Dragon: SpaceX macht mobil für den Mars
Elon Musks Traum von einem Alterssitz auf dem Mars rückt wieder etwas näher: Das private Raumfahrtunternehmen SpaceX will im Jahr 2018 ein umgebautes Dragon-2-Raumschiff auf dem Nachbarplaneten landen. Es ist der erste Schritt eines ehrgeizigen Plans: Der Firmenchef will die Einnahmen von SpaceX dafür nutzen , die Menschheit auf den Roten Planeten zu bringen und damit unabhängiger von der Erde zu machen.
Die "Red Dragon" genannte Mission wird in Kooperation mit der Nasa stattfinden. Am vergangenen Wochenende hat SpaceX dazu erste Details veröffentlicht. Wir erklären, wie die schwerste Mars-Landekapsel aller Zeiten zum Mars kommen soll und wozu die Hilfe der Nasa bei der Landung nötig ist. Denn die Landung ist mindestens genauso schwierig wie der Start.
Der schwerste Mars-Lander aller Zeiten
SpaceX hat sich für die erste Mars-Mission mit der Dragon 2 viel vorgenommen. Die Kapsel ist viel schwerer als der bisher schwerste Mars-Rover Curiosity(öffnet im neuen Fenster) : Er wog bei der Landung 900 Kilogramm. Aber schon eine leere Dragon-2-Kapsel wiegt über vier Tonnen. Das ist für besondere Missionen wie etwa die Sample-Return-Mission nötig, bei der Proben von der Marsoberfläche zur Erde zurückgebracht werden sollen und die SpaceX schon 2014 als möglichen Einsatzzweck angekündigt hat. Diese Art von Mission ist nur mit einer sehr hohen Landemasse möglich, immerhin muss dafür eine Rakete für den Rückflug der Proben auf dem Mars landen.
Zurzeit kann nur SpaceX eine Rakete bauen, die über zehn Tonnen Nutzlast auf so eine Flugbahn bringen kann: die Falcon-Heavy-Rakete, die 2016 erstmals fliegen soll. Space X hat die neuen Leistungsdaten seiner Raketen erstmals inklusive der Nutzlast zum Mars veröffentlicht und außerdem eine weitere Leistungssteigerung der Merlin-Triebwerke verkündet(öffnet im neuen Fenster) .
Falcon Heavy - die Mars-Rakete
Die Rakete, die den schweren Lander zum Mars bringen soll, wird eine Falcon-9-Rakete mit abtrennbaren Seitenboostern(öffnet im neuen Fenster) sein. Ähnlich wie bei der amerikanischen Delta IV Heavy oder der russischen Angara-5-Rakete werden diese Booster fast identische Kopien der ersten Stufe der Falcon 9 sein.
Kurz nach dem Start werden die Triebwerke der mittleren Raketenstufe gedrosselt, um Treibstoff zu sparen. Dadurch verbleibt eine größere Treibstoffreserve in der Stufe, wenn die Booster abgetrennt werden und zur Landung zurückfliegen. Ob auch die mittlere Stufe gelandet wird, ist wegen der hohen Geschwindigkeit aber noch nicht klar. Die vollständige Rakete wird beim Start über 1.400 Tonnen wiegen und soll bis zu 13,6 Tonnen auf eine Flugbahn zum Mars bringen können.
Eine Rakete wie die Falcon Heavy gehörte schon von Anfang an zu den Plänen von SpaceX. Damals hatte die Falcon 9 noch kaum mehr als die Leistung einer Sojus-Rakete. Sie hätte selbst die schweren kommerziellen Nachrichtensatelliten nicht in einen Orbit für eine geostationäre Umlaufbahn bringen können. Die Einführung der Falcon Heavy verzögerte sich vor allem, weil die Falcon 9 immer besser wurde und die nötige Nutzlast auch ohne Booster erreichen konnte.
Merlin - ein zauberhaftes Triebwerk
Vor allem die Leistung der Merlin-Triebwerke(öffnet im neuen Fenster) hat eine erstaunliche Entwicklung durchgemacht. Die Merlin-1C-Triebwerke der ersten Falcon 9 lieferten noch einen maximalen Schub von 480 kN. Mit dem Merlin-1D-Triebwerk schaffte es SpaceX, das Gewicht der Merlin-Triebwerke um ein Viertel zu senken und dabei den Schub um die Hälfte zu erhöhen. Später wurde der Treibstoff unterkühlt, um eine höhere Dichte zu erreichen und mehr Treibstoff in die gleichen Tanks füllen zu können. Wegen der höheren Dichte können aber auch die Pumpen mit der gleichen Leistung mehr Treibstoff fördern. Dadurch konnte der Schub der Triebwerke steigen.
Nach der Untersuchung der Triebwerke von erfolgreich gelandeten Erststufen einer Falcon 9 und weiteren Tests stellten sich die Merlins als noch robuster heraus als gedacht. Elon Musk hat nun eine weitere Steigerung bis auf 914 kN angekündigt. Der Schub der Merlin-Triebwerke ist damit mehr als doppelt so groß wie am Anfang und fast 200-mal so groß wie ihr Gewicht.
Die Landung wird schwierig
Die Mission für 2018 wird mit Sicherheit weniger anspruchsvoll ausfallen, aber für die Landung gilt das nicht. Wegen des hohen Gewichts der Kapsel muss SpaceX eine völlige andere Landetechnik anwenden, als es bei Marslandungen bisher üblich war. Dabei soll die Nasa mit ihrer Erfahrung helfen, mit der SpaceX bereits 2014 einen Kooperationsvertrag für die Marslandung unterschrieben hat. Die Raumfahrtbehörde soll auch mit den Radioantennen des Deep Space Network die Kommunikation mit dem Mars sicherstellen.
Die Kapsel dringt beim Anflug auf den Mars mit 6,8 Kilometern pro Sekunde (Mach 20) in die Atmosphäre ein. Wie bei einer Landung auf der Erde baut sie auch beim Mars den größten Teil ihrer Bewegungsenergie schon in den oberen Schichten ab. Für eine Landung mit Fallschirm darf eine Kapsel nicht viel schneller als Mach 3 sein, da sonst der Fallschirm zerstört wird. Doch wegen der dünnen Atmosphäre wäre eine so schwere Kapsel erst kurz vor dem Aufschlag langsam genug. Das Problem ist der ballistische Koeffizient(öffnet im neuen Fenster) . Eine schwerere Kapsel verdrängt weniger Luft im Vergleich zu ihrer Masse und wird deshalb weniger abgebremst. Für eine erfolgreiche Landung müssen deswegen andere Techniken verwendet werden.
Der ballistische Koeffizient kann durch aufblasbare Konstruktionen(öffnet im neuen Fenster) erhöht werden, wie sie die Nasa schon getestet hat. Sie erhöhen die Oberfläche, die mit der Atmosphäre in Kontakt kommt, ohne dabei die Masse zu stark zu beeinflussen. Mit zunehmender Masse muss aber auch das Luftkissen immer größer werden. Um noch größere Raumschiffe zu landen, wie sie für bemannte Landungen auf dem Mars nötig wären, ist auch diese Technik nicht ausreichend.
Längere Bremswege sind erwünscht
Eine zweite Möglichkeit, um besser abzubremsen, ist, den Weg durch Atmosphäre zu verlängern. Bisher fielen die Landekapseln der Gravitation folgend direkt auf den Mars zu. Aber auch der Flug einer einfachen Kapsel ohne Flügel kann in einem gewissen Rahmen gesteuert werden. Durch Verlagerung des Schwerpunkts innerhalb der Kapsel fliegt sie mit einem leichten Anstellwinkel durch die Atmosphäre. Die Asymmetrie des Luftflusses über und unter der Kapsel erzeugt dabei einen gewissen Auftrieb.
Der Auftrieb darf aber auch nicht zu stark werden. Denn am Anfang ist die Geschwindigkeit der Kapsel immer noch größer als die Fluchtgeschwindigkeit des Mars. Wenn die Kapsel zu früh aus der Atmosphäre gerät und noch zu schnell ist, würde sie einfach wieder vom Mars wegfliegen. Stattdessen wird die Kapsel zuerst aktiv nach unten gesteuert, um in die etwas dichtere Atmosphäre zu kommen und erst dann mit zusätzlichem Auftrieb länger in der Luft gehalten, um dort weiter abzubremsen.
Tatsächlich reicht auch das nicht, um eine Dragon-Kapsel noch in ausreichender Höhe abzubremsen. Aber die Technik hat den Vorteil, dass das Landeprofil aktiv beeinflusst werden kann, was für eine Punktlandung unbedingt nötig ist. Zurzeit finden Landungen auf dem Mars immer nur innerhalb einer mehrere Kilometer großen Landeellipse statt. Für den letzten Rest Genauigkeit sorgt vor allem der letzte Flugabschnitt. Denn die restliche Geschwindigkeit muss mit Raketentriebwerken abgebaut werden, die dann auch für die Landung sorgen.
Bremsen mit Raketenkraft
Dabei müssen die Triebwerke bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit gegen die Flugrichtung gezündet werden. Da hilft es, dass die Dragon-2-Raumschiffe ohnehin mit acht Super-Draco-Triebwerken(öffnet im neuen Fenster) ausgestattet sind. Mit ihren jeweils 73 kN Schub sollen sie das Raumschiff bei Problemen mit der Rakete schnell in Sicherheit bringen können oder, stark gedrosselt, eine sanfte Landung auf der Erde ermöglichen.
Lange Zeit war aber nicht klar, ob das auch funktioniert. Bis vor kurzem wurde noch nie ein Raketentriebwerk gegen den Staudruck der Luft bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit gezündet und betrieben. Es war nicht einmal völlig klar, ob die Triebwerke dabei überhaupt eine Wirkung zeigen würden, außer die Luft vor dem Raumschiff zur Seite zu drücken.
Einige Berechnungen zeigten sogar, dass schwache Raketentriebwerke unter bestimmten Umständen die Schockwelle in der Luft vor dem Raumschiff stören und dabei die Luftreibung verringern würden. Die Super Dracos sind aber alles andere als schwach, und es zeigte sich, dass ihr Schub die subtilen Effekte bei der Interaktion mit der Atmosphäre bei weitem überwiegt.
Die Praxis ist besser als alle Theorie
Erst die Tests mit Landung der ersten Stufe der Falcon-9-Rakete auf der Erde brachten Sicherheit. Sie waren eine gute Simulation dessen, was auch beim Eintritt in die Marsatmosphäre passieren würde. Die Nasa schickte eigens ein Flugzeug mit Wärmekameras zu einem der Starts, um das Manöver genauer zu untersuchen. Für das Landemanöver muss die Dragon-Kapsel ungefähr 30 Prozent ihres Gewichts als Treibstoff mitführen, wozu extra Tanks benötigt werden. Das sind rekordverdächtige Werte: Um den 900 kg schweren Rover Curiosity zu landen, war ein Raumschiff mit 3,6 Tonnen Masse nötig.
Für die Sample-Return-Mission war geplant, den Dragon mit etwa 3 Tonnen Treibstoff und einer 1,3 Tonnen schweren Rakete zu beladen, womit immer noch über eine Tonne Nutzlast für Instrumente und andere Geräte verblieben wäre. Dazu kommt noch die Masse für ein abtrennbares Servicemodul, das die Dragonkapsel auf dem Weg zum Mars unter anderem mit Strom versorgt und als Radiator für die Kühlung sorgt.
Wenn die Rakete nicht durch die Brücke passt
In den nächsten Jahren wird an der Landung und den Raketen noch getüftelt werden. Inzwischen ist der Durchmesser der Rakete das größte Hindernis für eine weitere Verbesserung der Falcon 9. Ein größerer Schub verringert zwar die Gravitationsverluste beim Start, weil die Rakete schneller startet und weniger lang gegen die Gravitation arbeiten muss. Aber eine größere Treibstoffmenge, die dem höheren Schub der Triebwerke angemessen ist, würde die Nutzlast noch deutlich stärker steigen lassen. Die Tanks können aber nicht größer als 3,66 Meter sein, weil sie zurzeit mit Lkw über die Straße transportiert werden. Gleichzeitig sind sie jetzt schon so lang, dass sie nicht mehr verlängert werden können.
Eine noch größere Rakete, die auch bemannte Raumschiffe zum Mars bringen soll, ist bei SpaceX aber schon in Arbeit. Sie soll das neue "Raptor"-Triebwerk verwenden. Es wird mehr als doppelt so viel Schub wie das Merlin-Triebwerk haben, statt Kerosin flüssiges Methan verbrennen und in einem effizienteren Treibstoffzyklus betrieben. Details zum "Mars Colonial Transport" will Elon Musk aber erst im September veröffentlichen.
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