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Autor: Stefan Goth / 03. Januar 2018, 14:41 Uhr

Mars Base Camp – Das bessere Mars-Konzept?

Lockheed Martin hat beim IAC 2016 in Mexiko sein Mars Base Camp vorgestellt, um 2028 bemenscht in einen Marsorbit einzuschwenken. Beim IAC 2017 in Adelaide in Australien wurde das Konzept um Landungen auf dem roten Planeten bei späteren Missionen erweitert.

Quelle: Lockheed Martin, NASA, IAC
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Lockheed Martin

Bild vergrößernMars Base Camp im Orbit um Mars
(Bild: Lockheed Martin)














Das Mars Base Camp (MBC) genannte Konzept des Luft- und Raumfahrtkonzerns Lockheed Martin wurde bereits 2016 beim Kongress der International Astronautical Federation in Guadalajara Mexiko einer größeren Öffentlichkeit vorgestellt. Obwohl es durchaus ambitionierte Ziele verfolgt und eine bemenschte Expedition in den Marsorbit und u.U. Explorationen der Marsmonde vorsah, war die Reaktion darauf eher verhalten. Die Diskussionen in den einschlägigen Foren drehten und drehen sich vielmehr um das bei der gleichen Veranstaltung erstmals von Elon Musk präsentierte Konzept einer Besiedelung des Mars mit Hilfe einer noch zu entwickelnden „Big Fucking Rocket“ BFR. Beim IAC Kongress im September 2017 im australischen Adelaide wurde das Mars Base Camp um weitere Missionen mit Landungen auf der Marsoberfläche erweitert.

Es ist natürlich (noch) kein offizielles Projekt der NASA oder eines internationalen Verbunds von Raumfahrtagenturen, aber zumindest ein Vorschlag, der in die langfristige Strategie der NASA passen würde. Es besteht aus verschiedenen Komponenten die spätestens im Marsorbit verbunden werden. Einige Teile werden mittels hocheffizienter solarelektrischer Antriebe vorab in den Marsorbit gebracht und warten dort auf die Transferstufe die mit chemischem Antrieb (flüssiger Wasserstoff H2 und flüssiger Sauerstoff O2) mit Astronauten zum Mars geschickt wird.

Im Bild sieht man die Konfiguration im Marsorbit der ersten Mission, die für 2028 angedacht ist. In der Mitte befindet sich ein Verbindungsknoten (Node) mit einer Kuppola, wie man sie von der ISS kennt. Diese ermöglicht optische Beobachtungen und unterstützt z.B. Montagevorgänge außenbords.
Daran schließen sich links und rechts einmal das Habitat und das Labormodul an, welche von den Außenmaßen sehr ähnlich sind. Jedes dieser beiden Bauteile verfügt über Aufenthalts- und Schlafbereiche für die Crew, welche sich hinter den außen angebrachten sog. Tank-Farmen verbergen. Durch diese Anordnung wird die Crew besser vor Strahlung geschützt.
Im Bereich der Tanks sind auch die Solarpaneele und die Radiatoren zur Kühlung befestigt. Außerdem sind hier jeweils Roboterarme angebracht, die insbesondere bei der Montage der Station oder bei Wartungsarbeiten genutzt werden.
Daran schließen sich jeweils eine Orion-Kapsel (auch Multi Purpose Crew Vehicle, MPCV genannt) an, die wiederum mit sog. Cryogenic Propulsion Stages (CPS), kryogenen Antriebsstufen verbunden sind.
Noch am zentralen Node ist auch ein kleines sog. Excursion Modul angedockt, welches in Verbindung mit einer Orion Annäherungen an die Marsmonde Phobos und Deimos ermöglichen soll.

Lockheed Martin

Bild vergrößernExcursion Modul mit Orion-Kapsel und Cryogenic Propulsion Stage
(Bild: Lockheed Martin)























Da Lockheed Martin der Hauptauftragnehmer für die Orion-Kapsel ist, verwundert es nicht, dass das Multi Purpose Crew Vehicle auch wichtige Funktionen beim Mars Base Camp (MBC) übernimmt. Insbesondere sollen die Entwicklungen bezüglich Avionik, Telekommunikation und des Lebenserhaltungssystems u.a. auf weitere Bauteile des Mars Base Camps übertragen werden.
Insgesamt ist das Konzept eine Kombination aus Habitat, Transportraumschiff zum Mars, Orbitalstation im Marsorbit, Forschungsplattform für bemenschte Missionen zu Phobos und Deimos, Ausgangspunkt und Steuerplattform für robotische Mars-Exploration und letztlich auch Ausgangspunkt für multiple, kurze bemenschte Marslandungen (ggf. auf späteren Missionen).

Was als Marstransferraumschiff mit Menschen fungieren soll wird in der Erdumlaufbahn (bzw. cis-Lunar) zusammengebaut werden. Die Besatzung (zunächst 6 Personen) wird mit zwei Orion-Kapseln dorthin gebracht. Vorstellbar ist eine erste Mission bereits zum 2028-Startfenster, wenn auch noch ohne bemenschte Marslandung. Die Orion-Kapseln werden auch zur Bereitstellung von Avionik bzw. für Ausflüge zu Phobos/Deimos gebraucht. Hierbei dockt eine Orion-Kapsel mit Cryogenic Propulsion Stage ab, koppelt an das Excursion Modul und dieses wiederum kuppelt vom verbleibenden restlichen Mars Base Camp ab. Der kleine Verbund fliegt dann zu Deimos oder Phobos, um dort Kontakt mit der Oberfläche aufzunehmen und Untersuchungen durchzuführen. Material kann mit in die Station im Marsorbit zurückgebracht und dort genauer untersucht werden.

Bei der ersten Mission ist noch nicht geplant mit Menschen auf der Marsoberfläche zu landen, allerdings sollen Rover und Roboter vom Mars Base Camp aus gesteuert werden. U.U. können Rückkehrkapseln von Mars Sample Missionen aufgenommen und untersucht werden.
Das Mars Base Camp verbleibt in dieser Konfiguration bis zum nächsten Rückflugfenster, um sich dann zu teilen. Ein Teil mit Cryogenic Propulsion Stage, Orion und Habitat fliegt als Marstransferstufe zur Erde zurück. Das Labormodul und andere Bauteile verbleiben beim Mars. Nach der Rückkehr des Transfer-Teils des Mars Base Camp zur Erde (bzw. in die Umlaufbahn um den Mond) dienen die Orion-Kapseln der Mannschaft als Rückkehrvehikel zur Erde.

Lockheed Martin

Bild vergrößernMars Base Camp mit Landern (Mars Ascent/Descent Vehicle, MADV)
(Bild: Lockheed Martin)

Bei nachfolgenden Missionen sollen mit einem wiederverwendbaren Lander diverse Missionen zur Marsoberfläche geflogen werden. Im Marsorbit soll der Lander wiederbetankt und für die nächsten Einsätze fit gemacht werden. Ggf. kann Treibstoff über ISRU gewonnen werden. Ein besonderer Vorteil dieses Konzepts ist die Möglichkeit jederzeit im Falle eines größeren Problems vom Marsboden zum Mars Base Camp starten zu können (abort to orbit) und dort bis zum nächsten Transferfenster zur Erde warten zu können.

Die wichtigsten Grundsätze des Konzepts sind
- jede Mission soll die Grundlagen für die nächste liefern bzw. bereitstellen,
- Wiederverwendung möglichst vieler Teile, um Ressourcen zu sparen und die Verfügbarkeit zu erhöhen,
- Ausnutzung und Erweiterung vorhandener Technologien (z.B. SLS und Orion, Erfahrungen mit Habitaten etc.),
- Crew Safety, Vermeidung von Single-Point-of-Failures, deshalb Redundanz bei allen wichtigen Einrichtungen (2 Orion, 2 Habitat/Labormodul, 2 Lander etc.)
- zwar NASA-geführt aber mit starker internationaler und kommerzieller Partnerschaft; kommerziell zur Verfügung gestellte Dienstleistungen sind zu bevorzugen

NASA

Bild vergrößernDeep Space Gateway
(Bild: NASA)

Am Deep Space Gateway (DSG) sollen die Fähigkeiten des MBC demonstriert und getestet werden, z.B. Telerobotik, Sample Return (Materialrückführung), Solar Electric Propulsion (solarelektrische Antriebe, SEP). Geplant ist auch die Untersuchung von Material, das von der Oberfläche (DSG: Mond; MBC: Phobos, Deimos, Mars) eingesammelt wurde.

Herausgestellt wird von Lockheed Martin der Vorteil der Prozessplanung und Abwicklung von Sample-Return-Missionen durch Astronauten aus dem Orbit im Gegensatz zu fernrobotischen Missionen wie z.B. Spirit oder Curiosity, die von der Erde aus gesteuert werden müssen.
Außerdem kann am DSG Betrieb und Wartung einer Station geübt werden, bei der es keine Rückfall- bzw. Rückkehroption innerhalb weniger Stunden zur Erde gibt.
Weiterhin soll hier der 3D-Druck von Ersatzteilen genutzt werden, anstatt diese von der Erde hochzuschicken.
Mit dem Power Propulsion Element (PPE) des DSG wird ein 40 kW-SEP getestet. Dieses und andere Vorläufer der Technologien, die insbesondere für die Platzierung von Teilen des MBC im Marsorbit vor dem Eintreffen der Astronauten notwendig sind (Versorgungsgüter, Lander, EVA-Module etc.), werden mit dem DSG getestet.

Lockheed Martin

Bild vergrößernLander auf der Marsoberfläche (Mars Ascent/Descent Vehicle, MADV)
(Bild: Lockheed Martin)
Nach der ersten MBC-Mission, die "nur" im Marsorbit unterwegs sein soll, könnten danach Missionen mit mehreren Landungen mit Astronauten auf dem Mars erfolgen (MBC-S, Mars Base Camp with Surface Sortie). Die wiederverwendbaren Lander sollen im Marsorbit an das MBC andocken und nach der Rückkehr von der Marsoberfläche dort wieder aufgetankt werden. Die Treibstoffversorgung soll über die Elektrolyse (mit Solarstrom) von Wasser in H2 und O2 erfolgen. Zunächst soll das Wasser (idealerweise durch kommerzielle Partner) von der Erde gebracht werden, mittelfristig durch ISRU (In-situ resource utilization, Herstellung von Ressourcen vor Ort) von den Marsmonden bzw. vom Mars selbst gewonnen werden. Auch diese Treibstoffproduktion könnte über kommerzielle Dienstleister erfolgen.

Die fünf Phasen einer MBC-S Mission (Mars Base Camp - Surface Sortie):

A. Vorbereitung der MBC-Hardware beim Deep Space Gateway, mit betanken der zwei kryogenen Antriebsstufen (LH2 und LO2)

B. Vorbereitung der Elemente die von früherer Mission im Marsorbit verblieben sind (Labormodul, zentraler Verbindungsknoten, Deimos/Phobos-Exkursionsvehikel, SEP-Antriebsstufen und Solarpaneele), mit Anpassung des Orbits;
Transfer der Lander (MADV, Mars Ascent/Descent Vehicle) und von Treibstoffdepots von der Erde in den Marsorbit (ggf. mit SEP) und Docking mit den dort verbliebenen Elementen des MBC. Von der Erde sollen die MADV jeweils mit einer SLS Block 1B gestartet werden.

C. Start der Crew zum MBC-Transfervehikel und Flug zum Mars, Andocken an die anderen Komponenten des MBC

D. Marslandungen

E. Rückkehr zur Erde
Wobei üblicherweise das MBC-Transfervehikel mit den zwei Orions am DSG andockt und von dort die Rückkehr mit den Orions erfolgt. Die Orions sind aber so ausgelegt, dass sie auch die Eintrittsgeschwindigkeiten und Trajektorien für eine direkte Rückkehr zur Erde bewältigen können, d.h. sollte das Einbremsen des MBC-Transfervehikels in den Erdorbit/Lunarorbit scheitern bzw. nicht möglich sein, können die Orions selbst entsprechend bremsen und landen (Eintritt in die Erdatmosphäre mit bis zu 11,5 km/s Geschwindigkeit).

Das Nachtanken der kryogenen Antriebsstufen des MBC-Transfervehikels beim DSG soll durch kommerzielle Anbieter erfolgen. Wobei zwischen "Tank-Farmen" und den kryogenen Antriebsstufen unterschieden wird. Die Tank-Farmen, die um die Aufenthaltsbereiche der Crew angebracht sind, werden aktiv gekühlt, die kryogenen Antriebsstufen nicht. Die kryogenen Antriebsstufen werden daher erst kurz vor dem Abflug zum Mars befüllt.

Als Vorteil der zunächst auf ca. 10 Tage angesetzten Kurzausflüge zur Marsoberfläche wird der geringere Aufwand für die Versorgung und Vorablieferung von Ausrüstung gegenüber einem Aufenthalt von ca. einem Erd-Jahr auf der Marsoberfläche gesehen. Alles was die Crew braucht wird im Lander mitgebracht.
Bei einer MBC-S-Mission sind mehrere Ausflüge an unterschiedliche Landeorte auf der Marsoberfläche möglich, dadurch kann die wissenschaftliche Ausbeute vergrößert werden. Insgesamt sind die Kosten niedriger.

Außerdem ergeben sich mehrere Sicherheits-Vorteile:
- die Landegenauigkeit muss nicht sehr hoch sein (statt vorplatzierte Versorgungsgüter "zu treffen")
- Abbruchmöglichkeit zu jeder Zeit (Rückkehr zum MBC)
- mit zwei Landern besteht sogar die Möglichkeit eine auf der Marsoberfläche gestrandete Crew zu retten (das setzt allerdings wieder eine hohe Landegenauigkeit des zweiten Landers voraus).
Weiterhin ergibt sich eine größere Flexibilität, da die Landeorte der einzelnen Ausflüge relativ kurzfristig ausgewählt werden können. Einen polaren Orbit des MBC vorausgesetzt, kann praktisch jeder Punkt der Marsoberfläche erreicht werden. Dadurch können verschiedene potentielle Landeorte für spätere, längerfristige Außenposten untersucht werden.

Wasserstoff und Sauerstoff als ausschließliche Treibstoffe
Die Lander arbeiten ausschließlich mir H2/O2. Verdampfendes LH2/LO2 wird zur Energieerzeugung (es wird mit Verbrennungsmotoren mit Generator geplant, Brennstoffzellen als Backup-Option) und als Wasserversorgung genutzt.
Die Anzahl der Landungen bei einer MBC-Mission hängt daher hauptsächlich von der Menge des verfügbaren Treibstoffs ab. Die Tank-Farmen die das MBC-Transfervehikel mitführt reichen entweder für zwei Ausflüge zu Phobos/Deimos (wie bei der ersten MBC-Mission vorgesehen) oder für eine Landung des MADV zur Marsoberfläche und zurück.
Für weitere Landungen soll Treibstoff über die Elektrolyse aus Wasser bereitgestellt werden. Zunächst soll dieses Wasser von der Erde kommen und mit autonomen Wassertankern (autonomous Water Delivery Vehicle WDV, mit SEP als Antrieb) geliefert werden, die idealerweise von kommerziellen Partnern betrieben werden.

Die Lander sind als Liftingbody ausgelegt, nutzen „supersonic retro propulsion“ (SRP, analog zu den landenden Erststufen der Falcon 9), landen vertikal und stehen dann auf vier Landefüßen. Der Lander hat betankt 100 t oder mehr und soll komplett wiederverwendbar sein. Daher scheiden Fallschirme oder ähnliches aus.
Der Lander dient auf der Marsoberfläche als Habitat und Basis für 4 Astronauten. Die Energieversorgung erfolgt durch das verdampfende LH2/LO2, welches ansonsten in flüssiger Form für den Rückflug zum MBC in den Tanks verblieben ist.
Der Rückstart erfolgt mit den gleichen Triebwerken wie bei der Landung als Single-Stage-to-Orbit. Wichtig ist, dass alle Verschleißteile (z.B. Luftfilter) problemlos durch die Crew vom MBC aus getauscht werden können. Maximale Wiederverwendung bei minimalem Wartungsaufwand ist das Ziel. Der Thermoschutz für die Landungen muss daher dauerhaft ausgelegt sein.

Das ganze Konzept basiert ausschließlich auf H2/O2-Antrieben (auch für das Reaction Control System, RCS) und benötigt ggf. Wasserlieferungen, um mit Elektrolyse Treibstoff herzustellen. Neben dem höchsten spezifischen Impusl (Isp) chemischer Antriebe und damit verbundener hoher Effizienz reduziert es die Kosten für den Transport (von Wasser, statt verflüssigter Treibstoffe). Außerdem ermöglicht es zukünftige Treibstoffgewinnung aus Wasser (Marsmonde, Mars etc.)
Das MADV soll 6 Triebwerke (weiterentwickelte RL-10) als Haupttriebwerke bekommen.

Kommentar des Autors:
Wenn man dieses Konzept mit dem Vorschlag von SpaceX vergleicht, fällt auf dass Elon Musk mehr "vom Ende her denkt", d.h. er plant eine Besiedelung des Mars und fragt sich was braucht man dafür?
Das Konzept von Lockheed Martin geht den umgekehrten Weg und fragt, wo sind wir und wo wollen wir hin?
Daher baut es auf vorhandenem auf (SLS, Orion), nutzt bereits in Planung befindliche Technologien (DSG), geht einen Schritt für Schritt Ansatz und stellt den wissenschaftlichen Output in den Fokus. Wenn es konsequent verfolgt wird erscheinen die zeitlichen Ziele erreichbar. 2028 eine Mission zum Marsorbit und ggf. zu Phobos und Deimos und bei der übernächsten passenden Planetenkonstellation eine Mission mit mehreren Ausflügen zum Marsboden könnten machbar sein. Mit weiteren Missionen können die Aufenthaltsdauern auf dem Marsboden verlängert werden, um dann irgendwann in dauerhafte Präsenz überzugehen.

Insoweit könnten sich die beiden Konzepte sogar ergänzen, das Mars Base Camp dient für Pfadfindermissionen, um geeignete Landeplätze für nachfolgende Missionen mit BFR/BFS von SpaceX zu finden und vorzubereiten.

Problematisch könnten die Kosten werden, da bedingt durch die strenge Redundanzregel alle wichtigen Komponenten des MBC doppelt vorhanden sein sollen. Das bedingt natürlich auch die doppelte Anzahl an Starts und Versorgungsflügen vom Erdboden aus. Aus Sicht eines Lieferanten und Dienstleisters sind diese als Teil des Busines-Cases natürlich erwünscht, aus Sicht eines potentiellen Auftraggebers oder Nutzers sind das erhebliche Zusatzkosten.
Sollte dieses Konzept weiterverfolgt werden, ist denkbar, dass die Anzahl der Komponenten reduziert und einiges vereinfacht wird, um die Kosten zu reduzieren und die Umsetzbarkeit zu erhöhen.

Quellen
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