Blog single photo

Wenn es funktioniert, wird dies die erste Rakete sein, die vom Mars - Air & Space Magazine gestartet wird

In ungefähr einem Dutzend Jahren könnten Marsianer endlich auf der Erde ankommen. Wenn ja, werden wir sie hierher gebracht haben.                                                                   Die NASA und die Europäische Weltraumorganisation planen eine kühne Mission, um Gesteins- und Bodenproben von der Oberfläche des Roten Planeten zu sammeln und sie über 34 Millionen Meilen von Weltraumforschern zu transportieren - eine beispiellose Gelegenheit, die Beschaffenheit des Mars zu studieren und nach ihnen zu suchen als Beweis dafür, dass der Planet einst Leben beherbergte. Da bei früheren Missionen Anzeichen von Mars-Seen und Flussdeltas festgestellt wurden, glauben die Wissenschaftler, dass sie möglicherweise Fossilien von mikroskopisch kleinen Organismen finden, die in diesen Seen und Flüssen gediehen, bevor der Planet zu der kalten Wüste wurde, die er heute ist.      Im kommenden Juli beginnt die dreiteilige Mission zur Rückgabe von Proben vom Mars mit dem Start des Mars 2020-Rovers. Während der Rover Boden erforscht und sammelt, werden die NASA-Ingenieure die Technologie für die anderen beiden Phasen der Mission weiterentwickeln - indem sie eine Rakete abfeuern, die die Proben in den Marsorbit befördert, wo sie sich mit einem wartenden Rücktransportfahrzeug trifft, das die kostbare Fracht befördert zur Erde. Für jeden dieser Schritte stehen die Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory der NASA vor einer Reihe gewaltiger Herausforderungen.      Für den Anfang hat noch niemand eine Rakete von der Oberfläche eines anderen Planeten abgefeuert. Dies ist ein ganz anderes Szenario als das, in dem Apollo-Astronauten vom Mond nach Hause kamen, der nur 238.900 Meilen entfernt ist. Im Gegensatz zur Aufstiegsstufe des Apollo Lunar Module muss sich das geplante Mars Ascent Vehicle (MAV) von der Schwerkraft eines Planeten befreien, auch wenn die Anziehungskraft nur 38 Prozent der Erdoberfläche beträgt. Und bevor das Aufstiegsfahrzeug nach Hause fährt, muss es eine Reihe von körperlichen Strafen erdulden.      Zunächst wird das MAV als Nutzlast auf einem Lander auf dem Weg zum Mars der rauen Fahrt eines Starts von der Erde ausgesetzt, gefolgt von einem sechs- bis neunmonatigen Flug durch den Weltraum, der in einem feurigen Eintritt in den gipfelt Atmosphäre rund um den Mars, ein Überschallabstieg und eine nicht ganz so weiche Landung. Danach bleibt das Fahrzeug ein halbes Marsjahr (entspricht einem ganzen Jahr auf der Erde) auf der Oberfläche und ist Staubstürmen, ultravioletter Strahlung und Temperaturen von bis zu minus 40 Grad Fahrenheit ausgesetzt.      Ein weiterer entscheidender Unterschied zu den Apollo-Missionen: Es werden keine Menschen auf dem Raumschiff sein. Und da es einige Minuten dauern kann, bis eine Sendung den Mars erreicht, kommt auch eine Fernsteuerung nicht in Frage.      »Wir können nicht mit dem Joystick fahren«, sagt Paulo Younse, Ingenieur am Jet Propulsion Laboratory der NASA. »Wir können nicht mit ihm kommunizieren, und wir haben keine Person an Bord, also muss es automatisch sein.«                Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory montieren die Steuerbordräder des Mars 2020-Rovers, der über 2300 Pfund wiegt. Wenn alles nach Plan verläuft, wird ein zweiter "Fetch" -Rover gesendet, um die während der Mission 2020 gesammelten Proben auf ein Mars-Aufstiegsfahrzeug zu laden.            (NASA / JPL-Caltech)       Am 18. Februar 2021 setzt der Mars 2020-Rover im 30 Meilen breiten Jezero-Krater (ausgesprochen �YEH-zuh-roh�) auf, wo er Proben sammelt und sie zur späteren Entnahme in hermetisch verschlossenen Röhrchen zwischenspeichert. Die NASA hat fünf Jahre lang über einen Landeplatz nachgedacht, bevor sie sich auf Jezero niedergelassen hat. Wissenschaftler glauben, dass der Krater vor 4,1 bis 3,5 Milliarden Jahren mit einem 820 Fuß tiefen See gefüllt war. Vielleicht aufregender sind die Anzeichen eines Flussdeltas. Ein Delta ist preservextrem gut darin, Biosignaturen zu erhalten, Hinweise auf Leben, das im Seewasser oder an der Grenzfläche zwischen Sediment und Seewasser existiert haben könnte, oder möglicherweise auf Dinge, die in der Quellregion lebten und von diesen überflutet wurden der Fluss und im Delta abgelagert, sagte Mars 2020-Projektwissenschaftler Ken Farley bei der Ankündigung des Landeplatzes im vergangenen November. Der Rover wird Proben von mindestens fünf verschiedenen Gesteinsarten sammeln, darunter Tone und Karbonate, die ein hohes Potenzial haben, Indikatoren des antiken Lebens in Form komplexer organischer Moleküle oder Fossilien von Mikroben zu erhalten. Die Suche nach Proben wird durch eine Reihe von Instrumenten unterstützt, darunter SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman und Luminescence for Organics and Chemicals), bei dem Spektrometer, ein Ultraviolettlaser und eine Kamera zum Nachweis organischer Verbindungen verwendet werden. Wissenschaftler sagen jedoch, dass dieses Gerät kein Ersatz für die anspruchsvolleren Instrumente auf der Erde sein wird, insbesondere wenn es darum geht, Lebenszeichen von chemischen Aktivitäten zu unterscheiden, die organische Prozesse imitieren könnten. "Um wirklich den nächsten großen Schritt zu tun, um Mars als System zu verstehen, möchten wir hier Beispiele haben", sagt Charles Edwards, JPL-Manager für das Mars Exploration Directorate. »Wenn Sie diese Proben zurück auf die Erde bringen, können Sie die Kraft aller terrestrischen Labors wirklich entfesseln und einige der Fragen beantworten, die wir zum Leben auf dem Mars beantworten möchten - ob es sich um ausgestorbenes oder sogar noch vorhandenes Leben handelt.« Die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) haben sich zusammengetan, um die noch nicht geplanten späteren Missionen zu planen, die schließlich die Mars-Probenrückgabe abschließen werden. Nach dem Mars 2020 besteht der nächste Schritt darin, einen weiteren Lander mit einem „Fetch Rover“ und dem Mars Ascent Vehicle zum Jezero Crater zu schicken. Der Rover holt die Röhren mit den von Mars 2020 zwischengespeicherten Gesteins- und Bodenproben und lädt sie dann in den Nutzlastcontainer des MAV, einen 17-Pfund-Zylinder von der Größe eines Volleyball. Das MAV wird dann wahrscheinlich autonom von einer horizontalen in eine aufrechte Startposition gebracht und hebt ab, um sich mit dem dritten Teil der Mission zu treffen: einem Earth Return Orbiter. Die Anforderungen, die an das Design des MAV gestellt werden, machen es zum riskantesten Teil der Mission. Ashley Karp, Antriebsleiterin und stellvertretende Leiterin des Aufstiegsfahrzeugs bei JPL, sagt, die Entwicklung des Antriebssystems für die Rakete sei die schwierigste technische Herausforderung, an der sie während ihrer siebenjährigen Tätigkeit in der NASA-Einrichtung gearbeitet habe. "Wir müssen in das Einflug-, Sink- und Landesystem passen, um zum Mars zu gelangen, und dann in der Lage sein, die Proben zu starten und auch an ein anderes System zu liefern", sagt Karp. "Also gibt es mehrere Schnittstellen im Spiel." Das Antriebssystem erfordert Kraftstoff, der den extremen Temperaturen des Mars standhält und gleichzeitig die Volumen- und Gewichtsanforderungen erfüllt, die es dem MAV ermöglichen, in eine Marslandefähre zu passen: Es darf nicht schwerer als etwa 880 Pfund und nicht höher als etwa 10 Fuß sein . In den letzten zwei Jahrzehnten haben die NASA-Ingenieure mit mehreren MAV-Antriebskonzepten gespielt und nun zwei Möglichkeiten erörtert: einen einstufigen Hybridraketenmotor und einen zweistufigen Feststoffraketenmotor. Der Hauptvorteil von Feststoffraketen besteht darin, dass die Technologie gut verstanden wird, sagt Karp. Tatsächlich wurden sie bereits bei früheren Missionen wie Pathfinder, Spirit und Opportunity verwendet, um auf dem Mars zu landen. Festbrennstoffmotoren sind weniger komplex als Motoren mit flüssigen Brennstoffen, für die sowohl ein Zufuhrsystem als auch ein Drucksystem oder Pumpen erforderlich sind. Und da festes Treibmittel weniger korrosiv und stabil als flüssiger Brennstoff ist, kann es leicht für lange Zeiträume gelagert werden. Hybridraketen, die das Oxidationsmittel als Flüssigkeit oder Gas und den Brennstoff als Feststoff speichern, sind ein schwierigeres Problem. Seit 1933, als die Sowjetunion eine Rakete startete, die flüssigen Sauerstoff und eine feste Form von Benzin kombinierte, haben Ingenieure an Konstruktionen herumgebastelt. Im Gegensatz zu Feststoffraketen, bei denen Oxidationsmittel und Kraftstoff bereits zu einem einzigen Treibstoff kombiniert sind, ist es bei Hybridraketen schwierig, einen hohen Schub sicher zu erreichen, da die Feststoffkomponente beim Versprühen des flüssigen Oxidationsmittels nicht schnell genug brennt während des Fluges separat ein. Trotz der weniger entwickelten Technologie ist die NASA der Ansicht, dass die potenziellen Vorteile einer Hybridrakete für eine Marsmission zu zahlreich sind, um sie zu ignorieren. Sobald eine Feststoffrakete gezündet wird, muss sie angezündet bleiben. Ein Hybrid bietet mehr Optionen für Manöver, da er im Flug gedrosselt, heruntergefahren und wieder gezündet werden kann. Die NASA ist wegen eines neuen Kraftstoffs mit höherer Verbrennungsrate für einen Hybrid optimistisch. Es ist ein Paraffin namens SP7, ein wachsartiger Feststoff, der aus einem Gemisch gesättigter Kohlenwasserstoffe hergestellt wird. Das Oxidationsmittel heißt MON25 MONa flüssiges Oxidationsmittel, das 25 Prozent gemischte Stickoxide enthält. Das Problem bei einem konventionellen Festtreibstoff ist, dass die extremen Temperaturen auf dem Mars dazu führen können, dass er beim Zünden reißt und möglicherweise explodiert. Wenn sich die NASA für einen Feststoffraketenmotor entscheiden würde, müsste der Lander entscheidende Kraft aufwenden, um das MAV warm zu halten. Im Gegensatz dazu kann das wachsartige SP7, das in einem Hybridraketenmotor verwendet wird, bei großen Temperaturschwankungen strukturell stabil bleiben, und das Oxidationsmittel MON25 weist einen Gefrierpunkt von minus 67 Grad Fahrenheit auf, was ebenfalls eine Menge Spielraum für den Temperaturbereich bietet, der bei erwartet wird Jezero-Krater zwischen der Landung des MAV auf dem Mars und dem Abheben ein volles Erdjahr später. Ende April überschritt die Hybridrakete eine entscheidende Schwelle: eine erfolgreiche Zündung bei minus vier Grad Fahrenheit. "Es war die erste Demonstration, dass es tatsächlich funktioniert", sagt Karp. Ende Juli wurden zwei weitere Tests durchgeführt. Der erste Test testete das Schnellzündungssystem der Rakete auf einen zweiten Brand sowie eine neue Raketendüse, und der zweite Test testete eine optimierte SP7-Formulierung.                Es wird ein spannendes Fangspiel, wenn der Earth Return Orbiter (künstlerische Darstellung) einen 17-Pfund-großen Volleyball-Container mit fremdem Boden einfängt, der zwischen 185 und 250 Meilen über dem Mars durch den Weltraum flitzt.            (ESA / ATG Medialab)       Unabhängig davon, welches MAV-Design gewählt wird, sind autonome Leit-, Navigations- und Steuerungstechnologien erforderlich, um die richtige Mars-Umlaufbahn zu erreichen, damit der Earth Return Orbiter sie finden kann. Für Evan Anzalone, einen Leit- und Navigationsingenieur am Marshall Space Flight Center, wäre es die schwierigste Aufgabe, vor dem Start die Anfangsbedingungen festzulegen - genau dort, wo sich das MAV auf der Oberfläche in Bezug auf seine Zielbahn befindet und in welche Richtung es zeigt (seine Haltung). Die Fluglage der Rakete wird nicht nur von der Ausrichtung ihres Nasenkegels bestimmt, sondern auch von der Rotationsgeschwindigkeit des Planeten und der lokalen Schwerkraft. "Je besser wir diese Dinge messen können, desto besser können wir herausfinden, wie wir uns ursprünglich verhalten", sagt Anzalone. �Das Problem kann gelöst werden, und wir haben es mit großen Fahrzeugen geschafft. Aber wenn Sie zu dieser kleineren Größe kommen, müssen Sie dies alles autonom tun, mit einer langen Verzögerung für jede Art von Befehlen und Prüfungen Anzalone und seine Kollegen untersuchen zwei Ansätze für Führung, Kontrolle und Navigation. Eine davon heißt "Open Loop" -Lenkung, bei der die Rakete im Wesentlichen so vorprogrammiert ist, dass sie eine bestimmte Flugbahn zurücklegt. »Sie geben Ihren Aktuatoren nur Befehle und gehen«, sagt Anzalone. Der Start einer Rakete ist relativ einfach, birgt jedoch Risiken. Wenn beispielsweise der Marslander mit dem MAV am Jezero-Krater landet, so dass die Fluglage der Rakete nur um ein Grad abweicht, würde ein offenes Leitsystem mit diesem Anfangsfehler starten und das MAV würde seine Zielbahn nicht erreichen. Im Gegensatz dazu ist die andere Option die Führung mit geschlossenem Regelkreis, ein viel komplizierteres System. Bei diesem Ansatz überwacht die Rakete ihre Position, ihren Schub und ihre Geschwindigkeit während des Fluges und stellt ein, wo sie ihre Düse ausrichtet, um ihre Flugbahn zu optimieren. Sobald das MAV seine festgelegte Umlaufbahn erreicht hat, sollte es die Kapsel mit den Proben freigeben. Der Earth Return Orbiter, der auf derselben Umlaufbahn ausgerichtet ist, würde sich mit einer Schließgeschwindigkeit von etwa 5 cm pro Sekunde darauf einschleichen. Wahrscheinlich ist der Probenbehälter hell, möglicherweise mit Symbolen, die QR-Codes ähneln, sagt Paulo Younse, der JPL-Ingenieur, der das Erfassungs- und Rückhaltesystem entwickelt. Diese Funktionen würden es Kameras an Bord des Orbiters ermöglichen, das Ziel leichter zu finden. Bis zu einem Abstand von 328 Fuß könnten Fluglotsen den Anflug überwachen und möglicherweise Kurskorrekturen vor dem Rendezvous vornehmen. Danach ist jedoch alles an Bord, und das Raumschiff wird selbst fliegen, sagt Jeffrey Umland, Chefingenieur für NASAs aktuelle InSight-Mission zum Mars und Mitarbeiter am Erfassungs- und Eindämmungssystem. »Wir haben dieses sehr kostbare Ding, und es hat eine gewisse Trägheit«, sagt Younse. »Es bewegt sich und es dreht sich nur langsam. Die Herausforderung besteht nun darin, dieses Ding auf der Umlaufbahn mit einem Roboter zu erfassen und in unser System zu bringen. Verpacken Sie es in einem Container, damit wir es versiegeln und bringen können es zurück zur Erde. So etwas Kompliziertes haben wir noch nie gemacht. « Während die Europäische Weltraumorganisation den Earth Return Orbiter entwickelt, entwerfen die Ingenieure von JPL das Einfang- und Rückhaltesystem an Bord dieses Raumfahrzeugs. An der Vorderseite dieses Systems befindet sich ein Auffangkegel mit einer Reihe von Sensoren, die erkennen, wann sich der Behälter vollständig im Inneren befindet. An dieser Stelle wird ein Deckel schnell (innerhalb von zwei Sekunden) über der Oberseite des Kegels geschlossen, bevor sich der Behälter befindet eine Chance, die Rückseite des Kegels zu treffen und zurück in den Weltraum zu springen. »Ich denke, es ist mehr oder weniger eine Mausefalle, aber wir fliegen zur Maus«, sagt Umland. Innerhalb des Kegels würde ein mechanischer Arm, der an einem Paddel befestigt ist, dann über den Behälter schwingen und ihn zur Rückseite des Auffangkegels und in ein Sicherheitsbehältnis drücken. Eine andere Vorrichtung, möglicherweise eine Art Wischermechanismus, würde den Behälter überstreichen, um ihn so auszurichten, dass die Probenröhrchen mit der rechten Seite nach oben in Bezug auf den Hitzeschild des Raumfahrzeugs gelagert werden. Missionsplaner glauben, dass die hermetischen Siegel an den Rohren die besten Überlebenschancen hätten, wenn sie beim Wiedereintritt und bei der Ankunft auf der Erde von der Fahrtrichtung abgewandt wären - möglicherweise an einem Landeplatz in der Wüste von Utah. Es ist nicht die Art und Weise, wie Science-Fiction-Autoren sich die Ankunft von Marsmenschen auf der Erde traditionell vorgestellt haben. Aber wenn es gelingt, könnten wir endlich Beweise für das Leben in einer anderen Welt erhalten.                       Weiterlesen



footer
Top