SPACE 2021

Dynetics

Der recht ungewöhnlich aussehende Entwurf von Dynetics trägt einen formellen NASA-Namen. Der lautet: DHLS. Das steht für Dynectics Lunar Human Landing System. Aber es hat auch noch einen wesentlich schöneren Namen, der von Dynetics selbst stammt: ALPACA. Ein Akronym für „Autonomous Logistics Platform for All-Moon Cargo Access“.

Es ist ein zweistufiges Design, oder, will man ganz genau sein, ein zweieinhalbstufiges. Es sieht einem flachen Bungalow ähnlicher als einem Raumschiff. ALPACA verfügt über zwei horizontal angedockte Treibstoffmodule, die wiederum ihrerseits modular aufgebaut sind, so dass sich der Lander beim Abstieg zum Mond von leeren Tanks trennen kann. Angetrieben wird das Gerät von acht baugleichen Raketentriebwerken, die für die Landung wie für den Aufstieg verwendet werden. Auf jeder Seite der Crew-Kabine befinden sich vier davon. Diese Raketenmotoren entwickelt Dynetics selbst. Wie der Entwurf von Blue Origin kann auch das System mit unterschiedlichen Trägerfahrzeugen auf den Transfer zum Mond gebracht werden, aber auch genauso nur mit dem SLS in einem Stück. Und genauso wie bei Blue Origin kann das DHLS entweder direkt mit dem Orion-Raumfahrzeug gekoppelt werden, oder der Transfer der Crew und der Ausrüstung geschieht über das Mini-Gateway.

Besonders hoch bewertet wurden von der NASA für diesen Entwurf zwei Aspekte, nämlich zum einen, dass der Lander für Astronauten sehr leicht zu verlassen ist, weil die Crew-Kabine sehr tief sitzt. Anders als bei den Entwürfen der Konkurrenten müssen sie sich nicht erst auf eine Klettertour über viele Meter einlassen, bevor sie den Boden erreichen. Der andere Aspekt war, dass sich der Dynetics-Entwurf schnell in einen unbemannten Frachtlander umwandeln lässt. Dynetics baut sein Fahrzeug in Zusammenarbeit mit nicht weniger als 25 anderen Aerospace-Firmen, von denen noch nicht einmal alle aus den USA stammen. Der größte Partner ist die Sierra Nevada Corporation. Sie wird das Besatzungsmodul entwickeln. Hier sollen die Erfahrungen einfließen, die Sierra Nevada gegenwärtig mit der Entwicklung des Dream Chaser-Raumfahrzeugs macht, mit dem ab dem kommenden Jahr Versorgungsflüge zur Internationalen Raumstation durchgeführt werden, und mit dem Lunar Gateway-Habitat, das ebenfalls bei Sierra Nevada entsteht. Andere klangvolle Namen der US-Aerospace-Szene, die mit im Boot sind, sind Maxar oder L3Harris. Im Dynetics-Team mit dabei ist auch – aus europäischer Sicht interessant – Thales Alenia Space. Die Draper Laboratories, die schon Teil des Blue Origin Teams sind, sind auch bei Dynetics mit dabei. Eine gute Strategie von Draper, garantiert zu gewinnen. Pro Mission benötigt Dynetics drei Starts mit der Vulcan von United Launch Alliance. Diese Starts sollen im Abstand von zwei Wochen erfolgen. Die erste Rakete startet ALPACA, die beiden anderen jeweils ein Treibstoffmodul. Alle drei Module werden auf langsamen, indirekten Bahnen (mit einer Flugzeit von bis zu drei Monaten) zum Mond entsendet und treffen erst dort aufeinander, wo sie sich dann automatisch verkoppeln. Vom Zeitpunkt, an dem das erste Vehikel startet bis zum Abschluss einer Mission können so bis zu zehn Monate vergehen. Der eigentliche Aufenthalt auf dem Mond soll dabei anfänglich nicht länger als acht Tage dauern. Bei späteren Missionen kann das bis auf 42 Tage gesteigert werden. Die ALPACA-Kapsel kann für kurzdauernde Aufenthalte zwei Menschen für eine Woche beherbergen. Sollen später dann, wie geplant, vier Personen zur Mondoberfläche absteigen, dann wird es in der Kabine ein wenig zu eng. In diesem Fall müsste eine Unterkunft auf dem Mond errichtet werden. Das ALPACA-Modul ist mehrfach wiederverwendbar. Ist eine Mission abgeschlossen, wartet das Habitat-Modul in der Mondumlaufbahn auf die „Nachlieferung“ neuer Treibstoffmodule von der Erde und kann danach eine weitere Mission durchführen.

SpaceX

Das dritte Vehikel, das die NASA auswählte, ist eine Variante des Starships von SpaceX. Es ist der einzige der drei Entwürfe, der nicht nur voll wiederverwendbar sondern auch zusätzlich einstufig ausgelegt ist. Das lunare Starship verfügt gegenüber der Erdorbit-Version über eine Reihe von Modifikationen, mit denen es den Anforderungen der NASA-Ausschreibung angepasst wurde. Direkt am Mond ist diese Variante die Einfachste, benötigt aber in der Flugvorbereitung in der Erdumlaufbahn eine ganze Reihe von Orbitalstarts und ein noch nie zuvor erprobtes Betankungsmanöver, um das Vehikel flugklar zu bekommen. Zunächst starten mehrere Starship-Tanker in die Erdumlaufbahn um ein weiteres Starship, das Depot, zu betanken. Ist das Depot aufgefüllt folgt das bemannbare lunare Starship. Im Erdorbit findet das Rendezvous mit dem Depot statt, das lunare Starship erhält eine volle Ladung Treibstoff, und begibt sich schließlich auf die translunare Transferbahn. Die Treibstoffzuladung ist so groß, dass damit alle Manöver am Mond bewältigt werden können. Vom Einbremsen in die Mondumlaufbahn, der Landung selbst bis zum Rückstart in den Mondorbit. Auch das Starship kann entweder am Orion-Raumfahrzeug oder an das Mini-Gateway anlegen. Wobei es sich bei der immensen Größe dieses Vehikels eher umgekehrt verhält. Das Gateway und/oder die Orion legen am Starship an. Wie seine Erdorbit-Variante vertraut auch das lunare Starship für größere Geschwindigkeitsänderungen (wie den Einschuss in die lunare Transferbahn oder das Bahnmanöver für das Einschwenken in die Mondumlaufbahn) dem Raptor-Triebwerk von SpaceX. Für die Landung gibt es aber spezielle Raketenmotoren, die nahe der Spitze des Raumfahrzeugs angebracht sind. Damit soll die Staubbildung bei der Landung verringert werden, die sich als eines der größeren Probleme bei der Durchführung einer Mondlandung herausgestellt hat. Diese Starship-Variante ist nicht dafür vorgesehen, wieder auf der Erde zu landen. Stattdessen soll sie in einer Mondumlaufbahn bleiben und dort vielfach wiederverwendbar sein. Das Starship übertrifft alle NASA-Anforderungen um ganze Größenordnungen. Unter anderem hat es eine Nutzlastkapazität für die Landung von etwa 100 Tonnen. Das ist mehr als das Fünffache der Mitwettbewerber.

SpaceX bot der NASA außerdem einen Testplan an, der sich deutlich von dem der anderen Unternehmen unterscheidet. In einem Zeitraum von nur gut zwei Jahren, bis Ende 2022 will SpaceX eine Flugdemonstration des Starship mit seinem Super Heavy-Booster durchführen, die Wiederverwendung eines bereits geflogenen Starship demonstrieren, einen Treibstofftransfer zwischen zwei Starships im Orbit demonstrieren, eine Langzeitmission mit einem Starship durchführen und einen Flug in den cislunaren Raum. All das, bevor dann Ende 2022 oder Anfang 2023 eine lunare Landedemonstration durchgeführt werden soll. Nicht verwunderlich, dass sich die NASA bei diesen Ankündigungen, die direkt einem Science-Fiction Roman entsprungen zu sein scheinen, skeptisch und verhalten zeigte. Es war aber trotzdem mutig von ihr, SpaceX Fördermittel zu gewähren. Die werden aber tatsächlich nur einige wenige Prozent der Gesamtkosten abdecken. Somit ist das eher ein symbolischer Akt der NASA. Noch gar nicht angesprochen ist eine implizite Möglichkeit dieses Missionsdesigns: Im Prinzip braucht es – in einem nur wenig erweiterten Plan – die Orion gar nicht mehr. Die Starship-Crew könnte genauso gut bereits in der Erdumlaufbahn zusteigen oder überhaupt von der Erde aus mit dem Starship starten. Das Einbeziehen einiger zusätzlicher Elemente, wie ein zusätzliches Erdrückkehr-Starship oder auch nur einfach eine Crew-Kapsel von SpaceX könnte das ganze Szenario mit dem superteuren Orion/SLS-System auflösen. Diese Möglichkeit ist sozusagen der „Elefant im Raum“, den bislang von offizieller Seite noch niemand ansprechen mag.

Der Weg vorwärts

Sehen wir von derlei Spekulationen einmal ab und halten uns nur an das, was die NASA gegenwärtig plant. Danach soll im Februar 2021 die endgültige Entscheidung über den oder die Lieferanten des HLS fallen. Dann steht ein administrativer Meilenstein an, der als „Continuity Review“ bezeichnet wird. Eines, wahrscheinlich aber eher zwei Unternehmen werden dann ausgewählt, ein Vehikel für die Durchführung einer unbemannten Demo-Mission zu bauen.

Aus diesen wahrscheinlich zwei Bewerbern wird nach der Demo-Mission ein einzelner Anbieter ausgewählt, der den Mondlander für die ARTEMIS III-Mission im Jahre 2024 bereitstellt. Also genau das Vehikel, welches die Orion-Crew dann verwendet, um damit zur Mondoberfläche abzusteigen, sich dort etwa eine Woche aufzuhalten und wieder in die Mondumlaufbahn zurückzukehren. Insgesamt will die NASA für das komplette Entwicklungsprogramm des Mondlanders bis Ende 2024 18,4 Milliarden Dollar ausgeben.

Zum Zeitpunkt, an dem diese Zeilen entstehen, wird am Kennedy Space Center eben die erste Orion für die noch unbemannte ARTEMIS I-Mission vorbereitet. Die SLS-Trägerrakete wird gleichzeitig im Stennis Testzentrum der NASA für den entscheidenden Green Run-Test präpariert. Dabei wird die erste Stufe auf dem Prüfstand für achteinhalb Minuten gefeuert. Danach werden die Testdaten ausgewertet und – sollte der Versuch zufriedenstellend verlaufen sein – die Rakete ebenfalls zum Kennedy Space Center transportiert. Der Start in eine weite Mondumlaufbahn ist derzeit für Ende 2021 vorgesehen. Die Mission wird nach derzeitiger Planung etwa 26 Tage dauern.

Etwa im August 2023 folgt mit ARTEMIS II die erste bemannte Mission des ARTEMIS-Programms. Sie wird nach gegenwärtiger Planung (Stand September 2020) auf einer sogenannten freien Rückkehrbahn zum Mond und zurück fliegen. Dabei werden vier Astronauten an Bord sein und etwa 10 Tage zusammen an Bord der engen Kapsel verbringen müssen. Dann kommt die Stunde der Wahrheit. Die ARTEMIS III-Mission, die erstmals zur Mondoberfläche führt, und dabei einen der beschriebenen Landevehikel einsetzt, ist derzeit für den Oktober 2024 angesetzt. Sie wird etwa 30 Tage dauern.

JUICE – Endstation Ganymed

Von Lampoldshausen ins Mondsystem des Jupiter

Im Mai 2012 wurde JUICE, der JUpiter ICy Moon Explorer, als erste große Mission im Rahmen des Cosmic Vision Programms der Europäischen Raumfahrtbehörde (ESA) ausgewählt. Generelles Ziel des Vorhabens ist Jupiter. Aber nicht nur alleine ihm gilt bei dieser Expedition die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler, mehr noch gilt sie dreien seiner vier großen Monde: Europa, Callisto und vor allen Dingen Ganymed. Aufgabe der Mission ist nichts weniger als die Suche nach einem Ort, an dem in unserem Sonnensystem außerhalb der Erde Leben möglich ist.

Bereits 2005 wurde der aktuelle Planungszyklus der ESA gestartet, die auf den vorausgegangenen Programmen „Horizon 2000“ (1984 – 1994) und „Horizon 2000 plus“ (1995 – 2004) aufbaut. Nur durch langfristige Planung ist die kontinuierliche Arbeit mit einer großen Anzahl Beteiligter aus den ESA-Mitgliedsstaaten möglich. Das aktuelle Programm trägt den Namen „ESA Cosmic Vision 2015-2025“, und wie seine Vorgänger beschäftigt es sich mit Fragen der Astronomie und Astrophysik, der Erforschung des Sonnensystems und den Grundlagen der Physik. Einer der diesem Programm zugrunde liegenden Gedanken ist es dabei, mit einem Einsatz von nur einem Euro pro Jahr und ESA-Bürger mehr über das Universum zu erfahren und ganz nebenbei die europäische Raumfahrtindustrie auf Weltstandard zu halten. 80 Cent von jedem Euro für dieses Programm gehen dabei an die Industrie. Vier große Fragestellungen bilden die Grundlage der aktuellen Vision: Wie ist das Universum entstanden und woraus besteht es? Welche Rolle spielen dabei die grundlegenden physikalischen Gesetze des Universums? Wie ist unser Sonnensystem aufgebaut? Wie entstehen Planeten und ermöglichen Leben wie wir es kennen?

Um diesen großen Fragen auf den Grund zu gehen, werden im Cosmic Vision-Programm nach und nach auf der Grundlage von Vorschlägen aus den Mitgliedsstaaten Missionen ausgewählt. Um mit dem diesem Programm zugewiesenen finanziellen Rahmen möglichst viel Wissenschaft betreiben zu können, wechseln sich immer zwei kleine oder mittelgroße mit einer großen Mission ab. Eine kleine Mission ist beispielsweise CHEOPS. Das Akronym steht für CHaracterizing ExOPlanet Satellite und beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit unsere Erde ein typischer Planet ist, oder ob sie vielleicht eine Ausnahme darstellt. Das Antriebssystem für CHEOPS wird übrigens von der ArianeGroup GmbH aus Lampoldshausen geliefert. Eine Mission der mittleren Kategorie ist EUCLID. Auch sie ist mit 20 Newton-Triebwerken aus Lampoldshausen ausgerüstet. Benannt nach dem Mathematiker Euklid von Alexandria wird sich dieses Weltraumteleskop mit der Erforschung von dunkler Energie und Materie befassen. JUICE schließlich ist eine große Mission. Ein Vorhaben, das bei der NASA unter dem Begriff „Flagship-Mission“ laufen würde.

Die Mission

Der Jupiter ist der größte Planet unseres Sonnensystems. Ein Gasriese mit fast 80 Monden. Die Erforschung des Jupiters und drei seiner vier großen Monde, nämlich Ganymed, Europa und Callisto wird uns helfen, das komplette System besser zu verstehen. Mit JUICE können wir möglicherweise herausfinden, ob dort einst die Voraussetzungen für das Entstehen von Leben gegeben waren oder vielleicht es sogar heute noch sind. JUICE wird Jupiters große Begleiter miteinander vergleichen und sich gegen Ende seiner Reise insbesondere auf Ganymed konzentrieren. Ganymed ist der größte Mond unseres Sonnensystems. Er ist noch größer als der Planet Merkur. Er verfügt über einen festen und einen flüssigen Kern, ein eigenes Magnetfeld und möglicherweise, aber auch das soll JUICE herausfinden, einen Ozean unter einem etwa 40 Kilometer dicken Eispanzer. JUICE wird das erste Raumfahrzeug überhaupt sein, das auf die Umlaufbahn des Mondes eines anderen Planeten einschwenkt. Eine solche Reise stellt besondere Anforderungen an die Sonde. Vor allem hinsichtlich Energieversorgung, Strahlung, Magnetismus und der „Planetary Protection“. Letztere ist eine Vereinbarung der raumfahrtbetreibenden Nationen, Planeten und Monde, die potentiell Leben tragen könnten, vor biologischer Kontaminierung von der Erde zu schützen.

JUICE benötigt eine Solarzellenfläche von fast 100 Quadratmetern. Die ist notwendig, um auch am Ende der Mission, weit weg von der Sonne und dem harschen Strahlungsfeld des Jupiters ausgesetzt, noch über genügend Energie zu verfügen. Sie erzeugen auf Höhe der Erdbahn etwa 20 Kilowatt an elektrischer Leistung. In der Umlaufbahn um den Jupiter werden es nur noch 820 Watt sein. Um zum Jupiter zu gelangen, also zu einem der äußeren Planeten unseres Sonnensystems, muss JUICE allerdings zunächst in das innere Sonnensystem fliegen. Es ist nämlich eine Gravitationsunterstützung durch die Planeten Venus, Erde und Mars notwendig. In der Nähe der Venus wird die Sonneneinstrahlung dabei so intensiv, dass die Solarpaneele von unserem Zentralgestirn abgewendet werden müssen, um nicht beschädigt zu werden. Um das hohe Strahlungsniveau im Jupitersystem überleben zu können, werden soweit möglich hoch strahlungsresistente Materialien ausgewählt. Alle sensiblen Bauteile, beispielsweise in der Elektronik, werden mit metallischen Schutzschilden abgeschirmt. Übrigens ist auch eine besondere magnetische Reinheit erforderlich, denn eines der Hauptziele der Mission, die Erforschung der magnetischen Felder im Jupitersystem, kann nur dann erreicht werden, wenn die sensiblen Instrumente nicht durch die eigenen Magnetfelder der Raumsonde gestört werden. Um die möglicherweise „habitablen“ Eismonde vor Viren, Bakterien oder Sporen von der Erde zu schützen erfüllen die Missionspläne die schon erwähnten „Planetary Protection Guidelines“ zu 100 Prozent. Dabei geht es darum, andere Himmelskörper nicht mit biologischem Material von der Erde zu kontaminieren. Wenn wir uns ansehen, welch großen Einfluss vergleichsweise kleine Eingriffe in Ökosysteme auf der Erde haben (denken Sie nur an die ökologischen Schäden die beispielsweise die aus Europa eingeführten Katzen in Australien anrichten, oder die Ziegen auf den Galapagos-Inseln) kann man sich vorstellen, was mit biologischem Material von der Erde auf anderen Planeten und Monden passieren könnte. Dazu kommt, dass künftige Missionen fälschlicherweise Lebensformen finden und dem Planeten (oder in diesem Fall dem Mond) zuordnen könnten, die gar nicht von da stammen, sondern von uns selbst dorthin gebracht wurden. Als wäre das nicht schon Herausforderung genug, spielt auch die Zeit eine entscheidende Rolle. Um die bestmögliche Planetenkonstellation für den Start zu treffen, muss die Mission bereits zehn Jahre nach der Auswahl durch die ESA fliegen. Nur so ist ein maximaler Aufenthalt im Jupitersystem möglich. Für ein derartig großes und komplexes Unterfangen ist das eine enorme Herausforderung. Missionen vergleichbarer Komplexität sind da – angefangen von den ersten Projektstudien bis hin zum Start – durchaus schon mal doppelt so lange in Vorbereitung.

Die Projektorganisation

Als Hauptauftragnehmer wählte die ESA für die Realisierung des Projektes Airbus in Toulouse aus, die sich mit ihrem Systemvorschlag gegenüber anderen bedeutenden Mitkonkurrenten durchgesetzt hatte. Der offizielle Programmstart erfolgte im Juli 2015. Danach führte Airbus eine Ausschreibung durch, in dem die Entwicklung und der Bau der Subsysteme ausgeschrieben wurden. Im nachfolgenden Wettbewerb setzten sich neben der ArianeGroup GmbH in Lampoldshausen für das Antriebssystem noch folgende weitere Hauptauftragnehmer durch: Airbus Spanien: Struktur/Abschirmung/Thermal-Design. Airbus in den Niederlanden für die Solargeneratoren. CRISA in Spanien: Elektrik. Antwerp Space: Kommunikation. Airbus Friedrichshafen ist verantwortlich für die Auslegung des elektrischen Systems, die Betreuung der Instrumente und die AIT-Aktivitäten an und mit der Raumsonde (AIT ist die Abkürzung für Assembly Integration & Test).

Das Angebot der ArianeGroup GmbH in Lampoldshausen für das Antriebs- und Lageregelungssystem wurde vom Hauptauftraggeber am höchsten bewe