Perfektionierung des Antriebs: Wie wir Menschen zum Mars bringen

Da die jüngsten Missionen zum Mars, wie Perseverance der NASA, Hope der VAE und Tianwen-1 Chinas, allesamt überwältigende Erfolge waren, könnte man meinen, dass es einfach sei, zum Mars zu gelangen. Aber es gibt einen großen Unterschied zwischen der Entsendung eines Rovers oder Orbiters zum Roten Planeten und der Entsendung der Art von Infrastruktur und Technologie, die wir benötigen, um dort eine menschliche Präsenz aufzubauen.

Der chemische Antrieb hätte uns vielleicht ins Sonnensystem gebracht, aber nicht in die nächste Phase des Menschen Für die Erforschung des Weltraums benötigen wir neue Antriebstechnologien als Ergänzung zu denen, die wir bisher eingesetzt haben letzten 50 Jahre. Um Einzelheiten darüber zu erfahren, wie ein Antrieb für eine bemannte Expedition zum Mars aussehen könnte, sprachen wir mit Kareem Ahmed, außerordentlicher Professor am der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of Central Florida und Experte für hochmoderne Raketenantriebe Systeme.

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars, eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

Alt zuverlässig: Die chemischen Antriebssysteme, die wir jetzt verwenden

Um eine Rakete durch die Erdatmosphäre in den dahinter liegenden Weltraum fliegen zu lassen, braucht man viel Schub. Sie müssen nicht nur der Reibung der Erdatmosphäre entgegenwirken, sondern auch der erheblichen Schwerkraft, die Objekte zurück auf den Boden zieht.

Seit den 1950er Jahren verwenden wir dasselbe Grundprinzip für den Antrieb von Raketen, den sogenannten chemischen Antrieb. Im Wesentlichen zündet man ein Treibmittel (eine Mischung aus Kraftstoff und einem Oxidationsmittel), das Wärme erzeugt. Durch diese Hitze dehnt sich das Material im Inneren der Rakete aus und wird dann aus der Rückseite der Rakete gedrückt. Dieser Treibstoffausstoß erzeugt einen Schub, der die Rakete mit enormer Kraft nach oben treibt Diese Kraft ermöglicht es ihm, die Auswirkungen der Schwerkraft zu überwinden und in den Weltraum jenseits unseres Planeten zu entkommen.

„Bei Antrieben auf chemischer Basis wird den Treibstoffen nur sehr schnell Wärme zugeführt. Dieses Treibmittel dehnt sich bei richtig hoher Hitze mit sehr hoher Geschwindigkeit aus“, erklärte Ahmed. „Diese Geschwindigkeit hängt davon ab, wie viel Wärme man einbringt. Stellen Sie sich das also so vor, als ob Sie bei einer Explosion eine riesige Menge Gas haben, die sich schnell bewegt. Und das ist die Geschwindigkeit.“

Das ist der große Vorteil, den chemische Antriebe gegenüber anderen in Betracht gezogenen Antriebsarten haben: Geschwindigkeit. Der chemische Antrieb sorgt dafür, dass Raketen sehr, sehr schnell fliegen. Aber es ist nicht immer die effizienteste Option.

„Stellen Sie es sich wie einen Prius gegen eine Corvette vor“, sagte Ahmed. „Wenn man sehr schnell von Punkt A nach Punkt B gelangen möchte, ist der Antrieb auf chemischer Basis kaum zu übertreffen.“ Wenn Sie jedoch effizienter sein möchten, können andere Antriebssysteme ihre Vorteile bieten. „Wenn Sie versuchen, mit angemessener Geschwindigkeit, aber hoher Effizienz von Punkt A nach Punkt B zu gelangen, ist ein Antrieb auf chemischer Basis möglicherweise nicht das richtige Werkzeug.“

Verbesserung chemischer Antriebssysteme

Das Prinzip des chemischen Antriebs mag in den letzten Jahrzehnten das Gleiche geblieben sein, aber das ist es Das bedeutet nicht, dass es keine Verbesserungen an der Technologie gibt – etwa durch die Erforschung verschiedener Typen Kraftstoff.

Die Effizienz von Kraftstoffarten hängt von der Energiedichte ab – wie viel Energie kann in einer bestimmten Kraftstoffmenge gespeichert werden. Deshalb ist es schwierig, so etwas wie Wasserstoff als Brennstoff zu verwenden, obwohl er bei chemischen Reaktionen viel Wärme freisetzt, weil er so leicht ist und eine geringe Dichte hat. Es ist schwierig, viel Wasserstoff auf kleinem Raum zu speichern, daher ist es kein sehr effizienter Kraftstoff.

Heutige Raketen verwenden am häufigsten Treibstoffe auf Kerosinbasis – im Grunde das Gleiche wie Flugtreibstoff –, aber das größte Interesse gilt derzeit den Treibstoffen auf Methan- oder Erdgasbasis. Dieser Treibstoff wäre als Treibstoff nicht unbedingt effektiver, aber deutlich günstiger, da Erdgas reichlich vorhanden ist und wir bereits über Technologien zu seiner Gewinnung verfügen.

„Wenn SpaceX Erdgas zum Fliegen seiner Falcon 9 nutzen könnte, könnten sie viel sparen und damit die Weltraumforschung beschleunigen“, sagte Ahmed als Beispiel. „Wenn wir die Kosten für den Flug in die äußere Umlaufbahn senken könnten, würde das den Weltraum für uns leichter zugänglich machen.“

Ein weiterer Forschungsbereich ist die Verbesserung der Motoren selbst. Ahmeds Team ist eine von mehreren Gruppen, die an einem System namens „Rotating Detonation Rocket Engine“ arbeiten, das im Vergleich zu herkömmlichen Motoren mehr Leistung aus weniger Treibstoff erzeugen könnte.

Durch sorgfältige Steuerung der Menge an Wasserstoff und Sauerstoff, die einem Motor zugeführt wird, kann Druck effektiver erzeugt werden. Dadurch kann die Größe eines Raketentriebwerks reduziert werden, da kein sehr leistungsstarker Kompressor erforderlich ist, und außerdem wird der Treibstoff effizienter genutzt. Die Technologie ist auf dem Weg, bald einsetzbar zu sein: Ahmed sagt, die US-Luftwaffe plane, bis 2025 ein solches Triebwerk zu testen.

Warum der chemische Antrieb nirgendwohin führt

Für den Start von der Erde ist ein chemischer Antrieb unerlässlich. „Vom Boden aus wird der Antrieb auf chemischer Basis von entscheidender Bedeutung, da man diese Energiemenge benötigt, um das Gewicht vom Boden nach oben in größere Höhen zu befördern. „Um die Schwerkraft zu überwinden“, erklärte Ahmed.

Er brachte das Beispiel von SpaceX an. Warum verwendet das Unternehmen beim Start einer Rakete nicht ein elektrisches System wie das von Tesla? Die beiden Unternehmen gehören derselben Person, Elon Musk, daher könnten sie sicherlich Technologien teilen. Ein elektrisches Antriebssystem kann jedoch nicht den nötigen Schub erzeugen, um eine Rakete vom Boden abzuheben – es produziert einfach nicht genug Energie.

Daher müssen wir auf absehbare Zeit weiterhin chemische Antriebe zum Abschuss von Raketen einsetzen. Aber das ändert sich, sobald eine Rakete im Orbit ist. Sobald es die Schwerkraft der Erde überwunden hat und sich im Weltraum befindet, ist es wie mit dem Tempomat. Die Steuerung eines Raumfahrzeugs im Weltraum erfordert relativ wenig Schub, da weder Luftreibung noch die nach unten gerichtete Schwerkraft zu bewältigen sind. Sie können sogar die Gravitationskräfte von nahegelegenen Planeten und Monden nutzen.

So kann ein anderes Antriebssystem für einen effizienteren Betrieb eingesetzt werden.

Eine effizientere Option: Elektrischer Antrieb

Sobald sich eine Rakete im Orbit befindet, muss sie oft ihre Flugbahn ändern – kleine Anpassungen, um ihre Geschwindigkeit zu optimieren und sicherzustellen, dass sie in die richtige Richtung fliegt. Dies erfordert ein Schubsystem. „Man braucht Tausende von Newton, um ein Fahrzeug fliegen zu lassen, um aus dem Zustand der Nullgeschwindigkeit herauszukommen, um es aufzurichten und um die Schwerkraft des Gewichts, das man trägt, zu überwinden.“ Deshalb brauchen Sie ein großes, großes Raketensystem. Aber im äußeren Orbit haben Sie keine Gravitationskräfte mehr, die Sie beeinflussen, Sie haben nur noch Ihre Endgeschwindigkeit, die Sie zu überwinden versuchen“, erklärte Ahmed.

Und es gibt viele Möglichkeiten, die nötige Kraft zu erzeugen, um den Kurs eines Raumfahrzeugs anzupassen. „Schub ist Schub“, sagte er. „Du injizierst Masse. Du schleuderst Masse weg, deshalb bewegt sie dich in die entgegengesetzte Richtung. Es kommt auf die Menge an Masse an und darauf, wie schnell man diese Masse verbraucht.“

Eine häufig in Kleinsatelliten oder Smallsats verwendete Technologie ist der elektrische Antrieb. Sie nutzen elektrische Energie (oft mithilfe von Sonnenkollektoren gewonnen), um ein Treibgas zu ionisieren. Dieses ionisierte Gas wird dann mithilfe eines elektronischen oder magnetischen Felds aus der Rückseite des Satelliten gedrückt und erzeugt so einen Schub, der das Raumschiff bewegt.

Dies ist ein äußerst effizientes System, das bis zu 90 % weniger Kraftstoff als chemischer Antrieb.

„Bei einem Elektroantrieb ist die Masse sehr gering und man braucht nicht wirklich viel Geschwindigkeit, um den Schub zu erzeugen“, sagte Ahmed. Und elektronische Antriebssysteme können praktisch jedes Material ionisieren, sodass sie mit allem arbeiten können, was verfügbar ist.

Der Elefant im Raum: Atomantrieb

Die Vorstellung von Atomkraft im Weltraum ist den Menschen oft unangenehm. Und es gibt sicherlich Sicherheitsbedenken, die bei der Nutzung der Kernenergie berücksichtigt werden müssen, insbesondere bei bemannten Missionen. Aber der Atomantrieb könnte genau der Trumpf sein, der es uns ermöglicht, entfernte Planeten zu besuchen.

„Nuklearenergie ist tatsächlich hocheffizient“, erklärte Ahmed. Ein nukleares Antriebssystem arbeitet mit einem Reaktor, der Wärme erzeugt, die dann zum Erhitzen eines Treibstoffs verwendet wird, der ausgestoßen wird, um Schub zu erzeugen. Es nutzt diesen Treibstoff weitaus effizienter als Antriebe auf chemischer Basis.

Und es ist nachhaltig, was sein großer Vorteil ist. „Ein System auf chemischer Basis, man verbrennt Treibstoff und erschöpft ihn, und man hat ihn nicht mehr“, sagte Ahmed. „Du hast diese Energie freigesetzt und verloren. Im Gegensatz zu einem nuklearbasierten System ist das Uran oder Plutonium, das Sie verwenden werden, vorhanden und wird nicht verschwinden. Es ist nachhaltig, da Sie Ihren Kernreaktor warten.“

Auch wenn diese Reaktion nachhaltig ist, muss die dabei entstehende Wärme dennoch in eine Masse geleitet werden. Sie möchten das bei der Reaktion verwendete Uran oder Plutonium nicht erschöpfen. Das Hilfreiche ist, dass das zu erhitzende Material praktisch jedes Gas oder jeder Feststoff sein kann, wobei Gas vorzuziehen ist, da es besser auf Wärme reagiert.

Im Weltraum gibt es keine Gase, daher müssen Sie trotzdem welche mitbringen. Aber auf einem Planeten mit einer Atmosphäre wie dem Mars könnte man theoretisch leicht verfügbare Gase wie Kohlendioxid als Treibstoff verwenden.

Die NASA untersucht derzeit insbesondere nukleare Antriebssysteme für Missionen zum Mars. „Das Ziel der NASA besteht darin, die Zeit, die die Besatzung zwischen Erde und Mars reist, auf möglichst zwei Jahre zu minimieren. Weltraumnukleare Antriebssysteme könnten kürzere Gesamtmissionszeiten ermöglichen und den Missionsdesignern mehr Flexibilität und Effizienz bieten“, so die Agentur schrieb über nukleare Systeme. Aber es wurden noch keine festen Entscheidungen getroffen. „Es ist noch zu früh, um zu sagen, welches Antriebssystem die ersten Astronauten zum Mars bringen wird, da für jeden Ansatz noch erheblicher Entwicklungsbedarf besteht.“

Es ist weder das eine noch das andere; Es ist alles oben Genannte

Wir befinden uns noch in der frühen Planungsphase einer bemannten Mission zum Mars. Bei der Planung unserer nächsten Schritte müssen wir sowohl praktische Anforderungen als auch Faktoren wie die Kosten berücksichtigen.

Ahmed glaubt nicht, dass sich ein Antriebssystem gegenüber den anderen als massiv überlegen erweisen wird. Stattdessen stellt er sich eine Kombination verschiedener Systeme vor, die entsprechend den spezifischen Missionsanforderungen eingesetzt werden.

„Ich würde sagen, dass alle drei Systeme benötigt werden“, erklärte er. „Sie haben kein perfektes Antriebssystem, das für alle Ihre Missionen geeignet ist.“ Obwohl es möglich ist, für jede Mission einen chemischen Antrieb zu verwenden, ist dies der Fall nicht immer angemessen – er verglich dies damit, mit einem Ferrari zu einem Gebäude nebenan zu fahren und eine Menge Treibstoff zu verschwenden, obwohl man es gerade noch konnte gehen.

Bei bemannten Missionen zum Mars „muss man nukleare Atomkraft nutzen, man muss elektrische Energie nutzen und auf die chemische Energie kommt man nicht mehr verzichten“, sagte er. Sie könnten zum Beispiel ein elektrisches Antriebssystem für den Transport von Fracht wie Habitate verwenden oder einen Atomantrieb nutzen um ein zuverlässiges Relaissystem zwischen Erde und Mars aufzubauen und dann Ihre Astronauten mit einem chemischen Antrieb auszusenden System. Das liegt daran, dass Menschen im Grunde genommen schwere Hardware sind. „Unsere Masse ist nicht leicht!“ er sagte. „Wir sind eine beträchtliche Masse, selbst für nur wenige Mitarbeiter. Deshalb brauchen Sie diesen chemischen Antrieb.“

Sind wir bereit für den Mars?

Die Organisation einer bemannten Mission zum Mars ist mit vielen Komplexitäten verbunden. Aber wenn es um Antriebssysteme geht, verfügen wir über die Technologie, um morgen eine Mission dorthin zu schicken.

„Die traditionellen Raketenmotoren der 50er Jahre werden Sie dorthin bringen“, sagte Ahmed. Der limitierende Faktor erweist sich als etwas Prosaischeres. „Die Frage ist, wie viel es Sie kosten wird.“

Raketen mit chemischen Antriebssystemen zum Mars zu schicken, ist einfach sehr, sehr teuer. Und obwohl es sowohl in der Öffentlichkeit als auch in der Wissenschaft Interesse an einer weiteren Erforschung des Mars gibt, sind die Geldsummen, die für eine solche Mission zur Verfügung stehen, nicht unerschöpflich. Daher müssen wir Technologien wie elektrische oder nukleare Antriebssysteme entwickeln und nutzen, um die Erkundung erschwinglicher zu machen.

Selbst im Bereich der Antriebe auf chemischer Basis können technologische Entwicklungen wie Rotationsdetonationsmotoren oder neue Kraftstoffe dazu beitragen, die Kosten zu senken, was zu mehr Exploration führt. „Die Herausforderung besteht darin, technische Systeme zu entwickeln, die wirtschaftlicher sind als aktuelle Raketensysteme“, sagte er. „Mit der Technologie der 50er Jahre gelangt man problemlos zum Mars. Es ist einfach super, super teuer. Und niemand wird dafür bezahlen wollen. Aber die Technologie ist da.“

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