'Der Marsianer' verpasst einen schnelleren Weg zum Mars (Op-Ed)

Astronaut Mark Watney in

Der Astronaut Mark Watney (Matt Damon) ist im neuen Ridley Scott-Film 'The Martian' auf dem Mars gestrandet. (Bildnachweis: Twentieth Century Fox)



Edward Belbruno ist Mathematiker und Künstler. Seine Gemälde befinden sich in bedeutenden Sammlungen und werden in den gesamten Vereinigten Staaten ausgestellt, und er berät regelmäßig die NASA von seiner Position als Kosmologieforscher an der Princeton University. Er ist auch Autor von ' Flieg mich zum Mond “ (Princeton University Press, 2007). Belbrunos Kunst ist exklusiv im demokratija.eu-Shop . Belbruno hat diesen Artikel dazu beigetragenExpertenstimmen von demokratija.eu: Op-Ed & Insights .



Spoiler-Alarm: Dieser Essay enthält Spoiler zum Film 'The Marsian' !

Wie ich lese ' Der Marsianer “ (Crown, 2014), ich konnte es nicht aus der Hand legen. Voller Cliffhanger, bei denen man nicht weiß, was von einem Moment auf den anderen passieren wird, zeigt das Buch den Astronauten Mark Watney, der irrtümlich für tot gehalten wird, während seine Crewmitglieder hastig einem Sturm auf dem Mars entkommen. Auf dem Roten Planeten gestrandet, ist er ganz allein, mit wenig Nahrung oder Luft. Jeder auf der Erde denkt, er sei tot, einschließlich seiner ehemaligen Besatzungsmitglieder. Und doch kümmert er sich mit seinen unglaublichen Überlebensfähigkeiten nur knapp um seine Grundbedürfnisse und schafft es, mit einem abgelaufenen Rover, der Jahre zuvor auf der Marsoberfläche gelassen wurde, mit der NASA zu kommunizieren. Wie cool ist das?



Der langsame Weg zum Mars

Leider kann die NASA nicht sofort eine Nachschubmission schicken, um Watney die Nahrung, Wasser, Luft und andere Grundversorgung zu geben, die er dringend zum Überleben braucht. Wieso den? Nun, das ist ein Problem der Orbitalmechanik. Die Umlaufbahn des Mars um die Sonne dauert etwa 1,88 Erdenjahre. Die Planeten müssen sich genau aneinanderreihen, um ein Raumschiff von der Erde zum Mars auf der Standardroute zu schicken, die als Hohmann-Transfer bezeichnet wird (benannt nach dem Deutschen Walter Hohmann, der diese Transfers in den 1920er Jahren beschrieb). Diese Ausrichtung findet nur alle 26 Monate statt. Die beste Ausrichtung tritt auf, wenn sich Mars und Erde bei der Ankunft des Raumfahrzeugs an ihren jeweiligen Positionen relativ zur Sonne am engsten zueinander befinden. [ Werden wir den Mars jemals kolonisieren? (Op-Ed) ]

Das passiert, wenn sowohl die Erde als auch der Mars sich in der jeweils nächsten Entfernung zur Sonne befinden, die als Periapsis-Standorte bezeichnet wird. Diese Konfiguration, gepaart mit der heute verfügbaren Raumfahrzeugtechnologie, würde mit einem Hohmann-Transfer eine Flugzeit von etwa 234 Tagen ergeben. Das Raumfahrzeug muss die Erde mit genau der richtigen Geschwindigkeit und genau zur richtigen Zeit verlassen. Der Transfer selbst verläuft von der Erde zum Mars auf einem direkten Weg, der in Bezug auf die Sonne wie eine halbe große Ellipse aussieht, beginnend bei der Erde und endend beim Mars.

Als Watney jedoch gestrandet ist, befinden sich Mars und Erde nicht in einer guten Ausrichtung, und es wird 414 Tage dauern, bis die Vorräte dort ankommen! Armer Watney.



Die erhöhte Zeit ist auf zwei Faktoren zurückzuführen: das Warten auf eine gewünschte Planetenausrichtung und die erforderliche Flugzeit selbst. Watney muss also weit über ein Jahr warten, bis alle Vorräte eintreffen. Diese zeitliche Verzögerung ist ein Hauptgrund für das nervenaufreibende Drama und die fesselnde Geschichte des Buches.

Die Abkürzung

Diese Verzögerung hätte jedoch erheblich reduziert werden können. Ende 2014, mein Kollege Francesco Topputo und ich habe eine neue Art von Route zum Mars veröffentlicht. Diese Route erschien zuerst im arXiv, dann in Fortschritte in den Raumfahrtwissenschaften, Band 155 , und dann in Himmelsmechanik und dynamische Astronomie . Einer der interessanteren Aspekte dieser neuen Route ist, dass man nicht warten muss, bis Erde und Mars richtig ausgerichtet sind, um die Raumsonde zu starten. Es kann jederzeit gestartet werden.

Dies ist ein großer Vorteil. Der Transfer funktioniert ganz anders als bei der Hohmann-Version, bei der die Raumsonde direkt zum Mars fliegt. Hier wird die Raumsonde nicht zum Mars geschickt. Es wird zu einem Punkt entlang der Umlaufbahn des Mars um die Sonne gesendet, der aus einer Vielzahl von Punkten entlang dieser Umlaufbahn ausgewählt werden kann, Millionen von Kilometern vom Planeten entfernt. Diese Punkte folgen dem Mars, während er die Sonne umkreist, sodass die Raumsonde den Mars langsam einholt.



Mit einem Hohmann-Transfer kann die Raumsonde zum richtigen Zeitpunkt von der Erde gestartet werden, je nachdem, wo sich der gewünschte Orbitalpunkt befindet. Aber es gibt so viele dieser Punkte, dass das Raumfahrzeug die Erde jederzeit verlassen kann oder umgekehrt an einem Punkt ankommen kann, wenn es gewünscht wird.

Wenn die Raumsonde nun den gewünschten Punkt auf der Marsbahn erreicht, folgt sie dem Planeten in seiner Umlaufbahn um die Sonne. Die Triebwerke feuern, um ein Manöver auszuführen, das die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs relativ zur Sonne erhöht, damit das Schiff einer speziellen Flugbahn von seinem Standort zum Mars folgen kann. Diese Flugbahn wird als ballistischer Einfangtransfer oder schwacher Stabilitätsgrenztransfer (WSB) bezeichnet.

Sobald die Raumsonde auf diesem Transfer ist, dauert es weitere Monate, um den Mars einzuholen. Bei der Ankunft auf dem Planeten sind keine Manöver mehr erforderlich und das Raumfahrzeug wird automatisch in die Umlaufbahn gebracht (die ballistische Erfassung). Dies ist viel sicherer als ein Hohmann-Transfer, bei dem Raumfahrzeuge mit ihren Triebwerken erheblich verlangsamen müssen, was gefährlich sein kann (dadurch ging der Mars Observer der NASA verloren). Der ballistische Einfangtransfer könnte auch so konzipiert sein, dass er direkt zur Marsoberfläche führt.

Mit dem ballistischen Capture-Transfer hätte das Nachschub-Raumschiff mit einer Flugzeit von etwa 294 Tagen abheben können, sobald die NASA feststellte, dass Watney am Leben war, und es brauchte 234 Tage, um einen Punkt auf der Marsbahn zu erreichen. Von dort aus würde es weitere zwei Monate dauern, um mit einem ballistischen Fangtransfer zum Mars selbst zu gelangen. Die Flugzeit hätte 294 Tage betragen – eine Ersparnis von 120 Tagen, die Watney eine viel bessere Überlebenschance verschafft. Er wäre erleichtert gewesen. [ 'Der Marsianer' Rettungsmission einfach im Filmclip erklärt ]

Es ist wichtig zu beachten, dass WSB-Transfers bereits mehrmals bei Missionen zum Mond verwendet wurden. Die erste wurde 1991 von der japanischen Raumsonde Hiten fertiggestellt. James Miller und ich haben diesen Transfer entworfen, der in 'Fly Me to the Moon' und dem demokratija.eu-Essay 'Painting Our Way to the Moon' ausführlicher beschrieben wird. Eine andere wurde 2004 von der SMART-1-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) abgeschlossen, die eine andere Art von Mondtransfer verwendete, basierend auf der ersten, die ich 1986 gefunden habe. Die GRAIL-Mission von JPL im Jahr 2011 verwendete denselben Transfertyp wie Hiten. (Lesen Sie mehr in Belbrunos Schlüsselpapiere .)

Aber Flügel

Wie sich im Buch herausstellte, schaffte es das Versorgungsschiff nie nach Watney. Wenn diese Art des Transfers jedoch bekannt gewesen wäre, hätten die Optionen, ein Raumschiff mit Vorräten zum Mars zu bringen, nach einem anderen Zeitplan ausgeführt werden können, was die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls verringert hätte.

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Mit dem WSB-Transfer hätte ein Raumschiff mit Notvorräten im Voraus in den Marsorbit um die Sonne gebracht werden können, bevor Watney und seine Crew eintrafen, um im Falle eines Missgeschicks einsatzbereit zu sein. Es hätte dann in ein paar Monaten per WSB-Transfer zum Mars geschickt werden können.

In dem Buch leitet Watneys Crew ihr Schiff Hermes zum Mars um, da das Nachschubschiff es nicht geschafft hat. Die Rettungssonde musste zunächst einen Vorbeiflug an der Erde durchführen, um mithilfe eines Hohmann-ähnlichen Transfers die nötige Geschwindigkeit zu erreichen, um so schnell wie möglich zum Mars zu gelangen. Dies führte zu nicht wünschenswerten Ankunftsbedingungen auf dem Mars, da die Raumsonde viel schneller als normal flog. In diesem Fall betrug die Laufzeit 375 Tage. Das sind immer noch 81 Tage mehr als der WSB-Transfer.

Auch wäre der WSB-Transfer nicht mit einer so großen Überfluggeschwindigkeit angekommen, wie es Hermes im Buch tat. Infolgedessen wäre es nicht notwendig gewesen, die im Roman dargestellte haarsträubende, gefährliche Rettung für Watney zu versuchen.

Die Verwendung des WSB-Transfers hätte den Verlauf dieses Buches deutlich verändert und eine Reihe verschiedener Optionen für die NASA und Watney geboten. Sein Leben wäre viel einfacher gewesen.

Notiz:Treffen Sie Belbruno am 22. Oktober in New York in einer demokratija.eu-Galerie, die seine Arbeit hervorhebt.

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