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Thursday, July 29, 2021

Orbit für lunare Raumstation steht fest!

lunar gateway in der montagehalle

Die Menschheit beginnt mit dem Bau einer neuen internationalen Raumstation im Orbit des Mondes, in der vier Astronaut*innen dauerhaft fernab der Erde leben und arbeiten sollen. Nun nimmt sie langsam Konturen an, so haben sich die NASA und die ESA darauf geeinigt, auf welchem Orbit die Station namens Lunar Gateway den Mond umkreisen soll.

Technische Aspekte

Klar ist, dass die lunare Raumstation viel weiter von der Erde entfernt ist als alle vorherigen Raumstationen, etwa die ISS, und zwar etwa 1.000-mal weiter. Dies stellt uns vor ganz neue Herausforderungen, etwa fehlt das Erdmagnetfeld als Schutz vor kosmischer Strahlung und in einem Notfall kann man nicht mal eben zur Erde zurück – der Flug dauert fast drei Tage.

Aber auch die Erreichbarkeit der Station und der Funkkontakt zur Erde sind viel anspruchsvoller, so können Computer dort nicht einfach das irdische Internet verwenden, es benötigt eine Erweiterung, das interplanetare Internet. Zudem ist der Mond zwar unser nächster Nachbar, aber dennoch schon sehr weit entfernt – bis ein Signal mit Lichtgeschwindigkeit auf der Erde und wieder zurück ist, dauert es über zweieinhalb Sekunden.

Das ist jedoch nicht das einzige Problem bezüglich der Kommunikation, so befindet sich die Raumstation auf einem Orbit auch zeitweise im Schatten des Mondes, in dem gar kein Kontakt mit der Erde möglich ist. Auch die Solarzellen können in dieser Zeit keine Energie generieren.

Möglichkeiten für den Orbit

Im wesentlichen gab es für den Orbit des Lunar Gateways zwei ernsthaft diskutierte Möglichkeiten:

  • Ein niedriger Mondorbit, auf dem die Station den Mond in einigen hundert Kilometern Höhe umkreist
  • Eine Platzierung am Lagrange-Punkt L2 des Erde-Mond-Systems

Ein niedriger Mondorbit ist bereits bekannt, das Servicemodule des Apollo-Raumschiffs hat den Mond mit einem Astronauten auf einer solchen Umlaufbahn umkreist, während die anderen beiden auf der Mondoberfläche waren.

Auf dem Lagrange-Punkt hingegen würde das Lunar Gateway mit dem Mond zusammen die Erde umkreisen. Die Gravitation von Erde und Mond heben sich an diesem Punkt hinter dem Mond auf, sodass die Station sich dort fast ohne Antrieb aufhalten könnte.

Vor- und Nachteile

Die Vorteile sind recht offensichtlich, ein niedriger Mondorbit hat den Vorteil, dass die Oberfläche des Mondes sehr einfach zu erreichen ist. Doch Raumschiffe, die von der Erde andocken, müssten Bremsmanöver ausführen, die viel Energie kosten und in manchen Konstellationen gar nicht möglich sind. Auch Flüge zu anderen Zielen im Sonnensystem wären dadurch nicht wesentlich günstiger möglich als von der Erde aus.

Im Lagrange-Punkt L2 hinter dem Mond hätten es von der Erde kommende Raumschiffe einfach. Flüge zum Mars und tief ins Sonnensystem wären dort ebenfalls gut möglich, sodass man das Lunar Gateway auch als Montageplattform für große Raumsonden nutzen könnte.

Doch Expeditionen zur Mondoberfläche würden sich von dort sehr schwierig gestalten und diese sind für die Kolonisation unabdingbar. Hinter dem Mond bekommt die Station natürlich auch kaum Sonnenstrahlung, was die Energieversorgung erschwert. Auch ein direkter Blick auf die Erde ist nicht möglich.

Eine Kompromisslösung

Da Planung und Bau der ersten Komponenten der Raumstation bei den Zulieferfirmen bereits begonnen haben, war eine Einigung in dieser wichtigen Frage überfällig. Nun soll es keiner der beiden Orbits werden, sondern ein Kompromiss.

Die Raumstation soll den Mond in einem sogenannten exzentrischen Halo-Orbit umkreisen. Das bedeutet, dass sie nicht den Mond als Anhaltspunkt hat, sondern den Lagrange-Punkt hinter dem Mond. Bei ihrem Orbit um diesen Punkt umkreist sie jedoch automatisch auch den Mond. Das führt dazu, dass der komplexe Orbit extrem exzentrisch ist, er gleicht einem schiefen Heiligenschein senkrecht zur Bahnebene des Mondes.

Alle sieben Tage wird sich die Raumstation der Mondoberfläche auf 3.000 Kilometer annähern, das ist etwa 7,5-mal höher als die ISS die Erde umkreist. Anschließend erreicht sie ihren bahnfernsten Punkt 70.000 Kilometer über dem Südpol des Mondes.

Details des Orbits

Diese Lösung ist sehr elegant, da sie Vorteile beider Orbits verbindet. Alle sieben Tage können Mondlandefähren an- oder abdocken. Besatzungen können dann in diesem Zeitfenster zur Mondoberfläche fliegen oder eine bestehende Besatzung auf der Oberfläche zur Raumstation zurückkehren. Dies ist immer dann möglich, wenn sich das Lunar Gateway der Oberfläche auf 3.000 Kilometer annähert.

Wenn sich die Raumstation dann an ihrem bahnfernsten Punkt in 70.000 Kilometern Entfernung befindet, können Raumschiffe von der Erde aus fast ohne Bremsmanöver Menschen und Fracht zur Station bringen. Außerdem können dann auch Fernziele angeflogen werden, In Zukunft könnten Raumsonden daher direkt aus auf dem Mond abgebauten Rohstoffen gebaut und von dort aus gestartet werden, das spart aufgrund der schwachen Anziehungskraft Treibstoff. Sieben Tage später ist die Station wieder an ihrem bahnnächsten Punkt und die Astronauten, die eine Woche zuvor aufbrachen, können von der Mondoberfläche zurückkehren.

animation einer mondbasis

Dieser Rythmus macht eine rotierende Besatzung auf der Mondoberfläche möglich. Eines Tages könnte so eine permanent bemannte Basis im Shackleton-Krater auf der Mondoberfläche entstehen. Wenn es nach der NASA geht, soll ein erstes Wohnmodul 2028 mit Artemis 7 auf die Mondoberfläche gebracht werden.

Funkkontakt und Energieversorgung

Wie bereits gesagt, liegt der Orbit senkrecht auf der Bahnebene des Mondes, dadurch ist das Lunar Gateway von der Erde immer sichtbar und befindet sich von uns aus nie im Mondschatten. So kann der Funkkontakt mit der Erde dauerhaft bestehen und ein Blick von der Station auf die Erde ist durchgängig möglich. Obwohl die Apollo-Astronauten die Funkstille stets als den angenehmsten Teil der Mission beschrieben, ist das natürlich ein großer Vorteil.

Die Energieversorgung der Station ist durch hauseigene Solarzellen geplant. Auch dafür ist dieser Orbit günstig, denn auf einem Halo-Orbit wird von der Station aus die Sonne fast nie von Erde oder Mond bedeckt, sodass die Solarzellen fast immer eine Energiezufuhr haben. Um dies experimentell zu testen, soll Mitte 2021 ein kleiner Satellite namens Captstone den Mond auf einem Halo-Orbit umkreisen, schließlich ist er in der Raumfahrt ein absolutes Novum.

Stabilität des Orbits

Das klingt alles perfekt, doch einen kleinen Haken hat der Halo-Orbit durchaus. Durch das komplexe Zusammenspiel der Gravitation der Erde und des Mondes und den schiefen Umlauf um den Lagrange-Punkt ist die Bahn leicht instabil, die Station könnte also im Laufe der Jahrzehnte leicht abdriften und irgendwann aus ihrem Orbit geraten.

Daher werden hin und wieder kleine Kurskorrekturen notwendig sein, ab und zu muss die Raumstation ihren Orbit um wenige Meter anpassen, um auf Kurs zu bleiben. Das ist aber kein großes Problem, denn das Lunar Gateway wird vermutlich über einen neuartigen Hall-Antrieb verfügen, mit dem Kurskorrekturen vorgenommen werden können.

Insgesamt ist nur eine Geschwindigkeitsänderung von zehn Metern pro Sekunde in einem Jahr nötig, um die Umlaufbahn zu erhalten – ein winziger Betrag. So überwiegen insgesamt die Vorteile des elliptischen Halo-Orbits, weshalb sich die Gateway-Partner NASA und ESA, aber auch andere beteiligte Länder wie Japan und Kanada nun darauf geeinigt haben.

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Von diesem Orbit aus können Raumfahrzeuge aber auch recht leicht in einen anderen Orbit einschwenken und somit andere Punkte auf der Mondoberfläche erreichen. Für eine polare Umlaufbahn ist bei einer Transitzeit von einem halben Tag etwa lediglich eine Geschwindigkeitsänderung von 730 Metern pro Sekunde nötig.

Aufbau kann beginnen

Nun sind die letzten wichtigen technischen Details rund um die Station geklärt. Wenn alles nach Plan läuft, können die ersten Module bereits mit robotischen Raketen 2022 und 2023 in den Mondorbit gebracht werden. Wenn 2024 dann die ersten Astronauten kommen und auf dem Mond landen, wird die Station inklusive Mondlander bezugsbereit sein – ein ambitionierte, einige meinen gar unrealistischer Zeitplan.

Die Festlegung des Orbits ist ein wichtiger Schritt, das ehrgeizigste Unterfangen in der Geschichte Menschheit kann beginnen. Vielleicht wird das Lunar Gateway künftigen Generationen als der Ort in Erinnerung bleiben, an dem der Mensch gelernt hat, dauerhaft fernab der Erde zu leben – auf einem elliptischen Halo-Orbit.

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1 Comment

  • Holger Ass

    Wundervoll geschrieben und es hat wie ich finde eine perfekte Länge. Nicht zu kurz und Oberflächlich und nicht zu lang und mit zu vielen Informationen gespickt.

    Ich wünschte ich könnte deinen Blog abonnieren damit ich sofort bei neuen Beiträgen informiert werde, das wäre so ein Wunsch was mir fehlt.

    Gruß aus Magdeburg

    Antworten

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