Die Paternoster-Bahn zum Mars
Bisherige Marsmissionsprofile basieren gewöhnlich auf einem Hohmann-Orbit, weil dieser den geringstmöglichen Energieaufwand für die Geschwindigkeitsänderungen beim Verlassen des Schwerefeldes der Erde und beim Einfangen vom Schwerefeld des Mars erfordert. Das Missionsprofil ist grob wie folgt umschreibbar:
Hinflug zum Mars 258 Tage
Aufenthalt auf dem Mars 457 Tage
Rückflug vom Mars 258 Tage
Die resultierende Gesamtflugzeit beträgt also 973 Tage, das entspricht mehr als 32 Monaten.
Hier soll ein Missionsprofil beschrieben werden, bei dem von Niedrigenergie-Orbits abgesehen wird und stattdessen ein kurzer Aufenthalt auf dem Mars verbunden mit kurzen Flugzeiten angestrebt wird. Das Missionsprofil sieht folgendermaßen aus:
Hinflug zum Mars 243 Tage
Aufenthalt auf dem Mars 44 Tage
Rückflug vom Mars 187 Tage
Hier ist die Gesamtflugzeit also 474 Tage, weniger als die Hälfte der konventionellen Lösung. Ein großer Nachteil der vorgestellten Lösung sind die hohen Geschwindigkeitsänderungen bei den Abflügen sowohl von Erde als auch Mars und bei der Ankunft am Mars. Allerdings ist für jede neue Mission im Wesentlichen nur die Beschleunigung von kleinen Mannschaftskapseln notwendig. Diese Mannschaftskapseln haben im Grunde nur die Funktion, die Astronauten zu den jeweiligen eigentlichen beiden Raumschiffen zu bringen. Eines der beiden zum Einsatz kommenden Raumschiffe pendelt, ein Mal auf die jeweilige Bahn gebracht und dann mit relativ geringem Aufwand von der Erde aus versorgt, ununterbrochen zwischen Mars und Erde, das zweite Raumschiff fliegt auf einer freien Rückkehrbahn von der Erde zum Mars und von dort antriebslos wieder zur Erde zurück, wo es auf aerodynamischem Wege abgebremst und dann in einem niedrigen Erdorbit für weitere Missionen „geparkt“ wird. Das erste Raumschiff wird für den Hinflug zum Mars verwendet, das zweite Raumschiff ist für den Rückflug vorgesehen. Dies ermöglicht eine Nutzung bei folgenden Marsmissionen mit im Vergleich zu konventionellen Missionen verringertem Aufwand.
Die Landungen auf dem Mars erfolgen mit zwei der Mondfähre des Apollo-Programms ähnlichen Landern an zwei völlig verschiedenen Stellen auf dem Mars. Als einziges Infrastruktur-Element ist eine kleine „Raumstation“ im Marsorbit notwendig, die den Astronauten als Aufenthaltsort und als Lager für den Treibstoff für den Rückflug sowie als „Parkplatz“ für die beiden Landefähren dient.
Zum Mars in einem Hohmann-Orbit
Unbemannte Sonden werden gewöhnlich auf einer so genannten Hohmann-Bahn zum Mars geschickt, weil der Energieaufwand dafür sehr gering ist. Für bemannte Marsmissionen wird meistens ebenfalls und aus dem gleichen Grunde diese Bahn bevorzugt, was allerdings eine sehr lange Missionsdauer nach sich zieht, wie unten klar wird.
Ein Hohmann-Orbit tangiert jeweils die Erdbahn und die Marsbahn. Die Radien von Erd- und Marsbahn (jeweils als Kreisbahnen vereinfacht) betragen
rE = 1,49 * 1011 m
rM = 2,28 * 1011 m
Der Radius der Hohmann-Bahn ist so der mittlere Radius aus den Radien von Erde und Mars:
rH = 1,885 * 1011 m
Aus diesem Radius ergibt sich eine Umlaufzeit eines Satelliten um die Sonne auf einer Hohmann-Bahn von
TH = 517 d
Für die Exzentrizität muss gelten, dass sie die Hälfte der minimalen Distanz Erde-Mars betragen muss. Daraus ergibt sich auch ein Achsenverhältnis (wäre bei einem Kreis 1, bei einer Ellipse < 1). Es folgt
eH = 0,395 * 1011 m
Achsenverhältnis: 0,98
Die Hohmann-Bahn ist in Bild 5 dargestellt.
Wird von der Erde ein Satellit im Punkt 1 auf eine Geschwindigkeit von 3160 m/s beschleunigt, dann umkreist er die Sonne in 517 Tagen und erreicht nach der Hälfte dieser Zeit an seinem sonnenfernsten Punkt die Marsbahn. Nach 517 Tagen ist wieder die Erdbahn erreicht. Allerdings ist die Erde zu dieser Zeit nicht an dieser Stelle.
Ein Flug zum Mars und wieder zurück auf Hohmann-Bahnen ist in Bild 6 dargestellt.
The Knyghtes Tale
An Punkt 2 wird das Raumschiff in Bahnrichtung, also parallel zur Sonne, so stark beschleunigt, dass es das Schwerefeld der Erde mit einer Geschwindigkeit von 3160 m/s verlässt. Diese Geschwindigkeit wird dann stetig in potenzielle Energie umgesetzt, das heißt, die Entfernung zur Sonne steigt und die Geschwindigkeit sinkt. Nach 258 Tagen ist Punkt 3 erreicht. Die Geschwindigkeit ist nun geringer als die Bahngeschwindigkeit des Mars, der sich von hinten nähert. Um vom Gravitationsfeld des Mars eingefangen zu werden muss das Raumschiff um weitere 2682 m/s beschleunigt werden. Genau mit diesem Flugprofil werden unbemannte Sonden gewöhnlich zum Mars geflogen, weil der Energieaufwand gering ist und die Flugdauer zweitrangig ist.
Die Erde, die auf ihrer Bahn in etwa doppelt so schnell wie der Mars ist, ist inzwischen auf ihrer Bahn dem Mars um etwa 75° vorausgeeilt. Der Rückflug zur Erde kann am Mars erst dann erfolgen, wenn spiegelbildlich die Erde wieder 75° hinter dem Mars ist, was erst nach einem Aufenthalt auf dem Mars von 457 Tagen an Punkt 4 der Fall ist. Der Rückflug verläuft invers zum Hinflug, das heißt, das Gravitationsfeld des Mars muss mit 2682 m/s verlassen werden, der Flug dauert wie der Hinflug 258 Tage und das Eintreffen im Schwerefeld der Erde erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 3160 m/s. Diese Geschwindigkeit muss an Punkt 5 wieder abgebaut werden, entweder als Bremsschub oder durch atmosphärische Reibung mit einem Hitzeschild.
Das Missionsprofil ist kompromisslos auf einen geringen energetischen Aufwand ausgerichtet. Der Preis, der dafür bezahlt werden muss, ist die enorm hohe Missionsdauer von 973 Tagen, davon 517 Tage im tiefen Weltraum. Die lange Missionsdauer bedingt einen hohen Aufwand an Logistik und Verbrauchsmaterialien, wie Wasser, Sauerstoff, Stickstoff und Nahrung. Die Besatzung wird sehr stark durch Strahlung und Schwerelosigkeit im Weltraum in Anspruch genommen. Auf dem Mars muss eine komplexe Infrastruktur verpflanzt werden, in der die Astronauten mehr als 15 Monate verweilen können.
Unten wird bald klar werden, dass dieses Missionsprofil einen weiteren Nachteil hat. Das große Raumschiff, das die Astronauten die volle Zeit im tiefen Weltraum, also 517 Tage lang aufnehmen muss, muss am Mars beschleunigt und beim Rückflug zur Erde wieder entsprechend abgebremst werden. Obwohl die jeweiligen Geschwindigkeitsänderungen geringstmöglich sind, ist der gesamte Energieumsatz durch die hohe Masse des Raumschiffes beträchtlich.
