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Möglichkeiten und Grenzen bemannter Raumfahrt
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Nach 6 Mondlandungen in den Jahren von 1969 bis 1972 planen mehrere Länder, erneut Menschen auf den Mond zu schicken.
Vermutlich werden zwischen 2025 und 2030 erneut Menschen auf dem Mond landen. Ab etwa 2030 wird man vermutlich damit anfangen,
eine bewohnbare Station auf dem Mond zu errichten. Während des Aufbaus werden sich dort wohl nur zeitweise Menschen aufhalten.
Ab etwa 2040 könnte eine bewohnbare Station auf dem Mond so ausgebaut sein, dass sich dort ständig Menschen aufhalten können.
Allerdings würden auch diese Menschen wie schon jetzt die Astronauten auf der ISS von regelmäßigen Versorgungsflügen von der Erde abhängig sein.
Auf so einer Mondstation könnten dann viele Erfahrungen gesammelt werden, die für eine bemannte Marslandung wichtig sind.
Eine autarke ständig bewohnte Station auf dem Mond wäre von keinerlei Versorgung von außen mehr abhängig.
Sie wäre durch die Bewohner und durch Maschinen in der Lage, Sauerstoff, Wasser und alle Lebensmittel, die benötigt werden,
in ausreichender Menge und zeitlich unbegrenzt selbst herzustellen. Das gleiche gilt für die benötigte Energie einschließlich Treibstoff.
Ebenso wäre sie in der Lage, für anfallende Reparaturen alle benötigten Ersatzteile herzustellen. Und schließlich könnte sie irreparable Geräte,
Einrichtungsgegenstände, Fahrzeuge und Wohncontainer aus eigener Kraft komplett neu produzieren. Das gilt natürlich auch für die Maschinen,
die zum Herstellen der eben genannten Dinge gebraucht werden.
Dazu kann die Station ausschließlich auf Bodenschätze, auf der Station vorhandene biologische Organismen, zum recyceln freigegebene Materialien
und auf die Sonnenenergie zurückgreifen.
Zum Vergleich stellt die Erde als Ganzes eine autarke ständig bewohnte "Station" dar. Sogar isoliert lebende Gemeinschaften z.B. von Indios oder Inuit
erfüllen dieses Kriterium. Allerdings stellt die Erde zusätzlich zu den eben erwähnten Ressourcen Sauerstoff, Wasser, Pflanzen, Pilze, Tiere, Wind,
Wasserkraft und fossile Energieträger zur Verfügung.
Wenn man das berücksichtigt, fällt es schwer zu glauben, dass es jemals eine autarke ständig bewohnte Station auf dem Mond geben wird.
Vermutlich ist es viel billiger und extrem viel einfacher, eine Mondstation mit einigen Gütern in regelmäßigen Abständen von der Erde aus zu versorgen.
Das gleiche sollte auch für alle übrigen Planeten und Monde in unserem Sonnensystem gelten.
Auch sie sind aus z.T. etwas unterschiedlichen Gründen ähnlich unwirtlich wie unser Mond.
Vergleichsweise einfach ließe sich eine autarke ständig bewohnte Station auf einem erdähnlichen Exoplaneten errichten.
Allerdings müsste man dazu in der Lage sein, dorthin zu gelangen (siehe weiter unten).
Alle etwas mehr als 2 Jahre ist die Position des Mars relativ zur Erde günstig, um ihn mit einem Raumschiff zu erreichen.
Wegen seiner relativ elliptischen Bahn um die Sonne kommt der Mars der Erde etwa alle 15 Jahre besonders nahe.
Die drei nächsten Termine dafür sind 2033, 2048 und 2063. Aus energetischen Gründen wäre es deshalb sinnvoll,
die erste Marslandung zu so einem Termin durchzuführen. Da 2033 unrealistisch früh sein dürfte,
wird die erste bemannte Marslandung vermutlich 2048 stattfinden, vielleicht auch erst 2063.
Um ein Gefühl für den Umfang einer solchen Unternehmung zu vermitteln, zeigt die folgende Tabelle die mittleren
Reisezeiten zu den Planeten unseres Sonnensystems auf den energetisch günstigen sogenannten Hohmann-Bahnen:
| Reise von | Dauer des | Dauer des | Dauer des | Gesamtdauer |
| der Erde zum | Hinflugs | Aufenthalts | Rückflugs | der Reise |
| Merkur | 0,29 Jahre | 0,18 Jahre | 0,29 Jahre | 0,76 Jahre |
| Venus | 0,40 Jahre | 1,28 Jahre | 0,40 Jahre | 2,08 Jahre |
| Mars | 0,71 Jahre | 1,24 Jahre | 0,71 Jahre | 2,66 Jahre |
| Jupiter | 2,73 Jahre | 0,59 Jahre | 2,73 Jahre | 6,05 Jahre |
| Saturn | 6,05 Jahre | 0,94 Jahre | 6,05 Jahre | 13,04 Jahre |
| Uranus | 16,03 Jahre | 0,95 Jahre | 16,03 Jahre | 33,01 Jahre |
| Neptun | 30,60 Jahre | 0,81 Jahre | 30,60 Jahre | 62,01 Jahre |
Wegen der schon erwähnten elliptischen Bahn des Mars schwankt die Dauer für einen Hinflug bzw. Rückflug zum Mars
zwischen 0,65 Jahren und 0,77 Jahren. Flugzeiten von 0,65 Jahren können 2033, 2048 und 2063 erreicht werden.
Hat man mehr als die minimal benötigte Energie zur Verfügung, kann man die Flugzeiten weiter reduzieren.
Das ist aber wegen der großen für einen bemannten Raumflug notwendigen Nutzlast fraglich.
Abhängig von den wissenschaftlichen Erkenntnissen während einer bemannten Marslandung könnte der Wunsch aufkommen,
eine ständig bewohnte Station auf dem Mars zu errichten. Das könnte besonders dann der Fall sein, wenn auf dem Mars Spuren von primitivem Leben
oder zumindest fossilem Leben gefunden werden. So eine ständig bewohnte Station würde es dann vermutlich ab etwa 2100 geben.
Für touristische Reisen zum Mars wird man vermutlich keinen bewohnten Stützpunkt auf dem Mars brauchen. Es dürfte reichen, einen automatisch
überwachten Stützpunkt zu errichten, an dem dann für die ankommenden Touristen und deren Betreuer Ausrüstung und Vorräte eingelagert werden.
Alle bisher erwähnten bemannten Raumflüge werden höchstwahrscheinlich Raketentriebwerke benutzen, die auf chemischer Verbrennung basieren.
Möglicherweise kommen auch nuklear-thermische Antriebe zum Einsatz, bei denen der als Treibmittel verwendete flüssige Wasserstoff nicht durch
eine chemische Reaktion verbrannt, sondern durch die bei der Kernspaltung entstehende Wärme erhitzt wird. Vermutlich wird man mit diesen Technologien
auch noch den Jupiter mit seinen Monden erreichen können. Wegen der hohen Strahlenbelastung im starken Magnetfeld des Strahlungsgürtels von Jupiter
wäre eine Landung von Menschen auf Io, Europa und Ganymed vermutlich zu gefährlich. Eventuell wäre eine Landung auf Kallisto vertretbar.
Sie wäre vielleicht zwischen 2150 und 2200 realistisch.
Um den Saturn zu erreichen, ist man vermutlich auf einen Raketenantrieb angewiesen, der auf der Kernfusion basiert. Auf der Erde könnte man die Kernfusion
von Deuterium und Tritium ab etwa 2100 in entsprechenden Kraftwerken nutzbar machen. Vielleicht gelingt es um 2150, auch Deuterium und Helium-3 in Kraftwerken
zu Wasserstoff und Helium-4 zu fusionieren. Wenn man extrem optimistisch ist, ist es vielleicht möglich, bis 2250 durch Miniaturisierung erste Raketentriebwerke
zu entwickeln, die auf der Fusion dieser beiden Stoffe basieren. Weder Deuterium und Helium-3 noch Wasserstoff und Helium-4 sind radioaktiv, was an Bord einer
Rakete einen großen Vorteil hätte. Außerdem entstehen bei der Fusion keine Neutronen, die man nicht für den Antrieb nutzen könnte, die aber viel Radioaktivität
und schwer abführbare Abwärme in der Abschirmung erzeugen würden.
Eine Mission zu den Saturnmonden Enceladus mit seinem Wasserozean und Titan mit seinen Methan-Seen könnte man dann mit Hilfe eines solchen Kernfusionstriebwerks
um 2300 durchführen. Da die Vorkommen an Helium-3 auf der Erde allerdings sehr gering sind, müsste das Helium-3 zuvor aus dem Regolith der Mondoberfläche
extrahiert werden.
Solche Stationen wird es vermutlich nur geben, wenn es für die Erforschung von außerirdischem Leben wichtig ist. In diesem Fall könnten solche Stationen
auf Enceladus und Titan zwischen 2400 und 2500 errichtet werden.
Solche Flüge würden nur Sinn machen, wenn man damit wertvolle Rohstoffe zur Erde oder zum Mond zu bringen könnte. Allerdings dürfte sich der Abbau von Rohstoffen
wie Edelmetallen oder Seltenen Erden kaum rechnen, weil auf den Asteroiden im Gegensatz zur Erde keine Anreicherung dieser Substanzen durch geologische Prozesse
stattgefunden hat. Diese Rohstoffe sind also in den Asteroiden nur einigermaßen gleichverteilt vorhanden. Das dürfte die Gewinnung unlukrativ machen.
Solche Flüge werden nur dann stattfinden, wenn man in der Lage ist, das für die Kernfusion wichtige Helium-3 zur Erde oder zum Mond zu bringen.
Dieses Gas ist in den Atmosphären von Uranus und Neptun in größerer Menge vorhanden. Eventuell spielt auch noch der Tourismus zu den Monden
der äußeren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun eine gewisse Rolle. All das dürfte jedoch erst nach 2500 stattfinden.
Manche halten es für möglich, die Menschen auf dem Mars umzusiedeln, wenn die Erde anfängt, durch menschliches Fehlverhalten unbewohnbar zu werden.
Das ist - vorsichtig ausgedrückt - unrealistisch. Eine Erde, die anfängt, unbewohnbar zu werden, ist immer noch um ein Vielfaches bewohnbarer als der Mars.
Und die Anstrengungen, den Mars bewohnbar zu machen, sind extrem viel größer als die Anstrengungen, die Erde wieder bewohnbarer zu machen. Abgesehen davon,
dass inzwischen klar geworden ist, dass der Mars gar nicht die Menge an Rohstoffen besitzt, die notwendig wären, um ihn bewohnbar zu machen (Stichwort: Terraforming).
Manche glauben auch, der Mars könnte eine Lösung für eine mögliche zukünftige Überbevölkerung auf der Erde sein. Sollte tatsächlich die Bevölkerungszahl auf der Erde
ein ernstes Problem werden, dann wird man aus Not mit Sicherheit eine strenge Geburtenkontrolle einführen und nicht mit einem unglaublichen Aufwand Menschen
auf unzähligen Marsstationen ansiedeln, die dann höchstwahrscheinlich nicht einmal autark wären. Es geht ja hier bei einer angenommenen Erdbevölkerung von 10 Milliarden
und einem Bevölkerungszuwachs von 1% pro Jahr um 100 Millionen Menschen, die pro Jahr zum Mars gebracht werden müssten. Die Vorstellung, so etwas könnte
jemals passieren, ist schlicht absurd. Abgesehen davon, dass - wie oben erwähnt - eine nennenswerte Besiedelung des Mars unmöglich zu sein scheint, würde dann auch
der Mars mit seiner mit der Erde vergleichbaren Landfläche schon nach weniger als 100 Jahren ebenfalls überbevölkert sein.
Bisher ging es um bemannte Raumflüge in unserem Sonnensystem. Die Energiemenge, die die Menschheit bisher pro Jahr für unbemannte Raumflüge durch
unser Sonnensystem aufgewendet hat, stellt nur einen winzigen Bruchteil der Energiemenge von etwa 600 Trillionen Joule dar, die die Menschheit
auf der Erde pro Jahr verbraucht. Deshalb sollte die Menschheit auch durchaus die Energie für bemannte Flüge durch unser Sonnensystem zur Verfügung
stellen können, selbst wenn sie nicht bereit sein dürfte, mehr als 1% der jährlichen Energieproduktion für die Raumfahrt abzuzweigen.
Für die interstellare Raumfahrt sieht das allerdings völlig anders aus. Ein erdähnlicher Exoplanet in einer habitablen Zone um einen stabilen Stern dürfte
etwa 30 bis 40 Lichtjahre von der Erde entfernt sein, also etwa 100.000-mal weiter als der entfernteste Planet in unserem Sonnensystem (Neptun).
Machen wir zu diesem Zweck ein Gedankenexperiment. Wir stellen uns einen interstellaren bemannten Raumflug zu einem erdähnlichen Exoplaneten vor,
der vergleichsweise wenig Energie verbraucht und bei dem wir nicht völlig ausschließen können, dass er eines Tages technisch machbar sein könnte.
Folgende Randbedingungen sollen gelten:
1. Der Exoplanet befindet sich in einer Entfernung von etwa 35 Lichtjahren.
2. Eine Rückkehr zur Erde ist mit dem Raumschiff nicht möglich.
3. Die Astronauten und Astronautinnen müssen also auf dem fremden Planeten mit der mitbebrachten Ausrüstung alleine überleben können.
4. Damit die benötigte Energiemenge nicht völlig unrealistisch wird, soll das Raumschiff in etwa 500 Jahren den Exoplaneten erreichen.
5. Da die Reisezeit also länger als die Lebenszeit eines Menschen betragen wird, muss es sich um ein Generationenraumschiff handeln.
6. Das Raumschiff muss also genügend Ausrüstung und Vorräte für eine so lange Reise mit sich führen.
7. Um das Überleben auf dem Exoplaneten langfristig zu sichern, sollten etwa 1000 Astronauten und Astronautinnen das Ziel erreichen.
8. Das Raumschiff sollte deshalb bei der Ankunft etwa eine Masse von 100.000 Tonnen haben.
9. Das Raumschiff soll einen Kernfusionsantrieb besitzen, der auf der Fusion von Deuterium und Helium-3 zu Wasserstoff und Helium-4 basiert.
10. Das Raumschiff wird während der ersten Hälfte des Fluges gleichmäßig beschleunigt, während der zweiten Hälfte gleichmäßig abgebremst.
Wie groß ist unter diesen Annahmen die Gesamtmasse des Raumschiffs beim Start, die maximale Geschwindigkeit des Raumschiffs
und welche Energiemenge muss für den Flug mitgenommen werden?
Für eine grobe Abschätzung der maximalen Geschwindigkeit v, die bei konstanter Beschleunigung nach der Hälfte der Strecke s von 17,5 Lichtjahren und einer
Reisezeit t von 250 Jahren erreicht würde, reichen die klassischen Formeln s = 1/2 · b · t2 und b = v / t, weil v noch weit von der Lichtgeschwindigkeit entfernt ist.
Durch Einsetzen von b und Auflösen nach v ergibt sich:
v = 2 · s / t = 2 · 17,5 Lichtjahre / 250 Jahre = 42.000 km/s = 14% der Lichtgeschwindigkeit
Die konstante Beschleunigung b beträgt dann b = v / t = 42.000 km/s / 250 Jahre = 0,0053 m/s2 = 0,054% der Erdbeschleunigung.
Bei einer angenommenen mittleren Strahlgeschwindigkeit des aus den Triebwerken austretenden Wasserstoff-Helium-4-Gemisches von
15.000 km/s ergibt sich nach der klassischen Raketenformel für die Masse des Raumschiffs am Ende der Beschleunigungsphase, wenn man
die Massen der Raketentriebwerke, der Treibstoffbehälter, der Abwärmevorrichtungen und der Schutzschilde vernachlässigt:
me = ma / e(ve / vt) = ma / e(42.000 km/s / 15.000 km/s) = ma / e2,8 = ma / 16,44
ma = Masse des Raumschiffs zu Beginn der Beschleunigungsphase
me = Masse des Raumschiffs am Ende der Beschleunigungsphase
ve = Geschwindigkeit des Raumschiffs am Ende der Beschleunigungsphase
vt = Strahlgeschwindigkeit der Triebwerksgase des Raumschiffs
Das Raumschiff verliert also während der Beschleunigung einen Faktor 16,44 an Masse. Um den gleichen Faktor verrringert sich die Masse
des Raumschiffs während des Abbremsvorgangs, der ja einem umgekehrten Beschleunigungsvorgang entspricht. Insgesamt verringert sich
während des Fluges die Masse des Raumschiffs also um den Faktor 16,442 = 270.
Da das Raumschiff bei Ankunft noch eine Masse von 100.000 Tonnen haben soll, muss die Startmasse, die fast nur aus Treibstoff besteht,
etwa 270 · 100.000 Tonnen = 27 Millionen Tonnen betragen. Davon entfallen 60%, also etwa 16 Millionen Tonnen, auf Helium 3.
Nun gibt es auf der Erde aber keine nennenswerten Vorräte an Helium 3. Und die Vorkommen auf dem Erdmond werden auf höchstens
1 Million Tonnen geschätzt. Das ist aber mindestens 16-mal weniger, als für einen einzigen bemannten Flug zu einem Exoplaneten
benötigt werden.
Der gesamte benötigte Treibstoff für so einen einzigen bemannten Flug hat einen Energieinhalt von etwa 9 Quadrillionen Joule.
Das ist etwa das 15.000-fache der Energie von 600 Trillionen Joule, die die Menschheit momentan pro Jahr insgesamt verbraucht.
Diese extrem optimistische Abschätzung macht deutlich, dass eine bemannte interstellare Raumfahrt wohl für immer eine Fiktion bleiben wird.
Sollte jemand glauben, Antriebe mit Hilfe von Antimaterie (Photonen-Antrieb) oder mit Hilfe von Materie mit negativer Masse (Warp-Antrieb)
könnten eine Alternative darstellen, dem empfehle ich einen Blick auf die Web-Seite Reisezeiten mit einem interstellaren Raumschiff.
Das gleiche gilt für diejenigen, die eine interstellare Reise mit Hilfe von Wurmlöchern für möglich halten.
In einigen hundert Millionen Jahren fängt die Sonne langsam an, sich zu einem Roten Riesen aufzublähen. Die Erde wird dann zunächst für höheres Leben
und später auch für einfaches Leben unbewohnbar werden. In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne dann voraussichtlich sogar die Erde verschlucken.
Es gibt nun tatsächlich sogenannte Experten, die meinen, dass wir Menschen in diesem Fall die Erde verlassen können, um einen sonnenferneren Mond
in unserem Sonnensystem oder eine neue "Erde" in einem fremden Sternsystem zu erreichen und zu besiedeln.
Wie aus dem bisher geschriebenen hervorgeht, gehört eine solche Auffassung in das Reich der Phantasie.
Vermutlich könnte der Mensch zwar einen Exoplaneten autark besiedeln, wenn dieser nur erdähnlich genug ist, aber er wird wohl nie in der Lage sein,
so einen Planeten zu erreichen. Dagegen wird er in Zukunft wohl alle Monde der großen Planeten unseres Sonnensystems erreichen können,
aber er wird sie nie autark besiedeln können. Dafür sind sie für höheres Leben zu lebensfeindlich.
Wir sind also wohl auf Gedeih und Verderb darauf angewiesen, unsere Erde möglichst pfleglich zu behandeln. Und wenn unsere Sonne in einigen hundert
Millionen Jahren anfängt, sich zu einem Roten Riesen aufzublähen, können wir dem wohl nur wenig und das auch nur vorübergehend entgegensetzen.
Spätestens dann werden wir aussterben. Aber bis dahin haben wir ja noch etwas Zeit.
Link zum Thema:
Reiner Klinger: Das Märchen von der Eroberung des Weltalls
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