Wenn es nach B. Kent Joosten geht, Chefingenieur im Exploration Office am Johnson Space Center, der die „Mars Reference Mission” der NASA mit ausgearbeitet hat, werden zunächst zwei unbemannte Raumfahrzeuge durchstarten – sie bilden die technische Vorhut. Die eine soll das Earth-Return Vehicle (ERV) in eine Mars-Umlaufbahn befördern, mit dem die künftigen Astronauten zur Erde zurückfliegen werden. Die andere bringt die Aufstiegsrakete – das Ascent Vehicle (AV) – auf die Mars-Oberfläche, ferner ein Wohnmodul, ein automatisches Kraftwerk zur Produktion von Treibstoff sowie Fahrzeuge und Forschungseinrichtungen. (Mit dem AV werden die Astronauten nach ihrer Erkundung des Mars zum ERV im Orbit fliegen und mit diesem wieder zur Erde zurückkehren.) Die Astronauten – sechs sind es nach NASA-Plänen – würden dann drei Jahre später aufbrechen. Außerdem soll je ein weiteres ERV und AV starten, das einer nachfolgenden Mission zur Verfügung steht, aber zugleich der ersten Mannschaft als Ersatzsystem dient, falls etwas schief geht. „Die Crew wird alles in zweifacher Ausfertigung haben”, sagt Joosten.
Das zweite Wohnmodul kann mit dem ersten verbunden werden und, solange es nicht gebraucht wird, vielleicht als Treibhaus zur Erzeugung von Getreide und Gemüse dienen. Die Flugpläne müssen sich nach der jeweiligen Position von Erde und Mars im All richten: Nur alle 26 Monate gibt es ein Startfenster, das die Wegstrecke und damit auch Flugzeit, Treibstoffmenge und Kosten minimiert. Die Strecke beträgt 370 Millionen Kilometer – etwa das Tausendfache der Erde-Mond-Distanz. Zwei Szenarien werden erwogen:
• Eine zirka 980-tägige Langzeitmission: 235 Tage für den Hinflug, 510 Tage Mars-Aufenthalt und 235 Tage für den Rückflug.
• Eine kürzere Mission für etwa 505 Tage: 235 Tage für die Hinreise, nur 30 Tage auf dem Mars und 240 Tage für den Flug zurück zur Erde. Nachteil: Für dieses Szenario ist mehr Treibstoff nötig, und der Rückflug führt über eine Route, die innerhalb der Erdbahn (fast bis zum Venus-Abstand von der Sonne) verläuft – mit einem größeren Strahlenrisiko und einer doppelt so hohen thermischen Belastung der Systeme. Auch ist ein Monat Zeit auf dem Mars wohl zu kurz, um eine neue Welt zu erschließen.
„Für die Einzeltransfer-Mission sind rund 1000 Tonnen Abflug-Masse im Erdorbit nötig – das Doppelte der kompletten Internationalen Raumstation”, sagt Tanja Schmidt vom Institut für Raumsimulation am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. „Insgesamt müssen etwa 200 Tonnen Nutzlast zum Mars transportiert werden. Weitere 60 Tonnen entfallen auf das Transit-Habitat, in dem die Crew lebt.” Das sind ganz andere Größenordnungen als bei unbemannten Einweg-Sonden, die viel länger unterwegs sein können und nur einige Kilogramm Nutzlast mit sich führen. Ein Teil des Treibstoffs für die Rückreise und die Mars-Fahrzeuge soll an Ort und Stelle erzeugt werden, um Gewicht und damit Kosten zu sparen. Die Triebwerke und Motoren arbeiten mit Flüssigsauerstoff und Methan. Dazu wird Kohlendioxid aus der Mars-Atmosphäre mit Hilfe von mitgebrachtem Wasserstoff in Sauerstoff und Methan aufgespalten. Aus dem Wasser gewinnt man Wasserstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff wird auf Flüssigkeitstemperatur heruntergekühlt, der Kohlenstoff reagiert mit Wasserstoff zu Methan. Wasserstoff könnte vielleicht sogar aus dem Wassereis im Boden gewonnen werden. „Die automatische Treibstoff-Fabrik hat die Tanks der Aufstiegsrakete schon gefüllt, bevor überhaupt ein Astronaut gelandet ist”, sagt Joosten. Die Energie für die Treibstoff-Produktion wird mit einem Reaktor oder Solarzellen gewonnen.
Jeder ist sich darüber im Klaren, dass der Mars-Flug kein Spaziergang sein wird. „Doch im Weltraum sind wir nur sechs Monate am Stück, und das ist etwas, worin wir dank der Raumstationen bereits Erfahrung haben”, sagt Joosten. „Wir müssen aber lernen, wie man auf dem Mars lebt.” Freilich ist der Aufenthalt im Weltraum ohne den Blick auf die Erde anders als im Erdorbit. Diese psychische Belastung darf genauso wenig unterschätzt werden wie physiologische Effekte (Strahlenbelastung, Muskelschwund, Abbau der Knochendichte).
Eine Herausforderung ist auch die Abbremsung vor der Mars-Landung. Um nicht zusätzlichen Treibstoff zu verbrauchen, ist eine Verringerung der Eintrittsgeschwindigkeit von 7,7 Kilometern pro Sekunde auf eine für die Landung tolerierbare Geschwindigkeit von 3,3 Kilometern pro Sekunde durch die Luftreibung in der Mars-Atmosphäre nötig. „Die hierbei in Oberflächennähe freigesetzte Energie geht zum Großteil auf das Fahrzeug über und muss von einem Hitzeschutzsystem entweder abgestrahlt oder durch ablative Kühlung vom Inneren des Fahrzeugs fern gehalten werden”, sagt Monika Auweter-Kurtz. Ein Team der Professorin am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart arbeitet an der Simulation der Eintrittsbedingungen für Sonden in die Atmosphäre der Erde und anderer Himmelskörper. „Wir haben auch die Qualität des Hitzeschutzschildes für die japanische Mission Muses-C sichergestellt, die Materie eines Kometen zur Erde bringen soll”, sagt Pia Endlich.
Ingenieure in Amerika und Europa überlegen zur Zeit, inwiefern sich fortgeschrittene Antriebe beim Mars-Flug verwenden lassen, beispielsweise elektrische Antriebe oder Nuklearantriebe. „ Chemische Antriebe haben eine kurze Brennzeit und einen hohen Schub, bei elektrischen ist es gerade umgekehrt”, sagt Monika Auweter-Kurtz. Sie ist auch an der Entwicklung von verschiedenen Arten solcher Antriebe beteiligt, bei denen Entladungen Treibstoff erhitzen, teilweise ionisieren und auf bis zu 20 Kilometer pro Sekunde beschleunigen. „Damit sind deutliche Reduktionen in den Treibstoff- und somit den Start-Massen möglich, ohne große Zunahme der Flugzeiten”, betont Pia Endlich. „ Daher sind diese Arten von Antrieben nicht nur eine Alternative zu chemischen bei einer Langzeitmission, sondern wahrscheinlich auch die einzig mögliche Option bei einer Kurzzeitmission. Und um eine solche wird es sich bei der ersten bemannten Mars-Landung wohl handeln.”
Robert Zubrin, der Präsident der Mars Society, rät dagegen von zu viel Experimentierfreude ab und favorisiert die konservativen chemischen Antriebe. Alles andere sei zu teuer und zu unausgereift. Er hat ein eigenes, billigeres Programm entwickelt, „Mars Direct”, von dem die NASA inzwischen Teile übernahm. Zubrin will mit nur vier Personen loszufliegen, zwei Ingenieuren und zwei Wissenschaftlern. Mars Direct kommt mit zwei Raketen aus: Einem ERV, das vorab auf Mars landet, und der Rakete für die Mannschaft, die zwei Jahre später ankommt. Allerdings muss für das ERV wesentlich mehr Treibstoff auf dem Roten Planeten hergestellt werden als bei der NASA-Referenzmission, weil der Rückflug direkt vom Mars zur Erde geht – ohne Umsteigen in einer Mars-Umlaufbahn.
Rüdiger Vaas
