Mondlandemodul: Die beiden reichsten Männer der Welt konkurrieren auf der Mondoberfläche

Am 19. Mai 2023 gab die NASA bekannt, dass sie Blue Origin als Auftragnehmer für das zweite bemannte Mondlandemodul für ihr bemanntes Vorzeigeprojekt „Artemis“ ausgewählt hat. Blue Origin ist ein privates Luft- und Raumfahrtunternehmen, das im Jahr 2000 von Jeff Bezos, dem ehemals reichsten Mann der Welt, gegründet wurde.

Laut NASA-Ankündigung handelt es sich dabei um einen Festbetragsvertrag über 3,4 Milliarden US-Dollar, im Rahmen dessen Blue Origin die Entwicklung eines vollständig wiederverwendbaren Mondmoduls leiten und gestaffelte Zahlungen auf Grundlage von Meilensteinen leisten wird. Dieses Mondlandemodul wird für die erste bemannte Mondlandung im Rahmen der Mission Artemis 5 verwendet. Dem geplanten Zeitplan zufolge soll die Mission im Jahr 2028 durchgeführt werden und die SLS-Rakete (Space Launch System) das Raumschiff Orion und vier Astronauten in die Mondumlaufbahn bringen. Sobald Orion an der Lunar Orbital Platform-Gateway angedockt hat, werden die beiden Astronauten in das Mondmodul von Blue Origin umsteigen, sich dann trennen und für etwa eine Woche wissenschaftlichen Forschungs- und Erkundungsaktivitäten in die Südpolregion des Mondes reisen. Bei der Mission „Artemis 5“ handelt es sich um die Normalisierungsphase der bemannten Mondlandung und zugleich um die Übergangsphase vom kurzfristigen Aufenthalt auf der Mondoberfläche zur Phase der Mondbasis. Allerdings wird sich der eigentliche Missionstermin nach dem derzeitigen Stand aller Voraussicht nach auf etwa 2029 verschieben, wobei eine weitere Verschiebung nicht ausgeschlossen werden kann.

Rendering der neuen Version der Mondlandefähre von „Blue Origin“

Mondlandemodul-Vertrag „Großartig und rachsüchtig“

Wie wir alle wissen, ist „Starship“ von SpaceX das derzeit bevorzugte Mondmodul der NASA, das für die ersten beiden bemannten Mondmissionen der NASA, die Missionen Artemis 3 und 4, verwendet werden soll. Wenn man bedenkt, dass es während des Apollo-Programms nur ein Mondmodul gab, woher kam der Vertrag für Blue Origins zweites Mondmodul?

Diese Geschichte beginnt vor zwei Jahren im April 2021, als die NASA bekannt gab, dass SpaceX als einziger Auftragnehmer für das bemannte Mondlandemodul im Artemis-Programm ausgewählt wurde. Der Entwurf von SpaceX sieht die Entwicklung eines modifizierten „Mondmoduls“ speziell für Mondlandungen vor, das auf der vollständig wiederverwendbaren Rakete „Starship“ basiert, die das Unternehmen derzeit entwickelt. In dieser Bieterrunde hat sich Blue Origin mit Lockheed Martin, Northrop Grumman Innovations Space und Draper zusammengeschlossen, um ein All-Star-„Nationalteam“ für die Mondlandefähre zu bilden. Dieses Team ist eine All-Star-Besetzung namhafter Unternehmen und war ursprünglich die einzige Option für den Zuschlag. Darüber hinaus gab es ein „Small Business Team“, bestehend aus 25 Subunternehmern unter der Leitung von Dyn. Am Ende wurde jedoch SpaceX ausgewählt, da das Unternehmen den radikalsten Vorschlag unterbreitet hatte, was in der Branche für Aufruhr sorgte.

Eine Darstellung der ersten Version des integrierten Landers von Blue Origin.

Der unerwartete Zuschlag für SpaceX hat zweifellos einen riesigen Aufruhr verursacht, auf den die verschiedenen Parteien unterschiedlich reagierten. Neben den zuständigen Mitgliedern des US-Kongresses und einigen Organisationen, die ihr Bedauern zum Ausdruck brachten, äußerten auch die beiden unterlegenen Bieter, angeführt von Blue Origin, ihre Unzufriedenheit und legten direkt Berufung ein. Am 26. April reichten die beiden unterlegenen Bieter eine 175 Seiten lange Beschwerde beim US-amerikanischen Government Accountability Office (GAO) ein. Darin behaupteten sie, die NASA habe während des Bieterverfahrens verschiedene Aspekte der beiden Vorschläge nicht richtig bewertet und ihnen keine Möglichkeit gegeben, ihre Angebote und Gebote entsprechend anzupassen. Am 30. April war die NASA gezwungen, den Vertrag auszusetzen, bis das GAO eine endgültige Entscheidung traf.

Drei Monate später verkündete das GAO offiziell den Abschluss seiner dreimonatigen Berufungsuntersuchung. Es war der Ansicht, dass die Proteste der beiden Unternehmen ungültig waren, und veröffentlichte einige Einzelheiten der Berufungsuntersuchung. Es hieß, dass keine Hinweise auf eine unsachgemäße Angebotsbewertung gefunden worden seien, die Unterlagen zur Angebotsbewertung vollständig und ausreichend gewesen seien und dass der Angebotsbewertungsprozess konform und legal gewesen sei, obwohl der Vorschlag von SpaceX für ein Mondmodul das technische Risiko zu vieler Betankungen im Orbit aufweise. Auf die Behauptung des Beschwerdeführers, es sei unvernünftig gewesen, SpaceX als einzigen erfolgreichen Bieter auszuwählen, antwortete das GAO, dass es im Bieterverfahren keine Begrenzung der Anzahl der erfolgreichen Unternehmen gebe und dass die NASA mehrere erfolgreiche Bieter auswählen könne oder das Recht habe, den einzigen erfolgreichen Bieter auszuwählen. Der Grund, warum die NASA in den letzten Jahren nicht mehr an dem Plan festhielt, zwei Gewinnerangebote auszuwählen und sich gegenseitig zu unterstützen, liegt darin, dass der US-Kongress das Budget für die bemannte Mondlandefähre Anfang 2021 von 3,2 Milliarden US-Dollar auf nur noch 850 Millionen US-Dollar gekürzt hat. Da die NASA nicht in der Lage ist, Forschung und Entwicklung zweier Unternehmen gleichzeitig zu finanzieren, musste sie „alles auf eine Karte setzen“ und sich für SpaceX entscheiden.

Nach diesem erfolglosen Einspruch gab „Blue Origin“ nicht auf. Einerseits begann das Unternehmen, verschiedene Werbebilder zu produzieren und kritisierte in den sozialen Medien öffentlich das unangemessene Design des Mondmoduls der Space Exploration Technology Company. Es hieß, es habe zu viele Betankungszeiten im Orbit und hohe technische Risiken. Andererseits nutzte er seine Verbindungen im US-Kongress, um Druck auf die NASA auszuüben, einen zweiten Auftrag für die Entwicklung der Mondlandefähre zu vergeben. Aus diesem Grund erklärte Bezos sogar öffentlich, dass er im Gegenzug für den Vertrag bereit sei, zwei Milliarden US-Dollar aus eigener Tasche zu zahlen, um die Forschungs- und Entwicklungskosten zu subventionieren. Der neue Direktor Nelson erklärte gleich nach seinem Amtsantritt öffentlich, dass er den zweiten erfolgreichen Bieter finanzieren würde, doch dieser „Wunsch“ ging erst zwei Jahre später in Erfüllung, und zu diesem Zeitpunkt hatte das „Starship“ bereits seinen ersten erfolglosen Testflug im Orbit absolviert. Bei einem Vertrag im Wert von mehreren Milliarden Dollar sind die oben genannten Vorgänge nicht schwer zu verstehen. Verwirrend ist jedoch, dass Blue Origin im August desselben Jahres plötzlich die NASA als „Partei A“ vor einem Bundesgericht verklagte und in der Klage darauf beharrte, dass es bei der Ausschreibung Mängel gegeben habe, die behoben werden müssten.

Ein Vergleich der Apollo-Mondlandefähre und der Mondlandefähren Constellation, Starship und Blue Origin

Während die beiden Unternehmen vor Gericht ziehen, kann das Verhältnis zwischen der NASA und Blue Origin als „angespannt“ bezeichnet werden. In ihrer Stellungnahme vor Gericht erklärte die NASA, dass die Entscheidung für Blue Origin die USA daran hindern könnte, ihr Ziel, im Jahr 2025 zum Mond zurückzukehren, rechtzeitig zu erreichen. Sie räumte sogar ein, dass ihr Bietervorschlag „überhaupt keine Chance auf den Sieg“ habe. Tatsächlich ist jedoch selbst der am schnellsten voranschreitende Plan für die Mondlandefähre Starship derzeit nicht in der Lage, die schwierige Aufgabe einer Landung auf dem Mond im Jahr 2025 zu bewältigen. Die Klage wurde schließlich zurückgezogen und außergerichtlich beigelegt. Es ist jedoch unschwer zu erkennen, dass die NASA Blue Origin nicht nur aufgrund des zu hohen Angebots ablehnte, sondern auch aufgrund von Bedenken hinsichtlich der unangemessenen technischen Lösung. Zwei Jahre später kann der neue Plan von „Blue Origin“ natürlich nicht so auf den Markt kommen. Um die Aufmerksamkeit der NASA zu erregen, müssen bestimmte Verbesserungen vorgenommen werden.

Das ursprüngliche Design weist Mängel und zahlreiche Mängel auf.

In der zweiten Bieterrunde wurde SpaceX von der NASA eine Exklusivitätsklausel auferlegt und es wurde ihm nicht gestattet, an dieser Ausschreibung teilzunehmen. Zudem wurde Boeing bereits im Frühstadium des Betrugs verdächtigt, sodass am eigentlichen Bieterverfahren nur die beiden Teams teilnahmen, die in der vorherigen Bieterrunde gescheitert waren. In der letzten Ausschreibungsrunde veröffentlichte die NASA einen ausführlichen Bericht zur Angebotsbewertung und bewertete die Vor- und Nachteile der Vorschläge unter drei Gesichtspunkten: Preis, Technologie und Management. Für diese Ausschreibung wurde kein entsprechender Angebotsbewertungsbericht veröffentlicht. Beim Vergleich der alten und neuen Version des „Blue Origin“-Plans lassen sich jedoch unschwer viele drastische Verbesserungen erkennen.

Die Verkleidung mit einem Durchmesser von 7 Metern, die während der Tests von New Glenn verwendet wurde, wird in das zukünftige Mondlandemodul von Blue Origin integriert.

In der letzten Ausschreibungsrunde erhielt das Mondmodul des Nationalteams den Namen „Integrated Lander Vehicle“ (ILV), das aus drei Teilen besteht: einer Transferstufe, einer Abstiegsstufe und einer Aufstiegsstufe. Die drei Teile können mit den Trägerraketen „New Glenn“ bzw. „Vulcan“ gestartet und in der Mondumlaufbahn oder auf dem Lunar Orbital Platform Gateway zusammengebaut werden. Es kann auch als Ganzes von SLS auf den Markt gebracht werden, aber aufgrund der hohen Kosten und des langen Zyklus wurde dieser Plan aufgegeben. Die Abstiegsstufe basiert auf dem Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk mit dem Codenamen BE-7, das im Mai 2019 von Blue Origin vorgestellt wurde. Das Triebwerk hat einen Schub von 40 Kilonewton und verwendet einen einzigartigen „Doppelexpansions-Verbrennungszyklus“ mit einstellbarem Schub, wodurch es für Landungen mit umgekehrtem Schub geeignet ist. Das verbesserte Energiesystem und die Mannschaftskabine wurden beide von Lockheed Martin entwickelt und sind so konzipiert, dass sie die Systeme so weit wie möglich mit dem Orion-Raumschiff gemeinsam nutzen. Die Transferstufe wird von Northrop Grumman entwickelt, das sich dabei auch vollständig am Design seines Frachtraumfahrzeugs Cygnus orientiert; Draper ist für die Forschung und Entwicklung des Avioniksystems verantwortlich. Generell hatte der Integrierte Lander bei seinem ersten Versuch folgende Nachteile:

Zunächst einmal ist der Preis dieses Vorschlags hoch. Mit fast 6 Milliarden Dollar ist es fast doppelt so viel wie der Starship-Vorschlag von SpaceX. In der Branche wird davon ausgegangen, dass in diesem Angebot alle Kosten und Gewinne enthalten sind, was einer traditionellen Methode zur Projektangebotserstellung entspricht. Der Bieter erwägt weder eine Eigenmittelbeschaffung noch eine Kostendeckung durch gewerbliche oder erweiterte Aufgaben in der Zukunft.

Zweitens wird beim Mondmodul eher ein Schema der teilweisen Wiederverwendung als der vollständigen Wiederverwendung angewendet. Von den drei Teilen wird zuerst die Transferstufe abgeworfen und die Abstiegsstufe nach der Landung auf der Mondoberfläche zurückgelassen, ähnlich wie beim Apollo-Mondmodul. Letztlich können nur die aufgerüsteten Fahrzeuge am Portal andocken, betanken und wiederverwendet werden, wobei die Wiederverwendungsrate knapp über 30 % liegt. Darüber hinaus müssen die drei Teile der Mondlandefähre separat gestartet werden, drei verschiedene Antriebssysteme verwenden und im Orbit zusammengebaut werden. Sollte es bei einem der Starts zu einem Ausfall kommen, kann die Montage der Mondlandefähre nicht rechtzeitig abgeschlossen werden.

Und schließlich hinkt man bei der Forschung und Entwicklung der Subsysteme erheblich hinterher, die Verifizierung wichtiger Subsysteme im Orbit erfolgt zu spät und es mangelt an Kommerzialisierung und Skalierbarkeit. Darüber hinaus ist das Mannschaftsmodul zu hoch, was den Abstieg der Astronauten zur Mondoberfläche erschwert. Obwohl das Mondmodul deutlich niedriger ist als das Starship, ist das „Starship“ mit einem einfachen Aufzug ausgestattet, während der „Integrated Lander“ bei der Erstauslieferung noch eine externe Einstiegsleiter im Apollo-Stil verwendet. Um zum Mondmodul zurückzukehren, müssen Astronauten schwere Raumanzüge tragen und mehrere Meter hoch klettern.

Im Mai 2019 wurde im Rahmen einer Pressekonferenz die Mondlandefähre „Blue Moon“ vorgestellt. Der BE-7-Motor befand sich unten.

Zahlen Sie aus eigener Tasche, um Energie zu vereinfachen, vollständig wiederzuverwenden und mutig Veränderungen anzustreben

Wie also gelang es Blue Origin, sich bei der neuen Version des Mondmoduls selbst zu unterwandern und so die Gunst der NASA zurückzugewinnen?

Der erste Schritt besteht darin, in einen vollständig wiederverwendbaren Modus zu wechseln. Das gesamte Mondmodul verwendet eine Treibstoffkombination aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff. Das Mondmodul ist 16 Meter hoch und hat ein Trockengewicht von nur 16 Tonnen, mit Treibstoff gefüllt beträgt sein Gesamtgewicht jedoch bis zu 45 Tonnen. Darüber hinaus kann das gesamte Mondmodul in die Verkleidung der New Glenn-Rakete mit einem Durchmesser von 7 Metern gestopft werden. Eine Montage im Orbit ist nicht erforderlich. Die Rakete kann das gesamte Mondlandemodul ohne Treibstoff direkt in die Mondumlaufbahn befördern.

Als Reaktion auf das Problem der Überbietung zahlte Blue Origin aus eigener Tasche und reduzierte den Vertragsbetrag auf 56,7 % der vorherigen Version. Gemäß dem kommerziellen Entwicklungsplan wird der Auftragnehmer Eigentümer des entwickelten Raumfahrzeugs. Nach Abschluss der festgelegten Mission der NASA kann der Auftragnehmer das entwickelte Raumfahrzeug verwenden, um Missionen wie kommerzielle Raumfahrt (Mondreisen) durchzuführen und so Gewinne zu erzielen oder Gelder zurückzugewinnen. Tatsächlich ist das von SpaceX nach diesem Modell entwickelte Raumschiff Crew Dragon ein typischer Fall. Neben der Rotationsmission der Internationalen Raumstation hat das Raumschiff Crew Dragon drei kommerzielle Raumfahrtmissionen durchgeführt.

Die Mannschaftskabine des Mondmoduls wurde nach unten verlegt, wodurch die Steighöhe der Astronauten erheblich reduziert wurde. Die Kabine bietet Platz für vier Astronauten, die bis zu 30 Tage auf der Mondoberfläche bleiben können. Die für die Kommunikation verwendete Hochleistungsantenne wurde auf die Spitze des Mondmoduls verlegt. Der große Tank auf der Oberseite des Mondmoduls diente zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff mit der geringsten Dichte. Die Seitenwände dienen als Heizkörper und sollen gleichzeitig als Sonnenschutz dienen und so die Verdunstung des Treibstoffs verhindern. Der kleinere Tank darunter dient zur Speicherung von flüssigem Sauerstoff und die Andocköffnungen befinden sich auf der linken und rechten Seite des unteren Mannschaftsraums.

Als Reaktion auf die Komplexität des Antriebssystems wurde das Energiesystem des Mondmoduls vereinfacht, sodass nur noch das BE-7-Triebwerk verwendet wurde. Gleichzeitig behauptete Blue Origin, dass es einige Fortschritte bei der Triebwerksforschung, -entwicklung und -erprobung gemacht habe und dass die Technologie ausgereifter und zuverlässiger sei als bei der letzten Ausschreibung. Gleichzeitig haben auch andere Subunternehmer wie Draper (Avionik) und Boeing (Andocksystem) mit der Forschung und Entwicklung anderer Subsysteme begonnen.

Das maßstabsgetreue Modell der ersten Version des Mondmoduls von "Blue Origin", das zeigt, dass sich sein Besatzungsmodul an einer höheren Position befindet

Darüber hinaus wird Lockheed Martin die wichtigste Quelle für kryogenen Treibstoff in einem Raumfahrzeug namens Cislunartransporter entwickeln, das in einer niedrigen Erdumlaufbahn betankt wird und dann zum Mond reist, um den Treibstoff in das Mondlandemodul von Blue Origin zu übertragen. Anschließend kann das Raumfahrzeug in die erdnahe Umlaufbahn zurückkehren, um zur Vorbereitung der nächsten Mission weiterhin Treibstoff aufzufüllen. Die gesamte Landeeinheit und das Raumfahrzeug für den Treibstofftransfer sind so konzipiert, dass sie vollständig wiederverwendbar sind, ähnlich wie bei Starship. Dem Plan zufolge will Blue Origin mit der Version „Mark 2“ des Mondmoduls vor der Mission „Artemis-5“ eine Demonstrationsmission für eine unbemannte Mondlandung durchführen.

Von der Erde zum Mond

Können kommerzielle Mondlandefähren weiterhin erfolgreich sein?

In den letzten Jahren haben eine Reihe von kommerziellen Weltraumforschungs- und -entwicklungsprojekten, die von der NASA gefördert wurden, fruchtbare Ergebnisse erzielt, und der Fortschritt und die Finanzierung der Projekte wurden angemessen kontrolliert. Das erste war das Commercial Cargo Services Program, das 2008 als Beginn der kommerziellen Raumfahrtbeschaffung gefeiert wurde. Es brachte die Frachtraumschiffe Dragon und Cygnus sowie die Trägerraketen Falcon 9 und Antares hervor. Anschließend schlug die NASA das „Commercial Manned Space Program“ vor, aus dem zwei bemannte Raumfahrzeuge hervorgingen: Crew Dragon und Starliner. Aus verschiedenen Gründen hat das Boeing-Raumschiff seinen ersten bemannten Flug jedoch noch nicht absolviert. Der normale Flug der „Crew Dragon“ hat jedoch die Weisheit der Doppelversicherungsstrategie unterstrichen.

Der Erfolg in der erdnahen Umlaufbahn ermutigte die NASA anschließend, dieses Modell in den Weltraum weiterzuentwickeln und im darauffolgenden Projekt Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G) weiterhin ein kommerzielles Modell für den Kauf ihrer Kernmodule zu verwenden. Dieses Modell aus kommerziellen Ausschreibungen, festen Beschaffungsvereinbarungen, Meilensteinzahlungen und der Möglichkeit, es für andere Zwecke zu nutzen, wurde letztlich auch bei der Ausschreibung des Mondmoduls fortgeführt. Die NASA sagte, das Projekt wäre ein großer Erfolg, wenn beide Mondlandemodule wie geplant ihren Dienst verrichten könnten. Denn die NASA schätzt, dass die gesamten Entwicklungskosten für Starship und das Mondmodul von Blue Origin bis zu 20 Milliarden US-Dollar betragen könnten, obwohl die NASA für die Anschaffung beider Mondmodule nur etwa ein Drittel der Kosten aufgewandt hat.

Obwohl der Auftrag gewonnen wurde, kann sich das Mondmodul von Blue Origin nicht zurücklehnen und entspannen. Wie wir alle wissen, muss flüssiger Wasserstoff als Treibstoff bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, um ein Sieden zu verhindern. Aufgrund seines geringen Molekulargewichts kann es außerdem leicht undicht werden, was zu strengen Dichtungsanforderungen führt. Darüber hinaus kann es auch zu Problemen wie Wasserstoffversprödung kommen. Es ist keine Übertreibung, es als den derzeit schwierigsten Treibstoff zu bezeichnen, den der Mensch „verabreichen“ kann. Dies gilt umso mehr im Weltraum, da direktes Sonnenlicht zu enormen Veränderungen der thermischen Umgebung führt. Normalerweise müssen Raketen und Oberstufen, die flüssigen Wasserstoff verwenden, alle Startvorgänge innerhalb eines Tages oder weniger abschließen, das Mondmodul von Blue Origin muss jedoch flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff für lange Zeit in der Umlaufbahn speichern. Obwohl das Unternehmen schon seit langem daran arbeitet, flüssigen Wasserstoff als lagerfähigen Treibstoff herzustellen, handelt es sich dabei immer noch um eine äußerst anspruchsvolle Technologie, die viel schwieriger ist als die Speicherung von Methan im Orbit durch Starship.

Trotzdem ist die NASA öffentlich weiterhin der Ansicht, dass die beiden Mondlandefähren die technischen Reserven der US-Luftfahrtindustrie voll ausschöpfen, um die Missionsanforderungen zu erfüllen und für mehr Robustheit zu sorgen. Die beiden Mondlandemodule können sich außerdem gegenseitig unterstützen, regelmäßige Mondlandungen ermöglichen und die Erde-Mond-Wirtschaft weiter ankurbeln, ohne dass zukünftige Marsmissionen vorbereitet werden müssen. (Autor: Tian Feng)

Dieser Artikel erschien ursprünglich im Magazin Space Exploration, Ausgabe 7, 2023