Читать книгу Raumfahrt - wohin und wozu - Thomas Ahrendt - Страница 6

Als Zwillingsplanet und engster Erdnachbar bietet sich der Mond mit seinen Ressourcen als natürlicher Raumflughafen und als Weltraumstützpunkt für Forschungsstationen und später für Kolonien an. Auf ihm lassen sich Mondproben analysieren, Weltraumstrahlung untersuchen, das Leben bei 1/6 der Erdschwerkraft erforschen und astronomische Beobachtungen im Infrarot- und Submillimeter-Bereich in schattigen und kalten polaren Gebieten betreiben. Auf der Mondrückseite können Radioteleskope für ultralange Radiostrahlung errichtet werden. Auf dem Erdtrabanten lassen sich weiterhin viele Technologien für bemannte Marsexpeditionen testen.

Der Standort einer Mondstation richtet sich nach guten Transportmöglichkeiten, natürlichen Ressourcen und wissenschaftlich relevanten und erforschenswerten Objekten in nicht allzu großer Entfernung. Die Polregionen haben als mögliche Standorte die Vorteile, dass sie sich fast ständig im Sonnenlicht befinden. Dadurch ließe sich die Sonne als Energiequelle nutzen. Mit mehreren Solar-Kraftwerk-Stationen wäre eine dauernde Energieversorgung gegeben und über ein Verteilernetz ließen sich auch Stützpunkte versorgen, die nicht ständigem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Am Malarpert-Krater am Südpol ließe sich durch 2 Solarparks ständig Strom erzeugen und er könnte als Nachrichten-und Energie-Relaisstation für den Shackleton-Krater dienen, der sich seinerseits für astronomische Beobachtungen anbietet, da er sehr kalt ist und die Kraterwände die irdische Radiostrahlung abschirmen. In nahen Kratern könnte Wasserstoff vorkommen. Das Südpol-Aitken-Becken ist einer der größten Impaktkrater im Planetensystem und könnte Rückschlüsse über seinen Aufbau ermöglichen. Der Peary-Krater am Nordpol wird fast ständig beschienen und in nahen Kratern wird Wasserstoff vermutet. Am Mondäquator könnte es mehr Helium-3 geben, da der Sonnenwind steiler auftrifft. Im Oceanus Procellarum lassen Untersuchungen auf sauerstoffreiches Gestein schließen und die Helium-3-Konzentration dürfte noch viel stärker sein als auf der erdzugewandten Seite, da diese den Mond zum Teil vor dem Sonnenwind schützt.

Ein Vorteil einer Mondbasis wäre, den Mond als Sauerstoffquelle zu haben, wobei der Sauerstoff zum Atmen und als chemischer Raketentreibstoff verwendet würde. Die Versorgung einer Mondbasis und einer Raumfahrzeugflotte von der Erde aus wäre weit teurer als dessen Herstellung auf dem Mond und der Weitertransport ins All, da nur 1/6 Erd-g zu überwinden ist. Der in anderen Substanzen gebundene Sauerstoff macht etwa 40 Gewichtsprozent aus und kann mit relativ einfachen Abbau- und Aufbereitungstechniken gewonnen werden. Außerdem lassen sich Titan, Aluminium, Eisen und Magnesium auf dem Mond abbauen.

Da der Mond praktisch ohne Atmosphäre ist, wird der Blick ins All weder durch Wolken behindert, noch durch Luftturbulenzen verzerrt, was auch günstig für die Astronomie ist, also für die Erforschung des Universums. Durch die niedrige Mondschwerkraft und eine geologisch sehr stabile Oberfläche - typische Mondbeben liegen beim 10^-8 fachen vergleichbarer Erdbeben und entsprechende Bodenbewegungen bei 10^-9 m - wird der Bau großer Beobachtungsinstrumente möglich; zum Beispiel 16 m große optische Teleskope und 500 m große schwenkbare Radioteleskope. Zusätzlich lassen sich Teleskope interferometrisch zusammenschalten, wodurch deren Auflösung die von einem Einzelteleskop von mehreren Kilometern Durchmesser erreichen kann. LOUISA (Lunar Optical-UV-IR-Synthesis-Array) ist zum Beispiel ein Teleskoppark aus 2 konzentrischen Ringen mit 1,5 m-Teleskopen, mit dem man auf der Erde noch 5 Cent-Stücke große Strukturen auflösen könnte. Mit LOUISA lassen sich erdähnliche Planeten in der galaktischen Nachbarschaft finden. Ähnliche Anordnungen wären auch mit Radioteleskopen mit vergleichbaren Leistungen möglich. Der Mond wäre auch ein möglicher Standort für kosmologische Beobachtungen wie etwa für die Suche nach Gravitationswellen und kosmischen Strings (über spezielle Gravitationslinsen). Im Gegensatz zum Erdorbit ist die Mondumgebung (noch) frei von Raumschrott und damit ist die Kollisionsgefahr sehr gering. Auch wenn die Gewinnung von Rohstoffen für Vorhaben auf dem Mond und in Erdumlaufbahnen und der Betrieb von Observatorien zum Großteil automatisch durch Roboter geschehen kann, die zunehmend komplexere Handlungen ausführen können, macht die Errichtung der Mondbasis selbst eine Beteiligung von Menschen nötig. Das anfängliche Mondleben wird dem in einem Atom-U-Boot ähneln; die ersten Mondbasen werden zum Schutz vor Sonnenstrahlung und Flares wohl aus miteinander verbundenen Zylindermodulen und einer gut 2 m hohen Deckschicht aus Mondmaterial bestehen. Solarkollektoren und kleine Kernreaktoren liefern Strom für die Basis, da eine Mondnacht zwei Erdwochen entspricht. Mit dem Wachsen der Mondbasis wird der Betrieb zur Routine. Besatzungen, die aus Astronomen, Geologen, Physikern und andere Wissenschaftlern bestehen, verbleiben 0,5 bis 1 Jahr in der Basis. Sauerstoff-Gewinnungsanlagen werden zum Beispiel Einrichtungen im Erdorbit beliefern; Helium-3 , das mit dem Sonnenwind auf den Mond gelangt, wird als Brennstoff für Fusionsreaktoren Verwendung finden - all diese Aktivitäten setzen eine ausgedehnte außerirdische Infrastruktur voraus, denn für 1 kg Helium-3 müssen jedoch 10⁵ bis 10⁶m³ Regolith transportiert, auf 1000º C erhitzt und die freiwerdenden Gase über anspruchsvolle Destillations- und Separationsprozesse erarbeitet werden. Dafür fallen als Nebenprodukte tonnenweise Wasserstoff und andere Gase an. Existiert eine entsprechende Fusionstechnologie und sind die Herstellungs- und Transportkosten entsprechend gering, könnte der ökonomische Wert von 1 kg Helium-3 bei rund 10⁶ Euro liegen, wenn daraus 10⁸kWh (thermisch) oder nach Umwandlung etwa 10⁷kWh (elektrisch) erzeugt werden und 1 kWh (elektrisch) bei 0,1 Euro liegt. Die Helium-3-Deuterium-Fusion erzeugt Helium-4, Protonen und setzt pro Reaktion 18,3 MeV Energie frei; sie erfordert wesentlich höhere Werte der Plasmaparameter und die Abstoßkräfte sind höher als zum Beispiel bei der Deuterium-Deuterium- oder Deuterium-Tritium-Fusion. Dadurch wird sie zu einer komplexeren Technologie der 2. oder erst 3. Generation von Fusions-Kraftwerken. Aber bei ihr wird die freiwerdende Energie über Protonen statt über Neutronen abtransportiert, die über Wechselwirkungen mit Magnetfeldern direkt und problemlos in MHD-Kraftwerken in Elektrizität umgewandelt werden kann. Diese spezielle Fusionsart wird auch für Raumschiffantriebe hochinteressant. Ganze Flotten von Transferfahrzeugen werden einen regelmäßigen Fährverkehr zwischen dem LEO und dem Mond und zurück aufrechterhalten. Lunare Ressourcen lassen sich auch dazu verwenden, um größere Raumstationen mit komplexeren Einsatzmöglichkeiten und ein dichtes Netz von energieerzeugenden Satelliten zu bauen. Wäre es nach dem Constellation-Programm der NASA von 2006 gegangen, sollten 2019 Menschen zum Mond und 2037 zum Mars und danach zu noch weiter entfernten Zielen fliegen; zwischen 2020 und 2024 wäre eine ständig besetzte Mondbasis errichtet worden. Das ehrgeizige und umfassende Constellation-Programm stellte den NASA-Fahrplan zur Erkundung und Erforschung des Sonnensystems mit neuen Sonden, Raumschiffen und Trägerraketen dar und umfasste unter anderem Versorgungsflüge zu Raumstationen und Mondlandungen. Das in diesem Programm enthaltene bemannte Raumschiff "Orion" basierte auf den Apollo-Kapseln. Zusammen mit den Trägerraketen "Ares I" und "Ares V" sollte es das Space Shuttle ersetzen. Mit der Altair-Landefähre hätte man dann auf dem Mond landen können, dieses Mondlandemodul wäre mit einer Ares-V-Rakete in die Umlaufbahn gebracht worden, um dort mit dem Orion-Raumschiff zusammenzukoppeln, das seinerseits mit einer Ares-I in den LEO transportiert worden wäre. Ähnlich wie beim Apollo-Programm wäre der Komplex zum Mond geflogen. Die Altair-Mondlandefähre war zweiteilig konzipiert: eine Abstiegsstufe hätte den Großteil des Treibstoffs, des Sauerstoffs und der Stromversorgung enthalten und die Aufstiegsstufe die Astronauten, die Lebenserhaltungssysteme und Treibstoff für den Aufstieg. Mit der Altair hätten 4 Astronauten eine Mondmission durchführen können; das Orion-Raumschiff hätte unbemannt in einer Mondumlaufbahn verbleiben können. Doch es kam mal wieder anders als geplant.

Zukünftige Routinemondflüge werden in Modulen stattfinden, die an thermonukleare Antriebsstufen gekoppelt sind. Die Astronauten steigen dann von der Raumstation in eine Kapsel um, die an eine Antriebseinheit gekoppelt wird und zum Mond fliegt, im Mondorbit löst sich die Kapsel von der Antriebseinheit und landet mit eigenen Triebwerken und Treibstoff. Die Antriebseinheit könnte im Mondorbit wiederbetankt werden und mit einem anderen Transportmodul zurück in den LEO fliegen. Zukünftige Mondlandungen könnten auf Luftkissen statt auf Raketentreibstoff basieren, oder die Landung erfolgt ganz flach auf einer präparierten Sandlandebahn mit Kufenbremsung.

Eine Mondstation könnte Treibstoff und Material (als Zwischenstation) für weiter entfernte Raumfahrtziele bereitstellen. Der Mond hätte als Basis für zukünftige interplanetare Missionen die treibstoffsparenden Vorteile einer geringen Fluchtgeschwindigkeit und fehlender Atmosphäre. Auf ihm ließen sich Erfahrungen für Marsmissionen und andere Kolonisationsprojekte (die großen Jupitermonde und Titan betreffend) sammeln und entsprechende Technologien testen. Er wäre ein ideales Forschungs- und Testgebiet, da viele Projekte und Experimente eine sterile, luftleere oder schwerkraftarme Umwelt benötigen, zum Beispiel nanotechnologische oder zoologische Forschungsprojekte.

Der nächste Schritt könnte die Errichtung einer Mondbasis sein. In mehreren Missionen würden unbemannte Raketen die zum Aufbau nötigen Materialien zum Erdtrabanten bringen und ihre Nutzlasten dicht beieinander landen lassen, damit sie leicht gefunden und zusammengebaut werden können. Die Besatzung der Mondbasis würde in einem Shuttle zur ISS fliegen und von dort aus in ein Mondraumschiff umsteigen, dessen Nutzlast ein Vielfaches der Apollokapseln wäre. Ihre Rückkehr würde analog, aber umgekehrt erfolgen. Vorher jedoch würden robotische Lander wiederverwendbare Start- und Landesysteme testen und Treibstoffvorräte deponieren.

Ab 2015 könnten bemannte Mondflüge stattfinden, um einen längerfristigen Aufenthalt auf fremden Himmelskörpern zu trainieren, was zum Beispiel eine autonome Energieversorgung und den Aufbau von Wohnungen und Lebenserhaltungssystemen einschließt. Zuerst würden die Astronauten (oder Kosmonauten oder Taikonauten) das eigene Raumschiff als Unterkunft benutzen, um dann Materialien aus den vorher gelandeten Transportraketen einzusammeln und daraus die Basis mit Wohn-, Schlaf- und Forschungsräumen errichten. Vorstellbar wäre auch der Einsatz aufblasbarer Konstruktionen, da sie geringere Masse haben und schnell einsetzbar sind; vielleicht werden sie auch als Notfalllager verwendet.

Ein mögliches Basislager wäre z.B. für 10 Personen und für 6 Monate eingerichtet, in denen Forschungs- und Wartungsarbeiten durchgeführt werden und eine lunare Produktionsstätte errichtet wird. Solare und nukleare Energieversorgung sowie die Herstellung von Treibstoffen, Wasser, Sauerstoff usw. machen die Mondstationen und -basen langfristig unabhängig von Erdlieferungen. Richtig große Mondkolonien könnten dann in Mondkratern errichtet werden, in denen Wassereis vermutet wird.

Wasser und Luft ließen sich sonst auch - mit mehr Aufwand - aus Ilmenit herstellen; das Wasser würde z.T. per Elektrolyse oder Photolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, der Sauerstoff verflüssigt und als Atemluft und als Treibstoff verwendet. Der Wasserstoff verbleibt in der Fabrik und wird wieder dem Ilmenit zugefügt. Der Mondtreibstoff - Wasserstoff und Sauerstoff - ließe sich für die Rückkehr der Astronauten zur Raumstation im LEO verwenden oder für die Versorgung der Raumstation oder interplanetarer Raumschiffe und würde mit unbemannten Transportschiffen vom Mond z.B. zum LEO befördert.

Wenn die ersten Mondstationen und -basen erfolgreich waren, kann die permanente Mondbesiedlung beginnen, deren Bedarf an Versorgungsgütern und Maschinen von der Erde zumindest in der Anfangszeit noch groß sein wird.

Um daher diese Transportkosten auf ca. 20 US-Dollar pro kg zu verringern bedarf es neuer Raumfähren und ferngesteuerter unbemannter Mondlanderaumschiffe. Unbemannte Versorgungsraketen werden die Materialien für den Bau größerer Siedlungen liefern, die in Containerbauweise zusammengesteckt werden können; außerdem wird es ein weitverzweigtes System aufblasbarer Außenstationen für etwa 12 Leute mit bis zu 16 m Durchmesser geben.

Vielleicht wird man die Aufenthaltsdauer der Mondastronauten wegen schwieriger Lebensbedingungen und Langzeitauswirkungen von Strahlung und geringer Schwerkraft auf maximal 60 Tage begrenzen. Während die Erzabbaumaschinen anfangs noch von der Erde kommen, stellt die Mondbevölkerung sie später selbst her und aus weiteren Erzen werden Baumaterialien für feste Siedlungen jenseits der Containerdörfer gefertigt.

Die Energiegewinnung vor allem mit Solar-Kraftwerken erlaubt nicht nur eine eigene Energieversorgung der Mondbewohner, sondern macht weitere Aktivitäten möglich, vor allem kann der Außenposten die Mondbodenschätze ausbeuten; in großen Fabriken wird aus Ilmenit Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen, um die Abbaueinrichtungen mit Luft und die Maschinen mit Treibstoff zu versorgen. Mit lunar erzeugten Treibstoffen ließen sich die Kosten für Flüge zwischen Erde und Mond reduzieren; gleiches gilt noch mehr für ENO-Treibstoffe.

Statt chemischer Triebwerke oder in Ergänzung zu ihnen könnte der Erde-Mond-Verkehr auch mit Seilschleudern stattfinden und/oder mit "Lunar Mass Drivern", elektromagnetischen Kanonen von vielleicht 200 m Länge, die bis zu 4 kg schwere Pakete mit 2,4 km/s in die Mondumlaufbahn oder in einen der EMLs schießen. Durch die Mondgravitation werden sie auf ca. 70 m/s abgebremst, automatisch eingefangen und von einer Fabrik im Mondorbit oder in EML4 oder EML5 weiterverarbeitet. Die Endprodukte werden entweder zur Erde oder zurück zum Mond befördert.

Noch weiter geht das Konzept der automatischen Mondfabriken, die für minimalen Personaleinsatz vorgesehen sind. Nach der Erzanlieferung sind diese Maschinen allein fähig, dieses zu zerkleinern, abzupacken und abzuschießen. Aus anderen Mondrohstoffen erzeugen die automatischen Fabriken Material für größere Habitate und Maschinen, was schließlich zur Bildung ganzer Industriekomplexe auf dem Mond führen wird. Um die von der Erde importierten Lebensmittel durch frische zu ergänzen und später zu ersetzen, werden immer größere Ansiedlungen Gewächshäuser haben, selbst Tierzüchtungen sind möglich, allerdings müssten die Schwerkraftauswirkungen noch erforscht werden. Nach ca. 50 Jahren könnte eine Mondkolonie autonom werden und deren Bewohner sich zu einem Paraterraforming entschließen. Dazu wird der (ganze) Mond unter einem Glasdach verpackt, um Atmosphäre und flüssige Hydrosphäre langfristig, also über Mega- und Gigajahre zu halten, die sonst wegen der geringen lunaren Oberflächenschwerkraft nach 10 - 100 Kilojahren in den Weltraum verdunsten würde. Die Mondkolonien und ihre Bewohner an sich wären schon ein Forschungsfeld; wie reagieren Menschen - auch langfristig - auf diese spezifische Umwelt?

Da eine Mondkolonie ständiger solarer und kosmischer Strahlung und Mikrometeoriten ausgesetzt wäre, würde sie wohl vor allem unter der Mondoberfläche gebaut werden, entweder in natürlichen Höhlen oder die Basis wird zwar an der Oberfläche errichtet, aber anschließend unter mehreren Metern Mondstaub vergraben.

Eine zukünftige Mondkolonie könnte sich vielleicht sogar mit künstlichen Magnetfeldern vor solarer und kosmischer Strahlung schützen...

Der Transport von und zur Oberfläche könnte außer mit Raketen auch mit einem Weltraumlift erfolgen; für den Transport von Material und Personen zwischen den Kolonien, Lagerstätten, Kosmodromen usw. würde sich eine Magnetschwebebahn anbieten, da ihre Geschwindigkeit nicht durch atmosphärische Reibung begrenzt wird. Mit elektrodynamischen Massenbeschleunigern beziehungsweise Massentreibern lassen sich Objekte elektromagnetisch bis jenseits der lunaren Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen. Je nach Ausrichtung der Massenschleudern können die Ladungen abgefangen werden oder auf der Erde landen. Werden die lunaren Rohstoffe auch auf dem Mond weiterverarbeitet, und fügt man die geringen Transportkosten dazu, würden Energiesatelliten, Raumschiffe, Raumkolonien usw. erheblich billiger, als wenn man sie auf der Erde herstellen und hochschießen müsste. Materialien vom Mond aus zu einer Erdaußenstation zu transportieren wäre wesentlich einfacher als ihr Transport auf die Erde. Metalle und Helium-3 wären wichtige Mondressourcen. Da flüchtige Elemente auf dem Mond kaum vorhanden sind, müssten sie von der Erde importiert werden.

Gut möglich, dass der Mond längerfristig für die Versorgung der Erde mit elektrischer Energie eine wichtige Rolle spielt etwa in Form von oben erwähnten lunaren Solarfarmen oder dessen Helium-3, das entweder in irdischen oder in lunaren Fusionskraftwerken verstromt wird. Und dann könnte sich die Mondbasis zu einer kleinen Stadt mit eigener Bevölkerung und einem relativ großen Anteil von künstlichen Lebensformen entwickeln, mit Erdtourismus, Krankenaufenthalt und Alterssitz; allgemein mit einem Energie- und Rohstoffhandel und dem Bau von SSPS (Solar Satellit Power Station), künstliche Habitaten usw. Damit wird er wohl eine bedeutende Rolle bei der Erforschung der anderen Planeten und Monde spielen, zum Beispiel als Zwischenstation zum Mars.

Die Entwicklung einer Mondbasis-Infrastruktur wäre unabdingbare Voraussetzung für die Marsreise; die Mondbasis wäre auch Ausbildungsstätte für Marsexpeditionen und liefert vielleicht auch flüssigen Sauerstoff als Treibstoff, falls der Marsflug mit chemischen Triebwerken stattfindet. Vielleicht starten sogar die ersten Marsschiffe vom Mond oder aus einem Mondorbit. Dann könnte die große Reihenfolge bei der Erschließung des Sonnensystems folgende sein: von der Erde zur LEO-Raumstation, von dort in den Mondorbit oder auf zum Mond. Vom Mond dann direkt zum Mars oder erst zu den Marsmonden und von ihnen aus zum Mars. Oder man macht es doch ganz anders und fliegt von der Erde entweder direkt auf den Mars oder geht zuerst auf seine Monde usw. Und vom Marssystem dann einerseits zurück zum Mond und andererseits in den Planetoidenhauptgürtel und ins äußere Sonnensystem...