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Möglichkeiten und Grenzen bemannter Raumfahrt

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Mathematik im Alltag, verblüffende Mathematik-Rätsel, Stochastik und Polyeder, irdisches und außerirdisches Leben


Aufbau einer bewohnten Station auf dem Mond

Nach 6 Mondlandungen in den Jahren von 1969 bis 1972 planen mehrere Länder, erneut Menschen auf den Mond zu schicken. Vermutlich werden zwischen 2024 und 2030 erneut Menschen auf dem Mond landen. Zwischen 2030 und 2035 wird man vermutlich damit anfangen, eine bewohnbare Station auf dem Mond zu errichten. Während des Aufbaus würden sich dort nur zeitweise Menschen aufhalten.



Ständig bewohnte Station auf dem Mond

Zwischen 2040 und 2045 könnte eine bewohnbare Station auf dem Mond so ausgebaut sein, dass sich dort ständig Menschen aufhalten werden. Allerdings würden auch diese Menschen wie schon jetzt die Astronauten auf der ISS von regelmäßigen Versorgungsflügen von der Erde abhängig sein. Auf so einer Mondstation würden dann viele Erfahrungen gesammelt werden, die für eine bemannte Marslandung sehr wichtig sind.



Autarke ständig bewohnte Station auf dem Mond

Eine autarke ständig bewohnte Station auf dem Mond wäre von keinerlei Versorgung von außen mehr abhängig. Sie wäre durch die Bewohner und durch Maschinen in der Lage, Sauerstoff, Wasser und alle Lebensmittel, die benötigt werden, in ausreichender Menge und zeitlich unbegrenzt selbst herzustellen. Das gleiche gilt für die benötigte Energie einschließlich Treibstoff. Ebenso wäre sie in der Lage, für anfallende Reparaturen alle benötigten Ersatzteile herzustellen. Und schließlich könnte sie irreparable Geräte, Einrichtungsgegenstände, Fahrzeuge und Wohncontainer aus eigener Kraft komplett neu produzieren. Das gilt natürlich auch für die Maschinen, die zum Herstellen der eben genannten Dinge gebraucht werden.

Dazu kann die Station ausschließlich auf Bodenschätze, auf der Station vorhandene biologische Organismen, zum recyceln freigegebene Materialien und auf die Sonnenenergie zurückgreifen.

Zum Vergleich stellt die Erde als Ganzes eine autarke ständig bewohnte "Station" dar. Sogar isoliert lebende Gemeinschaften z.B. von Indios oder Inuit erfüllen dieses Kriterium. Allerdings stellt die Erde zusätzlich zu den eben erwähnten Ressourcen Sauerstoff, Wasser, Pflanzen, Pilze, Tiere, Wind, Wasserkraft und fossile Energieträger zur Verfügung.

Wenn man das berücksichtigt, fällt es schwer zu glauben, dass es jemals eine autarke ständig bewohnte Station auf dem Mond geben wird. Vermutlich ist es viel billiger und extrem viel einfacher, eine Mondstation mit einigen Gütern in regelmäßigen Abständen zu versorgen.

Das gleiche sollte auch für alle übrigen Planeten und Monde in unserem Sonnensystem gelten. Auch sie sind aus z.T. etwas unterschiedlichen Gründen ähnlich unwirtlich wie unser Mond.

Vergleichsweise einfach ließe sich eine autarke ständig bewohnte Station auf einem erdähnlichen Exoplaneten errichten. Allerdings müsste man dazu in der Lage sein, dorthin zu gelangen (siehe weiter unten).



Bemannte Marslandung

Der Mars kommt der Erde etwa alle 15 Jahre besonders nahe. Die beiden nächsten Termine dafür sind 2033 und 2048. Aus energetischen Gründen wäre es deshalb sinnvoll, die erste Marslandung zu so einem Termin durchzuführen. Da 2033 unrealistisch früh sein dürfte, wird die erste bemannte Marslandung vermutlich 2048 stattfinden.



Ständig bewohnte Station auf dem Mars

Abhängig von den wissenschaftlichen Erkenntnissen während einer bemannten Marslandung könnte der Wunsch aufkommen, eine ständig bewohnte Station auf dem Mars zu errichten. Das könnte besonders dann der Fall sein, wenn auf dem Mars Spuren von primitivem Leben oder zumindest fossilem Leben gefunden werden. So eine ständig bewohnte Station würde es dann vermutlich zwischen 2100 und 2150 geben.



Bemannte Landung auf einem Jupitermond (z.B. Europa)

Alle bisherigen bemannten Raumflüge werden höchstwahrscheinlich Raketentriebwerke benutzen, die auf chemischer Verbrennung basieren. Vermutlich kann man mit dieser Technologie auch noch den Jupiter mit seinen Monden und damit speziell den Jupitermond Europa erreichen, in dessen Ozean aus Wasser man nach Leben suchen könnte. Eine Landung auf Europa wäre vielleicht um 2150 realistisch.



Bemannte Landung auf einem Saturnmond (z.B. Enceladus oder Titan)

Vielleicht ist es möglich, um 2100 die Kernfusion auf der Erde in entsprechenden Kraftwerken nutzbar zu machen. Dann könnte man vielleicht bis 2200 erste Raketentriebwerke entwickeln, die auf der Fusion von Deuterium und Helium-3 zu Wasserstoff und Helium-4 basieren. Eine Mission zu den Saturnmonden Enceladus mit seinem Wasserozean und Titan und seinen Methan-Seen könnte dann mit Hilfe eines solchen Kernfusionstriebwerks zwischen 2250 und 2300 stattfinden.



Weitere ständig bewohnte Stationen in unserem Sonnensystem

Solche Stationen wird es vermutlich nur geben, wenn es für die Erforschung von außerirdischem Leben notwendig ist. In diesem Fall könnten solche Stationen auf Europa und Enceladus zwischen 2300 und 2500 errichtet werden.



Regelmäßige Flüge durch unser Sonnensystem

Solche Flüge werden wahrscheinlich nur stattfinden, um wertvolle Rohstoffe von anderen Körpern unseres Sonnensystems zur Erde oder zum Mond zu bringen. Aus heutiger Sicht kommt dafür nur das für die Kernfusion wichtige Helium-3 infrage, das in den Atmosphären von Uranus und Neptun in größerer Menge vorhanden ist. Vielleicht spielt auch der Tourismus zu den Monden des äußeren Sonnensystems eine gewisse Rolle. All das dürfte jedoch erst nach 2500 stattfinden.



Besiedelung des Mars

Manche halten es für möglich, die Menschen auf dem Mars umzusiedeln, wenn die Erde anfängt, durch menschliches Fehlverhalten unbewohnbar zu werden. Da ist - vorsichtig ausgedrückt - unrealistisch. Eine Erde, die anfängt, unbewohnbar zu werden, ist immer noch um ein Vielfaches bewohnbarer als der Mars. Und die Anstrengungen, den Mars bewohnbar zu machen, sind extrem viel größer als die Anstrengungen, die Erde wieder bewohnbarer zu machen. Abgesehen davon, dass inzwischen klar geworden ist, dass der Mars gar nicht die Menge an Rohstoffen besitzt, die notwendig wären, um ihn bewohnbar zu machen (Stichwort: Terraforming).

Manche glauben auch, der Mars könnte eine Lösung für eine mögliche zukünftige Überbevölkerung auf der Erde sein. Sollte tatsächlich die Bevölkerungszahl auf der Erde ein ernstes Problem werden, dann wird man aus Not mit Sicherheit eine strenge Geburtenkontrolle einführen und nicht mit einem unglaublichen Aufwand Menschen auf unzähligen Marsstationen ansiedeln, die dann höchstwahrscheinlich nicht einmal autark wären. Es geht ja hier bei einer angenommenen Erdbevölkerung von 10 Milliarden und einem Bevölkerungszuwachs von 1% pro Jahr um 100 Millionen Menschen, die pro Jahr zum Mars gebracht werden müssten. Die Vorstellung, so etwas könnte jemals passieren, ist schlicht absurd. Abgesehen davon, dass - wie oben erwähnt - eine nennenswerte Besiedelung des Mars unmöglich zu sein scheint, würde auch der Mars dann schon nach kurzer Zeit ebenfalls überbevölkert sein.



Bemannte Landung auf einem erdähnlichen Exoplaneten

Bisher ging es um bemannte Raumflüge in unserem Sonnensystem. Die Energiemenge, die die Menschheit bisher pro Jahr für unbemannte Raumflüge durch unser Sonnensystem aufgewendet hat, stellt nur einen winzigen Bruchteil der Energiemenge von etwa 600 Trillionen Joule dar, die die Menschheit auf der Erde pro Jahr verbraucht. Deshalb sollte die Menschheit auch durchaus die Energie für bemannte Flüge durch unser Sonnensystem zur Verfügung stellen können, selbst wenn sie nicht bereit sein dürfte, mehr als 1% der jährlichen Energieproduktion für die Raumfahrt abzuzweigen.

Das sieht allerdings völlig anders aus, wenn man die interstellare Raumfahrt betrachtet. Ein erdähnlicher Exoplanet in einer habitablen Zone um einen stabilen Stern dürfte etwa 100.000-mal weiter von der Erde entfernt sein als der entfernteste Planet in unserem Sonnensystem (Neptun).

Machen wir zu diesem Zweck ein Gedankenexperiment. Wir stellen uns einen interstellaren bemannten Raumflug zu einem erdähnlichen Exoplaneten vor, der vergleichsweise wenig Energie verbraucht und bei dem wir nicht völlig ausschließen können, dass er eines Tages technisch machbar sein könnte.

Folgende Randbedingungen sollen gelten:

1. Eine Rückkehr zur Erde ist mit dem Raumschiff nicht möglich. Die Astronauten müssen also auf dem fremden Planeten alleine überleben können.
2. Der Exoplanet befindet sich in einer Entfernung von etwa 35 Lichtjahren.
3. Damit die benötigte Energiemenge nicht völlig unrealistisch wird, soll das Raumschiff in etwa 500 Jahren den Exoplaneten erreichen.
4. Da die Reisezeit also länger als die Lebenszeit eines Menschen betragen wird, muss es sich bei dem Raumschiff um ein Generationenraumschiff handeln.
5. Das Raumschiff muss also genügend Ausrüstung für eine so lange Reise mit sich führen. Außerdem müssen die Astronauten mit der Ausrüstung auf dem Exoplaneten Fuß fassen und überleben können.
6. Um das Überleben auf dem Exoplaneten langfristig zu sichern, sollten etwa 1000 Astronauten das Ziel erreichen.
7. Das Raumschiff sollte deshalb etwa eine Masse von 100.000 Tonnen haben. Dazu kommt natürlich die Masse für die Raketentriebwerke, die Treibstoffbehälter und den Treibstoff.
8. Das Raumschiff soll einen Kernfusionsantrieb besitzen, der auf der Fusion von Deuterium und Helium 3 basiert.
9. Das Raumschiff wird während der ersten Hälfte des Fluges gleichmäßig beschleunigt, während der zweiten Hälfte gleichmäßig abgebremst.

Wie groß ist unter diesen Annahmen beim Start die Gesamtmasse des Raumschiffs und welche Energiemenge muss für den Flug mitgenommen werden?

Unter der Annahme, dass nach der halben Flugzeit die nicht mehr benötigten Treibstofftanks und Triebwerke abgetrennt werden, hat das Raumschiff beim Start etwa eine Masse von 50 Millionen Tonnen. Davon entfällt etwa die Hälfte, also etwa 25 Millionen Tonnen, auf den Treibstoff Helium 3. Nun gibt es auf der Erde keine nennenswerten Vorräte an Helium 3. Die Vorkommen auf dem Erdmond werden dagegen auf insgesamt 1 Million Tonnen geschätzt. Das ist aber 25-mal weniger, als für einen einzigen bemannten Flug zu einem Exoplaneten benötigt werden.

Der gesamte benötigte Treibstoff für so einen einzigen bemannten Flug hat einen Energieinhalt von etwa 12 Quadrillionen Joule. Das ist das etwa das 20.000-fache der Energie, die die Menschheit pro Jahr verbracht.

Dieses Ergebnis macht deutlich, dass eine bemannte interstellare Raumfahrt wohl für immer eine Fiktion bleiben wird.



Umsiedelung der Erdbevölkerung auf einen erdähnlichen Exoplaneten

In einigen hundert Millionen Jahren fängt die Erde langsam an, sich zu einem Roten Riesen aufzublähen. Die Erde wird dann zunächst für höheres Leben und später auch für einfaches Leben unbewohnbar. In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne dann voraussichtlich sogar die Erde verschlucken. Es gibt nun tatsächlich sogenannte Experten, die meinen, dass wir Menschen in diesem Fall die Erde verlassen können und müssen, um einen sonnenferneren Mond in unserem Sonnensystem oder eine neue "Erde" in einem fremden Sternsystem zu erreichen und zu besiedeln.

Wie schon aus dem letzten Abschnitt hervorgeht, gehört eine solche Auffassung in das Reich der Phantasie.

Vermutlich könnte der Mensch zwar einen Exoplaneten autark besiedeln, wenn dieser nur erdähnlich genug ist, aber er wird wohl nie in der Lage sein, so einen Planeten zu erreichen. Dagegen wird er in Zukunft wohl alle Planeten und Monde unseres Sonnensystems erreichen können, aber er wird sie nie autark besiedeln können. Dafür sind sie für höheres Leben zu lebensfeindlich.

Wir sind also wohl auf Gedeih und Verderb darauf angewiesen, unsere Erde möglichst pfleglich zu behandeln. Und wenn unsere Sonne in einigen hundert Millionen Jahren anfängt, sich zu einem Roten Riesen aufzublähen, können wir dem wohl nur wenig und das auch nur vorübergehend entgegensetzen. Spätestens dann werden wir aussterben. Aber bis dahin haben wir ja noch etwas Zeit.



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