SPACE 2021

Die ISS in zehn Jahren

Was nun kommt ist nicht mehr als eine qualifizierte Vermutung. Es kann auch ganz anders kommen. Katastrophen, politische Erdrutsche oder ähnliches können innerhalb von Tagen jegliche Planung über den Haufen werden. Aber gehen wir davon aus, dass die Weltlage nicht schlimmer wird als sie es heute ist, sich keine neuen Pandemien, gewaltigen Naturkatastrophen und Weltwirtschaftskrisen ereignen, dann könnte das Schicksal der ISS um das Jahr 2030 wie folgt aussehen:

Überraschenderweise existiert sie noch immer, obwohl ihr baldiges Ende schon für die frühen 2020er-Jahre prognostiziert wurde. Doch um 2030 oder nicht allzu lange danach zeichnet sich das Ende ihrer Existenz ab. Gegen Materialermüdung kann auch politischer Wille nichts ausrichten.

Die ISS ist in den letzten 10 Jahren stark gewachsen. Es gibt neben Nauka noch mehrere russische Module, die neu hinzugekommen sind. Das Unternehmen Axiom Space hat im Jahr 2030 insgesamt vier Module am US-Segment angekoppelt. Damit ist der Samen für die weitere Nutzung vieler dieser Komponenten bereits gesät. So werden aus der ursprünglichen großen Internationalen Raumstation die Keimzellen für eine Reihe kleinerer und auf spezielle Aufgaben fokussierter Stationen entstehen.

In den frühen 30iger Jahren wird die ISS also im Weltraum auseinandergebaut. Viele Module können weiter verwendet werden, an manchen aber hat der Zahn der Zeit so genagt, dass man sie stilllegen muss.

Ein großer Teil der ursprünglichen Raumstation bleibt übrig. Um sie zu „entsorgen“ gibt es mehrere Möglichkeiten. Die eine besteht darin, in einer aufwendigen Aktion, die viel Treibstoff, Organisation und Kosten in immenser Höhe verursachen würde, die nicht mehr brauchbaren Komponenten gezielt über dem Südpazifik zum Absturz zu bringen. Der größte Teil würde dabei verglühen, einiges würde den Rücksturz zur Erde aber überstehen und tausende von Metern tief im Pazifik versinken.

Diese Möglichkeit wird heute viel diskutiert. Ich glaube aber nicht daran. Wenn man die Teile der ISS unbedingt entsorgen will kann man sie mit einigen wenigen Flügen des Starships von SpaceX abholen, zur Erde bringen und ins Museum stellen.

Die andere Möglichkeit ist viel schöner, organisatorisch einfacher und vor allem viel, viel billiger. Die bestünde darin, die ISS auf eine höhere Umlaufbahn zu schieben, vielleicht 1.000 Kilometer hoch, aber noch unterhalb der Strahlungsgürtel der Erde. Dort erklärt man sie zum Weltkulturerbe. Als Besichtigungspunkt für spätere Touristen und Historiker. In dieser Höhe bliebe die Bahn der ISS für viele Jahrzehnte stabil, ohne dass große Investitionen an Treibstoff und Antriebsinfrastruktur nötig sind. Man könnte einen solchen Orbit als die 100-Jahresbahn bezeichnen. Alle fünf bis zehn Jahre würde ein geringer Schub eines chemischen Antriebsmoduls genügen, um diese Bahn stabil zu halten. Oder ein preiswertes elektrisches Antriebssystem schiebt es mit gelegentlichen langdauernden, schwachen Schüben wieder die paar Kilometer an Höhe zurück, die sie im Laufe der Jahre verlieren mag. Dort verbleibt sie dann als im wahrsten Sinne des Wortes leuchtendes Symbol für den Abschluss der ersten Phase der bemannten Raumfahrt und den Beginn des nächsten Schrittes, der Nutzung des cislunaren Raumes und der ersten bemannten Expeditionen zum Roten Planeten. Die Axiom-Module werden mit einem zusätzlichen Steuerungs- und Antriebsmodul versehen und bilden danach eine kleine eigene Raumstation. Ähnlich verhält es sich mit den noch verwendbaren Modulen des russischen Segments, das ebenfalls eine eigene kleinere nationale Raumstation von der Größe der ehemaligen Raumstation Mir bilden wird. Internationale Module, die noch verwendbar sind, können zum lunaren Gateway verbracht werden und dort noch den Rest ihrer Lebenszeit nützlich sein.

Alles zusammen sollten um das Jahr 2030 oder bald danach insgesamt mindestens fünf Raumstationen existieren. Eine private US/Internationale Station, eine russische und eine chinesische Station, sowie eine kleine indische Raumstation. Nummer fünf ist das lunare Gateway und möglicherweise bahnt sich dann auch schon die permanent besetzte Mondstation an. Das Ende der Internationalen Raumstation wird somit der Anfang von etwas Neuem, Vielfältigerem und Größerem werden.

Bis zum Mars und weiter – Chinas Weg ins Sonnensystem

Zwischen dem 19. und 30. Juli machten sich drei Raumfahrzeuge auf den Weg zum Roten Planeten. Zuerst startete die Sonde „Al Amal“ (arabisch für: Hoffnung) an Bord einer japanischen Trägerrakete des Typs H2A-202. Zum Schluss machte sich der Plutonium-betriebene Rover Perseverance mit dem kleinen Ingeniuity-Mars Helikopter der NASA auf die Reise. Zwischen diesen beiden, am 23. Juli, trat auch Chinas komplexe Orbiter/Lander-Kombination mit dem Namen Tianwen-1 an Bord einer Trägerrakete des Typs Langer Marsch 5 die lange Reise zum Mars an.

Alle drei werden im Februar 2021 den Mars erreichen. Al Almal wird in eine Umlaufbahn einschwenken, genauso wie Tianwen-1. Perseverance wird einen Direktanflug unternehmen, ohne erst in eine Umlaufbahn einzuschwenken. Für eine reine Rover-Mission wäre das unnötig. Der Name “Tianwen” bedeutet: “Fragen an den Himmel”. Er entstammt einem historischen Gedicht aus dem dritten vorchristlichen Jahrhundert. Dort stellt der Dichter Qu Yuan Fragen zur Astronomie, die aber unbeantwortet bleiben. Diese Antworten sollen nun mit Tianwen-1 und ihren nachfolgenden Sonden gefunden werden. Schon die bewusste Nummerierung deutet klar darauf hin, dass China die Absicht hat, in Zukunft weitere Raumfahrzeuge zum Mars zu entsenden.

Tianwen-1 wurde von der China Aerospace Science and Technology Corporation (kurz: CAST) entwickelt und gebaut. Es ist nicht der erste Versuch Chinas, den Roten Planeten zu erreichen. Aber es ist der erste Versuch, es selbständig zu schaffen und es ist das erste Mal, dass ein Land gleich bei seinem ersten selbständigen Versuch ein derartig hoch ambitioniertes Vehikel mit Orbiter, Lander und Rover auf die Reise schickt. Am 8. November 2011 machte sich schon einmal eine chinesische Marssonde auf den Weg, die kleine, nur 115 Kilogramm schwere Yinghuo-1. Er war als Zusatznutzlast an der russischen Phobos-Grunt Raumsonde befestigt und sollte sich nach Erreichen des Marsorbits von dieser trennen. Tatsächlich schaffte es die Zenit-Trägerrakete aber nur bis in die Erdumlaufbahn. Der Einschuss in die Mars-Transferbahn misslang. Phobos-Grunt und Yinghuo-1 traten am 15. Januar 2012 wieder in die Erdatmosphäre ein und verglühten über dem Ostpazifik und Chinas erste Marsmission nahm ein ebenso unrühmliches wie unverschuldetes Ende.

Gemischte Resultate am Mars

Landungen auf dem Mars sind auch im Jahre 2020 eine der schwierigsten astronautischen Übungen. Es gibt eigentlich nur ein Land, das diese Meisterklasse wirklich beherrscht: Die USA. Die Sowjetunion hat seinerzeit eine ganze Reihe von Versuchen unternommen, das zu bewerkstelligen. Doch nur eine einzige ihrer Landesonden – Mars 3 – gab nach der Ankunft auf der Oberfläche des Roten Planeten auch ein Lebenszeichen von sich. Für genau 20 Sekunden, dann war sie tot. Zu wenig, um mit den damaligen Mitteln auch nur ein einziges Bild zu übertragen.

Auch die Europäer haben es schon zweimal probiert. Beide Versuche endeten als Fehlschlag. Andere Nationen haben sich an dieses komplexe Unterfangen bislang gar nicht erst herangewagt. In den frühen Tagen der Raumfahrt tastete man sich langsam und schrittweise an den Mars heran. Es begann in den sechziger Jahren mit Vorbeiflügen in größeren Abständen. Der erste erfolgte mit Mariner 4, die den Mars am 15. Juli 1965 in einem Abstand von knapp 10.000 Kilometern passierte. Als erste Orbitsonde trat Mariner 9 am 14. November 1971 in eine Marsumlaufbahn ein. Die erste erfolgreiche Landung mit einem stationären Lander schaffte Viking 1 am 20. Juli 1976, und der erste erfolgreiche Rover, der nur knapp zwölf Kilogramm schweren Sojurner, wurde mit dem Mars Pathfinder zum Roten Planeten gebracht. Die NASA unternahm bislang insgesamt neun Versuche, auf dem Mars zu landen und war dabei nicht weniger als acht Mal erfolgreich.

Warum ist es denn eigentlich so schwierig auf dem Mars zu landen? Schuld daran ist seine dünne Atmosphäre. Gar keine Atmosphäre wäre von einem Ingenieur-Standpunkt aus wesentlich einfacher, denn man müsste nur einen einzelnen Landemodus bedienen: Den Abstieg unter Raketenkraft. So aber müssen drei verschiedene Modi präzise aufeinander folgen.

Zunächst hat man es mit einem atmosphärischen Eintritt in die Planetenatmosphäre zu tun, bei dem mittels eines Hitzeschildes zunächst ein großer Teil der Eintrittsgeschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde abgebaut werden muss. In der zweiten Phase einer Marslandung muss ein mehrstufiges Fallschirmsystem benutzt werden, um von hoher Überschallgeschwindigkeit auf etwa 100 Meter pro Sekunde abzubremsen. Unterhalb dieser Geschwindigkeit ist ein Fallschirm unwirksam, denn die Luft ist auf dem Mars viel zu dünn. Daher muss in der dritten Phase die Restfahrt mittels Raketentriebwerken eliminiert werden. In manchen Fällen, bei kleineren Landern, muss danach noch ein Airbag den Landestoß absorbieren. Bei großen Nutzlasten in der Curiosity- und Perseverance-Klasse – diese Fahrzeuge wiegen auch auf der Erde schon über eine Tonne – braucht es das überaus diffizile Skycrane-Verfahren, um sie intakt abzuliefern. Nicht zuletzt wegen der nahezu unfassbaren Komplexität des Vorgangs und seinen vielen Unwägbarkeiten bezeichnen die NASA-Ingenieure diese Landungen gerne als die „Sieben Minuten des Terrors“, ein Begriff, den nun auch die chinesischen Ingenieure übernommen haben. An all das wagen sich die chinesischen Raumfahrtingenieure gleich bei ihrer ersten eigenständigen Mission zum Roten Planeten. Ein Zeichen für großes Raumfahrt-Knowhow und vor allem auch für ein handfestes Selbstbewusstsein. Um der Komplexität des Verfahrens noch eins obendrauf zu setzen versucht sich China nicht nur mit einer Orbiter/Lander-Kombination, sondern führt auch noch einen komplexen Rover mit sich.

Das Raumfahrzeug

Tianwen-1 ist ein massives Fahrzeug, das dem Anspruch eines Landes gerecht wird, zur absoluten Spitze der Weltraumnationen zu gehören. Um dieses Raumfahrzeug überhaupt starten zu können, brauchte es eine der leistungsfähigsten Trägerraketen der Welt: Die Langer Marsch 5. Sie ist in derselben Leistungsklasse angesiedelt wie die Delta 4 Heavy, die nur noch von der Falcon Heavy von SpaceX übertroffen wird. Tianwen-1 besteht aus drei Komponenten: Dem Orbiter, dem Lander und einem Rover. Die beiden letzteren werden vom Hitzeschild umschlossen, einem kurvilinearen Kegel, der einer fliegenden Untertasse ähnelt. Die Bodenplatte dieses Kegels hat einen Durchmesser von 3,4 Metern. Diese Platte besteht aus einem ablativen Hitzeschild, der aus ähnlichem Material gefertigt wurde, wie der Hitzeschild der bemannten Shenzou-Raumkapseln. Der Orbiter alleine weist ein Startgewicht von 3.175 Kilogramm auf. Er wird den Roten Planeten mit sechs Instrumenten aus der Umlaufbahn aus beobachten. Seine Aufgabe ist es auch, sich selbst und die Lander/Rover-Kombination in eine Umlaufbahn einzubremsen und den Ort für die Landung genau zu definieren. Seine eigene Ausrüstung mit Instrumenten besteht aus einer hoch auflösenden Kamera mit einem maximalen Auflösungsvermögen von fünfzig Zentimetern pro Bildpunkt, einer Kamera mit mittlerem Auflösungsvermögen von 100 Metern für Kontextaufnahmen, einem Magnetometer, einem Spektrometer zur Bestimmung von Mineralien und Erzen, einem Bodenradar mit einer Eindringtiefe von mehreren hundert Metern und einem Teilchendetektor für Ionen und neutrale Partikel zum Studium der Wechselwirkung zwischen der Marsatmosphäre und dem interplanetaren Raum. Der solarbetriebene Rover ist zwei Meter lang und 1,65 Meter breit. Er wiegt 240 Kilogramm und ist damit insgesamt etwa 25 Prozent größer als die US-Rover Spirit und Opportunity der frühen 2000er-Jahre. Er soll die Utopia Planitia-Region erforschen und ist dafür mit insgesamt sechs Instrumenten ausgerüstet, nämlich einem Radar, mit dem der Boden bis in eine Tiefe von 100 Metern untersucht werden kann, einer Multispektralkamera, Navigations- und Terrainkameras für den Fahrbetrieb, einem Detektor für chemische Verbindungen, einem Magnetfelddetektor und meteorologischen Messinstrumenten. Dieser Rover wird mit einem Landefahrzeug zur Oberfläche gebracht, das über Hitzeschild, Fallschirm und Retroraketen verfügt. Das gesamte Raumfahrzeug mit seinen drei Komponenten und dem beim Eintritt in die Atmosphäre alles umschließenden Hitzeschild ist beim Start mehr als fünf Tonnen schwer.

Tianwen-1 – Der Missionsablauf

Zum Zeitpunkt, an dem diese Zeilen entstehen, ist die Mission bereits sicher auf dem Transfer zum Mars. Der Start klappte einwandfrei, was gerade bei der Langer Marsch 5 keine gesicherte Sache war. Es war erst der fünfte Start einer Langer Marsch 5, und eine der vier vorausgegangenen Missionen war ein Fehlschlag gewesen. Traditionell treten Startversager vorwiegend bei den frühen Missionen neuer Trägerraketen auf, deswegen dürfte der Blutdruck der chinesischen Ingenieure bei diesem Start nicht gerade niedrig gewesen sein. Nun folgt die Transferphase, in der sich das Raumfahrzeug noch befinden wird, wenn die meisten der SPACE-Leser diese Ausgabe in den Händen halten. Im Februar trifft Tianwen-1 am Mars ein und führt ein Brennmanöver durch, nach dessen hoffentlich erfolgreichem Abschluss es sich auf einem sehr langgezogenen sogenannten „Capture Orbit“ befindet. Dessen Umlaufdauer wird etwa zehn Tage betragen, bei einer Inklination zum Äquator von 11,8 Grad. Aus dieser vorläufigen Umlaufbahn wird sich das Raumfahrzeug nach und nach mit Hilfe mehrerer weiterer Brennmanöver auf seinen Arbeitsorbit begeben, der ein Periaris von 265 Kilometern und ein Apoaris von 12.000 Kilometern aufweisen soll und dabei über die Marspole führt. Frühestens im April, wahrscheinlich aber im Mai, wird sich das Lander/Rover-Modul vom Orbiter trennen und seinen Abstieg durch die Mars-Atmosphäre zur Oberfläche antreten. Zunächst bremst der Lander so stark ab, dass er die obersten Schichten der Mars-Atmosphäre erreichen kann. Sobald er dort angekommen ist, beginnt die aerodynamische Abbremsung mittels des Hitzeschildes. Die Eintrittsgeschwindigkeit in die Marsatmosphäre beträgt dabei 17.300 Kilometer pro Stunde. Innerhalb von 290 Sekunden wird diese Geschwindigkeit auf 1.650 Kilometern pro Stunde reduziert.

Zu diesem Zeitpunkt wird das Fallschirmsystem aktiviert, das die Geschwindigkeit innerhalb von 90 Sekunden auf etwa 350 Kilometer pro Stunde reduziert. In dieser Flugphase trennt sich der Lander auch vom unteren Teil des Hitzeschildes. Danach trennt sich der Lander vom Fallschirm und der oberen Kappe des Schildes und dann beginnt die propulsive Schlussphase der Landung. 80 Sekunden dauert es, bis die Geschwindigkeit vollständig abgebaut ist. Etwa 100 Meter über der Oberfläche steht der Lander zunächst still. In diesem Zeitraum scannt er den Boden unter sich ab, bis er eine ebene und weitgehend steinfreie Fläche gefunden hat. Dieser Prozess kann bis zu 100 Sekunden dauern, so lange reicht der Treibstoff. Danach erfolgt der endgültige Abstieg zur Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 3,6 Metern pro Sekunde. Das Landegebiet liegt in der Utopia Planitia Region, unter dessen Oberfläche ein gigantisches Wasserreservoir in Form von Eis vermutet wird. Die darin gebundene Wassermenge ist so groß wie die des Lake Superior in den USA, einer der größten Süßwasserseen der Erde. Bald nach dem Aufsetzen klappt der Lander zwei Rampen aus, über die der Rover auf die Oberfläche des Mars rollen kann. Der Tianwen-Orbiter stellt das Funkrelay mit der Erde für den Rover dar. Die nominale Missionsdauer ist mit 90 Tagen ausgelegt, doch hoffen die chinesischen Wissenschaftler auf einen wesentlich längeren Einsatz. Vielleicht erinnern sie sich noch: Die beiden US-Marsrover Spirit und Opportunity, die im Januar 2003 auf dem Mars landeten blieben bis zum 25. Mai 2011 und 10. Juni 2018 im Einsatz und auch sie waren jeweils nur für 90 Tage auf dem Mars ausgelegt.

Chinas weitere Pläne am Mond…

Die Mission zum Mars wird keine Einzelaktion im Weltraum jenseits der Erdumlaufbahn bleiben. Über Chinas Mondambitionen haben wir in SPACE schon öfters berichtet. An der nächsten Mission zum Erdtrabanten können sich die SPACE-Leser bereits in etwa um das Erscheinungsdatum von SPACE 2021 freuen, wenn Chang’e 5 am 24. oder 25. November auf die Reise gehen wird.

Chang’e 5 ist eine Probenrückführ-Mission. Die erste seit Luna 24 im August 1976. Bei diesem Flug werden die Ereignisse, anders als bei der langfristig ausgelegten Reise von Tianwen-1, Schlag auf Schlag erfolgen. Nach dem Start mit der Langer Marsch 5 wird die insgesamt 8,2 Tonnen schwere Sonde zunächst auf eine Transferbahn zum Mond gebracht. Nach drei Reisetagen soll das Vehikel dann im Rahmen mehrerer Bahnanpassungsmanöver in eine Mondumlaufbahn in 200 Kilometern Höhe einschwenken. Dort koppelt der Lander ab, und geht zwei weitere Tage später im Gebiet des Mons Rümker im Mare Procellarum nieder. Danach folgen die Probenentnahmen. Nach längstens zehn Tagen fliegt die Aufstiegsstufe mit den Proben zurück in die Umlaufbahn und legt wieder am Orbiter an. Dann findet der automatische Transfer der Proben in die Landekapsel im Inneren des Orbiters statt und die Aufstiegsstufe koppelt wieder ab. Der Orbiter mit der Rückkehrsonde zündet sein Triebwerk und fliegt wieder in Richtung Erde. Sobald alle Kurskorrekturen abgeschlossen sind, gibt der Orbiter die Landesonde frei, die dann nach etwa drei Tagen gesamter Transferzeit vom Mond mit etwa zwei Kilogramm Bodenproben in der Wüste Gobi landen soll.

Eine weitere Probenrückführmission dieser Art ist für 2023 mit Chang’e 6 geplant. Ein noch höherer Komplexitätsgrad wird mit Chang’e 7 erreicht, die 2024 starten soll. Die Mission besteht aus drei Elementen: Einem Orbiter in einem Halo-Orbit um den Mond, der den Quequia-Relaysatelliten ersetzen soll, einem Mondorbiter, der in einer sehr niedrigen Umlaufbahn nach Bodenschätzen und Mineralien Ausschau halten soll, und einem Lander, der am Südpol nahe des Terminators aufsetzen soll. Mit an Bord werden dann ein wesentlich leistungsfähigerer Rover als die beiden Yutu’s von Chang’e 3 und 4 sein, sowie ein raketenbetriebenes Erkundungsfluggerät, mit dem sich schnell größere Distanzen auf dem Mond zurücklegen lassen. Mit ihm sollen vor allen Dingen ständig im Schatten liegende Stellen in der Nähe des Landeplatzes für Analysezwecke untersucht werden.

Chang’e 8, mit einem Start 2025 oder 2026, wird als Vorbereitungsmission für bemannte chinesische Mondlandungen gesehen. Hauptzweck dieser robotischen Mission soll die versuchsweise Produktion von Bauelementen aus Mond-Regolith mittels eines 3D-Druckers sein. Im August 2020 hat China eine etwas detailliertere Planung für ihr bemanntes Mondvorhaben veröffentlicht. Demzufolge soll die chinesische Mondstation international betrieben werden. Das spiegelt sich auch in der Bezeichnung des Projektes wider, das jetzt „International Lunar Research Station“ heißt. Diese Basis soll am lunaren Südpol errichtet werden. Erste bemannte chinesische Mondlandungen mit Kurzzeitaufenthalten sollen ab dem Jahr 2030 erfolgen. Mit ihnen wird das Gelände der zukünftigen Station im Detail erkundet und Technologien erprobt. Zwischen 2030 und 2035 soll – weitgehend von Robotern – eine permanente Basis aufgebaut werden. Diese Basis wird in den Aufbaujahren schon für Kurzzeitaufenthalte besucht. Ab dem Jahr 2036 könnte sie als permanente und internationale Basis in Betrieb genommen werden. Russland hat bereits öffentlich Interesse an einer Teilnahme an dieser angemeldet. Auch die ESA zeigt sich verhalten interessiert, obwohl die europäische Raumfahrbehörde bereits beim Esprit-Modul des ARTEMIS-Gateway mitmacht und für die Orion-Raumschiffe der NASA das Service-Modul liefert.