Es wurden mehrere Technologien vorgeschlagen, die sowohl Treibstoff sparen als auch eine wesentlich schnellere Reise ermöglichen als die traditionelle Methode des Hohmann-Transfers. Einige sind noch rein theoretisch, aber im Laufe der Zeit wurden mehrere der theoretischen Ansätze bei Raumfahrtmissionen getestet. Die Mission Deep Space 1 beispielsweise war ein erfolgreicher Test eines Ionenantriebs. Diese verbesserten Technologien konzentrieren sich in der Regel auf eines oder mehrere der folgenden Themen:

• Raumfahrtantriebe mit wesentlich geringerem Kraftstoffverbrauch. Solche Systeme würden es ermöglichen, viel schneller zu reisen und gleichzeitig die Treibstoffkosten in akzeptablen Grenzen zu halten.
• Nutzung von Solarenergie und In-situ-Ressourcennutzung, um den teuren Transport von Komponenten und Treibstoff von der Erdoberfläche entgegen der Erdanziehung zu vermeiden oder zu minimieren (siehe „Nutzung nicht-terrestrischer Ressourcen“, unten).
• Neue Methoden zur Nutzung von Energie an verschiedenen Orten oder auf verschiedene Weise, die die Transportzeit verkürzen oder die Kosten pro Masseneinheit des Raumtransports senken können

Neben einer schnelleren oder kostengünstigeren Reise könnten solche Verbesserungen auch größere „Sicherheitsmargen“ bei der Konstruktion ermöglichen, indem sie den Zwang zu leichteren Raumfahrzeugen verringern.

Verbesserte RaketenkonzepteEdit

Alle Raketenkonzepte werden durch die Raketengleichung begrenzt, die die verfügbare charakteristische Geschwindigkeit als Funktion der Auslassgeschwindigkeit und des Massenverhältnisses von Anfangs- (M0, einschließlich Treibstoff) zu Endmasse (M1, ohne Treibstoff) festlegt. Die wichtigste Konsequenz ist, dass Missionsgeschwindigkeiten, die mehr als ein paar Mal so hoch sind wie die Abgasgeschwindigkeit des Raketenmotors (in Bezug auf das Fahrzeug), schnell unpraktisch werden.

Thermische Kern- und SolarraketenBearbeiten

Bei einer thermischen Kernrakete oder einer thermischen Solarrakete wird ein Arbeitsmedium, in der Regel Wasserstoff, auf eine hohe Temperatur erhitzt und expandiert dann durch eine Raketendüse, um Schub zu erzeugen. Die Energie ersetzt die chemische Energie der reaktiven Chemikalien in einem herkömmlichen Raketentriebwerk. Aufgrund der geringen Molekülmasse und der daraus resultierenden hohen thermischen Geschwindigkeit von Wasserstoff sind diese Triebwerke mindestens doppelt so treibstoffsparend wie chemische Triebwerke, selbst wenn man das Gewicht des Reaktors berücksichtigt.

Die US-Atomenergiekommission und die NASA testeten von 1959 bis 1968 einige Entwürfe. Die NASA-Entwürfe waren als Ersatz für die Oberstufen der Saturn-V-Trägerrakete gedacht, aber die Tests ergaben Zuverlässigkeitsprobleme, die vor allem durch die Vibrationen und die Erwärmung verursacht wurden, die beim Betrieb der Triebwerke mit so hoher Schubkraft auftreten. Politische und umweltpolitische Erwägungen machen es unwahrscheinlich, dass ein solches Triebwerk in absehbarer Zukunft zum Einsatz kommt, da thermische Kernraketen am ehesten auf oder nahe der Erdoberfläche eingesetzt werden können und die Folgen einer Fehlfunktion katastrophal sein könnten. Thermoraketenkonzepte auf Spaltungsbasis erzeugen geringere Abgasgeschwindigkeiten als die unten beschriebenen Elektro- und Plasmakonzepte und sind daher weniger attraktiv. Für Anwendungen, die ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis erfordern, wie z.B. Planetenflucht, ist die nukleare Thermik potenziell attraktiver.

Elektrischer AntriebEdit

Elektrische Antriebssysteme nutzen eine externe Quelle wie einen Kernreaktor oder Solarzellen zur Erzeugung von Elektrizität, die dann dazu verwendet wird, einen chemisch inerten Treibstoff auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die weit über denen einer chemischen Rakete liegen. Solche Antriebe erzeugen einen schwachen Schub und eignen sich daher nicht für schnelle Manöver oder für den Start von der Oberfläche eines Planeten. Sie sind jedoch so sparsam im Umgang mit der Reaktionsmasse, dass sie tagelang oder wochenlang ununterbrochen feuern können, während chemische Raketen die Reaktionsmasse so schnell verbrauchen, dass sie nur Sekunden oder Minuten lang feuern können. Selbst eine Reise zum Mond ist für ein elektrisches Antriebssystem lang genug, um eine chemische Rakete zu überholen – die Apollo-Missionen dauerten 3 Tage in jede Richtung.

NASA’s Deep Space One war ein sehr erfolgreicher Test eines Prototyps eines Ionenantriebs, der insgesamt 678 Tage lang feuerte und die Sonde in die Lage versetzte, den Kometen Borrelly abzuschießen, eine Leistung, die für eine chemische Rakete unmöglich gewesen wäre. Dawn, die erste operationelle NASA-Mission (d. h. keine Technologiedemonstration), die einen Ionenantrieb für ihren Hauptantrieb verwendet, umkreiste erfolgreich die großen Asteroiden des Hauptgürtels 1 Ceres und 4 Vesta. Eine ehrgeizigere Version mit Nuklearantrieb war für eine Jupiter-Mission ohne menschliche Besatzung vorgesehen, den Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), der ursprünglich irgendwann im nächsten Jahrzehnt starten sollte. Aufgrund einer Verschiebung der Prioritäten bei der NASA zugunsten von Raumfahrtmissionen mit menschlicher Besatzung wurde das Projekt im Jahr 2005 nicht mehr finanziert. Eine ähnliche Mission wird derzeit als US-Komponente eines gemeinsamen NASA/ESA-Programms zur Erforschung von Europa und Ganymed diskutiert.

Ein vom Johnson Spaceflight Center geleitetes, multizentrisches NASA-Team zur Bewertung von Technologieanwendungen hat im Januar 2011 „Nautilus-X“ beschrieben, eine Konzeptstudie für ein Multimissions-Raumfahrzeug, das für Missionen jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) mit einer Dauer von bis zu 24 Monaten und einer bis zu sechsköpfigen Besatzung geeignet ist. Obwohl Nautilus-X an eine Vielzahl von missionsspezifischen Antriebseinheiten verschiedener Bauarten mit niedrigem Schub und hohem spezifischem Impuls (Isp) angepasst werden kann, wird zur Veranschaulichung ein nuklearer ionenelektrischer Antrieb gezeigt. Es ist für die Integration und den Checkout auf der Internationalen Raumstation (ISS) vorgesehen und eignet sich für Deep-Space-Missionen von der ISS zum Mond und darüber hinaus, einschließlich der Ziele Erde/Mond L1, Sonne/Erde L2, erdnahe Asteroiden und Marsorbit. Es umfasst eine Zentrifuge mit reduzierter Schwerkraft, die eine künstliche Schwerkraft für die Gesundheit der Besatzung bereitstellt, um die Auswirkungen der langfristigen 0g-Exposition zu mildern, und die Fähigkeit, die Strahlungsumgebung im Weltraum abzuschwächen.

Raketen mit SpaltantriebEdit

Die bereits geflogenen oder derzeit geplanten Missionen mit elektrischem Antrieb nutzten Solarenergie, was ihre Fähigkeit einschränkt, weit von der Sonne entfernt zu operieren, und auch ihre Spitzenbeschleunigung aufgrund der Masse der elektrischen Energiequelle begrenzt. Nuklearelektrische oder Plasma-Triebwerke, die über lange Zeiträume mit geringem Schub betrieben und von Spaltungsreaktoren angetrieben werden, können Geschwindigkeiten erreichen, die weit über denen von chemisch angetriebenen Fahrzeugen liegen.

FusionsraketenEdit

Fusionsraketen, die durch Kernfusionsreaktionen angetrieben werden, würden leichte Elementtreibstoffe wie Deuterium, Tritium oder 3He „verbrennen“. Da bei der Fusion etwa 1 % der Masse des Kernbrennstoffs als Energie freigesetzt wird, ist sie energetisch günstiger als die Kernspaltung, bei der nur etwa 0,1 % der Massenenergie des Brennstoffs freigesetzt wird. Allerdings können sowohl Spaltungs- als auch Fusionstechnologien prinzipiell Geschwindigkeiten erreichen, die weit über dem Bedarf für die Erforschung des Sonnensystems liegen, und die Fusionsenergie wartet immer noch auf eine praktische Demonstration auf der Erde.

Ein Vorschlag für eine Fusionsrakete war das Projekt Daedalus. Ein anderes, recht detailliertes Fahrzeugsystem, das für die Erforschung des Sonnensystems mit Besatzung konzipiert und optimiert wurde, „Discovery II“, basiert auf der D3He-Reaktion, verwendet aber Wasserstoff als Reaktionsmasse und wurde von einem Team des Glenn Research Center der NASA beschrieben. Es erreicht charakteristische Geschwindigkeiten von >300 km/s bei einer Beschleunigung von ~1,7-10-3 g, mit einer anfänglichen Masse des Raumschiffs von ~1700 Tonnen und einem Nutzlastanteil von über 10 %.

Exotische AntriebeEdit

Siehe den Artikel Raumfahrzeugantrieb für eine Diskussion einer Reihe anderer Technologien, die mittel- bis längerfristig die Grundlage für interplanetare Missionen sein könnten. Anders als bei interstellaren Reisen liegen die Hindernisse für schnelle interplanetare Reisen eher im technischen und wirtschaftlichen Bereich als in den physikalischen Grundlagen.

SonnensegelBearbeiten

Sonnensegel beruhen auf der Tatsache, dass von einer Oberfläche reflektiertes Licht Druck auf die Oberfläche ausübt. Der Strahlungsdruck ist gering und nimmt mit dem Quadrat der Entfernung von der Sonne ab, aber im Gegensatz zu Raketen benötigen Sonnensegel keinen Treibstoff. Der Schub ist zwar gering, hält aber so lange an, wie die Sonne scheint und das Segel entfaltet wird.

Das ursprüngliche Konzept stützte sich nur auf die Strahlung der Sonne – zum Beispiel in Arthur C. Clarkes Geschichte „Sunjammer“ von 1965. Neuere Leichtsegelkonzepte schlagen vor, die Schubkraft zu verstärken, indem bodengestützte Laser oder Masern auf das Segel gerichtet werden. Bodengestützte Laser oder Masers können einem Leichtsegel-Raumschiff auch beim Abbremsen helfen: das Segel teilt sich in einen äußeren und einen inneren Abschnitt, der äußere Abschnitt wird nach vorne geschoben und seine Form mechanisch verändert, um die reflektierte Strahlung auf den inneren Abschnitt zu fokussieren, und die auf den inneren Abschnitt fokussierte Strahlung wirkt als Bremse.

Obwohl sich die meisten Artikel über Lichtsegel auf interstellare Reisen konzentrieren, gibt es mehrere Vorschläge für ihren Einsatz innerhalb des Sonnensystems.

Zurzeit ist das einzige Raumfahrzeug, das ein Sonnensegel als Hauptantriebsmethode verwendet, IKAROS, das von JAXA am 21. Mai 2010 gestartet wurde. Seitdem wurde es erfolgreich in Betrieb genommen, und es hat sich gezeigt, dass es die erwartete Beschleunigung erzeugt. Viele gewöhnliche Raumfahrzeuge und Satelliten nutzen auch Sonnenkollektoren, Temperaturregelungspaneele und Sonnenschirme als Lichtsegel, um kleinere Korrekturen an ihrer Lage und Umlaufbahn vorzunehmen, ohne Treibstoff zu verbrauchen. Einige wenige haben sogar kleine, speziell für diesen Zweck gebaute Sonnensegel (z. B. die von EADS Astrium gebauten geostationären Kommunikationssatelliten Eurostar E3000).

CyclerEdit

Es ist möglich, Stationen oder Raumfahrzeuge auf Umlaufbahnen zu setzen, die zwischen verschiedenen Planeten zirkulieren, z. B. würde ein Mars-Cycler synchron zwischen Mars und Erde zirkulieren, mit sehr geringem Treibstoffverbrauch zur Aufrechterhaltung der Flugbahn. Cycler sind konzeptionell eine gute Idee, da massive Strahlungsschilde, Lebenserhaltungssysteme und andere Ausrüstungen nur einmal auf die Cycler-Bahn gebracht werden müssen. Ein Cycler könnte mehrere Funktionen in sich vereinen: Lebensraum (z. B. könnte er sich drehen, um einen Effekt der „künstlichen Schwerkraft“ zu erzeugen); Mutterschiff (Lebenserhaltung für die Besatzungen kleinerer Raumfahrzeuge, die auf ihm mitfliegen). Cycler könnten auch hervorragende Frachtschiffe für die Versorgung einer Kolonie sein.

RaumfahrstuhlBearbeiten

Ein Weltraumfahrstuhl ist eine theoretische Konstruktion, die Material von der Oberfläche eines Planeten in den Orbit transportieren würde. Die Idee ist, dass nach dem teuren Bau des Fahrstuhls eine unbestimmte Anzahl von Lasten zu minimalen Kosten in den Orbit transportiert werden kann. Selbst die einfachsten Konstruktionen vermeiden den Teufelskreis der Raketenstarts von der Oberfläche aus, bei denen der Treibstoff, der für die letzten 10 % der Strecke in die Umlaufbahn benötigt wird, den ganzen Weg von der Oberfläche aus gehoben werden muss, was noch mehr Treibstoff erfordert, und so weiter. Anspruchsvollere Konzepte für Weltraumaufzüge reduzieren die Energiekosten pro Fahrt durch den Einsatz von Gegengewichten, und die ehrgeizigsten Pläne zielen darauf ab, die Lasten beim Auf- und Abstieg auszugleichen und so die Energiekosten gegen Null zu bringen. Weltraumaufzüge werden manchmal auch als „Bohnenstangen“, „Weltraumbrücken“, „Weltraumlifte“, „Weltraumleitern“ und „Orbitaltürme“ bezeichnet.

Ein irdischer Weltraumaufzug liegt jenseits unserer derzeitigen Technologie, obwohl ein Mondaufzug theoretisch mit vorhandenen Materialien gebaut werden könnte.

SkyhookEdit

Ein Skyhook ist eine theoretische Klasse von Fesseltriebwerken im Orbit, die Nutzlasten in große Höhen und mit hohen Geschwindigkeiten befördern sollen. Zu den Vorschlägen für Skyhooks gehören Entwürfe, bei denen sich Seile mit Hyperschallgeschwindigkeit drehen, um Nutzlasten mit hoher Geschwindigkeit oder Flugzeuge in großer Höhe einzufangen und in die Umlaufbahn zu bringen. Darüber hinaus wurde behauptet, dass der rotierende Skyhook „mit den derzeit verfügbaren Materialien technisch nicht machbar ist“.

Wiederverwendbarkeit von Trägerraketen und RaumfahrzeugenBearbeiten

Das SpaceX Starship, dessen Erststart frühestens 2020 erfolgen soll, ist so konzipiert, dass es vollständig und schnell wiederverwendbar ist, wobei die wiederverwendbare Technologie von SpaceX genutzt wird, die zwischen 2011 und 2018 für die Trägerraketen Falcon 9 und Falcon Heavy entwickelt wurde.

SpaceX-CEO Elon Musk schätzt, dass allein die Fähigkeit zur Wiederverwendbarkeit sowohl der Trägerrakete als auch der zum Starship gehörenden Raumfahrzeuge die Gesamtsystemkosten pro zum Mars gelieferter Tonne um mindestens zwei Größenordnungen gegenüber den bisherigen NASA-Ergebnissen senken wird.

Bereitstellen von TreibstoffenEdit

Wenn interplanetare Sonden von der Erdoberfläche aus gestartet werden und die gesamte für die Langzeitmission benötigte Energie mit sich führen, sind die Nutzlastmengen aufgrund der theoretisch durch die Raketengleichung beschriebenen Basismassenbeschränkungen zwangsläufig extrem begrenzt. Eine Alternative, um mehr Masse auf interplanetaren Flugbahnen zu transportieren, besteht darin, den Treibstoff der Oberstufe beim Start fast vollständig zu verbrauchen und dann in der Erdumlaufbahn Treibstoffe nachzufüllen, bevor die Rakete auf Fluchtgeschwindigkeit für eine heliozentrische Flugbahn gebracht wird. Diese Treibstoffe könnten auf der Umlaufbahn in einem Treibstoffdepot gelagert oder in einem Treibstofftanker in die Umlaufbahn gebracht werden, um direkt in das interplanetare Raumfahrzeug umgeladen zu werden. Für die Rückführung von Masse zur Erde besteht eine verwandte Option darin, Rohstoffe von einem Himmelsobjekt des Sonnensystems abzubauen, zu veredeln, zu verarbeiten und die Reaktionsprodukte (Treibstoff) auf dem Körper des Sonnensystems zu lagern, bis ein Fahrzeug für den Start beladen werden muss.

Tanker-Transfers in der ErdumlaufbahnEdit

Ab 2019 entwickelt SpaceX ein System, bei dem eine wiederverwendbare erste Stufe ein interplanetarisches Raumfahrzeug mit Besatzung in die Erdumlaufbahn transportiert, sich abkoppelt, zu seiner Startrampe zurückkehrt, wo ein Tanker-Raumfahrzeug montiert wird, das beide betankt und dann erneut gestartet wird, um ein Rendezvous mit dem wartenden Raumfahrzeug mit Besatzung zu erreichen. Der Tanker würde dann seinen Treibstoff an das bemannte Raumschiff weitergeben, damit es seine interplanetarische Reise antreten kann. Das SpaceX-Starship ist ein Raumschiff mit Edelstahlstruktur, das von sechs Raptor-Triebwerken angetrieben wird, die mit verdichtetem Methan-/Sauerstofftreibstoff arbeiten. Es ist 55 m lang, hat einen Durchmesser von 9 m an der breitesten Stelle und kann bis zu 100 Tonnen Fracht und Passagiere pro Reise zum Mars transportieren, wobei der Treibstoff vor dem interplanetaren Teil der Reise in der Umlaufbahn nachgefüllt wird.

Treibstoffanlage auf einem HimmelskörperEdit

Als Beispiel für ein finanziertes Projekt, das sich derzeit in der Entwicklung befindet, ist ein wesentlicher Teil des Systems, das SpaceX für den Mars entworfen hat, um die Kosten für Raumflüge zu interplanetaren Zielen radikal zu senken, die Errichtung und der Betrieb einer physischen Anlage auf dem Mars, um die Produktion und Lagerung der Treibstoffkomponenten zu übernehmen, die für den Start und den Rückflug der Raumschiffe zur Erde erforderlich sind, oder vielleicht um die Masse zu erhöhen, die zu Zielen im äußeren Sonnensystem weiter transportiert werden kann.

Das erste Raumschiff zum Mars wird als Teil seiner Ladung eine kleine Treibstoffanlage mitführen. Die Anlage wird über mehrere Synoden hinweg erweitert, wenn mehr Ausrüstung eintrifft, installiert und in eine weitgehend autonome Produktion überführt wird.

Die SpaceX-Treibstoffanlage wird die großen Vorräte an Kohlendioxid und Wasser auf dem Mars nutzen, indem sie Wasser (H2O) aus dem unterirdischen Eis gewinnt und CO2 aus der Atmosphäre sammelt. Eine chemische Anlage wird die Rohstoffe mittels Elektrolyse und dem Sabatier-Verfahren zu Sauerstoff (O2) und Methan (CH4) verarbeiten und anschließend verflüssigen, um die langfristige Lagerung und endgültige Verwendung zu erleichtern.

Nutzung extraterrestrischer RessourcenBearbeiten

Gegenwärtige Raumfahrzeuge versuchen, mit dem gesamten Treibstoff (Treibstoffe und Energievorräte) an Bord zu starten, den sie für ihre gesamte Reise benötigen, und gegenwärtige Raumstrukturen werden von der Erdoberfläche gehoben. Nicht-terrestrische Energie- und Materialquellen sind meist viel weiter entfernt, aber die meisten müssten nicht aus einem starken Schwerefeld herausgehoben werden und dürften daher langfristig viel billiger im Weltraum zu nutzen sein.

Die wichtigste nicht-terrestrische Ressource ist Energie, weil sie genutzt werden kann, um nicht-terrestrische Materialien in nützliche Formen umzuwandeln (von denen einige auch Energie erzeugen können). Mindestens zwei grundlegende nicht-terrestrische Energiequellen wurden vorgeschlagen: die Energieerzeugung durch Sonnenenergie (ungehindert durch Wolken), entweder direkt durch Solarzellen oder indirekt durch Fokussierung der Sonnenstrahlung auf Kessel, die Dampf für den Antrieb von Generatoren erzeugen, und elektrodynamische Fesseln, die Elektrizität aus den starken Magnetfeldern einiger Planeten erzeugen (Jupiter hat ein sehr starkes Magnetfeld).

Wassereis wäre sehr nützlich und ist auf den Monden von Jupiter und Saturn weit verbreitet:

• Die geringe Schwerkraft dieser Monde würde sie zu einer billigeren Wasserquelle für Raumstationen und planetarische Basen machen, als es von der Erdoberfläche hochzuholen.
• Nicht-terrestrische Energiequellen könnten genutzt werden, um Wassereis in Sauerstoff und Wasserstoff zu elektrolysieren, um es in bipropellanten Raketentriebwerken zu verwenden.
• Thermische Kernraketen oder solarthermische Raketen könnten es als Reaktionsmasse verwenden. Wasserstoff wurde ebenfalls für den Einsatz in diesen Triebwerken vorgeschlagen und würde einen viel größeren spezifischen Impuls (Schub pro Kilogramm Reaktionsmasse) liefern, aber es wurde behauptet, dass Wasser Wasserstoff in Bezug auf Kosten/Leistung trotz seines um Größenordnungen geringeren spezifischen Impulses schlagen würde.

Sauerstoff ist ein häufiger Bestandteil der Mondkruste und wahrscheinlich auch in den meisten anderen Körpern des Sonnensystems reichlich vorhanden. Nicht-terrestrischer Sauerstoff wäre als Quelle für Wassereis nur dann wertvoll, wenn eine ausreichende Quelle für Wasserstoff gefunden werden kann. Mögliche Verwendungszwecke sind:

• in den Lebenserhaltungssystemen von Raumschiffen, Raumstationen und Planetenbasen.
• in Raketentriebwerken. Selbst wenn der andere Treibstoff von der Erde geholt werden muss, könnte die Verwendung von nicht-terrestrischem Sauerstoff die Kosten für den Start des Treibstoffs um bis zu 2/3 bei Kohlenwasserstofftreibstoffen und 85 % bei Wasserstoff senken. Die Einsparungen sind deshalb so hoch, weil Sauerstoff in den meisten Raketentreibstoffkombinationen den größten Teil der Masse ausmacht.

Leider sind Wasserstoff und andere flüchtige Stoffe wie Kohlenstoff und Stickstoff im inneren Sonnensystem viel seltener als Sauerstoff.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass in einigen Planeten, Monden und Kometen des äußeren Sonnensystems eine breite Palette organischer Verbindungen zu finden ist, und die Palette möglicher Verwendungszwecke ist noch größer. Methan kann beispielsweise als Brennstoff (bei Verbrennung mit nicht-terrestrischem Sauerstoff) oder als Ausgangsstoff für petrochemische Prozesse wie die Kunststoffherstellung verwendet werden. Und Ammoniak könnte ein wertvoller Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln sein, die in den Gemüsegärten von Orbital- und Planetenbasen verwendet werden, wodurch sich die Notwendigkeit verringert, Lebensmittel von der Erde dorthin zu transportieren.

Sogar unbearbeitetes Gestein kann als Raketentreibstoff nützlich sein, wenn Massentreiber eingesetzt werden.