Wiederaufnahme des Mondprogrammes

Eines der mittelfristigen Raumfahrtziele, welches die DRG-GSS e.V.  propagiert und unterstützt, ist eine Wiederaufnahme des Mondprogrammes.

 

Mit Astronauten und ständigen Stationen? Das kostet doch ein Heidengeld? Richtig! Es muß aber nicht gleich soviel sein wie vor einiger Zeit in Zusammenhang mit dem amerikanischen Ex-Präsidenten George W. Bush-Vorschlag genannt wurde. Es gibt dafür eine ganze Menge von Gründen für einen zweiten Anlauf. Daß das Apollo-Programm wissenschaftlich unergiebig gewesen sei, weil der Mond eben nichts hergibt, gehört zu den hartnäckig wiedergekäuten Zeitungsenten (so, wie die verflixte Teflon-Pfanne).

 

Tatsächlich wurde das Programm fast mutwillig abgebrochen, gerade als es mit Apollo 16 und 17 begann, wissenschaftliche Früchte zu tragen. Aber hier soll jetzt nur ein ganz besonders spektakulärer Aspekt beleuchtet werden:

 

Wasser an den Mondpolen

 

Entsprechend der gegenwärtigen Interpretation der Messungen der Satelliten Clementine (1999) und Lunar prospector existieren Eisreservoire in den seit Ewigkeiten im Schatten liegenden tiefen Kraterregionen am Nord- u. Südpol. Entstanden sind diese vielleicht durch den über Jahrmilliarden erfolgenden unregelmäßigen Einschlag von Kometenkernen, von denen es ja im Sonnensystem unglaublich viel mehr gibt, als man bis vor einiger Zeit glaubte. Diese Einschläge erfolgten natürlich überall auf dem Mond, aber nur im ewigen Schatten (die Mondachse steht fast senkrecht zur Mondumlaufbahn!) konnten sich Eisvorräte ansammeln ohne gleich zu verdunsten.

wem das unglaubwürdig vorkommt, der muß bedenken, daß die Einschlagsenergie eines ankommenden Körpers auf dem Mond ca. 80 mal geringer ist als auf der Erde. So ist die Hitzeentwicklung beim Einschlag auch geringer und die Vorstellung, daß Teile der flüchtigen gefrorenen Stoffe erhalten bleiben und nun im Regolith, dem lockeren "Mondstaub", vergraben sind, nicht völlig abwegig. Dieses "Vergrabensein" ist dabei ein wichtiger Punkt. Denn freie Eisflächen sind im Vakuum nicht lange haltbar, zu-mindest wenn es sich um Wassereis handelt. Es sublimiert rasch, geht also von der festen Phase direkt in die Gasphase über und rauscht davon.

 

Liegen aber Eisvorkommen in einer Tiefe von, sagen wir mal 10 - 50 m, dann unterliegen sie einem gewissen Druck und verdampfen nur ganz allmählich, wobei der Dampf sich seinen Weg durch den Porenraum des Regoliths mühsam bahnen muß. Vermutlich hat Clementine diese austretenden Spuren gemessen und nicht das Wassereis selbst. Die räumliche Ausdehnung dieser Zone am Südpol soll ganz beachtlich sein, nämlich der Fläche von Zypern entsprechend, also ca. 9000 km2. Über die Schichtstärke ist vorläufig noch nichts bekannt.

 

Wenn es sich um eine nur 1 m dicke Schicht handeln würde, welche dazu noch mit Regolith vermengt ist, sagen wir zu 80 %, dann würden allein am Südpol fast zwei Milliarden cbm an Eis vorhanden sein, auf der Erde wären dies zwei Milliarden Tonnen an Gewicht, die Masse beträgt auf dem Mond natürlich auch zwei Milliarden Tonnen.

 

Vorteile für die Raumfahrt

Welche Art von Eis? Sicher eine unappetitliche Mischung von Wassereis, Methaneis, Ammoniakeis, CO2-Eis u. a. Beim Auftauen käme ein scheußlich stinkende und ungenießbare Brühe heraus. Phantastisch! Genau das, was man braucht.

 

Wenn es gelingt, dort auch nur ein wenig Bergbau zu betreiben und das Material mit elektromagnetischen Katapulten (Stichwort: "rail gun, coil gun") in eine Umlaufbahn zu schießen, wären die Vorteile für die Raumfahrt unvorstellbar.

 

 

Eine elektromagnetische Railgun zum Transport von Mondmaterial. Solargeneratoren (im Hintergrund rechts) liefern die Energie für Gewächshäuser, Labors und einen Raumflughafen. Bild: Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century von Pat Rawlings.

 

Energiemangel ist an den Mondpolen kein Thema, weil ja nur in den Kraterebenen ewige Nacht herrscht, auf den Kraterrändern jedoch ewiger Tag mit reichlich Sonnenausbeute. Dies wäre für die Raumfahrt so was wie der Persische Golf für die Weltwirtschaft oder das Eldorado für die Spanier (die es aber nicht gefunden haben). Warum müssen wir Wasser finden? Für Trinkwasser? Bewässerungswasser? Badewasser für Astronauten?

 

Nein, es handelt sich um Raketentreibstoff, der dort (hoffentlich), liegt.

 

Die ungenießbaren Zusätze sind zu separieren und stellen eine erfreuliche Rohstoffquelle dar, außerdem sind sie ebenfalls als Treibstoff einsetzbar. Denn alle flüchtigen Stoffe (Volatile) sind in geeigneter Kombination Energielieferanten, besonders aber Wasser, wenn es elektrolytisch in seine Bestandteile zerlegt wurde. Die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser treibt ja bekanntlich die Haupttriebwerke des Space Shuttle an. Es ist die schubstärkste nichtexotische Treibstoffkombination, die in der Raumfahrt im Einsatz ist.

 

Was könnte man nun mit zwei Milliarden Tonnen potentiellem Treibstoff auf dem Mond anfangen? Und worin besteht eigentlich der Vorteil gegenüber beispielsweise zwei Milliarden Tonnen Eis an unseren Polen bzw. der entsprechenden Wassermenge bei Cape Canaveral?

 

92% Treibstoffanteil am Startgewicht

Die potentielle Energie macht den Unterschied aus. Dieser Treibstoff liegt in der flachen Gravitationsmulde des Mondes und nicht in der tiefen Mulde der Erde. Nun wird sich mancher fragen, wieso liegen Himmelskörper in Mulden, sie schweben doch frei im Raum? Dies ist natürlich nur ein sprachliches Bild. Der dreidimensionale Raum wird durch die Anwesenheit von Masse gekrümmt. Das bedeutet, er ist nicht mehr euklidisch flach und gleichförmig nach allen Seiten. Eine Krümmung von etwas Dreidimensionalem (in die vierte Dimension, die Zeit), kann sich keiner plastisch vorstellen. Deshalb wird die Krümmung einer Fläche, etwa die eines elastischen Gummituches (der Raum) durch aufliegende Stahlkugeln (Planeten, Sterne, jede Masse), als Modell genommen. Die Krümmung erfolgt in die dritte Dimension hinein. Rechtwinklige Koordinaten auf dem Gummituch werden dabei verzerrt, verbogen. Dies entspricht ungefähr der Verbiegung der Raumkoordinaten in der Umgebung von Himmelskörpern.

 

Wer noch dunkle Ahnungen vom Mathematik- und Physikunterricht hat, erinnert sich vielleicht, daß die Krümmung einer Kurve in der Raumzeit eine beschleunigte Bewegung anzeigt. Jedes Objekt sucht sich den kürzesten Weg um von A nach B zu fallen und in der Umgebung von Masse sind dies gekrümmte Bahnen. Und jeder Versuch, eine gekrümmte Bahn zu verlassen, erfordert Energieeinsatz, je stärker die Raumzeitkrümmung ist, um so mehr Kraftaufwand wird erforderlich.

 

Mit den o.g. Gravitationsmulden sind nun also fiktive "Täler" gemeint, aus denen man sich nur herausbewegen kann, wenn Arbeit geleistet wird. Das Maß der Arbeit und der kinetischen Energie hängt dabei von der Tiefe der Mulde aber auch von der Steilheit ihrer "Böschung" ab. Wenn wir eine Nutzlast von der Erde in eine Umlaufbahn bringen, sind wir stolz darauf, mit 1.000 Tonnen Treibstoff 10 Tonnen Nutzlast nach oben geschafft zu haben.

 

Überwiegend war der Treibstoff während des Aufstieges natürlich damit beschäftigt, sich selbst anzuheben. Denn eigentlich würden, um 10 Tonnen Nutzlast auf 8 000 m/sec zu beschleunigen, nur 60 Tonnen Treibstoff erforderlich, wenn dieser mit 4000 m / sec hinten austritt. Nach der sogenannten Raketengrundgleichung von Ziolkowsky und Oberth:

                                                  V = w x  ln m1/m2

wobei

                                                    ln 70 / 10 = 1.945

es ergibt sich

                                              1.945 x 4000 = 7780 m / sec

(d.h. die bekannte Kreisbahngeschwindigkeit um die Erde)

Aber das gilt eben nur im euklidischen und luftleeren Raum, also auf dem ebenen Gummituch. Auf der Erde wird vom Grund eines tiefen "Schachtes" mit sehr steilen Wänden, also starker Krümmung des Raumes gestartet. Deshalb ist die Erdbeschleunigung von 1 g bei senkrechtem Start mit zu überwinden ohne daß sich diese Beschleunigung in einem Geschwindigkeitszuwachs äußern würde.

Dabei wird eine Menge zusätzlicher Treibstoff verbraucht, für dessen Beschleunigung natürlich weiterer Treibstoff mitgeführt werden muß und für dessen Beschleunigung weiterer usf. So kommen wir zu den riesigen Prozentsätzen von bis zu 92% Treibstoffanteil am Startgewicht. Wenn die 10 Tonnen schwere, oben erwähnten Nutzlast aber nun ein kleines Raumschiff ist, welches nach Erreichung der LEO weiter beschleunigen soll, um zum Mars zu fliegen, müssen weitere 40 oder 50 Tonnen Treibstoff mit hoch befördert werden. Damit würde die Startrakete aber 5000 oder 6000 Tonnen wiegen müssen (die Saturn 5 hatte 3000 Tonnen Startgewicht).

 

So kann sich jeder ausrechnen, warum so selten 10 Tonnen schwere Raumfahrzeuge auf entfernte Missionen geschickt werden, und worin die Schwierigkeiten einer bemannten interplanetaren Raumfahrt liegen, die ja eigentlich noch viel schwerere Fahrzeuge benötigte.

 

Volkswirtschaftlich erträgliche Kosten

Und da kommt wieder das Mondeis ins Spiel. Wenn ein Raumschiff auf einer Raumstation nachtanken kann, den Zusatztreibstoff, samt des "Rattenschwanzes" an weiteren Zusatzmengen, also nicht mit nach oben schleppen muß, ändert sich die Lage radikal.

 

Wenn Mondeis mit einer Geschwindigkeit von nur 2400 m / sec aus dem Schwerefeld des Mondes entfernt werden kann (und zwar ohne teure Raketen, sondern unter Einsatz von Solarstrom), ist dies ein Bruchteil des energetischen Aufwandes, als wenn der Treibstoff von der Erde kommt. Er liegt also schon fast oben auf der Hochebene (siehe Schemaskizze).

Wasserstoff und Sauerstoff werden getrennt gelagert (da gibt es Kühlungs- und Verdampfungsprobleme u. ä., gewiß) und stehen in Tankstellen im LEO, im GEO oder den diversen Lagrange-Punkten (vor allem L4 und L5, aber auch L1, L2 und L3) zur Verfügung.

 

Um zwei Milliarden Tonnen Treibstoff von der Erde dorthin zu schaffen, müßte man mit dem (zugegeben, irrwitzig teuren) Space Shuttle mindestens 20 Billiarden $ ausgeben, das ist das 3000-fache US-Bruttosozialprodukt eines Jahres oder das NASA-Budget von 1 Million Jahren.

 

Gravitations-"Mulden" verdeutlichen die unterschiedlichen

Energieanforderungen für Raumflüge zu einer Auswahl an Zielen

 

Der Mond würde uns helfen, zu volkswirtschaftlich erträglichen Kosten, das Tor zum Sonnensystem weit aufzustoßen. Damit stehen wir in der Situation eines Kletterers, der sich am Boden eines Schachtes mit spiegelglatten Wänden befindet und deshalb mit vollem Krafteinsatz nach oben springen müßte, aber zum Glück ist eine kleine Trittstufe eingebaut, die ihm die „Kraxelei“ ganz entscheidend erleichtert.

 

Oder wie der große Arthur Clarke auf seine sarkastische Art bemerkte:

 

"Wenn Gott gewollt hätte, daß die Menschen Raumfahrt betreiben, hätte er der Erde einen Mond gegeben."

 

Ende Teil 1

Autor: Michael Boden

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