Am 29. August 2022 sollte Artemis I zum Mond fliegen. Der Start musste abgebrochen werden. Der nächste Versuch fand am 3. September 2022 statt und wieder wurde der Start verschoben. Der Grund dafür waren Probleme mit einer Verbindung die flüssigen Wasserstoff in die Rakete tanken sollte. Wann der nächste Start versucht werden soll, ist aktuell noch nicht fix. Aber klar ist: Man kann nicht nach Lust und Laune zum Mond fliegen; dafür gibt es Regeln und die schauen wir uns ein wenig genauer an.
Die meisten Raketenstarts der Vergangenheit haben Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht oder Menschen zur Raumstation. In beiden Fällen geht es um vergleichsweise kurze Distanzen; das Artemis-Programm der NASA hat aber ein ganz anderes Ziel. Es geht zurück zum Mond! Artemis I wird ein Raumschiff in eine Umlaufbahn um den Mond und zurück zur Erde schicken; noch ohne Menschen an Bord. Artemis II soll ein bis zwei Jahre später folgen und den Flug mit Menschen wiederholen. Um 2026 herum werden Menschen mit Artemis III dann auch tatsächlich auf dem Mond landen. Über die Notwendigkeit dieser Missionen, ihren wissenschaftlichen Zweck und die Tatsache, dass wir weniger über den Mond wissen, als man landläufig denkt werde ich vielleicht ein anderes Mal erzählen. Heute geht es um die möglichen Startfenster, also die Frage: Wann kann die Rakete zum Mond fliegen und warum geht das nicht immer?
Der Mond ist 400.000 Kilometer weit weg und es braucht jede Menge Energie, um ein Raumschiff samt Besatzung dorthin zu bringen. Deswegen hat die NASA auch eine völlig neue Rakete konstruiert die dazu in der Lage ist. Aber auch sie ist immer noch eine Rakete und kein Science-Fiction-Raumschiff. Könnte man einfach aufs Gas steigen ohne an Treibstoff denken zu müssen, dann könnte man auch zu jedem beliebigen Zeitpunkt starten und dann halt einfach dorthin lenken, wo man gerne hin will. Aber Raketen haben weder ein Gaspedal noch ein Lenkrad und schon gar nicht unbegrenzt Energie. Man kann die Triebwerke nur kurz anwerfen und das muss zum richtigen Zeitpunkt passieren. Und man muss darauf achten, dass die beteiligten Himmelskörper – in diesem Fall Erde, Mond und auch die Sonne – in der richtigen Konfiguration stehen, damit die Wege nicht zu lang werden.
Beim Start von Artemis I kommt es vor allem auf vier Punkte an:
- 1) Nach dem Start wird sich das Orion-Raumschiff von der Rakete abtrennen und in einer weiten Umlaufbahn um den Mond herum fliegen. Dazu muss ein „trans-lunar injection burn“ durchgeführt werden, also ein Manöver, bei dem Richtung und Geschwindigkeit exakt so angepasst werden, damit am Ende die angepeilte Bahn erreicht wird. Wie viel Masse Orion am Ende zum Mond transportieren kann, hängt unter anderem davon ab, wie gut dieses Manöver funktioniert und das hängt unter anderem davon ab, wie Erde und Mond im Verhältnis zueinander stehen.
- 2) Orion will ja auch wieder zurück zur Erde. Das wird in diesem Fall mit einem neuen Manöver passieren, einem sogenannten „skip entry“. Nachdem die Raumkapsel in die Erdatmosphäre eingetreten ist, kann sie nicht beliebig weit fliegen, bevor sie im Ozean landet. Und idealerweise findet diese Wasserlandung nicht mitten im Pazifik oder im russischen Polarmeer statt – sondern in der Nähe der amerikanischen Küste, wo die Bergungsschiffe schnell vor Ort sein können. Die Erde aber dreht sich und Orion kann nicht einfach im Weltall stehen bleiben und warten, bis der passende Punkt unter ihr angelangt ist. Die Apollo-Kapsel aus dem ersten Mondprogramm der NASA schafften nach dem Eintritt in die Atmosphäre eine Distanz von knapp 2400 Kilometern. Bei Orion sollen es bis zu 8800 Kilometer werden. Dazu muss der Flug durch die Atmosphäre verlängert werden und das macht man, in dem man – vereinfacht gesagt – die Atmosphäre selbst zum bremsen verwendet. Aber nur ein bisschen; man fliegt quasi ein Stück in die Atmosphäre hinein, und dann wieder ein Stück raus, bevor man dann tatsächlich so weit bremst, dass man landen kann. Und auch das geht natürlich nur, wenn die Erde in der richtigen Position ist.
- Orion braucht Energie um zu funktionieren und die kriegt sie durch Solarmodule. Das bedeutet, dass sie nicht zu lange im Schatten sein darf; nicht länger als 90 Minuten. Man muss also berücksichtigen, wann aus der Sicht von Orion die Erde oder der Mond gerade die Sonne verdeckt. Und wissen, wie der Ladezustand der Batterie zu dem Zeitpunkt gerade ist. Auch das schränkt die möglichen Flugbahnen und damit die Startmöglichkeiten ein.
- Und schließlich sollte Orion dann auf der Erde landen, wenn es dort wo die Landung stattfindet, gerade hell ist. Ansonsten wird die Bergung der Kapsel (und der Menschen, wenn sie dann mitfliegen) unnötig schwer.
All diese Bedingungen sorgen dafür, dass ein Start der Rakete nur zu gewissen Zeitpunkten möglich ist, wenn die Mission erfolgreich sein soll. Noch komplizierter wird es, wenn ein Start abgebrochen werden muss. Bei einer Rakete schließt man nicht einfach die Tür ab und kommt dann ein paar Tage später wieder. Der Treibstoff muss aufwendig und langwierig getankt werden und wenn die Rakete voll ist, kann sie so nicht beliebig lange rumstehen. Der Tank muss nachgefüllt werden; beziehungsweise muss die Rakete komplett enttankt werden, wenn die Pause zu lange dauert. Und der Treibstoff ist auch nicht beliebig verfügbar; den kann man nicht eben von der Tanke nebenan holen. Insgesamt führt das dazu, dass – neben allem anderen – nach einem Abbruch mindestens 48 Stunden lang gewartet werden muss, bis ein neuer Versuch stattfinden kann und insgesamt nicht mehr als 3 Startversuche pro Woche möglich sind. Ach ja: Das Wetter gibt es auch noch. Wenn es zu stürmisch ist oder ein zu starkes Gewitter stattfindet, dann kann auch nicht gestartet werden.
Theoretisch wäre das nächste Startfenster morgen, am 6. September 2022. Aber man kann davon ausgehen, dass die NASA sich nach zwei Abbrüchen ein wenig mehr Zeit lässt. Danach geht es erst am 19. September 2022 wieder weiter; bis 26. September sind dann aber nur „kurze Missionen“ möglich. Also Missionen, bei denen Orion nur eine halbe Runde um den Mond fliegt und nach 26 bis 28 Tagen wieder auf der Erde landet anstatt der eineinhalb Runden und den eigentlich geplanten 38 bis 42 Tagen im All. So eine lange Mission kann erst wieder am 27. und 28. September gestartet werden. Eine komplette Übersicht über alle Startfenster bis Juni 2023 kann man sich hier ansehen. Möglichkeiten gibt es noch genug und wir können davon ausgehen, dass die NASA nichts überstürzen wird. Besser man lässt sich Zeit, und am Ende klappt dann alles. Denn niemand will explodierende Raketen oder andere Katastrophen sehen, die das Mondprogramm auf unbestimmte Zeit verschieben.
Super. Toller Beitrag. Vielen Dank Florian.
naja, spektakulär sind explodierende raketen schon,
auch wenn dieser start eine testrakete ist, wünsche ich gutes gelingen.
ich habe mal gelesen, dass SpaceEx und NASA ganz andere vorgehensweisen haben, fehler zu umgehen, bzw damit umzugehen..
Nasa versucht im vorfeld alles zu durchdenken (soweit man das eben kann), und Musk lässt auch mal was *explodieren* … und lernt daraus. jeder wie er eben kann.
Seine synchron landenden Booster sind schon eine augenweide gewesen.
ich bin gespannt was Artemis noch alles hervorbringt.
@Mars: „und Musk lässt auch mal was *explodieren*“
Nur dass Musk halt sein eigenes Geld (bzw. das Geld das er von seinen Arbeiter:innen ausgebeutet und an der Börse gewonnen hat) ausgeben kann. Und die NASA Steuergelder ausgeben muss und damit auch Verpflichtungen hat.
Eigentlich könnte man wohl für jeden Tag ein entsprechendes Zeitfenster für eine jeweils optimale Flugbahn für eine entsprechende Anzahl von Mondumkeisungen finden (der Start- und Zielpunkt auf der Erde passt hinsichtlich der Erdrotation zur Position des Mondes – der „kommt ja täglich vorbei“). Die hauptsächlichen Einschränkungen liegen darin, wann und wie lange es am Start- und insbesondere am Zielpunkt hell genug ist und wie lange Abschnitte der Flugbahn verschattet sind.
bedeutet im wesentlichen wohl: Die Ebene der Mondbahn hat einen Winkel von ca. 5° gegen die Ekliptik, d.h. wenn die Sonde den Mond umkreist, dann befindet sie sich (abhängig vom Radius der Umlaufbahn) einige Zeit auf der sonnenabgewandten Seite des Mondes und je näher dies am Schnittpunkt der Mondbahnebene und der Ekliptik stattfindet, umso länger ist sie dann im Mondschatten.
Musk schließt in der Regel auch Dinge in den Weltraum, die komplett ersetzbar sind – ein Tesla, oder massenhaft Klein-Satelliten – und selbst wenn Menschen an Board sind, sind die Ziele im LEO und man kann mehr oder weniger einen Startzeitpunkt wählen an dem alles passt – und sonst eben 2 Tage später.
was musk bei wertvoller Fracht und einer TLI kann, und ob man dann auch wieder zurück kommt, wird man noch sehen. der Ansatz „dann lassen wir halt was explodieren und lernen viel daraus“ ist da möglicherweise nicht mehr so super wie in der Nähe der Erde mit entbehrlicher Fracht.
Großartiger Artikel
Auch von mir ein großes Dankeschön für den interessanten lesenswerten Artikel.
Tatsächlich 26-28/38-42 Tage? Und nicht Stunden?
Die Mondmissionen von Apollo waren mit knapp mehr als 1 Woche deutlich kürzer.
Es sind tatsächlich Tage, Alexander. Wie die Mission ablaufen und was alles getestet werden soll, steht alles unter nasa.gov
Weiß man eigentlich, warum die NASA nicht „einfach“ die Saturn V nachgebaut hat, statt eine Neukonstruktion zu wagen? Die war doch sehr zuverlässig, hatte mehr Nutzlast und brauchte nicht mal Booster. Waren vielleicht nur die Pläne weg oder sowasm
@2xhinschauen:
Das weiß man natürlich. An fehlenden Plänen lag es nicht. Wer die als Raumfahrthistoriker studieren möchte, kann dies grundsätzlich schon tun. Die Archive sind vollständig.
Das Problem war ein ganz anderes: Ein Trägersystem ist das Ergebnis eines langen industriellen Prozesses. Der Prozess zum Bau einer Saturn V wurde aber bereits Anfang der 70er Jahre eingestellt. Zulieferprodukte, die damals verbaut wurden, gibt es nicht mehr. Sogar ganze Zulieferfirmen sind längst vom Markt verschwunden. Die Steuerungshardware beispielsweise könnte man auch nicht mehr bauen wie damals, weil die Bauteile seit langem nicht mehr produziert werden. Aus diesen Gründen hat man sich lieber dafür entschieden, die bestehende Raketenindustrie zu benutzen. Auch wenn es nicht für jeden so aussieht, steckt doch eine ganze Menge Space Shuttle in der SLS.
Übrigens soll der Verzicht auf Booster bei der Saturn V auf die persönliche Meinung eines einzelnen Mannes zurück zu führen sein: Wernher von Braun! Angeblich kannte er das Konzept der seitlich angesetzten Booster, aber er mochte es nicht. Seine Nachfolger sehen in Boostern eine sinnvolle Ergänzung und benutzen sie daher.
@ Captain E.
Danke für die ausführliche Befassung. Das mit den Plänen war mehr ein Bezug auf das Voyager-Programm, wo das wohl wirklich ein Problem sein soll.
Bei den fehlenden Chips hätte man vielleicht sagen können, na dann nehme ich eben neue und schreibe die Software neu, lasse aber den Rest. Hier und da vielleicht noch neuere und leichtere Werkstoffe, und fertig ist die Milliardeneinsparung. Denkt sich der Laie.
Derselbe Laie fragt sich natürlich auch, warum man komplizierte und anfällige Flüssiggastrieberke und gleichzeitig vergleichsweise einfache Feststoffbooster nimmt. Es gibt sicher gute Gründe dafür.
@2xhinschauen:
Meinst du beiden Raumsonden? Wo soll denn das Problem sein? Ein wenig Lageregelung, ein paar Messdaten – das war es doch schon. Nachbauen will man die ja auch nicht mehr.
Oder die Milliardenverschwendung. Da steht in den Plänen halt etwas von der Verwendung bestimmter Schrauben oder Bolzen, die nicht mehr hergestellt werden, oder von bestimmten Werkstoffen, die es auch lange so nicht mehr gibt.
Natürlich gibt es die. Die SLS verfeuert übrig gebliebene SSMEs. SSME steht hierbei für „Space Shuttle Main Engine“. Das sind unglaublich teure Triebwerke, die aber auch schubstark und zuverlässig sind. In Entwicklung ist eine abgespeckte Variante, die dann natürlich nicht mehr wiederverwendbar sein muss. Die SSME arbeiten wie die J-2-Triebwerke der S-II- und der S-IVB-Stufe (2. und 3. Stufe der Saturn V) mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff wird in der Raumfahrt gerne verwendet, weil es einen hohen spezifischen Impuls hat. Kurz gesagt: Aus einem Kilogramm Wasserstoff holt man mehr Beschleunigung heraus als aus fast jedem anderen Raketentreibstoff. Das ist wichtig, weil der Treibstoff bis zu dem Zeitpunkt, an dem er verfeuert wird, schließlich jedes Manöver mitmacht. Wenn man also Treibstoff verbraucht, um Treibstoff zu beschleunigen, den man erst später benötigen wird, sollte der auch schon etwas anzubieten haben. Wasserstoff hat allerdings auch mehrere Nachteile. zum einen ist er schlecht lagerfähig. Für Lageregelung und Kurskorrekturen im Weltraum nimmt man ihn also nicht. Außerdem ist er selbst tiefgekühlt sehr großvolumig und benötigt viel Platz. Vor allem aber entwickelt er nicht allzu viel Schub über Zeit.
Hört sich das paradox an? Ist es nicht! Wasserstoff ist effizient, aber ineffizientere Raketentreibstoffe entwickeln mehr Schub in kürzerer Zeit. Die Saturn V verwendete für die F1-Triebwerke in ihrer S-IC-Stufe (1. Stufe) flüssigen Sauerstoff mit RP-1 (Rocket Propellant 1, eine Kerosin-Variante). Der spezifische Impuls von RP-1 ist kleiner als der von Wasserstoff, aber zu Beginn der Reise ist der reine Schub wichtiger als die Effizienz. Die große S-IC verbrannte ihren RP1 in gerade einmal 2,5 Minuten und brachte damit den gesamten Stack von der Rampe weg auf etwa 60 km Höhe.
Entsprechend arbeiten die Booster der SLS. Ja, aus der reinen Masse holen sie nur wenig Beschleunigung heraus, aber das in sehr, sehr kurzer Zeit. Dabei werden sie natürlich leichter und die Restrakete bei ihrer Abtrennung insgesamt noch einmal. Nur noch einmal zur Erinnerung: In der Raumfahrt muss man jedes Gramm Masse bei jedem Manöver, Start inklusive, mit beschleunigen, und dafür muss man Treibstoff verfeuern, der aber eben auch eine Masse hat. Je länger man den Treibstoff mitschleppen muss, desto effizienter sollte er sein.
Die letzten Treibstoffe sind bei NASA, ESA und vielen anderen Raumfahrtagenturen Monomethylhydrazin. (Russland verwendet Unsymmetrisches Dimethylhydrazin.) Dessen spezifischer Impuls ist so lala, aber es lässt sich gut an Bord lagern. Zusammen mit dem Oxidator Stickstoffdioxid (statt reinem Sauerstoff wie oben beschrieben) lassen sich auch sehr einfache und robuste Triebwerke bauen. Man leitet Treibstoff und Oxidator in die Brennkammer, und das Triebwerk zündet ohne Zündvorrichtung. Nach dem Abheben von der Erde fliegt man also nur noch damit. Die Space Shuttle Orbiter hatten eine Vielzahl von Triebwerken über den gesamten Rumpf verteilt, die alle damit betrieben worden sind, mit Ausnahme der drei großen SSME natürlich.
@ Captain E.
Nochmal danke! Keine weiteren Fragen 🙂
@Captain:
weißt du, was da rauskommt, wenn man MMH mit NO2 verbrennt? NO2 allein ist ja schon eine ziemlich Sauerei…
Das ist ja nicht nur bei historischer RaketenHighTech so – seit einem Monat wird bei uns zum Paletten-Umreifen ein neues, akkubetriebenes Handgerät eingesetzt. Aber nicht etwa, weil das alte hinüber ist, sondern weil für das uralte (>50y), vollfunktionale, manuell betriebene Teil ähnlich jenem die benötigten Klammern nicht mehr produziert werden…
Auch von mir Dankeschön. Sehr interessant und anschaulich erklärt.
@Bullet:
MMH ist doch eigentlich die noch größere Sauerei. Die Frühlingslorchel galt früher mal als schmackhafter Speisepilz. Dumm ist nur, dass spätestens bei der Metabolisierung Monomethylhydrazin entsteht.
Die Tankleute tragen dieser Tage beim MMH-Betanken schwere Schutzanzüge. Beim Landen muss man auch ein genaues Auge auf die Reaktionsdüsen haben.
Es ist ein Jammer, dass alles von den Kosten abhängt und immer so knapp am Limit geplant und gebaut wird. Wenn ich lese, dass max 90min Schatten vorherrschen darf, anstatt die Kapazitäten entsprechend zu erhöhen.
So viele Wenn und Abers, von denen eine ganze Mission abhängen kann. Normalerweise würde man entsprechend Reserven und Redundanzen einplanen.
Aber das resultiert aus einer kapitalistischen Gesellschaft, in der die Prioritäten im Konsum und nicht in höheren Zielen liegen. Alleine dass wir mehrere Jahrzehnte Weltraumprogramm neu aufrollen müssen, wo wir mit der Technik von vor 50 Jahren schon auf dem Mond gewesen sind. So viel KnowHow, so viel Potential verpufft einfach. In mancherlei Hinsicht haben wir uns tatsächlich noch nicht wirklich weiterentwickelt, oder sehe ich das zu eng?
@Chris: Reserven und Redundanzen sind hier ziemlich teuer, muss ja alles auf die 11km/s oder so beschleunigt werden. Redundanzen wird es für die Lebenserhaltungssysteme dann bestimmt geben.
Und die NASA kann sehr vorausschauend arbeiten – sieht man zB bei den austauschbaren Servicemoduln für das Hubble.
Zur Erinnerung: Angeblich gab es bei Apollo 13 eine Explosion und der gesamte Flugplan war darauf völlig anders. Trotzdem wasserte man bei der Erdlandung genau neben dem Flugzeugträger. Toll, was? Man sollte sich also nicht so anstellen und starten, wenn alles in Ordnung ist.
@Bernd:
Was soll denn dieses „angeblich“ heißen? Versuchst du etwa, uns eine Verschwörungstheorie zu verkaufen?
Und nein, man hat meines Wissens nie „genau“ neben einem Träger gewassert. Da gab es logischerweise Sicherheitsabstände. Und wichtig bei der Bergung der gewasserten kapseln waren auch damals schon die an Bord der Träger stationierten Hubschrauber. Dadurch hatte ein als Bergungsschiff eingesetzter Flugzeug- oder Hubschrauberträger natürlich eine erhebliche Reichweite.
Bei Apollo 13 kam außerdem hinzu, dass der Unfall auf dem Hinflug geschehen ist. Man kam damals ziemlich schnell darauf, dass eine direkte Umkehr keinen Sinn machen würde. Daher ist der schwer angeschlagene Stack erst noch einmal um den Mond herum gekreist, bevor es wieder zurück zur Erde gegangen ist. Da gab es ausreichend Zeit, den Flugplan zu überarbeiten, und auch die Zeit, die Bergungsflotte auf Station zu bringen.
Weiß jemand, wie man berechnen kann, wieviel Haushalte mit der Energie eines Artemisstartes versorgen kann? Ich weiß, dass die Brennstoffe andere sind als Haushaltsgas und das solche Vergleiche nicht überall beliebt sind. Trotzdem aus aktuellem Anlass: Wie kann man die „Energieäquivalente“ berechnen? Danke für eine Idee und viele Grüße cc
@C. Caesarion
Es ist es eine schlechte Idee Energie eines Artemisstartes mit dem Energiebedarf eines Haushaltes zu vergleichen. Was willst du damit bezwecken? Natürlich wird Energie knapper und deshalb bin ich vom Verursacher Putin und seinen Hartlinern und den wissenden Russen die nichts dagegen tun, sehr enttäuscht.
Aber trotzdem ist die Frage interessant.
Deine Frage ist aber so allgemein und ungenau, dass sich keiner die Mühe machen wird es auszurechnen, ausser jemand findet etwas im Internet dazu.
Die Trägerrakete Trägerrakete SLS Block 1 besteht aus drei Stufen.
1-te Stufe: Feststoffbooster
2-te Stufe: Kryogene Hauptstufe
3-te Stufe: Kryogene Oberstufe
Man könnte sich mal die Hauptstufe vornehmen und ausrechnen, wie viele Haushalte damit ein Jahr damit versorgt werden können.
Mal gucken. 😉
Überschlagsrechnung Energieverbrauch Stufe 2
Ich weiß leider nicht, ob das Volumen des Wasserstofftanks nicht doch größer als beim Spaceshuttle ist.
geg:
Energieverbrauch pro Haushalt
E_h =17 678 kWh
Stromverbrauch pro Haushalt
E_s = 3 106 kWh
Volumen Flüssigwasserstofftank Arbeitsdruck zwischen 220 und 230 kPa
V= 1 515,5 m³
Dichte flüssiger Wasserstoff 70,8 kg/m³
Masse vom Wasserstoff im Tank
m_h = rho * Volumen = 107 297,4 kg
Heizwert Wasserstoff = 33,3 kWh/kg
Damit folgt eine Energie von
E = Masse * Heizwert = 107 297,4 kg * 33,3 kWh/kg
E = 3 573 003 kWh
Damit lassen sich jetzt (3 573 003)/(17 678) = 202 Haushalte ein Jahr mit Energie versorgen.
Ps: Falls der Wasserstofftank ein Volumen von 2880 m³ hat, dann könnte man damit 384 Haushalte mit Energie versorgen.
Diese Energie wird in 480 Sekunden freigesetzt, was der Brenndauer der zweiten Stufe entspricht.
Die Leistung in diesen 480 Sekunden ist natürlich gewaltig.
Aber von Energieverschwendung bezüglich momentaner Energieknappheit kann also keine Rede sein. 🙂
Anmerkung:
Im Jahr 2021 gab es in Deutschland rund 40,68 Millionen Privathaushalte (Hauptwohnsitzhaushalte).
In Österreich gibt es im Jahr 2022
4.042.299 Haushalte.
Aua …
Energieverbrauch pro Haushalt inklusive Strom
Auto ist nicht dabei.
E_h =17 678 kWh
Stromverbrauch pro Haushalt
E_s = 3 106 kWh
Was kostet eigentlich 1 kWh an Energie?
[…] Himmelsmechanik und Tankprobleme: Das Startfenster von Artemis I […]