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Neue Flugroute zum Roten Planeten: Zum Mars lupfen

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Flugphysik: Günstiger zum Mars Fotos
NASA

Eine Reise zum Mars ist teuer, lang und gefährlich. Forscher schlagen nun eine neue Route vor, die viel Kraftstoff sparen könnte und zudem unabhängig von der Stellung der Planeten wäre.

Der Rote Planet - das ist für die Strategen bei der Nasa schon lange das eigentliche Ziel. Endlich wieder in eine Welt vordringen, die zuvor noch kein Mensch betreten hat. Allerdings wäre der Aufwand sehr hoch: Der Hinflug allein dauert mindestens sechs Monate. Die Astronauten müssten zudem mehr als ein Jahr auf dem Mars bleiben, bis die Konstellation der Planeten wieder einen zügigen Rückflug erlaubt.

Zwei Forscher schlagen nun eine neue Route zum Mars vor, die zumindest die Kosten deutlich senken könnte. Zudem sei die Flugbahn weniger riskant und ermögliche flexiblere Starts, schreiben Francesco Topputo und Edward Belbruno in einem Artikel, der im Fachblatt "Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy" erscheinen soll.

Bei bisherigen Flügen zum Mars haben unbemannte Raumschiffe den sogenannten Hohmann-Transfer genutzt. Dabei gibt es nur ein kleines Zeitfenster für den Start. Erde und Mars müssen in einer bestimmten Konstellation zueinander stehen, damit das Raumschiff sechs Monate nach dem Start genau am Roten Planeten ankommt. Diese Konstellation gibt es nur alle zwei Jahre, was Flüge zum Mars stark einschränkt.

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Der Hohmann-Transfer erfordert zudem ein rasantes Bremsmanöver des Raumschiffs, weil dieses schneller durchs All rast als der Mars. Zum Abbremsen nutzen Raumschiffe ihre Düsen, was viel Treibstoff erfordert und die Missionskosten erhöht. Die von Topputo und Belbruno vorgeschlagene Flugbahn käme ganz ohne Bremsmanöver aus und könnte so bis zu 25 Prozent Treibstoff einsparen.

"Das eröffnet uns neue Perspektiven", sagt James Green von der Planetary Science Division der Nasa dem Magazin "Scientific American". Man könne mit der Methode Ressourcen und Geld sparen, genau danach habe man immer gesucht.

Neue Methode: Ballistisches Einfangen

Der sogenannte Niedrig-Energie-Transfer unterscheidet sich beim Start von der Erde kaum vom Hohmann-Transfer. Die Flugzeit würde sich sogar leicht verlängern. Doch der Anflug funktioniert anders. Das Raumschiff wird nicht direkt zum Mars geschossen, sondern quasi gelupft. Es fliegt langsamer als der Rote Planet vor diesem durchs All. Der Mars nähert sich von hinten und fängt das Raumschiff mit seiner Schwerkraft ein. Die Forscher nennen das Verfahren Ballistic Capture (Ballistisches Einfangen).

Völlig neu ist die Methode allerdings nicht. Bereits 1991 nutzte sie die japanische Sonde "Hiten" bei einem Flug zum Mond. Belbruno hatte schon damals die dafür nötigen Berechnungen durchgeführt. Er versuchte auch, ein ähnliches Manöver für Mars-Flüge zu entwickeln. Doch der Mars bewegt sich deutlich schneller als der Mond, was die Kalkulationen erschwerte. "Ich gab das Ganze auf", berichtete der Forscher. Doch dann habe er sich vor Kurzem wieder mit dem Problem beschäftigt und schließlich doch eine Lösung gefunden.

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Das ballistische Einfangen würde auch die Risiken einer Marsmission verringern, denn das Raumschiff müsste bei der Annäherung an den Roten Planeten nicht mehr punktgenau abbremsen. Vor allem aber die größere Flexibilität bei den Starts dürfte die Nasa-Experten begeistern. Starts müssen immer wieder wegen technischer Probleme verschoben werden. Wer ein enges Zeitfenster wie bei Flügen zum Mars verpasst, muss mehr als zwei Jahre warten, bis die Planetenkonstellation wieder stimmt.

Die neue Route ermöglicht im Prinzip regelmäßige Zubringerflüge zum Mars. Man könne Ausrüstung zum Mars schicken, bevor sich Menschen auf den Weg machten, erklärt Belbruno. Womöglich würden zunächst Roboter den Roten Planeten bevölkern. Schließlich macht ihnen die starke kosmische Strahlung während des langen Flugs nichts aus.

"Ich dachte erst, dass der 1991 gefundene Weg zum Mond die einzige Anwendung meiner Theorie ist", sagt Belbruno. Nun denkt die Nasa darüber nach, die neue Route zum Mars zu testen, wie James Green sagt. Dies könne in den 2020er-Jahren geschehen.

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1. Das wichtigste zuerst
tailspin 25.12.2014
"Das wichtigste" sagte der Schaffner (Tom Hanks) in Zemecki's Weihnachtsphantasie Film Polar Express zum Abschied zum Hero Boy "ist, an Bord zu sein." Wenn die Astronauten dann auch noch die Dancing Waiters an Bord haben, die ballistische heisse Schokolade servieren, dann duerfte die Reise nicht langweilig werden.
2. Leider erklaert der Artikel nicht, warum die Berechnung
hdudeck 25.12.2014
dieser Methode so schwer ist. Als unbeleckter Leihe sehe ich eigentlich keine Probleme. Mann kennt die Umlaufbahn des Mars'es, berechnet die Flugbahn der Kapsel. Wenn das beim Mond funktioniert, sollte es auch fuer alle anderen Planeten funktionieren. So warum ist das so schwierig und wurde scheinbar nicht weiter verfolgt?
3. Kann mal jemand erklären...
Alderamin 25.12.2014
wie das mit den flexibleren Startzeiten funktionieren soll, wenn die Bahn im wesentlichen ein Hohmann-Transfer ist? Beim Hohmann-Transfer muss der sonnennahe Startpunkt der Halbellipse zur Marsbahn genau dem sonnenfernen Punkt der Bahn gegenüber liegen, an dem das Raumschiff auf den Mars trifft. Startet man ein paar Tage zu früh oder zu spät, ist der Mars zum Zeitpunkt der Sonnenferne des Raumschiffs noch nicht da oder nicht mehr da und das Raumschiff fällt zurück zum Ausgangspunkt der Bahn (wo die Erde beim Eintreffen dann aber auch nicht mehr da ist), daher das enge Startfenster. Um auf Höhe der Marsbahn bleiben, müsste das Raumschiff eigentlich beschleunigen, aber das erledigt wohl der Mars, wenn er da ist und das Raumschiff anzieht (und tut gleich zu viel des Guten, so dass man abbremsen muss). Was sich jetzt wesentlich ändert dadurch, dass man den Mars erst mal innen passiert und sich zurückholen lässt, habe ich noch nicht ganz verstanden. Spart Treibstoff, weil man entgegen der Bahnbewegung eingefangen wird, ok, aber was das Zeitfenster betrifft, wieso sollte sich da viel ändern?? Ist dann aber auch suboptimal für den Rückstart vom Mars, weil das Raumschiff den Mars retrograd umkreist und man vom Boden aus gegen die Drehrichtung des Planeten starten müsste - das kostet mehr Treibstoff.
4. Fröhliche Weihnachten @ hdukeck Nr. 2
karl08 25.12.2014
Das hat was mit der dF nach dt zu tun: dF sind die vielen kleinen Fehler, die sich einschleichen können und auf die man keinen Einfluss hat. dt ist die Zeit der Mission. Wenn sie ein guter Kegler sind und auf kurzer Entfernung immer alles abräumen, ist es doch nicht gesagt, dass das auch auf 10 km klappt. Einen guten Rutsch ins neue Jahr und viel Erfolg beim Vermehren der gewonnenen Einsichten.
5. hmm
Layer_8 25.12.2014
Zitat von Alderaminwie das mit den flexibleren Startzeiten funktionieren soll, wenn die Bahn im wesentlichen ein Hohmann-Transfer ist? Beim Hohmann-Transfer muss der sonnennahe Startpunkt der Halbellipse zur Marsbahn genau dem sonnenfernen Punkt der Bahn gegenüber liegen, an dem das Raumschiff auf den Mars trifft. Startet man ein paar Tage zu früh oder zu spät, ist der Mars zum Zeitpunkt der Sonnenferne des Raumschiffs noch nicht da oder nicht mehr da und das Raumschiff fällt zurück zum Ausgangspunkt der Bahn (wo die Erde beim Eintreffen dann aber auch nicht mehr da ist), daher das enge Startfenster. Um auf Höhe der Marsbahn bleiben, müsste das Raumschiff eigentlich beschleunigen, aber das erledigt wohl der Mars, wenn er da ist und das Raumschiff anzieht (und tut gleich zu viel des Guten, so dass man abbremsen muss). Was sich jetzt wesentlich ändert dadurch, dass man den Mars erst mal innen passiert und sich zurückholen lässt, habe ich noch nicht ganz verstanden. Spart Treibstoff, weil man entgegen der Bahnbewegung eingefangen wird, ok, aber was das Zeitfenster betrifft, wieso sollte sich da viel ändern?? Ist dann aber auch suboptimal für den Rückstart vom Mars, weil das Raumschiff den Mars retrograd umkreist und man vom Boden aus gegen die Drehrichtung des Planeten starten müsste - das kostet mehr Treibstoff.
Ich denke, bei manchen physikalischen Problemen hilft oft der "Autopilot". Das hier ist ein 4-Körperproblem mit Zwangsbedingungen. Man schreibt die Lagrangefunktion hin und leitet die Euler-Lagrange Gleichungen ab, welche dann (numerisch) gelöst werden. Da kommen dann Sachen raus, welche erstmal dem Verstand widersprechen zu scheinen, physikalisch jedoch korrekt sind. Vielleicht geht's auch einfacher als jetzt beschrieben, aber funktionieren tuts wohl...
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