Mit VISITOR zum Mars

Ein (fast) vergessenes Konzept

Mitte der achtziger Jahre propagierte John Niehoff den Einsatz von sogenannten VISITOR-Raumschiffen bei bemannten Marsflügen. Die NASA griff diese Idee 1988 auf, bastelte ein wenig an dem Konzept herum und packte es dann in die Schublade. Die vorgeschlagene Lösung des Strahlungs- und des Gravitationsproblems ist einfach und elegant. Der Aufwand für die erforderlichen vier VISITORe ist erheblich, aber nur, wenn sie für eine oder für ganz wenige Marsmissionen gebaut würden. Kommt es jedoch zu einem regelmäßigen Reiseverkehr zwischen Erde und Mars, erweist sich das VISITOR-Konzept als extrem kostengünstig und effizient.       

Der Name VISIT steht vordergründig für Besuch, bedeutet aber Versatile Station for Interplanetary Transport. Genau betrachtet handelt es sich gar nicht um Raumschiffe, sondern um kleine, fast antriebslose, Raumstationen. Diese sind nicht auf Erdorbits positioniert, sondern auf einer energetisch günstigen Hohmannbahn, welche die Erdbahn und Marsbahn tangiert, also als Übergangsbahn genutzt werden kann.  

 

 

Dort pendeln die Stationen regelmäßig zwischen der Erdbahn und der Marsbbahn hin und her. Die physikalisch korrekte Bezeichnung der Bewegung ist „fallen“. Im Prinzip brauchen die VISITORe, nach dem sie in diese Bahn geschossen worden sind, keinen Antrieb mehr, denn durch andockende Raumschiffe werden sie ja nicht gebremst. Tatsächlich kommt es aber unweigerlich zu vielen Bahnstörungen beim Vorbeiflug an Erde und Mars, durch den Mond aber auch durch andere Planeten. Es sind demnach immer wieder Geschwindigkeitskorrekturen vorzunehmen. Dafür braucht VISITOR kleine Ionentriebwerke. Außerdem müssen Lagekorrekturen vorgenommen werden, um Taumel- u, Schlingerbewegungen, die z.B. durch sich bewegende Astronauten oder durch das Andocken erzeugt werden, auszugleichen. Dafür werden z.B. katalytische Thruster benötigt, die ihren Schub durch den exothermen Zerfall von gasförmigen Verbindungen erzeugen. Aber, von all dem abgesehen, ist die VISITOR - Station antriebslos. Sie fällt einfach durch den Raum, mit angedockten kleinen Raumfahrzeugen (den sogenannten Biconics) Huckepack.

 

 

Biconic steht für (zweistufige) Doppelkegelraumschiffe. Genau genommen handelt es sich um einen schiefen Kegel, der auf einen Kegelstumpf gesetzt wird, wobei der Kegelmantel aerodynamisch geglättet ist. Somit entsteht ein Monopteros, ein Nurflügler, also ein Flugzeug das aus seiner eigenen Tragfläche besteht, (salopp ausgedrückt). Die konvexe Seite dient der Bremsung (aerobraking). Sie ist mit schwarzen Hitzekacheln belegt. Wenn das Biconic in der Marsatmosphäre genügend abgebremst worden ist, dreht der Pilot es auf die konkave Seite (weiß) wodurch (beim richtigen Anstellwinkel) Auftrieb entsteht und das Biconic einen Landeplatz ansteuern kann. Nurflügler sind allerdings immer etwas Lage-instabil, das ist ein Nachteil dieses eleganten Konzeptes.

 

Schematischer Schnitt oberes Modul

 

Fallschirme und ein restlicher kurzer Schub der Triebwerke besorgen dann die vertikale Landung. Später werden Stützen ausgefahren und man kippt das Ding in die Horizontale. Vor dem Rückstart zum nächsten ankommenden VISITOR wird mit Kohlenmonoxid und Sauerstoff aufgetankt, beides gewinnt man durch chemische Zerlegung aus dem Koh-lendioxid der Marsatmosphäre. Die Verbrennung vom CO und O2 zu CO2 ergibt einen lausigen spezifischen Schub von nur 200 Sekunden (ca. 2000 m/sec Ausströmgeschwindigkeit), aber das reicht für einen zweistufigen  Rückstart vom Mars gerade noch.    Wenn die Betankung irgendwann mal auf Methan und LOX umgestellt werden kann (beides auf dem Mars aus Kohlendioxid und Wasser leicht zu produzieren) vereinfacht sich der Rückstart erheblich. Der spezifische Impuls dieser Kombination liegt nämlich deutlich über 300 Sekunden. Im Prinzip ist dann, wegen der geringen Marsgravitation, sogar ein einstufiger Start möglich.

 

 

 

Diese Biconics könnten eigentlich auf derselben Hohmannbahn auch ganz allein zum Mars fliegen, ohne irgendwo anzudocken.  Eine VISITOR-Station brauchen sie jedoch aus drei Gründen:

  1. künstliche Schwerkraft
  2. Energieversorgung
  3. Strahlenschutz

 

1. Gravitation

Eine Erzeugung von Rotogravitation ist bei dem langen Flug zum Mars aus gesundheitlichen Gründen unerlässlich. Denn neun Monate oder mehr in Nullgravitation zu verbringen, ist auch bei mehrstündigem Fitnesstraining ein hohes gesundheitliches Risiko für Astronauten. Sie kommen geschwächt am Mars an und müssen sich dann dann in wenigen Minuten an 0.38 g gewöhnen, während des Abstieges zur Marsoberfläche kurzfristig sogar noch an wesentlich höhere Bremsbeschleunigungen. VISITOR würde über zwei Arme von 75 Meter Länge verfügen, die in knapp 30 Sekunden einmal um die Zentralachse rotieren. Damit wird eine Beschleunigung von 0.38 g an den jeweiligen Enden erzeugt, nämlich dort, wo sich die Wohnmodule befinden. Die aus dem unteren Erdorbit gestarteten Raumfahrzeuge (sogenannte „Biconics“) docken hingegen an der Zentralachse an, wo Nullgravitation herrscht. In den Wohnmodulen verbringen jeweils vier Astronauten die Reisezeit unter Marsgravitation. Sie leben  beengt, aber das wäre in einem Raumschiff (dann zu zu acht) auch der Fall. Lästige Gezeiteneffekte sind bei einer solchen Winkelgeschwindigkeit, also bei zwei Umdrehungen pro Minute bereits spürbar, sie liegen aber noch in einem erträglichen Rahmen. Prinzipiell ist die gitterförmige, offene Konstruktion des VISITOR so konzipiert, daß Astronauten (mit angelegten Raumanzügen) ihre Module verlassen und in ein zwei Minuten zur Zentralachse „hinauf“ klettern können. Das müssen sie z.B. tun, wenn Strahlenalarm ist, wenn sie sich gegenseitig besuchen wollen, oder wenn die Biconics aufzusuchen sind, bzw. Wartungsarbeiten am VISITOR vorgenommen werden müssen.    

  

 Prinzipskizze  eines VISITOR  (M. Boden)

 

 2. Energieversorgung

Ihre Energieversorgung können sowohl die Astronauten, als auch die verlassenen, angedockten Raumschiffe,  aus der Zentraleinheit des VISITOR beziehen. Dort befindet sich ein kleiner Kernreaktor (maximal einige MW Leistung). Dieser dient u.a. auch zum Betrieb der Ionentriebwerke des VISITOR, aber auch für die Telekommunikation, das Lebenserhaltungssystem des Strahlenbunkers und last not least für die ständige Aufrechterhaltung der Rotation der beiden Arme. Als Reaktortyp bietet sich in diesem Fall ein Hochtemperaturreaktor an. Dieser systemimmanent sichere, preisgünstige und in beliebig kleinen Dimensionen herstellbare Reaktor ist geradezu ideal für die Raumfahrt (natürlich nicht für nuklearthermische Antriebe, sondern für die Stromerzeugung und für Prozesswärme bis 900 Grad C). Eine Photovoltaikanlage hätte sicher den Vorteil der Wartungsfreiheit, jedenfalls solange bis die Solarzellen durch das Teilchenbombardement altern und nach ca. 20 Jahren ganz den Geist aufgeben. Für beispielsweise 10 MW Leistung wären allerdings sechs bis sieben Hektar Solarzellen erforderlich, mit einer größeren Masse als ein kleiner Reaktor samt allem Zubehör. Das gesamte Equipment für eine langfristige Energieversorgung braucht also in den Mars-Raumschiffen nicht mitgeschleppt werden, was vor allem beim Start von der Erde und der Landung auf dem Mars ein erheblicher Vorteil ist.

 

3. StrahlenschutzEine zentrale Schutzkapsel von wenigen Metern Durchmesser befindet sich in der Längsachse. In ihr herrschen Schwerelosigkeit und drangvolle Enge, was aber für einige Stunden oder für wenige Tage noch kein Problem ist. Infolge der Nullgravitation kann dieser Strahlenbunker stark gepanzert, also massereich sein. Er sollte jedenfalls eine Wandstärke aufweisen, die einer Masse von mindestens drei  Tonnen pro Quadratmeter entspricht, wobei es dabei egal ist, ob mit drei Tonnen Wasser oder mit drei Tonnen Blei abgeschirmt wird, es kommt nicht auf die Dicke an sich an. Drei Tonnen pro Quadratmeter, das klingt nach einer sehr starken Panzerung, entspricht aber doch nicht mehr als dem Gewicht der Erdatmosphäre oberhalb von 8000 m. Das klingt beunruhigend, aber man sollte bedenken, daß Jetpiloten hunderte Stunden im Jahr mit so einem geringen Strahlenschutz auskommen müssen.    Für einen Strahlenschutz, wie wir ihn gewöhnt sind, wären 10 Tonnen pro Quadratmeter erforderlich, entsprechend dem irdischen Atmosphärengewicht auf Meeresspiegelhöhe. Im Verlauf eines ca. neunmonatigen Fluges zum Mars muss ein Astronaut damit rechnen, eine Strahlendosis von insgesamt 60 rem, entsprechend 600 Milli-Sievert, abzubekommen. Der größte Teil davon resultiert aus der permanenten kosmischen Strahlung. Etwa 5 bis 10 rem (50 bis 100 Milli-Sievert) davon gehen auf das Konto von Sonneneruptionen. Diese sind gefähllicher, weil sie die Strahlendosis auf wenige Stunden konzentrieren. Soweit eine bestimmte Dosis über den Zeitraum einigermaßen gleich verteilt ist, besteht keine gravierende gesundheitliche Beeinträchtigung, denn auch auf der Erde bekommt man auf Meersspiegelhöhe 1.5 Milli-Sievert pro Jahr ab und das ein ganzes Leben lang. Die Tibeter bekommen deutlich mehr ab. Gefährlich wird es, wenn Dosierungen konzentriert innerhalb weniger Stunden auf den Organismus treffen. Dann hat dieser Organismus keine Zeit, zerstörte Gene und Zellen  zu reparieren. Sinngemäß formuliert dies Robert Zubrin so, daß 100 Glas Whisky eine tödliche Dosis sind, aber nur wenn sie an einem Abend getrunken, nicht wenn sie über ein Jahr verteilt werden. Es geht also vor allem darum, extreme energiereiche Strahlungsausbrüche der Sonne zu überstehen, z.B. 100 rem (dh. ein Sievert) innerhalb von nur 12 Stunden. So etwas belastet den Organismus auf äußerst gefährliche Weise, die Krebsgefahr steigt rasant. Und dann wird eine Zuflucht in einem massiven Schutzbunker zur Lebensversicherung. ZusammenfassungDas VISITOR-Konzept ist sicher zu aufwendig, wenn man nur eine „flag and footprints“ Mission durchführen möchte. Denn die Struktur eines VISITOR ist zwar relativ einfach, aber das Gesamtgewicht beträgt deutlich mehr als 100 Tonnen. Die Station muss in Einzelteilen in den geostationären Orbit geschafft und dort montiert werden. Dann muss der Anfangsschub erfolgen, mit dem die Station in eine Hohmannbahn zum Mars geschossen wird. Für den Flug von GEO zum Endpunkt der Hohmannbahn am Mars ist ein Delta v von ca. 2500 bis 3000 m / sec nötig, mit entsprechend einigen hundert Tonnen Bedarf an chemischem Treibstoff, je nach Leermasse des VISITOR. Dieser Treibstoff muss natürlich ebenfalls in den Orbit geschafft werden, sei es von der Erde oder vom Mond. Dies alles kostet bei vier VISITOR-Einheiten (incl. Entwicklungskosten) schon mal einige zig Milliarden Dollar. Die regelmäßige Wartung der Anlagen darf auch nicht vergessen werden. Günstiger sieht es aus, wenn ein permanenter Reiseverkehr zwischen Erde und Mars abgewickelt werden muss. Die VISITORe können, bei gelegentlicher Wartung und Betankung bzw. Reaktorbefüllung, jahrzehntelang genutzt werden. Viele Dutzend Missionen können sie für Hinflug und Rückflug nutzen. Wie sieht es nun mit der zeitlichen Verfügbarkeit aus? Anders gefragt: „wann geht der nächste VISITOR?“ Es dauert gar nicht so lang, bis eine der vier Einheiten  wieder mal am Mars oder an der Erde vorbeikommt. Ein Rundflug Erde - Mars - Erde dauert 1.41 Jahre, das sind knapp 17 Monate. Im Durchschnitt vergehen also nur 128 Tage zwischen zwei VISITOR-Vorbeiflügen. „Tornadohaltestellen“ wie in Zamonien gibt es jedoch nicht. Man muss immer „in voller Fahrt auf und abspringen“. Das gilt leider auch für die Wartungsmannschaften, samt dem Nachschub. Dieses Problem kann nur entschärft werden, wenn die Reperaturen und Betankungen möglichst von Personal durchgeführt werden, welches sowieso auf dem Weg zum Mars ist und nicht nach einigen Tagen auf dem VISITOR  wieder zur Erde zurück muss.    Die gesamte Treibstoff- u. Kostenersparnis gegenüber Direktflügen wird deshalb gar nicht so groß zu sein. Der entscheidende Vorteil des Konzeptes liegt in den verringerten gesundheitlichen Risiken und in der höheren Bequemlichkeit für Astronauten. Das ist sicher ein wichtiger Aspekt, würde aber Robert Zubrin nur geringschätzig lächeln lassen. „Alles Weicheier“, wird er wahrscheinlich denken. Sein Konzept „mars direct“ kommt nämlich ohne künstliche Gravitation und ohne Strahlenschutz aus. Er weist die Zumutbarkeit der dadurch entstehenden Belastungen auch schlüssig nach und meint vermutlich zu recht, daß der Mensch in der Raumfahrt das mit Abstand stärkste Glied in der Kette ist, nicht das schwächste. (Das schwächste Glied ist meines Erachtens die Software). Zubrin geht von extrem hohen Vergütungen für diese Mars-Astronauten aus (bis zu eine  Million Dollar pro Tag) und meint zu recht, daß Menschen dafür auch gern Stress und gesundheitliche Risiken in Kauf nehmen, zumal die Gefahren noch einigermaßen begrenzt sind. Aber diese Philosophie ist in unserer angsterfüllten und sicherheitssüchtigen Zeit nicht durchsetzbar. Wenn es zu einem regelmäßigen Reiseverkehr Erde-Mars-Erde kommt, wird man das VISIT-Konzept,oder ein vergleichbares Missionsprofil wählen.  

 

AusblickVISITOR-Flüge sind zu allen Planeten des Sonnensystems möglich. Sinnvoll sind sie wohl nur bei Erde-Mars-Erde Reisen. Denn ein regelmäßiger Reiseverkehr zu Venus und Merkur ist auf absehbare Zeit unwahrscheinlich. Viel wahrscheinlicher sind häufige Flüge zu den äußeren Planeten, weil diese, zusammen mit dem Asteroidengürtel und den diversen Trojanern, einen geradezu unglaublichen Wirtschaftsraum für unsere Nachkommen darstellen.   Dabei ergeben sich aber, zumindest auf den langsamen Hohmannbahnen, Rundflugzeiten von drei bis zu dreißig Jahren. Daraus folgt, daß Flüge in kleinen, engen, ungepanzerten und nichtrotierenden Raumschiffchen sowieso nicht möglich sind. Für große Schiffe mit Rotation und ausreichendem Strahlenschutz braucht man keine eigenen VISITOR-Stationen, sie sind ja quasi selbst welche. Man braucht sie auch nicht mehr, wenn eine „schnelle Raumfahrt“ es erlaubt, die Hohmannbahnen zu verlassen und mit hoher Geschwindigkeit das Ziel direkter anzusteuern.      

Dies wird erst der Fall sein, wenn wir über leistungsfähige Antriebe mit einer Strahlgeschwindigkeit von deutlich mehr als 10.000 m/sec und mit einem hohen spezifischen Impuls verfügen, (also über Ionentriebwerke, elektromagnetische Antriebe oder Fusionstriebwerke).

 

Autor: Michael Boden

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