Welcher Weg zum Mond?

Kürzlich ist „Artemis 1“ erfolgreich zu Ende gegangen. Obwohl die Vorbereitungsphase voller Wendungen war, verlief der gesamte Implementierungsprozess außergewöhnlich reibungslos. Wie das Sprichwort sagt: „Es gibt Tausende von Straßen, aber die Sicherheit steht an erster Stelle.“ Wie viele Wege gibt es also, um zum Mond zu fliegen? Um dieses Problem zu verstehen, müssen wir über die Schritte von der Erde zum Mond sprechen.

Im Allgemeinen sind drei Schritte erforderlich, um von der Erde zum Mond zu gelangen: Der erste Schritt besteht darin, sich von der Schwerkraft der Erde zu lösen und ein Satellit zu werden, d. h., zuerst in die Erdumlaufbahn einzutreten. Der letzte Schritt ist die Landung auf dem Mond, bei der man zunächst von der Schwerkraft des Mondes erfasst werden muss, also in die Mondumlaufbahn gelangt. Der dritte Schritt kann als umgekehrter Vorgang des ersten Schrittes betrachtet werden, ähnlich dem Start und der Landung eines Flugzeugs. Der zweite Schritt zwischen diesen beiden Schritten ist der Flug von der Erde zum Mond. Die Flugbahn verbindet die Erdumlaufbahn an einem Ende und die Mondumlaufbahn am anderen Ende und wird daher auch als Erde-Mond-Transferbahn bezeichnet.

Die Wahl dieser Transferroute erfordert viel Wissen und ähnelt stark dem Dilemma, das wir bei der Wahl eines Fluges haben. Obwohl Abflug- und Zielort identisch sind, ist der kürzeste Flug der teuerste und der längste Flug der günstigste. Manchmal müssen wir, um Geld zu sparen, sogar an einen weiter entfernten Ort fliegen und dann zum Zielort umsteigen. Als nächstes wollen wir uns die Transfermethoden zwischen der Erde und dem Mond ansehen.

Die schnellste Zeit ist die „Direktüberweisung“

Der Direkttransfer ist die schnellste und am häufigsten verwendete Transfermethode zum Mond. Der Träger schickt das Raumfahrzeug (Sonde oder bemanntes Raumfahrzeug) zunächst zum Mond in eine erdnahe Parkumlaufbahn und befördert es dann mit seinem eigenen Haupttriebwerk oder seiner Oberstufenrakete in die Erde-Mond-Transferbahn. Diese Umlaufbahn sieht aus wie eine steile Kurve, deren beide Enden mit den Umlaufbahnen der Erde und des Mondes verbunden sind. Der Hin- und Rückweg verläuft direkt, und der Weg ist sehr kurz, deshalb nennt man das „Direkttransfer“. Da es das Ziel ist, den kürzesten Weg zu nehmen, muss das Raumschiff während des Fluges zum Mond ständig seine Flugrichtung korrigieren und seine Geschwindigkeit erhöhen. Dies erfordert, dass das Raumschiff große Mengen Treibstoff mitführt. Je mehr Treibstoff das Raumschiff transportiert, desto schwerer ist das Startgewicht, desto größer muss die Tonnage des Trägers sein und desto höher sind die Kosten der gesamten Weltraummission zum Mond. Um den Treibstoffverbrauch von Raumfahrzeugen so weit wie möglich zu senken, ist die Hohmann-Transferbahn eine geeignetere, wirtschaftlichere direkte Transferbahn, die von unbemannten Mondsonden genutzt werden kann. Durch die Nutzung verschiedener Direkttransferbahnen beträgt die Flugzeit zwischen zwei und fünf Tagen. Da zwischen der Mondumlaufbahn und der Erdumlaufbahn ein bestimmter Winkel besteht, ist es sinnvoller, Direkttransfer-Raumfahrzeuge von Startplätzen in mittleren und hohen Breitengraden aus zu starten. Aus diesem Grund werden die meisten Mondsonden Chinas von Xichang aus gestartet.

Aufgrund der kurzen Flugzeit eignet sich der Direkttransfer sehr gut für bemannte Mondlandeaktivitäten. Astronauten können ihre Belastung durch die kosmische Strahlung minimieren. Es ist verständlich, dass bei den ersten Monderkundungsaktivitäten, die als Verifizierung für spätere bemannte Mondlandungsaktivitäten dienen, ebenfalls eine direkte Übertragung zum Einsatz kommt. Schließlich können Astronauten nicht als Versuchskaninchen benutzt werden. Unbemannte Sonden müssen sich zunächst mit der Strecke vertraut machen. Daher nutzten die Sonden der „Luna“-Serie der Sowjetunion, die Raumfahrzeuge der „Probe“-Serie, die Monderkundungsmissionen durchführten, die Sonden der „Ranger“-Serie, der „Prospector“-Serie und der „Lunar Orbiter“-Serie der USA sowie die Sonden der „Chang’e“-Serie Chinas allesamt direkte Transferbahnen, um zum Mond zu fliegen. Derzeit nutzten alle Raumfahrzeuge der „Apollo“-Reihe, der einzigen erfolgreichen Mondlandung des Menschen, nicht nur direkte Transferbahnen, sondern brachten auch direkt die größte und schwerste Trägerrakete hervor – die „Saturn V“.

Wirtschaftlicher „indirekter Transfer“

Je höher das Raumfahrzeug in die Erdumlaufbahn gebracht wird, desto mehr Energie verbraucht es. Obwohl die Umlaufgeschwindigkeit der hohen Umlaufbahn sehr niedrig ist, ist die Umlaufenergie sehr hoch. Wenn man von hier aus zum Mond fliegt, spart man eine Menge Treibstoff, den das Raumschiff selbst mitführen muss.

Natürlich wäre es etwas kostspielig, ein Raumschiff zur Monderkundung in eine hohe Umlaufbahn zu schicken, aber es wäre sehr „wirtschaftlich“, die „Überschusskapazität“ eines Starts aus einer hohen Umlaufbahn zu nutzen. Die ESA ist ein starker Befürworter dieser Art des „indirekten Transfers“ per Anhalter und hat zahlreiche Untersuchungen und Versuche durchgeführt. Die Höhe der geosynchronen Umlaufbahn beträgt 360.000 Kilometer, während die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und dem Mond 380.000 Kilometer beträgt. Es erscheint sehr geeignet, von hier aus zum Mond zu fliegen.

Aufgrund des großen Winkels zwischen der geosynchronen Umlaufbahnebene und der Mondumlaufbahnebene muss das Raumfahrzeug jedoch eine erstaunliche Menge Treibstoff verbrauchen, um beim Wechsel zwischen diesen beiden Ebenen seine Flugbahn zu ändern. Die Wirtschaftlichkeit ist im Vergleich zum Direkttransfer nicht herausragend. Aus diesem Grund haben die Wissenschaftler der ESA eine andere Methode des indirekten Transfers entwickelt: Sie sollen in eine höhere Erdumlaufbahn fliegen, und zwar so hoch, dass das Apogäum der Umlaufbahn den Lagrange-Punkt L1 erreicht, der eine Million Kilometer von der Erde entfernt ist, also mehr als doppelt so weit wie die größte Entfernung zwischen Erde und Mond. Dort vollzieht die Raumsonde den Übergang von der Erdumlaufbahn zur Mondumlaufbahn und wechselt dann in die hohe elliptische Mondumlaufbahn, wodurch viel Treibstoff gespart wird. Dieser Vorgang ähnelt stark dem Besteigen eines schwierigen, aber nicht zu hohen Berges. Sie müssen mit einer Seilbahn bis zur Hälfte eines höheren Berges fahren, der leicht zu besteigen ist, dann alleine auf den Gipfel des Berges klettern und dann mit einem Fallschirm vom Gipfel des höheren Berges auf dem nicht allzu hohen Berg landen.

Am 27. September 2003 startete die Mondsonde „Smart 1“ der ESA an Bord der Trägerrakete „Ariane 5“ ins All. Diese Mondsonde war mit einem Querschnitt von nur einem Quadratmeter sehr klein und führte lediglich 80 Kilogramm Treibstoff mit sich, bei dem es sich nicht um herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Raketentreibstoff, sondern um verflüssigtes Xenon handelte. Nach Erreichen der geosynchronen Umlaufbahn begann „Intelligence-1“, mithilfe seiner eigenen Ionentriebwerke langsam auf eine immer flacher werdende elliptische Umlaufbahn um die Erde zu beschleunigen. Nach mehr als einem Jahr passierte es am 11. November 2004 schließlich erfolgreich den Lagrange-Punkt L1 und begann mit dem „Abstieg“ in Richtung Mondumlaufbahn. Vier Tage später erreichte es schließlich erfolgreich die mondnahe Umlaufbahn und begann mit Fernerkundungsmessungen des Mondes entlang der polaren Umlaufbahn. Während des mehr als zehnmonatigen Fluges zum Mond verbrauchte „Smart 1“ lediglich 60 Kilogramm Xenon-Treibstoff und stellte damit die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit eines „indirekten Transfers“ zwischen der Erde und dem Mond mithilfe einer geosynchronen Umlaufbahn vollständig unter Beweis.

Der magische „schwache Gleichgewichtsgrenztransfer“

Wenn wir auf der Grundlage des oben genannten „indirekten Transfers“ die Wirtschaftlichkeit weiter steigern wollen, müssen wir auch die Energie einsparen, die beim Umlaufbahnwechsel von der Transferumlaufbahn in die Mondumlaufbahn verbraucht wird. Wie wir alle wissen, kann Energie nur umgewandelt, aber nicht verloren gehen. Woher also kommt diese eingesparte Energie? Um ein wenig dunkle Kraft zu nutzen, müssen wir uns an der „schwachen Gleichgewichtsgrenze“ ein wenig Kraft aus der Schwerkraft der Sonne oder des Mondes leihen. Diese „schwache Gleichgewichtsgrenze“ bezieht sich auf den Bereich, in dem die Schwerkraft von „Erde-Sonne“ oder „Erde-Mond“ ausgeglichen ist. Eine sehr kleine Störung kann die Flugbahn eines Objekts verändern. Dieser Bereich wird auch oft als „chaotischer Orbit“-Bereich bezeichnet, da es hier leicht zu Bahnveränderungen kommen kann. Da der vorherige Plan für einen „indirekten Transfer“ bereits den Lagrange-Punkt erreicht hat, wäre es besser, die Kraft der Sonne oder des Mondes zu nutzen und die Schwerkraft auszunutzen, um den Übergang in die Mondumlaufbahn abzuschließen und etwas Treibstoff für den Transfer vom Apogäum in die Mondumlaufbahn zu sparen. Dies ist die Übertragung der „schwachen Gleichgewichtsgrenze“, die ziemlich mysteriös klingt. Tatsächlich hat Japan diese Methode für Flüge zum Mond erfolgreich eingesetzt, als es 1990 die Mondsonde „Hiten“ startete. Diese Sonde, die kleiner als die „Smart 1“ ist, hat nach mehr als einem halben Jahr Flugzeit nicht nur die polare Mondumlaufbahn erfolgreich abgeschlossen, sondern auch einen Subsatelliten namens „Hagoromo“ in der Mondumlaufbahn ausgesetzt, was zeigt, wie viel Treibstoff dieser Transferorbit zwischen Erde und Mond spart.

Zurück zur bemannten Mondmission am Anfang dieses Artikels: Um die Reisezeit zu verkürzen und die Auswirkungen vieler Ungewissheiten auf die Astronauten zu verringern, wird bei dieser Art von Mission häufig eine direkte Transferbahn verwendet, da dies die sicherste und bequemste Art ist.