Nicht alle, aber viele Wege führen zum Mars
Es ist mittlerweile allgemein bekannt, dass eine bemannte Marsmission eine enorm lange Flugzeit erfordert. Man weiß, dass unbemannte Sonden acht und mehr Monate unterwegs sind und es ist auch relativ einfach, einem Laien zu erklären, dass eine Aufenthaltszeit von 15 Monaten auf dem Mars notwendig ist, bis die Erde wieder in einer Position ist, bei der ein wiederum acht Monate langer Rückflug möglich ist. Macht eine Gesamtreisezeit von mehr als zweieinhalb Jahren.
Auf solche Missionsszenarien sind bisher beinahe alle Forschungen ausgerichtet, die derzeit (aus politischen Gründen „getarnt“ beispielsweise im Rahmen der ISS) als Vorbereitungen für künftige Reisen von Astronauten zum Mars durchgeführt werden. Das sind medizinische Fragen zur Langzeitbelastung des menschlichen Organismus durch Schwerelosigkeit und Strahlungsbelastung sowie technische Fragen hinsichtlich geschlossener Kreisläufe bei Atemluft- und Nahrungsversorgung. Ein gutes Beispiel ist das Szenario von Robert Zubrin, das das enorme technische Problem einer automatisierbaren Treibstoffherstellung auf dem Mars mit sich bringen würde, ganz abgesehen von der erforderlichen Entwicklung von hochleistungsfähigen weltraumtauglichen Kernreaktoren, verlustfreier Aufbewahrung von flüssigem Wasserstoff über Jahre hinweg inklusive seines Transports von der Erde zur Marsoberfläche und einer gigantischen Logistik, die auch vollautomatische Gewächshäuser einschließt.
Eher selten ist in der Literatur der naheliegende Ansatz zu finden, einfach schneller zu fliegen und dadurch die Missionsdauer zu verkürzen. Schneller zu fliegen ist natürlich mit einem höheren Treibstoffaufwand verbunden. Das hat den Nachteil, dass die Tonnage, die in den Weltraum zu bringen ist, sich vervielfacht und sich am Missionsprofil nicht wirklich viel ändern würde. Würde man beispielsweise die Reisezeit durch einen schnelleren Flug von acht auf vier Monate verkürzen würde das bedeuten, dass dafür die Aufenthaltsdauer auf dem Mars verlängert werden müsste; in diesem Fall um vier Monate. Der gesamte Zeitgewinn würde vier Monate betragen, was zu dem enormen zusätzlichen Treibstoffaufwand in keinem Verhältnis stünde.
Es gibt aber auch Ideen, die einen anderen himmelsmechanischen Ansatz wählen. Diese haben gemein, dass nicht der „kürzeste“ Weg zum Mars genommen wird sondern sozusagen die „Innenkurve“ genommen wird und erst mal Richtung Venus geflogen wird. Hierzu gibt es eine Fülle von Szenarien, von denen bei manchen die Gravitationskraft der Venus zur Energieeinsparung mitbenutzt werden könnte. Allen diesen Szenarien ist gemein, dass die Reisezeiten wesentlich länger sind, die Aufenthaltsdauer auf dem Mars dafür allerdings kürzer. Beides zusammen ergibt eine insgesamt relativ kurze Missionsdauer, gewöhnlich in der Größenordnung von etwa eineinhalb Jahren. Auch unter Zuhilfenahme des Schwerefeldes der Venus hat diese Missionsart den Nachteil, dass der Energieaufwand hier höher ist als bei einer Langzeitmission. Neben der kürzeren Gesamtmissionsdauer ist aber auch die kürzere Aufenthaltsdauer von Tagen, Wochen oder höchstens wenigen Monaten auf dem Mars sehr vorteilhaft, weil eine komplexe Logistik auf dem Mars nicht notwendig ist. Der Aufwand zur Lebenshaltung der Astronauten auf dem Flug zum und vom Mars hingegen ist mindestens der gleiche wie bei einer Langzeitmission. Die energetische Mithilfe der Venus ist, das darf nicht unerwähnt bleiben, nicht bei jedem Flugfenster zum Mars möglich.
Es gibt auch Ideen, das Problem des im Vergleich zur Apollo-Mission großen und schweren Marsraumschiffs zu lösen. Man stelle sich vor, man hätte eine Art „Raumpendler“, eine „instationäre Raumstation“, die einmal auf ihre Bahn um die Sonne gebracht ständig und antriebslos zwischen Erde und Mars pendelte. Man könnte dann einfach mit einem kleineren Raumschiff die Astronauten beliebig auf- und abspringen lassen, vergleichbar mit einem Paternoster, der in einem Gebäude durchgängig in einer Schleife auf und ab fährt. Dieser Gedanke wurde vom ehemaligen Apollo-Astronauten Edwin Aldrin verfolgt. Eine himmelsmechanische Betrachtung zeigt, dass man mit einem wegen des kleineren „Taxi“-Raumschiffs sehr niedrigen Energieaufwand innerhalb von fünf Monaten zum Mars fliegen könnte und dort nach einem Aufenthalt von zwei Jahren in wiederum fünf Monaten zurückfliegen könnte. Nachteil hier ist aber (neben dem enorm langen Aufenthalt auf dem Mars) die Tatsache, dass zwei Paternoster notwendig sind, einer für den Hin- und ein weiterer für den Rückflug.
Nun liegt es nahe, die Ideen einer Kurzzeitmission mit dem Paternoster-Prinzip zu kombinieren. Dies hat den Vorteil, dass eine kurze Gesamtreisezeit ohne komplexe Infrastruktur auf dem Mars kombinierbar ist mit einem kleinen Taxi für die Astronauten. Genau solch eine Mission wird auf der nächsten Seite eingehend beschrieben.
Eine denkbare Kurzzeit-Mission mit dem Paternoster-Prinzip zum Mars würde wie folgt ablaufen:
Am Tag 1 starten im Abstand von maximal eineinhalb Stunden zwei Raketen jeweils von der Größe einer Saturn V. Diese beiden Raketen bestehen fast vollständig aus riesigen Treibstofftanks und starken Triebwerken. Lediglich in den Spitzen sind kleine Taxis, Zweimann-Kapseln mit in etwa der gleichen Größe und mit der gleichen Technik wie die zum Beginn des Raumfahrtzeitalters so berühmten Gemini-Kapseln. Die ersten beiden Stufen werden beim Aufstieg planmäßig abgeworfen, die dritte Stufe bringt die Taxis zunächst in einen niedrigen Erdorbit. Nach umfangreichen technischen Überprüfungen wird nach ein oder zwei Erdumkreisungen die dritte Stufe ein zweites Mal gezündet und bringt die Kapsel mitsamt der noch nicht eingesetzten vierten Stufe auf eine Geschwindigkeit nahe der Fluchtgeschwindigkeit der Erde.
Bis zu diesem Zeitpunkt entspricht der Flug in etwa dem einer früheren Mondreise. Die Kapseln bewegen sich mit etwa 11 km pro Sekunde von der Erde weg. Sollte der Flug an dieser Stelle abgebrochen werden müssen, wäre dies noch problemlos möglich, weil die Kapsel nach etwa fünf Tagen Flugzeit wieder in Erdnähe wäre; das entspräche dann ungefähr der (abgebrochenen) Mission Apollo 13. Wenn jedoch alle weiteren Überprüfungen der Technik und der Flugbahn abgeschlossen sind, kann der weitere Schritt gewagt werden: Die Zündung der vierten Stufe. Sollten bei der vierten Stufe von einem der beiden Taxis ein Problem auftreten ist eine Rückkehr zur Erde noch denkbar. Das andere Taxi könnte das defekte Taxi ankoppeln und den Resttreibstoff der vierten Stufe zum Abbremsen für eine Rückkehr zur Erde nutzen. Bald aber ist der „point of no return“ erreicht; eine Rückkehr ist nicht mehr möglich, der Weiterflug zu Obelix muss geschafft werden. Nach Brennschluss der jeweiligen vierten Stufen ist eine Geschwindigkeit relativ zur Erde von 16 Kilometern pro Sekunde erreicht.
Obelix ist der Paternoster zum Flug von der Erde zum Mars. Er ist ähnlich aufgebaut wie eine kleine Raumstation, Gesamtgewicht etwa 35 Tonnen. Dies teilt sich auf auf eine große Mannschaftskabine , 10 m lang und mit 4 m Durchmesser, eine Versorgungskapsel mit Vorräten, mit denen vier Astronauten 365 Tage am Leben erhalten werden könnten, einer weiteren Kapsel mit Abfällen der letzten Marsmission, die jetzt Obelix von der starken Strahlung der Sonne abschirmt, einem schweren Hitzeschild, der den Astronauten im Notfall ein gefahrloses Eindringen in die Erdatmosphäre ermöglichen würde und einem etwa 5000 l fassenden Wassertank, der als Treibstoff für den Antrieb von Obelix für Bahnkorrekturmanöver während seiner unbemannten Phase dient.
Obelix kreist antriebslos auf einer stark elliptischen Bahn um die Sonne und er braucht, wie die Erde, genau ein Jahr für eine Umkreisung. Allerdings mit dem Unterschied, dass er währen dieses Jahres der Sonne einmal fast so nahe wie der Planet Merkur kommt und ein halbes Jahr danach so weit von ihr entfernt ist wie der Mars.
