Lebensmitteln. Hinzu kommen natürlich weitere Güter, wie zum Beispiel die Verpackungen für die Nahrungsrationen, Wassertanks, Katalysatoren, Molekularsiebe und Filter, die bei der Atemluft- und Wasseraufbereitung verbraucht werden, sowie diverse Ersatzteile. Realistischerweise müsste man in etwa die doppelte Masse ansetzen. Dennoch hält sich, falls sich die genannte Bedingung der Wiederaufbereitungskapazität erfüllen lässt, der Aufwand in Grenzen. Bei einer konventionellen Langzeitmission müssten jedenfalls noch höhere Anforderungen an Wiederaufbereitungstechnologien und sicher auch an die Logistik gestellt werden.
Zur Verdeutlichung soll nochmals gesagt werden, dass lediglich 2,8 kg Wasser pro Astronaut und pro Tag mitgeführt wird, das frisch getrunken wird. Alles darüber hinausgehende Wasser wird aufgereinigt. Aus Urin wird Wasser gewonnen, was gemeinsam mit Kondenswasser, gebrauchtem Duschwasser und Abfallwasser aus dem Sabatier-Reaktor größtenteils zu frischem Duschwasser aufbereitet wird. Der notwendige Atem-Sauerstoff wird ebenfalls aus dem recycleten Wasser hergestellt. Das ausgeatmente Kohlendioxid wird mit Molekuarsieben aus der Atmosphäre abgetrennt und dann in einem Sabatier-Reaktor mit molekularem Wasserstoff zu Methan verwandelt, wobei weiteres Wasser als Abfallprodukt entsteht. Mit Elektrolyse wird dieses Wasser in atembaren Sauerstoff und in Kreislauf-Wasserstoff umgesetzt. Bei Wasserstoffmangel kann Methan in seine Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt werden, überschüssiger Wasserstoff hingegen kann für die Korrekturtriebwerke verwendet werden.
Ein weiterer Unterschied zu erdnahen Raumstationen ist die Anforderung an die Abschirmung der harten Strahlung von der Sonne. Hierzu sind dicke und daher sehr schwere Abschirmungen unumgänglich. Allerdings ist die Nutzung einer Synergie denkbar. Asterix muss zur Rückkehr der Astronauten bei der Erde einen Hitzeschutzschild verwenden, weil die Abbremsung bei der Erde energiesparend am besten aerodynamisch durch einen kurzen Durchflug durch die Atmosphäre zu bewerkstelligen ist. Hier kann die gleiche ablative Technologie zur Anwendung kommen wie bei konventionellen Raumkapseln, wie z. B. aus dem Apollo-Programm. Es wird also ein dicker und massiver Hitzeschutzschild notwendig. Dies kann aus Blei oder realistischer einer Bleilegierung hergestellt werden. So kann der Hitzeschutzschild gleichzeitig als Strahlungsschutzschild verwendet werden. Dies bedingt, dass Asterix stets die gleiche Seite der Sonne zuwenden muss, was allerdings technologisch zu bewältigen ist. Bei Obelix sind aufgrund des nahen Vorbeiflugs an der Sonne (zur Erinnerung: es wird fast die Merkurbahn erreicht) die Anforderungen hier noch höher. Allerdings kann die Mannschaftskabine durch die Versorgungskapsel, die gefüllt mit Vorratsgütern und mit Abfall ist, sowie der Antriebs- und Versorgungsteile der Taxis von der Strahlung der Sonne abgeschirmt werden.
Die einzelnen Berechnungen zum Text sind hier durchgeführt.