Schade, dass der Mars so ein interessanter Ort ist, denn er ist eigentlich einer der schwierigsten Orte im Sonnensystem, besonders wenn Sie viel Gepäck mitbringen möchten. Dieser Planet ist ein Friedhof von Missionen, die es nicht ganz geschafft haben.
Wenn unsere Ambitionen wachsen und wir darüber nachdenken, den Mars mit Menschen zu erkunden – vielleicht sogar mit zukünftigen Kolonisten – müssen wir eines der größten Probleme der Weltraumforschung lösen.
Es ist wirklich sehr schwer, schwere Nutzlasten erfolgreich auf der Marsoberfläche zu landen.
Es gibt eine Reihe von Herausforderungen mit dem Mars, einschließlich des Fehlens einer schützenden Magnetosphäre und der geringeren Oberflächengravitation. Aber einer der größten ist seine dünne Atmosphäre aus Kohlendioxid.
Wenn Sie ohne Raumanzug auf der Marsoberfläche stünden, würden Sie erfrieren und an Sauerstoffmangel ersticken. Aber Sie würden auch weniger als 1% des atmosphärischen Drucks erleben, den Sie hier auf der Erde genießen.
Und es stellt sich heraus, dass es diese dünne Atmosphäre unglaublich schwierig macht, bedeutende Nutzlasten sicher auf die Oberfläche des Roten Planeten zu bringen. Tatsächlich haben nur 53% der Missionen zum Mars tatsächlich richtig funktioniert.
Lassen Sie uns also darüber sprechen, wie Missionen zum Mars in der Vergangenheit funktioniert haben, und ich werde Ihnen zeigen, was das Problem ist.
Die Landung auf dem Mars ist das Schlimmste
Historisch gesehen werden Missionen zum Mars von der Erde aus während der Flugfenster gestartet, die sich etwa alle zwei Jahre öffnen, wenn Erde und Mars näher beieinander sind. ExoMars flog 2016, InSight 2018 und der Mars 2020 Rover wird 2020 einfliegen.
Künstlerische Darstellung des InSight-Landers, der seine Eintritts-, Abstiegs- und Landephase (EDL) zum Mars beginnt. Bildnachweis: NASA
Die Missionen folgen einer interplanetaren Flugbahn, die darauf ausgelegt ist, entweder am schnellsten oder mit der geringsten Menge an Treibstoff dorthin zu gelangen.
Wenn die Raumsonde in die Atmosphäre des Mars eindringt, fliegt sie Zehntausende von Kilometern pro Stunde. Es muss irgendwie all diese Geschwindigkeit verlieren, bevor es sanft auf der Oberfläche des Roten Planeten landet.
Hier auf der Erde können Sie die dicke Erdatmosphäre nutzen, um Ihren Abstieg zu verlangsamen, indem Sie Ihre Geschwindigkeit mit einem Hitzeschild ablassen. Die Kacheln des Space Shuttles wurden entwickelt, um die Wärme des Wiedereintritts zu absorbieren, als der 77 Tonnen schwere Orbiter von 28.000 km/h auf Null raste.
Eine ähnliche Technik könnte auf Venus oder Titan verwendet werden, wo sie dicke Atmosphären haben.
Der Mond, ganz ohne Atmosphäre, ist auch relativ einfach zu landen. Ohne jegliche Atmosphäre ist kein Hitzeschild erforderlich, Sie verwenden nur den Antrieb, um Ihre Umlaufbahn zu verlangsamen und auf der Oberfläche zu landen. Solange Sie genügend Treibstoff mitbringen, können Sie die Landung kleben.
Zurück zum Mars, mit einer Raumsonde, die mit mehr als 20.000 Stundenkilometern in seine dünne Atmosphäre rast.
Neugier ist die Grenze
Traditionell haben Missionen ihren Abstieg mit einer Aeroshell begonnen, um einen Teil der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs zu entfernen. Die schwerste Mission jemals zum Mars geschickt wurde Curiosity, das eine Tonne oder 2.200 Pfund wog.
Als es in die Marsatmosphäre eintrat, ging es los 5,9 Kilometer eine Sekunde oder 22.000 Stundenkilometer.
Neugier, die in die Marsatmosphäre übergeht. Bildnachweis: NASA/JPL
Curiosity hatte mit einem Durchmesser von 4,5 Metern die größte jemals zum Mars geschickte Aeroschale. Diese riesige Aeroshell wurde in einem Winkel geneigt, sodass das Raumfahrzeug beim Auftreffen auf die dünne Marsatmosphäre manövrieren und auf eine bestimmte Landezone abzielen konnte.
In einer Höhe von etwa 131 Kilometern würde die Raumsonde damit beginnen, Triebwerke abzufeuern, um die Flugbahn perfekt anzupassen, wenn sie sich der Marsoberfläche näherte.
Nach etwa 80 Sekunden Flug durch die Atmosphäre stiegen die Temperaturen am Hitzeschild auf 2.100 Grad Celsius. Um nicht zu schmelzen, verwendet der Hitzeschild ein spezielles Material namens Phenolic Impregnated Carbon Ablator oder PICA. Das gleiche Material, das SpaceX übrigens für seine Dragon-Kapseln verwendet.
Nachdem sie ihre Geschwindigkeit auf unter Mach 2,2 verlangsamt hatte, setzte die Raumsonde den größten Fallschirm ein, der jemals für eine Mission zum Mars gebaut wurde – 16 Meter Durchmesser. Dieser Fallschirm könnte 29.000 Kilogramm Widerstandskraft erzeugen und ihn noch weiter verlangsamen.
Die Aufhängungsleinen wurden aus Technora und Kevlar hergestellt, die so ziemlich die stärksten und hitzebeständigsten Materialien sind, die wir kennen.
Dann warf es seinen Fallschirm ab und benutzte Raketentriebwerke, um seinen Abstieg noch weiter zu verlangsamen. Als es nahe genug war, setzte Curiosity einen Skycrane aus, der den Rover sanft zur Oberfläche absenkte.
Dies ist die Schnellversion. Wenn Sie einen umfassenden Überblick darüber haben möchten, was Curiosity bei der Landung auf dem Mars durchgemacht hat, empfehle ich Ihnen dringend, Emily Lakdawallas „ Das Design und die Entwicklung der Neugier '.
Illustration des Himmelskrans von Curiosity, der ihn sanft auf dem Mars platziert. Bildnachweis: NASA/JPL
Curiosity wog nur eine Tonne.
Schwerer zu werden skaliert nicht
Möchten Sie dasselbe mit schwereren Nutzlasten tun? Ich bin sicher, Sie stellen sich größere Aeroshells, größere Fallschirme, größere Skycranes vor.
Theoretisch wird das SpaceX-Raumschiff 100 Tonnen Kolonisten und ihr Zeug auf die Marsoberfläche schicken.
Künstlerische Illustration des Raumschiffs SpaceX. Bildnachweis: SpaceX
Hier ist das Problem. Die Methoden zum Abbremsen in der Marsatmosphäre lassen sich nicht sehr gut skalieren.
Beginnen wir zunächst mit Fallschirmen. Um ehrlich zu sein, ist Curiosity mit einer Tonne so schwer, wie man es mit einem Fallschirm erreichen kann. Je schwerer, und es gibt einfach keine Werkstoffingenieure, die die Verzögerungslast bewältigen können.
Vor einigen Monaten feierten NASA-Ingenieure den erfolgreichen Test des Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment (ASPIRE). Das ist der Fallschirm das wird für die Rover-Mission Mars 2020 verwendet.
ASPIRE-Nutzlast trennt sich von seinem Booster. Bildnachweis: NASA/JPL/Caltech
Sie setzten den Fallschirm aus fortschrittlichen Verbundstoffen wie Nylon, Technora und Kevlar auf eine Höhenforschungsrakete und starteten sie in eine Höhe von 37 Kilometern, um die Bedingungen nachzuahmen, die die Raumsonde bei ihrer Ankunft auf dem Mars erleben wird.
Der im Bruchteil einer Sekunde ausgelöste Fallschirm wurde vollständig aufgeblasen und erlebte 32.000 Kilogramm Kraft. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt an Bord wären, würden Sie 3,6-mal so viel Kraft erleben, als würden Sie mit 100 km/h angeschnallt gegen eine Wand prallen. Mit anderen Worten, Sie würden nicht überleben.
Wenn das Raumfahrzeug schwerer wäre, müsste es aus unmöglichen Verbundstoffen bestehen. Und vergessen Sie die Passagiere.
Die NASA hat verschiedene Ideen ausprobiert, um schwerere Nutzlasten auf dem Mars zu landen, beispielsweise bis zu 3 Tonnen.
Künstlerische Illustration des Low-Density Supersonic Decelerator. Bildnachweis: NASA
Eine Idee heißt Low-Density Supersonic Decelerator oder LDSD. Die Idee ist, einen viel größeren aerodynamischen Verzögerer zu verwenden, der sich wie eine Hüpfburg um das Raumfahrzeug herum aufbläst, wenn es in die Schwerkraft des Mars eintritt.
2015 testete die NASA diese Technologie tatsächlich, indem sie ein Prototypfahrzeug auf einem Ballon in eine Höhe von 36 Kilometern beförderte. Anschließend feuerte das Fahrzeug seine Feststoffrakete ab und beförderte es in eine Höhe von 55 Kilometern.
Wie es war nach oben schießen , bläst es seinen aufblasbaren aerodynamischen Überschall-Verzögerer auf einen Durchmesser von 6 Metern (oder 20 Fuß) auf, der ihn dann wieder auf Mach 2,4 verlangsamt. Leider konnte sich sein Fallschirm nicht richtig entfalten, sodass er in den Pazifischen Ozean stürzte.
Das ist Fortschritt. Wenn sie die Technik und Physik tatsächlich herausfinden können, könnten wir eines Tages 3-Tonnen-Raumschiffe auf der Marsoberfläche landen sehen. Drei ganze Tonnen.
Mehr Antrieb, weniger Fracht
Die nächste Idee, eine Marslandung zu vergrößern, besteht darin, mehr Antrieb zu verwenden. Theoretisch können Sie einfach mehr Treibstoff transportieren, Ihre Raketen abfeuern, wenn Sie auf dem Mars ankommen, und all diese Geschwindigkeit aufheben. Das Problem ist natürlich: Je mehr Masse Sie zum Abbremsen tragen müssen, desto weniger Masse können Sie tatsächlich auf der Marsoberfläche landen.
Illustration der Landung des SpaceX-Raumschiffs auf dem Mars. Bildnachweis: SpaceX
Es wird erwartet, dass das SpaceX-Raumschiff eine propulsive Landung verwendet, um 100 Tonnen auf die Oberfläche des Mars zu bringen. Da es einen direkteren und schnelleren Weg einschlägt, wird das Starship die Marsatmosphäre schneller als 8,5 km/s treffen und dann aerodynamische Kräfte nutzen, um seinen Eintritt zu verlangsamen.
Das muss natürlich nicht so schnell gehen. Das Starship konnte Aerobrake verwenden und mehrmals durch die obere Atmosphäre fliegen, um die Geschwindigkeit zu verringern. Tatsächlich ist das die Methode diese orbitale Raumsonde, die zum Mars geht.
Dann müssten die Passagiere an Bord jedoch Wochen damit verbringen, die Raumsonde zu verlangsamen und in eine Umlaufbahn um den Mars zu gelangen und dann durch die Atmosphäre abzusinken.
Laut Elon Musk besteht seine entzückend wenig intuitive Strategie im Umgang mit der ganzen Hitze darin, das Raumschiff aus Edelstahl zu bauen, und dann werden winzige Löcher in der Hülle Methantreibstoff ablassen, um die Luvseite des Raumschiffs kühl zu halten.
Testen von Starship-Hitzeschild-Sechskantfliesen pic.twitter.com/PycE9VthxQ
– Elon Musk (@elonmusk) 17. März 2019
Sobald es genug Geschwindigkeit verliert, dreht es sich, feuert seine Raptor-Triebwerke ab und landet sanft auf der Oberfläche des Mars.
Auf den Boden zielen, in letzter Minute hochziehen
Jedes Kilogramm Treibstoff, das die Raumsonde verwendet, um ihren Abstieg zur Marsoberfläche zu verlangsamen, ist ein Kilogramm Fracht, die sie nicht an die Oberfläche tragen kann.
Ich bin mir nicht sicher, ob es eine praktikable Strategie gibt, mit der schwere Nutzlasten leicht auf der Marsoberfläche landen werden. Klügere Leute als ich denken, dass es so gut wie unmöglich ist, ohne enorme Mengen an Treibmittel zu verwenden.
Das heißt, Elon Musk denkt, dass es einen Weg gibt. Und bevor wir seine Ideen außer Acht lassen, lassen Sie uns die Twin-Side-Booster der Falcon Heavy-Rakete gemeinsam perfekt landen.
Und achten Sie nicht darauf, was mit dem zentralen Booster passiert ist.
Eine neue Studie des Aerospace Department der University of Illinois in Urbana-Champaign schlägt vor, dass Missionen zum Mars die dickere Atmosphäre nutzen könnten, die näher an der Marsoberfläche liegt.
In ihrem Papier mit dem Titel „Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars“ Forscher schlagen vor dass Raumschiffe, die zum Mars fliegen, es nicht so eilig haben müssen, ihre Geschwindigkeit loszuwerden.
Während das Raumschiff durch die Atmosphäre schreit, kann es immer noch viel aerodynamischen Auftrieb erzeugen, der verwendet werden könnte, um es durch die Atmosphäre zu steuern.
Sie führten die Berechnungen durch und fanden heraus, dass der ideale Winkel darin bestand, das Raumfahrzeug einfach gerade nach unten zu richten und zur Oberfläche zu tauchen. Ziehen Sie dann im letztmöglichen Moment mit dem aerodynamischen Auftrieb nach oben, um seitlich durch den dicksten Teil der Atmosphäre zu fliegen.
Dies erhöht den Luftwiderstand und lässt Sie die meiste Geschwindigkeit loswerden, bevor Sie Ihre Sinkmotoren einschalten und Ihre Motorlandung abschließen.
Das klingt, ähm, lustig.
Wenn die Menschheit eine lebensfähige Zukunft auf der Marsoberfläche aufbauen will, müssen wir dieses Problem lösen. Wir müssen eine Reihe von Technologien und Techniken entwickeln, die die Landung auf dem Mars zuverlässiger und sicherer machen.
Ich vermute, dass es viel schwieriger wird, als die Leute erwarten, aber ich freue mich auf die Ideen, die in den kommenden Jahren getestet werden.
Ein großes Dankeschön an Nancy Atkinson, die behandelt dieses Thema hier auf Universe Today vor mehr als einem Jahrzehnt und inspirierte mich, an diesem Video zu arbeiten.
