@Ralf: Nochmals zu den Kosten für eine Marsmission.
Den Hinflug bekommt man im Prinzip mit einer einzigen Falcon Heavy + Dragon-Kapsel hin: die Falcon Heavy kann 13 Tonnen auf eine Mars-Transitbahn befördern, das ist genug für eine Dragon + ein (Bigelow? Thales/Alenia?) Transit-Modul, in dem man für den Transit etwas mehr Platz findet. Am Ziel tritt man direkt in die Atmosphäre ein, und die Dragon landet mit ihren Superdraco-Triebwerken (wie das ja auch für die Erde geplant ist - allerdings muss man bedenken, dass beim Mars wegen der dünneren Atmosphäre mehr Geschwindigkeit von den Triebwerken abgebaut werden muss). Die Kombination Falcon Heavy + Dragon + Transitmodul kostet vielleicht irgendwas in der Grössenordnung von 300 Mio US$. MarsOne plant 6 RedDragons bereit zu haben, wenn die erste Crew losfliegt, das sind also 6 x 300 = ~2 Mrd US$ (wir ignorieren jetzt mal grosszügig, dass diese Missionen kein Transitmodul benötigen). Dazu kommen noch Vorläufermissionen (Rover etc.), Entwicklung von gewissen Technologien, Trockenübungen auf der Erde, Training, Experten und so weiter. 6 Mrd US$ sind deshalb durchaus in ungefähr okay.
Wie sieht es denn bei einer Rückkehrmission aus? Wir können die Frage so angehen: was fehlt, damit wir bei der oberen Mission zur Erde zurückkehren könnten?
Wir erinnern uns: die Marsschwerkraft beträgt ca. 38% der Erdschwerkraft. Orbitalgeschwindigkeit entspricht v = (g * r)^0.5. In einem 800 km Orbit über Mars hätte man also eine Orbitalgeschwindigkeit von 3.9 km/s und eine Fluchtgeschwindigkeit (mal 2^0.5) von 5.6 km/s (die "magischen" Werte für einige Leute
).
1) Wir müssen die Dragon wieder vom Mars in den Orbit starten (das ist sehr generös: wir bringen also nichts auf die Marsoberfläche ausser das, was in eine Dragon passt - und wir landen auch wieder mit der Dragon auf der Erde - diesmal wohl am Fallschirm. Das alles tun wir, um Masse zu sparen). Das sind 6 Tonnen (Kapsel, 4.2 Tonnen + Besatzung, 0.2 Tonnen + Ausrüstung, Proben 1.6 Tonnen), die wir auf 3.9 km/s beschleunigen müssen. Nehmen wir an, unsere Mars-Rückstart-Rakete hätte eine Trockenmassefraktion von 10% (Tanks, Triebwerke, etc.). Wir können also die Raketengleichung nehmen:
Delta-V = V_ausstr. x ln(m0 / m1)
Delta-V ist die Geschwindigkeitsveränderung, die wir erreichen.
V_ausstr. ist die Ausströmungsgeschwindigkeit unseres Triebwerks. Bei einem Merlin 1D von SpaceX sind das etwa 3 km/s (310 s x 9.81 m/s^2)
m0 ist die Anfangsmasse.
m1 ist die Endmasse.
exp(3.9/3) = 3.67
Die Rakete ist beim Start also 3.67 mal schwerer als in der Marsumlaufbahn. Bei m1 = m_D + 0.1 x (m0 - m_D) [Die Endmasse besteht aus der Dragon + der Masse der leeren Einstufenrakete die die Dragon in den Marsorbit trägt. m_D ist die Masse der Dragon] und m0/m1 = 3.67 können wir nach m1 auflösen und bekommen: 1.42*m_D oder 8.5 Tonnen. Die voll betankte Marsrückkehrrakete (inkl. Dragon) hat also eine Masse von 8.5 * 3.67 = 31 Tonnen.
Aber wie kamen diese 31 Tonnen denn eigentlich dahin? Da die Utopia Planitia Werft erst in etwa 200 Jahren ihre Tore öffnet, müssen wir die Rückkehrrakete natürlich auch von der Erde mitbringen. Und - sie muss natürlich auch auf dem Mars landen können, und zwar nicht via "Lithobreaking". Dafür braucht sie Treibstoff. Die Atmosphäre hilft ja bekanntlich kaum - sagen wir, wir müssen zwei Drittel der Orbitalgeschwindigkeit (mit der wir ja eintreten - siehe nächsten Punkt) mit Triebwerken vernichten. Wir brauchen jetzt also eine Marsrückkehrstufe-Landestufe, um die Rückkehrrakete mit 31 Tonnen Nutzlast (inkl. Dragon) auf dem Mars zu landen, und 2.6 km/s Delta-V zu vernichten. Wieder die umgestellte Raketengleichung: exp(2.6/3) = 2.38. Nach der gleichen Methode wie vorher (10% Trockenmasse) bestimmen wir, dass das ganze Landepaket nun auf eine beträchtliche Masse von 87 Tonnen (immer noch inkl. Dragon) angewachsen ist.
2) Wenn wir das Transitmodul wiederverwenden wollen (wir wollen ja die Marslanderakete nicht noch schwerer machen!), müssen wir zuvor bei der Ankunft beim Mars zuerst in einen Orbit einbremsen, in dem wir das Transitmodul lassen können. Seien wir freundlich und sagen, dass wir uns mit einem minimalistischen Transitmodul von 5 Tonnen begnügen (zum Vergleich: das ist die Hälfte von Columbus, dem europäischen Modul an der ISS). Bei der Ankunft beim Mars müssen wir also erst die 87 Tonnen von des Marsrückkehrstufe-Landestufe-Dragon-Komplexes plus die 5 Tonnen des Transitmoduls von Fluchtgeschwindigkeit auf Orbitalgeschwindigkeit abbremsen. Danach sind wir bei 176 Tonnen.
3) Wir müssen doppelt so viel Vorräte mitnehmen, weil wir ja auch zurückreisen müssen (bei MarsOne wird die Nahrung ja vor Ort produziert). Das vernachlässigen wir jetzt mal, und rechnen sie einfach in die Masse des Transitmoduls ein. Ist ja schliesslich die Zukunft.
4) Wir brauchen Treibstoff, um die Dragon + Transitmodul wieder aus der Marsumlaufbahn in Richtung Erde zu starten. Okay, das hätten wir schon bei Schritt 2) bedenken sollen. Wie viel Masse brauchen wir für den Rückstart aus der Marsumlaufbahn? Es sind nochmals 1.7 km/s für total 11 Tonnen. Das können wir mittlerweile: Die Masse der Mars-Orbit-Rückstart-Stufe beträgt zusätzliche 10 Tonnen. Also nochmals zurück zu Schritt 2: Wir haben die Marsrückkehrstufe-Landestufe zusammen mit der Marsrückkehrstufe, zusammen mit der Dragon, Zwischensumme 87 Tonnen, plus das Transitmodul, 5 Tonnen, plus die Mars-Orbit-Rückstart-Stufe, 10 Tonnen, Summe 102 Tonnen, die wir von Marsfluchtgeschwindigkeit auf Mars-Orbitgeschwindigkeit (1.7 km/s) bringen müssen. Dann sind wir statt bei 176 also bei 196 Tonnen.
Lassen wir uns das also mal auf der Zunge vergehen: Um unsere einsame Dragon mit einem mikrigen Transitmodul auf eine Bahn zurück zur Erde zu schicken, müssen wir
statt 13 Tonnen (Einweg) satte 196 Tonnen losschicken. 196 / 13 = 15. Und wir hatten noch konservativ und stets freundlich gerechnet... Noch Fragen, wo dieser ominöse Kosten-Faktor wirklich herkommt?
