Ein „neuer, schneller“ Weg zum Mars?
Von Darmstadt nach Frankfurt, jeweils gerechnet von der Stadtmitte, ist die Entfernung knapp 35 km. Man braucht für die Strecke minimal 30 Minuten, realistischerweise aber deutlich länger. Das dauert Ihnen zu lange? Na, da erfinde ich Ihnen einfach einen neuen, viel schnelleren Weg. Mit dem wären sind Sie in 6 Minuten da. Sie müssten dazu allerdings mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 350 km/h reisen.
Wie bitte? Nicht machbar? Rechnen Sie doch einfach nach. Die Rechnung stimmt. Aber die Annahmen sind zu hinterfragen. Selbiges gilt auch in dem Fall, den ich hier vorstelle.
Ein neues Paper aus Brasilien
Ein in der Fachzeitschrift „Acta Astronautica“ in ihrer Ausgabe vom September 2026 zur Veröffentlichung vorgesehener Artikel des brasilianischen Physikers Marco de Olivera Souza mit dem Titel „Using early asteroid data for rapid mars missions“ breitet auf 12 Seiten aus, wie der Autor durch die Bahn eines die Bahnen von Mas und Erde kreuzenden Asteroiden inspiriert wurde, schnellere Transfers zwischen Mars und Erde als die allgemein bekannten mit Dauern von etwa 9 +/-3 Monaten zu finden. (Die Variationsbreite liegt an der Exzentrizität des Marsbahn und der Tatsache, dass sie nicht genau in der Ekliptik liegt.) Dieses Paper wurde in der Presse aufgegriffen, mit dem Tenor, hier sei und endlich eine „Abkürzung“ zum Mars gefunden, siehe z.B. auf phys.org, t3n.de, FR, und wahrscheinlich noch an vielen anderen Stellen. Aber wenigstens ein deutscher Journalist hat mich direkt angeschrieben und um meine Einschätzung gebeten.
Zunächst einmal zur Vorgehensweise und zu der unterstellten Behauptung, hier sei etwas neu entdeckt worden. Die Berechnung von Transferdauern und -kosten und die Ableitung der möglichen Startfenster aus den Ergebnissen ist ganz und gar nicht neu. Schon als ich Anfang der 80er Jahre studierte, war dies Stoff in der ersten Vorlesung für Raumfahrttechnik. Aber die Berechnungsmethoden und die Darstellungsform gehen auf die frühen 60er Jahre zurück.
Die Pork-Chop-Plots
Man macht nichts anderes, als für eine große Anzahl von Datumswerten für den Abflug von einem Planeten B und angenommener Transferdauern zu einem Planeten B (die Bahnen beider Himmelskörper müssen bekannt sein) das Lambertproblem zu lösen. Die Lösung ist ein Satz Bahnelemente für bekannte Abflug- und Ankunftsposition und gegebene Transferdauer. Die übliche graphische Darstellung sind die in der Raumfahrttechnik weithin bekannten „pork chop plots“. Hier eins für den Transfer Erde-Mars im Startfenster 2031. Die Software dazu habe ich schon vor Jahrzehnten geschrieben, allerdings in dem Wissen, dass die Methode da auch schon Jahrzehnte alt war. Deswegen gab es schon damals keine Veranlassung, irgendetwas groß herauszutröten.
Man sieht die die Typ 1 und Typ 2-Transfers von der Erde zum Mars. Ein Missionsplaner wird immer zuerst nach der kostenoptimalen Lösung suchen, bei der ein optimaler Kompromiss aus hyperbolischer Abfluggeschwindigkeit von der Erde und Anfluggeschwindigkeit am Mars erzielt wird. Daraus ergibt sich die Startmasse, die die Rakete auf den Weg bringen kann und das Einfangmanöver am Mars, aus dem die benötigte Treibstoffmasse berechnet werden kann. Der Flug von Erde zu Mars ist hier noch als ballistisch angenommen – es ist nur der erste Schritt in einem iterativen Prozess. Im gegebenen Fall hätte man Abflug- und Ankunftsgeschwindigkeiten von jeweils etwa 3.5 km/s, die Transferdauer 9 Monate.
Schnellere Transferbahnen
Man könnte sich nun, wenn die verwendete Technik in der Raumsonde das hergibt, auch nach schnelleren Transfers suchen, also auf der y-Achse des Diagramms nach unten wandern. Die wurden auch Transfers eingezeichnet, wie sie im vorgeschlagenen Paper vorgeschlagen werden – mit Dauern von 3 oder weniger Monaten. Man sieht dann aber auch: die hyperbolischen Geschwindigkeiten bei Abflug und Ankunft wachsen ganz schnell ins Astronomische: 9, 12, 15 oder 18 km/s! Womit wir wieder bei meiner Einleitung mit der Durchschnittsgeschwindigkeit von 350 km/h von Darmstadt nach Frankfurt sind… Auf dem Papier geht das alles. Die Lambert-Routine spuckt mir auch für noch kürzere Transfers eine Lösung aus, gar kein Problem. Das Problem hat man erst, wenn man eine Rakete und ein Antriebssystem finden muss, mit denen solche Transfers möglich werden. Und selbst wenn man diese Technik hätte, wie auch immer die aussehen mag – würde man die wirklich nutzen, um schneller zu fliegen? Oder nicht doch lieber, um ein viel größeres Schiff zu bauen?
Wie würden die dazugehörigen Transfers aussehen? Ich habe das mal für den idealisierten Fall von kreisförmigen, ko-planaren Bahnen skizziert, nur um das Prinzip zu verdeutlichen. Rot der optimale Transfer, der allerdings auch am längsten dauert. Die Transferbahn ist gerade so groß, wie sie eben noch sein muss, um Anflug- und Ankunftsbahn zu verbinden. Sie liegt tangential an den beiden Kreisbahnen an. Die grüne Bahn ist schneller, die violette noch schneller. Aber die Transfers schneiden die Bahnen mit erheblichen Winkeln und ihre Bahnenergie ist sichtbar größer – daher eben auch diese gewaltigen hyperbolischen Geschwindigkeiten.
Was ist daran jetzt neu?
Wie gesagt, die Existenz von schnelleren Transfers ist seit Generationen bekannt, wenn auch vielleicht noch nicht dem Autor des erwähnten Papers in Acta Astronautica und der Journalisten, die ihn zitieren. Deswegen wurde jetzt auch keine neue Methode zur Berechnung von schnellen Marstransfers gefunden. Das Problem liegt nicht in der Bahnmechanik, sondern in der Antriebstechnik. Mit einem nuklearen Antrieb, der sehr viel höhere spezifische Impulse zulässt, oder einem Hochschub-Ionenantrieb, wären deutlich kürzere Transfers möglich.
Das große Thema dabei ist allerdings nicht so sehr der Antrieb selbst, sondern die elektrische Energieversorgung, die geringe Masse mit sehr hoher elektrischer Ausgangsleistung verbinden müsste. Oder aber, man geht gar nicht mehr den Umweg über elektrische Systeme. Allerdings hätte man dann Bahnen mit kontinuierlichen Antriebsphasen, keine ballistischen Freiflugbahnen, und da gilt das oben diskutierte nicht mehr, ebenso wenig wie das brasilianische Paper.
Eins möchte ich aber doch wissen: Wie hat der der Autor es geschafft, mit einem solchen Paper durch das Peer Review zu kommen?
Laut google benötigt eine Rakete bis in die Erdumlaufbahn etwa 50 % der Energie.
Es wäre also sinnvoll eine „Tankstelle“ für Raketen in die Erdumlaufbahn zu verlegen. Dann könnte man eine kontinuirliche Antriebsphase in Betracht ziehen.
Auch für die Erforschung des Mondes, bei dieser Methode werden die Besucher des Mondes nur bis zu dieser Tankstelle gebracht, dort steigen sie um für den Transfer zum Mond, und diese Fähre bleibt auch im Weltraum, ein richtiger Shuttleverkehr. Den Austausch der Treibstofftanks übernimmt ein Roboter.
Think big, sagt der Amerikaner.
Besten Dank für diese Darstellung.
Schnelle Transfers zum Mars braucht es sicher nicht für den Materialtransport, aber der Materialtransport wird eine Astronautenmission zum Mars dominieren, behaupte ich hier einmal. Nur schon weil eine bemannte Marsmission mit heutiger Technik ganz anders als eine Mondmission nicht in ein ein paar Wochen über die Bühne gehen kann. Zudem gehen heute die Aspirationen in Richtung Marskolonie, nur schon weil jetzt bereits Mondkolonien vorgesehen sind und die Erfahrungen mit Mondkolonien danach rufen, mit dem Mars wiederholt zu werden. Nur schon um eine winzige Marskolonie aufzubauen braucht es wohl hunderte Tonnen von Material, das von der Erde zum Mars geschickt werden muss. All dieses Material kann in den bisherig verwendeten Trajektorien mit bisheriger Raketentechnologie so langsam wie bisher reisen – ausser man greift die Idee eines Mars-Cycler (Aldrin-Cycler) zurück.
Das wäre also der Materialtransport. Ganz andere Probleme gibt es aber bei einer Astronautenmission. Ich behaupte: mehrmonatige, ja sogar mehrjährige Marsbesuche sind für Menschen gesundheitlich, aber auch was Notfälle angeht zu riskant. Ein Marsbesuch sollte in maximal 8 Wochen realisiert werden und es sollte ein Rettungsschiff bereitstehen um die Astronauten in Notfällen zurückholen zu können. Das aber verlangt nach einem schnellen Transfer. So etwas ist in der Zukunft vielleicht schon in 30 Jahren mithilfe von Kernfusions-getriebenen Raumfähren durchaus möglich – und früher als in 30 Jahren rechne ich sowieso nicht mit einer bemannten Marsmission.
Natürlich gibt es ein gewisses Interesse an schnellen Transfers, aber das ist nicht wirklich der Punkt. Man sollte nicht, wie der Autor des Papers aus Brasilien, einfach einen Lambert-Solver benutzen und gleich meinen: „Hurra, ich habe etwas neues und revolutionäres entdeckt, auf das bisher noch niemand gekommen ist“, und dann ein Paper dazu ‚raushauen. Vor allem sollte der Journal, bei dem man das einreicht, so ein Paper nicht einfach durchwinken.
Auch die Verwendung von kontinuierlichem Schub, beispielsweise Ionenantrieb oder magnetohydrodynamischer Antrieb mit nuklearer Energieversorgung ist schon lange angedacht, durchgerechnet und auch publiziert worden, ist aber etwas ganz anderes als die in dem Paper vorgeschlagenen Lösungen und wird auch ganz anders berechnet.
Die angesprochenen Cycler-Missionen (Bahnen, die resonant mit der Bahn der Erde und der Bahn des Mars sind), sind genau von der Art, die in dem zitierten Paper vorgeschlagen werden (Perihel weit unter der Erdbahn, Aphel weit jenseits der Marsbahn, was der Autor des Papers eigentlich hätte wissen muüssen, wenn er sich mal etwas vertiefter mit der Materie auseinandergesetzt hätte) und weisen genau denselben Nachteil auf. Die Abflug- und Ankunftsgeschwindigkeiten bei Erde und Mars sind deutlich höher als bei minimalenergetischen Transfers.
Meine Prognose ist, dass die Zukunft bei wiederverwendbaren, nuklearbetriebenen (wahrscheinlich eher Fission als Fusion) Raumschiffen liegt, die im Erde-Mond-System oder am Mars aufgetankt werden, und nicht bei Cyclern.