Es ist schade, dass der Mars ein so interessanter Ort ist, weil er tatsächlich einer der schwierigsten Orte im Sonnensystem ist, besonders wenn Sie viel Gepäck mitbringen möchten. Dieser Planet ist ein Friedhof von Missionen, die es nicht ganz geschafft haben.
Wenn unsere Ambitionen wachsen und wir darüber nachdenken, den Mars mit Menschen zu erkunden - vielleicht sogar mit zukünftigen Kolonisten - müssen wir eines der größten Probleme bei der Erforschung des Weltraums lösen.
Es ist wirklich sehr schwer, schwere Nutzlasten erfolgreich auf der Marsoberfläche zu landen.
Der Mars hat eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen, darunter das Fehlen einer schützenden Magnetosphäre und die Schwerkraft der unteren Oberfläche. Aber eines der größten ist die dünne Atmosphäre von Kohlendioxid.
Wenn Sie ohne Raumanzug auf der Marsoberfläche stehen würden, würden Sie erfrieren und an Sauerstoffmangel ersticken. Sie würden aber auch weniger als 1% des atmosphärischen Drucks erfahren, den Sie hier auf der Erde genießen.
Und es stellt sich heraus, dass diese dünne Atmosphäre es unglaublich schwierig macht, signifikante Nutzlasten sicher auf die Oberfläche des Roten Planeten zu bringen. Tatsächlich haben nur 53% der Missionen zum Mars tatsächlich richtig geklappt.
Sprechen wir also darüber, wie Missionen zum Mars in der Vergangenheit funktioniert haben, und ich zeige Ihnen, wo das Problem liegt.
Auf dem Mars zu landen ist das Schlimmste
Historisch gesehen werden Missionen zum Mars von der Erde aus während der Flugfenster gestartet, die sich etwa alle zwei Jahre öffnen, wenn Erde und Mars näher beieinander liegen. ExoMars flog 2016, InSight 2018 und der Mars 2020 Rover wird 2020 fliegen.
Die Missionen folgen einer interplanetaren Transferbahn, die entweder am schnellsten oder mit der geringsten Kraftstoffmenge dorthin führt.
Wenn das Raumschiff in die Marsatmosphäre eintritt, legt es Zehntausende Kilometer pro Stunde zurück. Es muss irgendwie all diese Geschwindigkeit verlieren, bevor es sanft auf der Oberfläche des Roten Planeten landet.
Hier auf der Erde können Sie die dicke Erdatmosphäre nutzen, um Ihren Abstieg zu verlangsamen und Ihre Geschwindigkeit mit einem Hitzeschild zu verringern. Die Kacheln des Space Shuttles wurden entworfen, um die Wärme des Wiedereintritts zu absorbieren, da der 77-Tonnen-Orbiter von 28.000 km / h auf Null stieg.
Eine ähnliche Technik könnte auf Venus oder Titan angewendet werden, wo sie dicke Atmosphären haben.
Der Mond, ohne jegliche Atmosphäre, ist auch relativ einfach zu landen. Ohne Atmosphäre ist kein Hitzeschild erforderlich. Sie verwenden lediglich den Antrieb, um Ihre Umlaufbahn zu verlangsamen und auf der Oberfläche zu landen. Solange Sie genügend Treibmittel mitbringen, können Sie die Landung festhalten.
Zurück zum Mars, mit einem Raumschiff, das mit mehr als 20.000 Stundenkilometern in seine dünne Atmosphäre rast.
Neugier ist die Grenze
Traditionell haben Missionen ihren Abstieg mit einer Aeroshell begonnen, um einen Teil der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs zu entfernen. Die schwerste Mission, die jemals zum Mars geschickt wurde, war Curiosity, die 1 Tonne oder 2.200 Pfund wog.
Als es in die Marsatmosphäre eintrat, ging es 5,9 Kilometer pro Sekunde oder 22.000 Kilometer pro Stunde.
Curiosity hatte die größte Aeroshell, die jemals zum Mars geschickt wurde, mit einem Durchmesser von 4,5 Metern. Diese riesige Aeroshell war in einem Winkel geneigt, so dass das Raumschiff manövrieren konnte, wenn es auf die dünne Atmosphäre des Mars traf und auf eine bestimmte Landezone zielte.
In ungefähr 131 Kilometern Höhe würde das Raumschiff Triebwerke abfeuern, um die Flugbahn perfekt anzupassen, wenn es sich der Marsoberfläche nähert.
Ungefähr 80 Sekunden Flug durch die Atmosphäre stiegen die Temperaturen auf dem Hitzeschild auf 2.100 Grad Celsius. Um nicht zu schmelzen, verwendete der Hitzeschild ein spezielles Material, das als Phenolimprägnierter Kohlenstoffablator oder PICA bezeichnet wird. Das gleiche Material, das SpaceX übrigens für seine Dragon Capsules verwendet.
Nachdem das Raumschiff seine Geschwindigkeit auf unter Mach 2.2 verlangsamt hatte, setzte es den größten Fallschirm ein, der jemals für eine Mission zum Mars gebaut wurde - mit einem Durchmesser von 16 Metern. Dieser Fallschirm könnte 29.000 Kilogramm Widerstandskraft erzeugen und ihn noch weiter verlangsamen.
Die Aufhängelinien bestanden aus Technora und Kevlar, den stärksten und hitzebeständigsten Materialien, die wir kennen.
Dann warf es seinen Fallschirm ab und setzte Raketentriebwerke ein, um den Abstieg noch weiter zu verlangsamen. Als es nah genug war, setzte Curiosity einen Skycrane ein, der den Rover sanft auf die Oberfläche senkte.
Dies ist die Schnellversion. Wenn Sie einen umfassenden Überblick über die Landung von Curiosity auf dem Mars erhalten möchten, empfehlen wir Ihnen dringend, Emily Lakdawallas „The Design and Engineering of Curiosity“ zu lesen.
Die Neugier wog nur eine Tonne.
Schwerer werden lässt sich nicht skalieren
Möchten Sie dasselbe mit schwereren Nutzlasten tun? Ich bin sicher, Sie stellen sich größere Aeroshells, größere Fallschirme und größere Skycranes vor.
Theoretisch wird das SpaceX-Raumschiff 100 Tonnen Kolonisten und ihre Sachen an die Oberfläche des Mars schicken.
Hier ist das Problem. Die Methoden zum Abbremsen in der Marsatmosphäre lassen sich nicht sehr gut skalieren.
Beginnen wir zunächst mit Fallschirmen. Um ehrlich zu sein, ist Curiosity mit 1 Tonne so schwer wie möglich mit einem Fallschirm. Schwerer und es gibt keine Materialingenieure, die die Verzögerungslast bewältigen können.
Vor einigen Monaten feierten die NASA-Ingenieure den erfolgreichen Test des Advanced Supersonic Parachute Inflation Research Experiment (ASPIRE). Dies ist der Fallschirm, der für die Mars 2020-Rover-Mission verwendet wird.
Sie legten den Fallschirm aus fortschrittlichen Verbundstoffen wie Nylon, Technora und Kevlar auf eine Rakete und starteten ihn auf eine Höhe von 37 Kilometern, um die Bedingungen nachzuahmen, denen das Raumschiff beim Eintreffen auf dem Mars ausgesetzt sein wird.
Der in Sekundenbruchteilen ausgelöste und vollständig aufgeblasene Fallschirm hatte eine Kraft von 32.000 Kilogramm. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt an Bord wären, würden Sie 3,6-mal so viel Kraft erfahren wie beim Aufprall auf eine Wand mit einer Geschwindigkeit von 100 km / h und Ihrem Sicherheitsgurt. Mit anderen Worten, Sie würden nicht überleben.
Wenn das Raumschiff schwerer wäre, müsste es aus unmöglichen Verbundstoffen bestehen. Und Passagiere vergessen.
Die NASA hat verschiedene Ideen ausprobiert, um schwerere Nutzlasten auf dem Mars zu landen, beispielsweise bis zu 3 Tonnen.
Eine Idee heißt Low-Density Supersonic Decelerator (LDSD). Die Idee ist, einen viel größeren aerodynamischen Verzögerer zu verwenden, der sich wie eine Hüpfburg um das Raumschiff aufbläst, wenn es in die Schwerkraft des Mars eintritt.
Im Jahr 2015 testete die NASA diese Technologie tatsächlich und beförderte einen Prototyp eines Fahrzeugs auf einem Ballon in eine Höhe von 36 Kilometern. Das Fahrzeug feuerte daraufhin seine Feststoffrakete ab und trug sie auf eine Höhe von 55 Kilometern.
Als es nach oben schoss, blies es seinen aufblasbaren aerodynamischen Überschallverzögerer auf einen Durchmesser von 6 Metern (oder 20 Fuß) auf, was ihn dann wieder auf Mach 2,4 verlangsamte. Leider konnte der Fallschirm nicht ordnungsgemäß eingesetzt werden, sodass er in den Pazifik stürzte.
Das ist ein Fortschritt. Wenn sie tatsächlich die Technik und Physik erarbeiten können, könnten wir eines Tages 3 Tonnen Raumschiffe auf der Marsoberfläche landen sehen. Drei ganze Tonnen.
Mehr Antrieb, weniger Fracht
Die nächste Idee, eine Marslandung zu vergrößern, besteht darin, mehr Antrieb zu verwenden. Theoretisch können Sie einfach mehr Treibstoff mitnehmen, Ihre Raketen abfeuern, wenn Sie auf dem Mars ankommen, und all diese Geschwindigkeit aufheben. Das Problem ist natürlich, dass je mehr Masse Sie tragen müssen, um abzubremsen, desto weniger Masse können Sie tatsächlich auf der Marsoberfläche landen.
Es wird erwartet, dass das SpaceX-Raumschiff eine Antriebslandung verwendet, um 100 Tonnen auf die Marsoberfläche zu bringen. Da das Raumschiff einen direkteren und schnelleren Weg einschlägt, trifft es schneller als 8,5 km / s auf die Marsatmosphäre und verlangsamt dann mit aerodynamischen Kräften seinen Eintritt.
Es muss natürlich nicht so schnell gehen. Das Raumschiff könnte Aerobraking verwenden und mehrmals durch die obere Atmosphäre fahren, um die Geschwindigkeit zu verringern. Tatsächlich ist dies die Methode, die Orbitalraumfahrzeuge zum Mars anwenden.
Aber dann müssten die Passagiere an Bord Wochen damit verbringen, dass das Raumschiff langsamer wird und in die Umlaufbahn um den Mars gelangt und dann durch die Atmosphäre absteigt.
Laut Elon Musk besteht seine wunderbar unintuitive Strategie für den Umgang mit all dieser Wärme darin, das Raumschiff aus rostfreiem Stahl zu bauen. Dann werden winzige Löcher in der Hülle Methanbrennstoff ausbluten, um die Luvseite des Raumfahrzeugs kühl zu halten.
Sobald es genügend Geschwindigkeit verloren hat, dreht es sich, feuert seine Raptor-Motoren ab und landet sanft auf der Marsoberfläche.
Ziel für den Boden, in letzter Minute hochziehen
Jedes Kilogramm Treibstoff, mit dem das Raumschiff seinen Abstieg zur Marsoberfläche verlangsamt, ist ein Kilogramm Fracht, die es nicht an die Oberfläche befördern kann.
Ich bin mir nicht sicher, ob es eine tragfähige Strategie gibt, mit der schwere Nutzlasten leicht auf der Marsoberfläche landen können. Klügere Leute als ich denken, dass es so gut wie unmöglich ist, ohne enorme Mengen Treibmittel zu verwenden.
Trotzdem glaubt Elon Musk, dass es einen Weg gibt. Und bevor wir seine Ideen außer Acht lassen, schauen wir uns an, wie die Twin-Side-Booster der Falcon Heavy-Rakete perfekt zusammen landen.
Und achten Sie nicht darauf, was mit dem zentralen Booster passiert ist.
Eine neue Studie des Luft- und Raumfahrtministeriums der Universität von Illinois in Urbana-Champaign schlägt vor, dass Missionen zum Mars die dickere Atmosphäre nutzen könnten, die näher an der Marsoberfläche liegt.
In ihrem Artikel mit dem Titel "Einstiegsoptionen für Fahrzeuge mit hohem ballistischen Koeffizienten auf dem Mars" schlagen die Forscher vor, dass Raumschiffe, die zum Mars fliegen, es nicht so eilig haben müssen, um ihre Geschwindigkeit loszuwerden.
Während das Raumschiff durch die Atmosphäre schreit, kann es immer noch viel aerodynamischen Auftrieb erzeugen, mit dem es durch die Atmosphäre gesteuert werden kann.
Sie führten die Berechnungen durch und stellten fest, dass der ideale Winkel darin bestand, das Raumschiff gerade nach unten zu richten und zur Oberfläche zu tauchen. Ziehen Sie dann im letztmöglichen Moment mit dem aerodynamischen Auftrieb nach oben, um seitlich durch den dicksten Teil der Atmosphäre zu fliegen.
Dies erhöht den Luftwiderstand und ermöglicht es Ihnen, die meiste Geschwindigkeit loszuwerden, bevor Sie Ihre Abstiegsmotoren einschalten und Ihre angetriebene Landung abschließen.
Das klingt nach Spaß.
Wenn die Menschheit auf der Marsoberfläche eine lebensfähige Zukunft aufbauen will, müssen wir dieses Problem lösen. Wir müssen eine Reihe von Technologien und Techniken entwickeln, die die Landung auf dem Mars zuverlässiger und sicherer machen.
Ich vermute, dass es viel schwieriger wird, als die Leute erwarten, aber ich freue mich auf die Ideen, die in den kommenden Jahren getestet werden.
Ein großes Dankeschön an Nancy Atkinson, die behandelte dieses Thema hier vor mehr als einem Jahrzehnt im Space Magazine und hat mich dazu inspiriert, an diesem Video zu arbeiten.
