Von Asteroiden, Kaulquappen und Hufeisen

Im Oktober 2010 entdeckte das Weltraumteleskop WISE einen Asteroiden. An für sich keinen besonders herausragenden Asteroiden: Mit einem Durchmesser von rund 300 m und einer Absoluten Helligkeit von 20.586 Magnituden handelt es sich auf den ersten Blick nur um einen weiteren unter vielen zehntausend winzigen Felsblöcken, die die Sonne umkreisen. Was den neuen Asteroiden, der bislang die Bezeichnung 2010 TK7 trägt, besonders macht, ist die Art, wie er das tut: Er führt Schwingungsbewegungen um einen Punkt aus, der sich stets um 60 Winkelgrad vor der Erde auf ihrer Bahn befindet. Diesen Punkt nennt man Lagrange-Punkt L4, und einen Asteroiden mit einer solchen Bahn Trojaner.

Auf den ersten Blick wirkt es sehr kontraintuitiv, dass ein Himmelskörper einen Punkt umlaufen kann, an dem sich nichts außer leerem Raum befindet. Normalerweise kreisen Himmelskörper ja um größere Objekte, von denen sie angezogen werden - die Erde um die Sonne, der Mond um die Erde usw. Wie soll ein völlig "abstrakter" Punkt im leeren All ein Objekt auf eine Bahn um sich zwingen? Die Lösung liegt im Wechselspiel zwischen Gravitation und Fliehkraft. Wir werden sehen, dass diese sich an bestimmten Punkten aufheben, so dass ein Körper dort zur Ruhe kommen bzw. um den jeweiligen Punkt oszillieren kann.

Die Gravitationsbeschleunigung berechnet sich nach der Formel:

ag = G * (es Ms/ds^2 + ee Me/de^2)

mit der Gravitationskonstanten G, dem Abstand zu Sonne bzw. Erde ds bzw. de und den entsprechenden Massen Ms und Me. es und ee sind Einheitsvektoren ("Richtungspfeile" der Länge 1), die jeweils zu dem entsprechenden Körper hin weisen.

Während die Gravitation eine echte Naturkraft ist, die von allen Teilchen mit Masse (bzw. Energie) ausgeht, ist die Fliehkraft bloß eine sogenannte "Scheinkraft", die durch die Trägheit zustande kommt. Fährt ein Auto oder Zug um eine Kurve, spüren die Reisenden eine Kraft, die sie nach außen, vom Krümmungszentrum weg drückt. Diese resultiert daraus, dass alle Objekte in ihrem Bezugssystem bleiben "wollen": Um den Bewegungszustand - in diesem Fall die Bewegungsrichtung - eines Objektes zu ändern, muß man nach dem ersten mechanischen Gesetz von Isaac Newton eine Kraft darauf ausüben. Nach dem dritten Gesetz "Kraft erzeugt Gegenkraft" spürt das Objekt dann einen Druck in die Gegenrichtung.

Nicht nur in Fahrzeugen auf Kurven entsteht eine Fliehkraft, auch auf der gekrümmten Bahn der Erde um die Sonne! In einem Koordinatensystem, dass sich mit der Umlaufbewegung der Erde mitdreht, herrscht ständig eine nach außen gerichtete Fliehkraftbeschleunigung, die sich nach der Formel berechnet:

af = W^2 * r

Wobei W = 2*PI/U mit der Umlauperiode U = 1 Jahr = 3.14 * 10^7 s die sogenannte Rotationsfrequenz des Erde-Sonne-Systems ist. r ist der Abstand vom Rotationszentrum, für das wir hier den Schwerpunkt des Erde-Sonne-Systems wählen. Er liegt übrigens innerhalb der Sonne. Er soll auch Ursprung unseres Koordinatensystems sein.

Kräfte, bei denen die Energie erhalten bleibt, kann man durch ein Potential ausdrücken: Eine Funktion, die angibt, wieviel Energie man benötigt oder gewinnt, wenn man eine Testmasse von einem Punkt zum anderen bewegt. Natürlich bleibt Energie in der Natur immer erhalten, bei manchen Prozessen - z. Bsp. Reibung - verschwindet sie jedoch scheinbar, da sie in mikroskopische Teilchenbewegungen (Wärme) umgewandelt wird. Solche Kräfte sind nicht durch ein Potential beschreibbar. Es gilt:

E(A->B) = Epot(A) - Epot(B)

bei Bewegung von Punkt A zu Punkt B. Die Kraft berechnet sich aus:

F = -d/dr Epot

wobei d/dr die Ableitung (Steigung) entlang der Wegstrecke ist. Wir benutzen hier immer die Beschleunigung a (Kraft/Masse), da sie die eigentlich relevante Größe ist und es auf die Masse nicht ankommt.

a = -d/dr P

Hier hat P = Epot/m die Einheit m^2/s^2 bzw. Energie pro Masseneinheit.

Man kann sich das Potential P als eine Hügellandschaft oder Reliefkarte vorstellen. Die Testmasse verhält sich wie eine Kugel, die auf dem Relief frei rollt: Sie wird immer in Richtung des stärksten Gefälles beschleunigt.

Das Potential der Gravitation lautet:

Pg = -G * (Ms/ds + Me/de)

ds und de kann man nach dem Satz des Pythagoras berechnen aus:

ds = SQRT{ (x-xs)^2 + (y-ys)^2 } (Erde analog)

x und y sind natürlich die Koordinaten des Punktes, an dem wir das Potential berechnen (wir bleiben der Einfachheit halber in der Bahnebene der Erde), xs und ys die der Sonne. Wenn der Schwerpunkt Koordinatenursprung ist, gilt:

xs = -R * Me / (Ms + Me)

und

xe = R * Ms / (Ms + Me)

wobei R der Abstand zwischen Sonne und Erde ist. ys und ye sind gleich 0.

Das Potential der Fliehkraft berechnet sich nach der Formel:

Pf = -1/2 * W^2 * r^2 = -1/2 * W^2 * (x^2 + y^2)

Da der Schwerpunkt des Systems auch der Koordinatenursprung ist, gilt r=SQRT(x^2 + y^2).

Die beiden Potentiale überlagen sich ganz einfach additiv. Zusammen ergibt sich das effektive Potential:

Peff = Pg + Pf =
-G * (Ms/SQRT{ (x-xs)^2 + (y-ys)^2 } +
Me/SQRT{ (x-xe)^2 + (y-ye)^2 } ) - 
1/2 * W^2 * (x^2 + y^2).

Dies ist alles, was wir brauchen! Die Funktion Peff = Peff(x,y) sagt uns alles, was wir über das System wissen wollen. Insbesondere interessieren wir uns für Gleichgewichtspunkte. Wie erkennen wir die? Wir tragen Peff als "Landschaft" auf, d. h. als gewölbte Fläche über der x/y-Ebene. Die Gesamtbeschleunigung erfolgt dann an jedem Punkt in Richtung des stärksten Gefälles. Gleichgewicht herrscht dort, wo das Gefälle Null wird: Gipfel (Maxima), Täler (Minima) oder Sattelpunkte. Die Beschleunigung, die eine Testmasse erfährt, verschwindet an diesen Stellen: Schließlich "weiß" sie dort nicht, wohin sie rollen sollte!

Wichtig ist übrigens, dass es sich um eine Testmasse handelt - damit ist gemeint, dass sie gegenüber Sonne und Erde sehr klein ist (Asteroid, Satellit...). Wäre sie das nicht, würde sie die beiden Himmelskörper ja selbst merklich anziehen. Dann wird das System chaotisch - kleine Unterschiede in den Anfangsbedingungen vergrößern sich mit der Zeit exponentiell. Es lässt sich dann nicht mehr mit einfachen Mitteln untersuchen und langfristige Vorhersagen sind überhaupt nicht mehr möglich.

Diese Grafik zeigt das effektive Potential Peff als Funktion der x- und y-Koordinate:

Man spricht vom eingeschränkten 3-Körper-Problem, wenn die Masse des dritten Körpers (hier des Asteroiden) gegenüber der Masse der beiden anderen sehr klein ist.

Die beiden "Potentialtöpfe" in der Mitte werden von der Schwerkraft von Sonne (großer Topf) und Planet(kleiner Topf) verursacht. Hier wirkt die Nettokraft nach innen. Nach außen hin steigt das Potential erst auf ein Maximum an, und fällt dann weiter außen wieder ab, da hier die Fliehkraft  die Oberhand gewinnt und die Nettokraft auswärts wirkt. 

Um kleine, "handliche" Zahlen zu erhalten und das Problem (ohne Informationsverlust!) zu vereinfachen wurden die Einheiten so festgelegt, dass Umlauffrequenz W, Gravitationskonstante G, Abstand Sonne-Planet R und Massensumme Ms+Me je gleich der Zahl 1 sind. Es wurde Ms = 0.9, Me = 0.1 benutzt. Das reale Verhältnis ist natürlich viel größer.

Man sieht an der Grafik sofort, wo die Gleichgewichtspunkte liegen: Drei liegen auf Sattelpunkten auf der Verbindungslinie der Himmelskörper: L1 - zwischen Erde und Sonne, L2 - hinter der Erde und L3 - hinter der Sonne. Zusätzlich existieren noch L4 und L5. Sie liegen auf Potentialmaxima auf der Erdbahn und bilden mit Erde und Sonne jeweils ein gleichseitiges Dreieck. L4 läuft der Erde voraus, L5 folgt ihr. An diesen Punkten befinden sich die sogenannten Trojaner - Asteroide, die um L4 und L5 oszillieren.

Die Lagrangepunkte im Sonne/Planet-System im Überblick

Eine interessante Frage ist die Stabilität der Lagrangepunkte. Auf den ersten Blick sollten sie alle instabil sein: Auf Maxima und Sattelpunkten genügt eine kleine Auslenkung, damit eine daraufliegende Kugel fortrollt. Bei L1, L2 und L3 stimmt das auch. Raumfahrzeuge, die hier geparkt sind, müssen immer wieder mit ihren Triebwerken Bahnkorrekturen durchführen, damit sie dort bleiben und nicht abtreiben. Es existieren allerdings ganz spezielle Anfangsbedingungen, die auch um diese Punkte stabile Bahnen zulassen. Dies nutzt die Sonnenbeobachtungssonde SOHO.

Überraschenderweise sind jedoch L4 und L5 langfristig stabil. Dies liegt daran, dass es sich um Maxima und nicht um Sattelpunkte handelt, und an einer zusätzlichen Kraft, die auftritt, wenn Objekte sich in einem rotierenden Bezugssystem bewegen: Die Corioliskraft.

Wie diese entsteht, ist ganz einfach zu verstehen. Wie die Fliehkraft resultiert sie aus der Massenträgheit und ist damit eine Scheinkraft. Läuft jemand auf einer im Uhrzeigersinn rotierenden Scheibe von außen nach innen, dann spürt er eine Kraft, die ihn nach links fortdrückt: Der äußere Bereich der Scheibe hat ja eine höhere Geschwindigkeit als der innere, weswegen der "überschüssige" Impuls ihn in Bewegungsrichtung mitzieht. Gleiches geschieht bei Bewegung von innen nach außen (und jeder anderen Bewegung, bei der sich der Abstand vom Zentrum ändert): Hierbei läuft die Scheibe unter ihm davon, da er, von innen kommend, zuwenig Impuls mitbringt.

Die Corioliskraft herrscht in jedem rotierenden Bezugssystem, auch auf der Erde. Sie verursacht die typische Strudelstruktur von Hurricans, die sich daher auf der Nordhalbkugel gegen, auf der südlichen im Uhrzeigersinn drehen. Der Große Rote Fleck auf Jupiter dreht sich in die Gegenrichtung, da er, anders als Stürme auf der Erde, kein Tief- sondern ein Hochdruckgebiet ist.

Kleine Wirbel in Badewannenabflüssen werden allerdings von der Corioliskraft nicht beeinflusst, da ihre geringe Größe sie davon unabhängig macht.

Wie die Corioliskraft einen Wirbelsturm erzeugt: Die zum

Tiefdruckgebiet strömenden Luftmassen werden jeweils

nach rechts abgelenkt.

Da L4 und L5 nun Maxima sind, kann ein Körper um sie herumlaufen, was bei Sattelpunkten wegen der Form des Potentials nicht möglich ist. Driftet ein Körper von L4 oder L5 weg, erfasst ihn die Corioliskraft und zwingt ihn auf eine Bahn, die ihn um den jeweiligen Lagrangepunkt herumschwingen lässt. Diese Bahnen nennt man wegen ihrer typischen Form Kaulquappenbahnen. Die Bahnen können sich auch so weit verlängern, dass sie ganz um die Sonne herum bis zum gegenüberliegenden Lagrangepunkt und wieder zurück führen - die sogenannten Hufeisenbahnen.

Zu beachten ist, dass die Bahnen nur aus Sicht des mitrotierenden Systems um die Lagrangepunkte herumlaufen. Bezüglich eines (relativ zu den Fixsternen) stillstehenden Systems laufen sie um die Sonne.Eine genaue Analyse zeigt, dass L4 und L5 stabil sind, sofern die Masse des größeren Körpers mindestens 24.96 mal die Masse des kleineren beträgt. Dies gilt im Sonnensystem für alle Sonne/Planet- und viele Planet/Mond-Systeme.

Eine Hufeisenbahn (türkis).

Die Orbits folgen im wesentlichen den Äquipotentiallinien (weiß).

Trojanische Asteroide auf den Lagrangepunkten L4 und L5 der Jupiterbahn sind schon lange bekannt. Man nimmt an, dass sie so zahlreich sind wie die Hauptgürtelasteroide zwischen Mars und Jupiter. Genau genommen bezeichnet man Asteroide als "Griechen" wenn sie sich bei L4 auf der Jupiterbahn befinden, und als Trojaner, wenn sie sich bei L5 aufhalten. Ihre Namen stammen entsprechend von Figuren aus dem Trojanischen Krieg, die dem grichischen bzw. trojanischen Heer angehörten. Ausnahmen sind 624 Hektor (ein Trojaner im griechischen Lager) und 617 Patroclus (ein Grieche bei den Trojanern). Sie wurden so benannt, bevor die Namenskonvention engeführt wurde, weswegen sie sich nun quasi als Spione in der gegnerischen Armee aufhalten.

Verteilung von Asteroiden im Sonnensystem.

Trojaner und Griechen des Jupiter sind grün eingezeichnet.

Auch auf der Neptunbahn hat man insgesamt 8 Trojaner gefunden, wobei die tatsächliche Zahl der Neptuntrojaner sogar die der Jupiter-Trojaner um den Faktor 10 übertreffen könnte. Man kennt auch einige Marstrojaner und seit letztem Jahr nun den ersten Erdtrojaner.

Interessant ist, dass es auch natürliche Objekte in der Umgebung von Lagrangepunkten in Planet-Mond-Systemen gibt: Die Saturnmonde Tethys und Dione haben je zwei zusätzliche Monde an ihren Lagrangepunkten L4 und L5: Telesto und Calypso im Falle Tethys', Helene und Polydeuces bei Dione.

Auch für Raumfahrzeuge sind Lagrangepunkte geeignete Parkpositionen. Beispiele sind das Infrarotteleskop Herschel am Punkt L2 im Sonne-Erde-System und, wie schon erwähnt, das Solar and Heliospheric Observatory SOHO bei L1 zwischen Erde und Sonne. Eine komplette Liste: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_objects_at_Lagrangian_points

Nach der Entdeckung von 2010 TK7 bleibt nun natürlich die Frage offen, ob die Erde über noch weitere Trojaner verfügt. Ausgeschlossen ist das keinesfalls. Da Asteroide geringer Größe sehr lichtschwach sind, harren noch viele von ihnen ihrer Entdeckung.

Ein Video, in dem die Bewegung des Asteroiden 2010 TK7

relativ zur Erde zu sehen ist. Man erkennt, dass er sehr

ausgreifende Schwingungen ausführt.

Weblink: Eine mathematisch genauere Ableitung der Lagrangepunkte von Neil J. Cornish

Wohin zuerst fliegen?

Jede Reise beginnt mit dem ersten Schritt - bevor man diesen unternimmt, sollte man sich allerdings zuerst überlegen, wo man eigentlich hin möchte.

Als John F. Kennedy 1962 seine berühmte Ansprache hielt, war das Ziel klar: Der Trabant der Erde, der Mond! Die Natur hat es uns in dieser Hinsicht leicht gemacht, einen ersten Schritt in den Kosmos hinaus zu wagen - sie hat uns einen fast planetengroßen Körper quasi vor die Haustür gelegt. Man fühlt sich ein wenig an die Plattformen erinnert, die vor manchen Badestränden im tieferen Wasser verankert sind. Hier können frischgebackene Schwimmer ihr Können erproben und zu einem unübersehbaren Ziel schwimmen, ohne sich gleich auf den Weg bis zur nächsten Insel machen zu müssen.

Heutzutage ist die Situation etwas kniffliger. Dass Menschen erfolgreich auf dem Mond landen und zurückkehren können, haben amerikanische Astronauten mehrfach unter Beweis gestellt. Die Frage lautet also, wohin als nächstes? Welche Himmelskörper sollten Menschen in den kommenden Jahren und Jahrzehnten anvisieren?

Schauen wir uns also erstmal an, welche Objekte sich in der näheren und ferneren Umgebung der Erde befinden.


1. Der altbekannte Mond!

Eugene A. Cernan (Apollo 17) mit dem Rover auf 

dem Mond. Bild: NASA (via Wikimedia Commons)

Von allen Körpern in unserem Sonnensystem ist er der Erde am nächsten (abgesehen von Kleinkörpern, die von Zeit zu Zeit innerhalb der Mondbahn auftauchen). Die Idee, zu ihm zurückzukehren, wurde von Alfred E. Neumann George W. Bush 2004 in seiner nach dem Columbia-Unglück formulierten "Vision for Space Exploration" als Ziel der amerikanischen Raumfahrt festgelegt (dies war übrigens so gut wie das einzige Mal, dass Dubya sich zum Thema Raumfahrt äußerte). Auch China und Indien spielen mit dem Gedanken, eigene Raumfahrer auf den Mond zu schicken - im Fall Chinas ist dies bereits ziemlich konkret für die 2020er beschlossen. Während es für die neue asiatische Großmacht wohl eher eine Demonstration von Stärke und technologischem Können sein wird - wie für die USA in den 1960ern und '70ern - stellt sich im Falle Amerikas die Frage, weshalb man den gleichen Körper nochmal besuchen sollte. Das "Apollo-Syndrom" - landen, einige Experimente durchführen, Proben entnehmen, Flagge aufstellen, wieder abreisen - sollte sich nicht wiederholen: Wenn man den Mond erneut besucht, sollte das Ziel sein, dort längerfristig zu verweilen und eine Basis aufzubauen, in der zukünftig Menschen wohnen, arbeiten, experimentieren und eventuell Rohstoffe abbauen können.


2. Mars

Der Mars, aus dem Orbit von Viking (1976) aufgenommen.

Er ist wahrscheinlich der bekannteste Planet unseres Sonnensystems und im öffentlichen Bewußtsein durch zahllose Filme, Romane u. ä. als "nächstes Ziel der Menschheit" fest verankert. Einen bemannten Marsflug könnte man der Öffentlichkeit daher vermutlich besonders leicht "verkaufen" - jeder weiß so mehr oder weniger, was der Mars ist oder kann sich zumindest etwas darunter vorstellen. Auch Bushs "Vision for Space Exploration" sah ihn als nächstes Ziel nach der Rückkehr zum Mond vor. Nachdem Barack Obama im Jahr 2010 erklärte, dass sich in Zukunft private Unternehmen verstärkt an der Raumfahrt beteiligen sollten, verkündete der Unternehmer Elon Musk vor kurzem, seine Firma SpaceX werde bis 2020 einen Menschen auf dem Mars landen lassen und den Aufbau einer ständig bemannten Marskolonie vorbereiten.


3. Deimos und Phobos (die Marsmonde)

Eine interessante Alternative zu einer direkten Landung auf dem roten Planeten wäre ein Besuch der beiden winzigen Marsmonde. Da diese extrem wenig Masse aufweisen, wäre eine Landung hier mit bedeutend weniger Treibstoff durchführbar. Von den Monden aus könnten Astronauten Roboter auf der Marsoberfläche in Echtzeit steuern, ohne minutenlange Signallaufzeiten in Kauf nehmen zu müssen.

Die geplante russische (unbemannte) Fobos-Grunt-Mission soll zum ersten Mal auf einem Marsmond landen und Material zur Erde zurückbringen.


4. Venus

Die Venus (NASA). Die Wolkendecke besteht u. a.

aus Schwefelsäure, auf der Oberfläche herrschen

höllische Bedingungen. Der Name der römischen

Liebesgöttin scheint hier etwas unangemessen.

Eine fast vergessene Alternative zum Mars! Aufgrund der mörderischen Bedingungen auf der Venusoberfläche - 90 Bar Druck, 480 Grad Celsius - wäre jedoch nur an einen Vorbeiflug zu denken, eine Landung wird in absehbarer Zukunft technisch kaum durchführbar sein. Möglicherweise wäre es jedoch denkbar, mithilfe von Ballons oder zeppelinartigen Fluggeräten in die Hochatmosphäre der Venus vorzudringen.

In den 1960ern überlegte die NASA, die Hardware des Apollo-Programms zu nutzen, um Astronauten auf eine Flyby-Mission zur Venus zu schicken. Dies wurde jedoch nicht durchgeführt.


5. Erdnahe Asteroide

Kein Schuh, der erste entdeckte erdnahe Asteroid:

433 Eros.

Viele Asteroide kommen auf ihrem Umlauf um die Sonne der Erde relativ nah, so zog zum Beispiel 4179 Toutatis im Jahr 2004 in nur vier Mondbahnradien Entfernung an der Erde vorbei. Im November dieses Jahres wird der Asteroid 2005 YU55 sich der Erde sogar bis auf 325 000 km annähern - dies liegt bereits innerhalb der Mondbahn! Die Landung auf diesen Körpern wäre, ähnlich wie bei den Marsmonden, mit sehr geringen Treibstoffmengen möglich. Die Tatsache, dass viele Asteroide extrem reich an industriell wertvollen Metallen sind, läßt ihre Erforschung besonders attraktiv erscheinen. Auch könnten Kenntnisse über ihren Aufbau nützlich werden, falls es irgendwann erforderlich sein sollte, die Bahn eines Asteroiden zu verändern um einen Einschlag auf der Erde zu verhindern.

Eine gewisse Schwierigkeit bei Landungen auf Kleinkörpern könnte sich allerdings daraus ergeben, dass ihre Schwerkraft extrem gering ist: Es wäre für Astronauten kaum möglich, auf ihnen im üblichen Sinn zu laufen, da die Fluchtgeschwindigkeiten nur bei wenigen Metern pro Sekunde liegen und ein etwas energischerer Schritt daher bereits ausreichen würde, um einen unglücklichen Raumfahrer in die Unendlichkeit zu katapultieren. Die Astronauten müssten sich, ähnlich wie Bergsteiger, irgendwie an der Oberfläche verankern. Alternativ könnte ihre Fortbewegung einfach durch Jetpacks erfolgen. Im Fall eisenreicher Oberflächen ließe sich auch über magnetische Schuhe nachdenken - allerdings entzieht es sich zur Zeit meinen Kenntnissen, ob solche jemals außerhalb der Science Fiction erfolgreich genutzt wurden. Es wäre vermutlich sehr anstrengend und kompliziert, damit zu laufen.

Flüge zu erdnahen Asteroide wurden auch von Barack Obama im April 2010 in einer Rede, in der er als neues Ziel der amerikanischen Raumfahrt eine permanente Präsenz im Kosmos unter verstärkter Beteiligung privater Unternehmen vorgab, für das Jahr 2025 in Aussicht gestellt.

Bei Asteroidenmissionen ließen sich auch Erfahrung für Expeditionen Richtung Mars (oder Venus?) sammeln - insbesondere wie sich längerfristige Aufenthalte von Menschen außerhalb der Erdmagnetosphäre möglichst gesundheitsverträglich gestalten lassen, vor allem bezüglich der Abschirmung von Strahlung.


Wie könnte nun eine gute Raumfahrtstrategie aussehen? Stellen wir zunächst das Organisatorische hintan - ob das Programm von den USA, einem anderen Staat, einem Staatenbund, oder von privaten Konzernen durchgeführt wird, soll fürs Erste Nebensache sein. Es geht mir vorerst um technische Aspekte.

Dazu kann man sich bildlich eine "Leiter ins Weltall" vorstellen. Jede Sprosse entspricht einem weiteren Schritt. Ich möchte hier mit einer kleinen Übersicht zeigen, wie die ersten Leitersprossen nach meinen Vorstellungen aussehen könnten:


1. Billiger Zugang zum Low Earth Orbit (LEO)

Das eigentlich schwierige an der Raumfahrt sind die ersten 400 Kilometer. Wenn man es erstmal geschafft hat, eine niedrige Umlaufbahn zu erreichen, ist es verhältnismäßig leicht, jeden Himmelskörper des Sonnensystems anzufliegen (mehr darüber in einem späteren Artikel!). Um den Kosmos in großem Stil zu erschließen, ist es daher unerlässlich, zuverlässige, schnelle und billige Transportmöglichkeiten zum LEO zu entwickeln. Dies war bei der Entwicklung des Space Shuttles das vorgesehene Ziel, das jedoch nicht erreicht wurde, da der Betrieb der Raumfähren teurer und schwieriger wurde als beabsichtigt - was nicht zuletzt daran lag, dass der externe Tank (die "Zigarre", an der das Shuttle beim Start hängt) nicht wiederverwendbar ist. Mit der Einmottung der Shuttles im Laufe dieses Jahres werden wieder nur konventionelle Trägerrakten zur Verfügung stehen, wie sie seit den 1950ern eingesetzt werden. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem in Angriff zu nehmen. Egal, ob es sich um Weltraumflugzeuge nach der Art des Skylons von der Firma Reaction Engines Ltd., um SSTO-Raketen (Single Stage to Orbit: Raketen, die das LEO mit einer einzigen Stufe erreichen können), oder um exotischere Technologien wie elektromagnetische Katapulte handeln wird: Erst wenn Systeme zur Verfügung stehen, mit denen sich schnell viel Material in niedrige Umlaufbahnen bringen lässt, wird es möglich sein, Raumfahrt in größerem Umfang zu betreiben.

Idealerweise sollten diese Systeme komplett wiederverwendbar sein. Anders als die gebräuchlichen "Wegwerfraketen" aus nacheinander wegfallenden Stufen, sollte das gesamte Gerät nach jedem Flug nur eine kurze Wartungsphase durchlaufen müssen, um dann frisch betankt erneut aufsteigen zu können - ähnlich einem Verkehrsflugzeug. Interessanterweise wurden Raumfahrzeuge aus diesem Grunde bisher von Ingenieuren oft eher als Munition als als Flugzeuge angesehen: Das meiste Material wurde unterwegs abgeworfen und stand nicht zu einem erneuten Einsatz zur Verfügung. Mit der Entwicklung vollständig wiederverwendbarer Systeme könnte sich das rasch ändern.


2. Bau von Werften und Treibstofflagern im LEO

Der nächste Schritt sollte sein, in niedrigen Umlaufbahnen eine Infrastruktur zum Bau und Betanken von Schiffen einzurichten. Hierzu könnten größere Geschwister der ISS dienen: Ständig bemannte Raumstationen, in deren Nähe große interplanetare Raketen zusammengebaut werden können. Diese werden möglicherweise über NERVA-artige Nukleartriebwerke verfügen (später über Fusionsantriebe) und Wasserstoff als Reaktionsmasse nutzen. Letzterer könnte einerseits als Press- oder Flüssiggas in kugelförmigen Tanks gelagert werden, andererseits aber auch in Form von Wasser, was zwei Vorteile hätte: Zum einen ist Wasser wesentlich weniger flüchtig als Wasserstoff und neigt nicht dazu, durch Stahlwände zu diffundieren, andererseits entsteht bei der Spaltung von Wasser auch Sauerstoff, der sowohl für Lebenserhaltungssysteme wie auch als Oxydator für chemische Antriebe zur Verfügung stünde. Zur Spaltung wäre allerdings eine zusätzliche Energiequelle erforderlich - ein Kernreaktor oder Solarkollektoren.

Die bemannten Teile der Stationen könnten aus Rotationszellen bestehen, um den Besatzungen eine gewisse Schwere zu verleihen. Später ließen sich einige der Stationen auch ganz allmählich anheben (z. Bsp. durch Ionentriebwerke), bis sie eine geostationäre Umlaufbahn in 30 000 km Höhe erreichen. Dort könnten sie dann als "Kopfbahnhöfe" für Orbitallifte dienen.

Konzept einer großen Raumstation im LEO.

Artwork by Robert T. McCall.

3. Erdnahe Asteroide - wir kommen!

Aus den oben erwähnten Gründen sind erdnahe Asteroide eines der attraktivsten Ziele jenseits der Mondbahn. Bemannte Flüge zu ihnen werden dabei hilfreich sein, spätere Bergbaumissionen vorzubereiten und Erfahrungen für weiterreichende Missionen ins Sonnensystem zu sammeln.


4. Vom Mars zurück zum Mond und weiter zur Venus

In welcher Reihenfolge man die folgenden Schritte durchführt ist eigentlich irrelevant. Wenn es darum geht, einen Planeten nur zu besuchen und sich nicht dauerhaft niederzulassen, könnte es am sinnvollsten sein, zuerst den Mars anzufliegen, da der Erdtrabant bereits mehrfach Besuch bekommen hat. Aber auch ein Venus-Flyby wäre eine interessante Option. Später wird man die Sphäre dauerhafter menschlicher Präsenz weiter nach draußen schieben - mit einer ständig bemannten Mondbasis. Große, interferometrisch zusammengeschaltete Teleskope auf der Mondoberfläche werden unter anderem nach erdähnlichen Exoplaneten suchen, die als Ziel für interstellare Missionen in Frage kommen, und der Regolith (der Mondstaub) könnte als Quelle von Helium-3 als Brennstoff für Fusionsreaktoren bedeutsam werden.


So könnten die ersten Schritte ins Sonnensystem aussehen. Aber das ist natürlich erst der Anfang! Mit etwas Glück werden wir gegen Ende des 21. oder zu Beginn des 22. Jahrhunderts bemannte Forschungsstationen im Orbit um die Gasriesen sehen. Und die ersten vorsichtigen Überlegungen in Richtung interstellare Raumfahrt werden bereits heute angestellt.

Zum Schluß dieses Artikels möchte ich einfach Konstantin Ziolkowski (den Urvater der modernen Raumfahrttechnik) sprechen lassen: "Es stimmt, die Erde ist die Wiege der Menschheit, aber der Mensch kann nicht ewig in der Wiege bleiben."