Raumfahrt Der nächste Flug zum Mond
Der Himmel ist tintenschwarz. Doch plötzlich erhebt sich die leuchtende Mondscheibe über der Sichel des irdischen Horizonts. Die Astronauten in der Orion-Kapsel sahen zwar schon viele dieser spektakulären Mondaufgänge, während ihr Raumschiff in den vergangenen drei Tagen 300 Kilometer über unserem Heimatplaneten schwebte. Dieser Moment aber ist ein besonderer, denn jetzt beschleunigt der Pilot das Schiff mit einem perfekt abgestimmten Schub der Raketen endlich in Richtung auf sein Ziel. "Translunar injection burn in 10 seconds ...", meldet der Funkspruch von der Erde, "... five, four, three, two, one ..." Zündung! Weiß glühende Flammen schießen aus den Raketendüsen am Heck, das Raumschiff schüttelt sich kraftvoll: Die Besatzung beginnt ihre Reise zu unserem nächsten Nachbarn im All.
Wir schreiben das Jahr 2020. Noch immer ist der Erdmond ein geheimnisvoller Ort - und fast ein halbes Jahrhundert lang hat ihn kein Mensch mehr betreten. Nun aber kehren die Amerikaner zum Mond zurück. Und wollen dort bleiben. Dieses Mal soll ein Außenposten errichtet werden, der einer neuen Generation von Raumfahrern als dauerhafte Expeditionsbasis dienen soll.
Das Orion-Raumschiff ist die zentrale Komponente des Constellation-Programms der US-Weltraumbehörde Nasa. Ziel der ehrgeizigen Multi-Milliarden-Dollar-Anstrengung ist die Entwicklung eines Transportsystems für den Weltraum. Im Rahmen des Programms sollen nicht nur Astronauten zum Mond und wieder zurück befördert, sondern auch die Internationale Raumstation ISS versorgt und irgendwann sogar Menschen zum Mars gebracht werden. Seit es Mitte 2006 ins Leben gerufen wurde, arbeiten Ingenieure und Forscher der Nasa sowie ihre Kollegen vom US-Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin daran, Antriebsstufen, Mannschafts- und Servicemodule sowie Landesysteme zu entwickeln. Denn auch nach 2010, wenn die Spaceshuttle-Flotte eingemottet wird, wollen die USA weiter in der Lage sein, bemannte Missionen durchzuführen.
Vor allem robust und bezahlbar soll die neue Technik sein. Um Entwicklungsrisiken und -kosten zu minimieren, greifen die Nasa- Planer auf viele bewährte technische Ideen des Apollo-Programms zurück. Schon das war eine Meisterleistung der Ingenieurskunst gewesen. Von 1969 bis 1972 hatte es 18 Menschen im Rahmen von sechs Missionen sicher zum Mond gebracht. Zwölf von ihnen betraten den Trabanten, sechs blieben auf Warteposition in einer Umlaufbahn. (Eine weitere Mission, die pannengeplagte Apollo 13, umrundete den Mond nur.) Nun überarbeiten die Ingenieure viele der Systeme und Komponenten und stellen sie um auf modernste Technologie. Das Ergebnis, so Nasa-Chef Michael Griffin, sei "Apollo on steroids" - im Kern also das alte Vehikel, aber runderneuert und auf Hochleistung getrimmt.
Die Mannschaftskapsel beispielsweise ist von außen fast dieselbe, doch unmittelbar unter der Hülle endet die Ähnlichkeit. Die Orion kann eine größere Mannschaft beherbergen: Bei Flügen zum Mond sollen sich vier Raumfahrer die etwa 20 Kubikmeter große Druckkabine teilen. Bei den schon ab 2015 geplanten Flügen zur ISS sind es sogar sechs. In den Apollo-Kapseln hingegen zwängten sich drei Astronauten (plus Ausrüstung) in gerade einmal zehn Kubikmetern zusammen.
Auch kann die Orion vieles, was Apollo noch nicht konnte. Neue strukturelle Komponenten sowie Computer- und Kommunikationstechnologie versetzen sie zum Beispiel in die Lage, vollautomatisch an andere Raumschiffe anzudocken. Zudem kann das neue Raumschiff sechs Monate lang in der Mondumlaufbahn parken - unbemannt. Sicherer ist sie obendrein: Zum Beispiel können bei einer Notfallsituation während des Starts kräftige Fluchtraketen die Mannschaft aus der Gefahrenzone bringen.
Der Start steht unmittelbar bevor. 110 Meter hoch ragt die zweistufige Ares V über den Salzmarschen auf dem Gelände des Kennedy- Raumflugzentrums in den Himmel. Die Frachtrakete, die fünf starke Raketenmotoren antreiben, wird noch vor den Astronauten ins All fliegen und ist fast so groß wie die legendäre Saturn V der Apollo-Ära. Der Haupttank der Ares V ist eine Weiterentwicklung des externen Shuttle-Tanks und liefert den RS-68-Triebwerken ein flüssiges Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch. Die Triebwerke wiederum sind eine Variante der in der Delta-IV-Rakete eingesetzten Exemplare, die derzeit bei militärischen und kommerziellen Starts zum Einsatz kommen.
Flankiert wird der zentrale Zylinder der Ares V von zwei Feststoffraketen, deren Technik ebenfalls aus dem Shuttle-System abgeleitet wurde. Sie liefern zusätzlichen Schub, um die "Earth Departure Stage" (EDS) mitsamt der käferförmigen Mondlandefähre Artemis ins All zu befördern. Die EDS ist eine Antriebsstufe, die dem Raumschiff später helfen wird, die Anziehungskraft der Erde zu überwinden. Sie basiert auf dem ebenfalls mit Sauerstoff und Wasserstoff angetriebenen J-2X-Triebwerk, einem Nachfolger des J-2-Triebwerks der Saturn V.
In der Stille des Weltraums
Plötzlich schießt ein Blitz aus dem Heck der Ares V, gewaltige Rauchschwaden hüllen Rakete und Startrampe ein. Einen Moment später hallt ein gewaltiges Donnern über den Weltraumbahnhof, Vogelschwärme fliehen in alle Richtungen. Langsam erhebt sich die große Rakete aus einer anwachsenden grauweißen Wolke und wird bald immer schneller. Eine rauchige Spur am Himmel zeugt noch von ihrem Start, während sie selbst schließlich ganz aus dem Blick verschwindet. Minuten später schon erreicht Ares V die Stille des erdnahen Weltraums. Hier stößt sie ihre zwei Feststoffraketen ab. Sie fallen ins Meer, wo sie bald darauf von einer Bergungsmannschaft an Bord eines Schiffs geholt werden. Jetzt wirft die Rakete auch die Schutzhülle ab, die während des Starts die wertvolle Fracht in ihrem Bug schützte. In einer Höhe von 300 Kilometern geht das automatische Raumschiff in Parkposition und wartet auf das Rendezvous mit der Orion.
Auch auf einer anderen Abschussrampe des Kennedy-Weltraumzentrums herrscht an diesem Tag Hochbetrieb. In 98 Meter Höhe thronen die vier Mondastronauten in ihrer kegelförmigen Mannschaftskapsel, die auf der Spitze einer zweistufigen Ares-I-Rakete sitzt. Zwischen Kapsel und Rakete liegt nur noch das trommelförmige Servicemodul. Es enthält ein Antriebssystem und die meisten der Lebenserhaltungssysteme. Widerstandsfähige Verkleidungen schützen Kabine und Modul vor dem freien Spiel der Kräfte, das ihnen während des Aufstiegs durch die Atmosphäre bevorsteht.
Ares I ist schlanker als ihre große Schwester. "The stick", "das Stöckchen", ist ihr Spitzname. Sie besteht aus einer Feststoffrakete - ebenfalls auf Basis der Shuttle-Technik -, darüber befindet sich eine zweite Stufe mit einem J-2X-Triebwerk. Eine Art Adapter verbindet die Ares I mit den auf ihr sitzenden Modulen.
An der Spitze des Sticks: der "Fluchtturm", der die Mannschaft bei einer Fehlfunktion der Rakete aus der Gefahrenzone schießen soll. Ein größeres technisches Problem auf der Startrampe oder im anfänglichen Steigflug nämlich, das zeigte der Challenger-Unfall im Jahr 1986, lässt der Mannschaft einer Raumfähre kaum eine Überlebenschance. Die Orion ist dagegen mit einem "Launch Abort System" (LAS) ausgestattet. Einige Sekunden lang kann dieses Startabbruchsystem eine Schubkraft entwickeln, die dem Fünfzehnfachen der Masse von Mannschaftsmodul und Fluchtsystem entspricht. Bei einer Panne noch auf dem Boden würde der Fluchtturm sich selbst und die Kapsel bis in eine Höhe von 1200 Metern befördern, von wo aus eine Landung per Fallschirm möglich ist. Auch seitlich entsteht genug Sicherheitsabstand: In der Horizontalen kann sich das System rund 1000 Meter von der Startrampe entfernen. In Kombination mit dem modernen Leit- und Kontrollsystem dürfte das LAS, so erwarten die Entwickler, der Mannschaft in 999 von 1000 (Not-)Fällen das Leben retten.
Dreamliner-Cockpit als Vorbild
Die Anspannung der Astronauten wächst. "Ten, nine, eight ..." Während der Countdown läuft, haben Pilot und Kopilot die Flachbildschirme im Cockpit der Orion im Blick, deren Anzeigen sich frei konfigurieren lassen und so den unzähligen mechanischen Anzeigen älterer Cockpits überlegen sind. Vorbild des Führerstands, den ein Apollo-Astronaut kaum wiedererkennen würde, sind die auf Sicherheit ausgelegten, redundanten Systeme moderner Flugzeuge wie etwa des Boeing-787-Dreamliners. Die Steuerung erfolgt durch einen "flyby- wire"-Mechanismus, bei dem kraftvolle Stellmotoren von elektronischen Signalen angesteuert werden. Mechanische Nasa / Step hen C. Hartm an Schalter besitzt das Cockpit nur wenige, zudem ist die gesamte Technik auf sparsamen Energieverbrauch ausgelegt.
"Zero!" Die Astronauten und ihr Raumschiff durchläuft ein Zittern, gefolgt von einem Donnergrollen: Der Stick beginnt den Aufstieg gen Himmel. Mit jeder Sekunde gewinnt er an Geschwindigkeit und Höhe, die Beschleunigung presst die Astronauten in ihre Sitze. Nach nicht einmal zweieinhalb Minuten Flugzeit treiben die Feststoffraketen die Ares I bereits mit sechsfacher Schallgeschwindigkeit voran. In einer Höhe von etwa 61 Kilometern wird die erste Stufe abgetrennt. An Fallschirmen fällt sie zurück zur Erde, um dort geborgen und später wiederverwendet zu werden. Und schon zündet auch das J-2X-Triebwerk der zweiten Stufe und jagt die Orion-Kapsel weiter. Mitsamt dem Servicemodul und dem LAS durchquert die Rakete die äußeren Ausläufer der Atmosphäre. Dann liegt auch diese hinter den Astronauten. Und damit ein Teil der Gefahr: Die aerodynamische Schutzhülle hat jetzt ihre Schuldigkeit getan, ist nur noch Ballast und wird abgesprengt. Auch das LAS und seine Schutzhülle werden abgetrennt. Schließlich, in rund 100 Kilometer Höhe, schaltet sich auch das Triebwerk der zweiten Stufe ab.
Kraftsensoren für ein sanftes Rendezvous
Nun beginnt eine neue Etappe der Reise. Das Triebwerk des Servicemoduls zündet und bringt die Mannschaftskapsel endgültig in die geplante Erdumlaufbahn, wo die Manöver eingeleitet werden, die zum Rendezvous mit den dort bereits wartenden Modulen nötig sind. Das Haupttriebwerk der Orion ist die EDS, eine verbesserte Variante des Motors, der dem Spaceshuttle zum Manövrieren im Erdorbit dient. Sie zeichnet sich durch größere Schubkraft und höhere Treibstoffeffizienz aus. Das Servicemodul indessen enthält unter anderem Aggregate zur Energieerzeugung, Stauraum für wissenschaftliches Gerät, Radiatoren, die überschüssige Hitze ins All abführen, und Wasservorräte. Auch ein Teil der Bordelektronik, der Lebenserhaltungssysteme und der Klimaanlage sind darin untergebracht, um in der Kapsel Platz für die Astronauten zu schaffen. Wiederverwendbar wird das Servicemodul allerdings nicht sein. Seine tragende Struktur besteht aus leichten, aluminiumverstärkten Waben aus einem Polymerkomposit, die sich relativ einfach und preisgünstig herstellen lassen.
In der Umlaufbahn entfalten sich nun auch die schirmfömigen Sonnenpaddel des Servicemoduls. Sie gehören zu den auffälligeren Unterschieden zwischen Orion und Apollo. Die Apollo-Raumschiffe waren für Mondflüge konzipiert, die jeweils nur einige Tage dauerten. Sie bezogen ihren elektrischen Strom aus wasserstoffgefüllten Brennstoffzellen, die relativ wenig Energie speicherten - die Orion dagegen benötigt Strom für mindestens sechs Monate.
Der nächste Schritt ist ein gemächliches Aufholmanöver. Orion nähert sich dem Komplex aus EDS und Mondfähre. Dann überwacht die Besatzung, wie das automatische System für ein "weiches Einfangen" beide Schiffe ausrichtet und aneinander andocken lässt. Ein sanfter Vorgang: Kraftsensoren und elektromechanische Komponenten registrieren die auftretenden Kräfte und dämpfen sie. Zwei "mating rings", zueinanderpassende kreisförmige Strukturen an jedem der Raumschiffe, stellen die endgültige Verbindung her. Das Fluggefährt ist nun zusammengestellt, der Hauptteil der Unternehmung kann beginnen.
Die gesamte Reise indessen wird nur das Mannschaftsmodul mitmachen. Es kann für bis zu zehn Flüge verwendet werden. Die tragende Struktur der Kapsel besteht zu großen Teilen aus einer leichten Legierung aus Aluminium und Lithium, die mit Titan verstärkt ist. Ein Hitzeschutzsystem an der Außenseite des Raumschiffs wird die Mannschaft nicht nur vor der sengenden Hitze des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre schützen, sondern sichert sie schon jetzt gegen den Einschlag von Mikrometeoriten und Weltraumschrott ab.
Die Triebwerke des Lagekontrollsystems der Mannschaftskapsel werden mit gasförmigem Sauerstoff und Methan versorgt. Diese Technik ist Ergebnis des X-33-Programms der Nasa, das ein Raumfahrzeug mit nur einer Antriebsstufe in die Erdumlaufbahn bringen sollte ("single stage to orbit"), mangels Erfolgs allerdings 2001 eingestellt wurde. Früher wurden hierzu so genannte Hypergole verwendet, selbstzündende und meist giftige Treibstoffe, die aber die Astronauten ebenso gefährden wie - am Ende der Reise - das Bodenpersonal.
Die Antriebsstufe zündet. Dieses Mal ist die Orion für einen lunaren Kurztrip konfiguriert ("lunar sortie mission"), bei dem die Astronauten vier bis sieben Tage auf der Mondoberfläche verbringen. Später werden die Ingenieure die Orion auch auf "lunar outpost missions" schicken. Solche Stützpunktmissionen, bis zu 210 Tage lang und letztlich nur durch Luft-, Nahrungsmittel- und Wasservorräte begrenzt, sollen die Möglichkeit einer mehr oder minder permanenten Präsenz beweisen. Dieser Zeitraum ist auch die Zielmarke, die bei der Konstruktion der Orion immer im Auge behalten wird: Über sieben Monate lang muss sie kontinuierlich voll funktionsfähig sein. Den größten Einfluss auf alle Konstruktionsfragen hat dabei die dafür benötigte Treibstoffmenge.
Vier Tage dauert der erste Teil des "Kurztrips ", dann schwenkt die Kapsel mit ihrer Mannschaft in eine Mondumlaufbahn ein. Die Antriebsstufe haben die Raumfahrer unterwegs abgeworfen. Nun klettern sie in die Landefähre und lassen Kapsel und Servicemodul unbemannt im Orbit zurück. Wie das Apollo-Landegerät besteht auch Artemis aus zwei Komponenten: aus der mit "Beinen" versehenen Landeeinheit, die die wissenschaftliche Ausrüstung und den Löwenanteil des Proviants enthält, sowie der Wiederaufstiegsstufe, die vorerst als Wohnraum dient. Eine Woche lang haben die Astronauten nun Zeit, die Mondoberfläche zu erforschen. Dann heben sie in ihrem "Wohnzimmer " wieder ab und fliegen zurück zu Kapsel und Servicemodul. Dort wird die Aufstiegsstufe abgetrennt und der Rückflug der Orion zur Erde beginnt.
Ihre Landung auf dem Heimatplaneten verläuft indessen anders als bei den Apollo-Missionen. Diese landeten im Meer, ebenso wie schon ihre Vorgänger, die Gemini- und Mercury- Kapseln. Doch solche Landungen erfordern den Einsatz einer teuren Flotte von Bergungsschiffen, außerdem setzen sie das Raumschiff, das ja wiederverwendet werden soll, der Korrosion durch Salzwasser aus. Deshalb tut es die Orion der russischen Sojus gleich und geht auf Land nieder. Aber auch eine Landung im Meer würde sie überstehen, zum Beispiel in Notfallsituationen, bei Missionsabbrüchen oder wenn es die Wetterbedingungen erfordern.
Premiere für den "hüpfenden Wiedereintritt"
Der Landeplatz sollte natürlich in den westlichen USA oder nahe der nordamerikanischen Küste an dafür vorgesehenen Stellen liegen. Doch etwa während der Hälfte des lunaren Monats erlauben die Flugbahnen nur Landungen in der südlichen Hemisphäre. Die geografische Länge des Wiedereintrittspunkts wird durch den Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Orion die Mondumlaufbahn verlässt. Die Breite des Wiedereintritts jedoch ergibt sich aus der Deklination des Monds, also dem Winkelabstand des Monds von der irdischen Äquatorebene, zu diesem Zeitpunkt. Dieser Wert kann durchaus ungünstig sein. Daher ist für die Orion ein "hüpfender Wiedereintritt" (skip reentry) vorgesehen - ein Novum in der bemannten Raumfahrt. Ähnlich, wie auch ein flach geworfener Stein über die Wasseroberfläche springt, nutzt die Kapsel dabei den aerodynamischen Auftrieb der Hochatmosphäre.
Die Anspannung der Raumfahrer steigt, doch zum Nachdenken bleibt nicht viel Zeit. Das Schiff muss jetzt gedreht werden, um das Servicemodul abzuwerfen und so den Hitzeschild an der Unterseite der Kapsel freizulegen. Dann benutzen die Astronauten das redundant vorhandene Navigationssystem und die Flugcomputer der Orion, um die genaue Ausrichtung der Kapsel für den Wiedereintritt zu prüfen und zu kontrollieren, ob die Bahn des Raumschiffs den korrekten flachen Anflugwinkel aufweist. Schließlich bereitet sich die Mannschaft auf das Einsetzen der Beschleunigungskräfte vor, die beim Auftreffen auf die Atmosphäre auftreten.
Der hüpfende Wiedereintritt beginnt langsam. Zunächst spüren die Astronauten eine schwache Beschleunigungskraft, die vom Luftwiderstand der dünnen Hochatmosphäre herrührt. Allmählich presst diese Kraft die Astronauten in ihre Sitze und steigt langsam weiter an, während ionisiertes Gas am Fenster vorbeischießt. Auch Stücke glühenden Materials, das aus dem Hitzeschild stammt, sehen die Astronauten. Kurz nachdem die Orion erstmals Kontakt mit der Hochatmosphäre hatte, prallt sie von dort ab und steigt wieder ein wenig in die Höhe. Dann dringt sie in dichtere Luftschichten ein.
Nun hängt alles vom Hitzeschutzsystem ab. Das System des Shuttles hatte zumindest einmal versagt, als die Raumfähre Columbia im Februar 2003 beim Wiedereintritt auseinanderbrach. In diesen Minuten heizt die Reibung der mit Überschallgeschwindigkeit am Raumschiff vorbeizischenden Luft auch die Unterseite der Orion auf mehrere tausend Grad Celsius auf. Die Eintrittsgeschwindigkeit einer vom Mond zurückkehrenden Orion ist um 41 Prozent höher als die Geschwindigkeit einer landenden Raumfähre, die mit rund elf Kilometer pro Sekunde auf die Atmosphäre trifft. Die Hitzebelastung ist darum um ein Vielfaches höher. Hinzu kommt, dass die Orion- Kapsel größer ist als ihr Vorgänger und so mehr Reibungsfläche bietet.
Welches Material eignet sich am besten, um einer solchen Beanspruchung zu widerstehen? Viele Ingenieure halten Pica (phenolic impregnated carbon ablator) für besonders geeignet, um daraus den Hitzeschild der Orion zu konstruieren. Es besteht aus einer Matrix von Kohlenstofffasern, die in ein Phenolharz eingebettet ist. Hohe Temperaturen lassen Teile der Pica-Schicht abbrennen, sodass ein Großteil der extremen Hitze abgeführt wird. Dabei kommt es zu chemischen Prozessen, die eine verkohlte, aber hitzebeständige Schicht zurücklassen. Durch seine geringe Wärmeleitfähigkeit verhindert Pica zudem den Transport von Wärme in das Mannschaftsmodul.
Minuten später findet der wilde Sturz endlich ein Ende. Drei große Fallschirme, ähnlich denen, die auch die Apollo-Missionen nutzten, öffnen sich. Nur einmal noch erbebt die Orion, als ihr Hitzeschild abgesprengt wird. Jetzt kann nicht mehr viel passieren: Mit einer Geschwindigkeit von gerade einmal acht Metern pro Sekunde, knapp 30 Kilometern pro Stunde, schwebt die Kapsel und mit ihr die Astronauten dem Erdboden entgegen.
Charles Dingell, William A. Johns und Julie Kramer White leiten ingenieurwissenschaftliche und technische Projekte im Rahmen des Orion-Vorhabens von Nasa und Lockheed Martin. Dingell ist technischer Nasa-Direktor für Orion. Er hatte auch leitende Positionen beim Spaceshuttle-, X-38-Crew-Return-Vehicle- und Orbital-Space-Plane-Programm inne. Johns ist Chefingenieur und technischer Direktor für das Orion Crew Exploration Vehicle (CEV) bei Lockheed Martin, dem Hauptvertragspartner der Nasa für das Projekt. Er arbeitete auch an den einzelnen Versionen der Centaur- Oberstufe sowie an der Entwicklung der Atlas-V-Rakete. Kramer White ist Chefingenieurin der Nasa für das Orion-CEV-Projekt. Sie blickt auf über 20 Jahre Erfahrung im technischen Management für das Spaceshuttle-, das ISS- und das X-38-Programm zurück.
