Im Jahr 2012 kündigte das von einer niederländischen gemeinnützigen Organisation geleitete Projekt „Mars One“ Pläne an, bis 2025 die erste menschliche Kolonie auf dem Roten Planeten zu errichten. Die Mission würde zunächst vier Astronauten auf eine einfache Reise zum Mars schicken, wo sie den Rest ihres Lebens damit verbringen würden, die erste dauerhafte menschliche Siedlung zu bauen.Es ist eine kühne Vision — zumal Mars One behauptet, dass die gesamte Mission auf Technologien aufbauen kann, die bereits existieren. Wie es auf der Website heißt, wäre die Gründung von Menschen auf dem Mars „der nächste große Sprung für die Menschheit.“Aber Ingenieure am MIT sagen, dass das Projekt möglicherweise einen Schritt zurücktreten muss, um zumindest die technische Machbarkeit der Mission zu überdenken.Die MIT-Forscher entwickelten ein detailliertes Siedlungsanalyse-Tool, um die Machbarkeit der Mars One-Mission zu bewerten, und stellten fest, dass neue Technologien benötigt werden, um Menschen auf dem Mars am Leben zu erhalten.Wenn zum Beispiel alle Lebensmittel aus lokal angebauten Pflanzen gewonnen werden, wie Mars One es sich vorstellt, würde die Vegetation einen unsicheren Sauerstoffgehalt produzieren, der eine Reihe von Ereignissen auslösen würde, die schließlich zum Ersticken der menschlichen Bewohner führen würden. Um dieses Szenario zu vermeiden, müsste ein System zur Entfernung von überschüssigem Sauerstoff implementiert werden – eine Technologie, die noch nicht für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde.In ähnlicher Weise entdeckte der Mars Phoenix Lander 2008 Hinweise auf Eis auf der Marsoberfläche, was darauf hindeutet, dass zukünftige Siedler in der Lage sein könnten, Eis für Trinkwasser zu schmelzen — ein weiteres Ziel von Mars One. Laut der MIT-Analyse sind aktuelle Technologien zum „Backen“ von Wasser aus dem Boden jedoch noch nicht einsatzbereit, insbesondere im Weltraum.
Das Team führte auch eine integrierte Analyse der Ersatzteilversorgung durch – wie viele Ersatzteile bei jeder Gelegenheit an eine Marskolonie geliefert werden müssten, um sie am Laufen zu halten. Die Forscher fanden heraus, dass mit dem Wachstum der Kolonie Ersatzteile die zukünftigen Lieferungen zum Mars schnell dominieren und bis zu 62 Prozent der Nutzlasten von der Erde ausmachen würden.Für die eigentliche Reise zum Mars berechnete das Team auch die Anzahl der Raketen, die benötigt wurden, um die ersten vier Siedler und nachfolgende Besatzungen auf dem Planeten zu etablieren, sowie die Kosten der Reise.
Nach dem Mars One-Plan wären sechs Falcon Heavy-Raketen erforderlich, um vor der Ankunft der Astronauten erste Vorräte zu liefern. Aber die MIT-Bewertung festgestellt, dass diese Zahl zu sein „zu optimistisch“: Das Team stellte fest, dass die benötigten Vorräte stattdessen 15 Falcon Heavy-Raketen erfordern würden. Allein die Transportkosten für diese Etappe der Mission, kombiniert mit dem Start der Astronauten, würden 4,5 Milliarden Dollar betragen — ein Preis, der mit zusätzlichen Besatzungen und Vorräten zum Mars steigen würde. Die Forscher sagen, dass diese Schätzung nicht die Kosten für die Entwicklung und den Kauf von Ausrüstung für die Mission beinhaltet, was die Gesamtkosten weiter erhöhen würde.Olivier de Weck, MIT-Professor für Luft- und Raumfahrt sowie technische Systeme, sagt, die Aussicht auf den Bau einer menschlichen Siedlung auf dem Mars sei aufregend. Um dieses Ziel zu verwirklichen, werden jedoch Innovationen in einer Reihe von Technologien und eine strenge Systemperspektive erforderlich sein, sagt er.“Wir sagen nicht, schwarz und weiß, Mars One ist nicht machbar“, sagt de Weck. „Aber wir denken, dass es unter den Annahmen, die sie gemacht haben, nicht wirklich machbar ist. Wir weisen auf Technologien hin, die hilfreich sein könnten, um mit hoher Priorität in sie zu investieren, um sie auf den Weg der Machbarkeit zu bringen.“Eine der großartigen Erkenntnisse, die wir gewinnen konnten, war, wie schwer es ist, dies zu erreichen“, sagt Doktorandin Sydney Do. „Es gibt einfach so viele Unbekannte. Und um jedem das Vertrauen zu geben, dass er dorthin kommt und am Leben bleibt — es gibt noch viel zu tun.“
Do und de Weck präsentierten ihre Analyse diesen Monat auf dem International Astronautical Congress in Toronto. Zu den Co-Autoren gehören die MIT-Doktoranden Koki Ho, Andrew Owens und Samuel Schreiner.
Simulation eines Tages auf dem Mars
Bei der Analyse der Mars One-Mission verfolgte die Gruppe einen systembasierten Ansatz, indem sie zunächst verschiedene Aspekte der Missionsarchitektur wie Lebensraum, Lebenserhaltungssysteme, Ersatzteilbedarf und Transportlogistik bewertete und dann untersuchte, wie jede Komponente zum gesamten System beiträgt.
Für den Habitat-Teil simulierte Do den Alltag eines Mars-Kolonisten. Basierend auf dem typischen Arbeitsplan, dem Aktivitätsniveau und den Stoffwechselraten von Astronauten auf der Internationalen Raumstation (ISS) schätzte Do, dass ein Siedler täglich etwa 3.040 Kalorien verbrauchen müsste, um auf dem Mars am Leben und gesund zu bleiben. Er bestimmte dann Kulturen, die eine einigermaßen ausgewogene Ernährung bieten würden, einschließlich Bohnen, Salat, Erdnüsse, Kartoffeln und Reis.Do berechnete, dass die Produktion von genug dieser Pflanzen, um Astronauten langfristig zu ernähren, etwa 200 Quadratmeter Anbaufläche erfordern würde, verglichen mit der Schätzung von Mars One von 50 Quadratmetern. Wenn, wie das Projekt plant, Pflanzen innerhalb des Lebensraums der Siedler angebaut werden, stellte Do fest, dass sie unsichere Sauerstoffgehalte produzieren würden, die die Brandschutzschwellen überschreiten würden, was eine kontinuierliche Einführung von Stickstoff erfordert, um den Sauerstoffgehalt zu reduzieren. Im Laufe der Zeit würde dies Stickstofftanks erschöpfen und den Lebensraum ohne Gas verlassen, um Lecks auszugleichen.
Als die Luft im Inneren des Habitats weiter leckte, würde der gesamte atmosphärische Druck sinken und eine bedrückende Umgebung schaffen, die den ersten Siedler innerhalb von geschätzten 68 Tagen ersticken würde.Mögliche Lösungen, sagt Do, könnten entweder die Entwicklung einer Technologie zur Extraktion von überschüssigem Sauerstoff oder die Isolierung der Pflanzen in einem separaten Gewächshaus sein. Das Team erwog sogar, Stickstoff aus der Marsatmosphäre zu verwenden, stellte jedoch fest, dass dies ein unerschwinglich großes System erfordern würde. Überraschenderweise war die billigste Option, alle benötigten Lebensmittel von der Erde zu liefern.“Wir haben festgestellt, dass das Tragen von Lebensmitteln immer billiger ist als der Anbau vor Ort“, sagt Do. „Auf dem Mars braucht man Beleuchtungs- und Bewässerungssysteme, und für die Beleuchtung benötigen wir 875 LED-Systeme, die mit der Zeit ausfallen. Sie müssen also Ersatzteile dafür bereitstellen, wodurch das ursprüngliche System schwerer wird.“
Verdrehen der Knöpfe
Wie das Team feststellte, würden Ersatzteile im Laufe der Zeit die Kosten für anfängliche und zukünftige Missionen zum Mars erheblich erhöhen. Owens, der die Nachlieferung von Ersatzteilen bewertete, stützte seine Analyse auf Zuverlässigkeitsdaten, die aus NASA-Reparaturprotokollen für bestimmte Komponenten auf der ISS abgeleitet wurden.
„Die ISS basiert auf der Idee, dass man, wenn etwas kaputt geht, schnell zu Hause anrufen und ein neues Teil bekommen kann“, sagt Owens. „Wenn Sie ein Ersatzteil auf dem Mars haben wollen, müssen Sie es alle 26 Monate senden, wenn ein Startfenster geöffnet ist, und dann 180 Tage warten, bis es dort ankommt. Wenn Sie Ersatzteile vor Ort herstellen könnten, wäre das eine massive Ersparnis.“Owens verweist auf Technologien wie den 3D-Druck, die es Siedlern ermöglichen könnten, Ersatzteile auf dem Mars herzustellen. Aber die Technologie, wie sie heute existiert, ist nicht weit genug fortgeschritten, um die genauen Abmessungen und Funktionen vieler platzsparender Teile zu reproduzieren. Die MIT-Analyse ergab, dass sich 3D-Drucker sprunghaft verbessern müssen, oder die gesamte Infrastruktur der Marssiedlung muss neu gestaltet werden, damit ihre Teile mit der vorhandenen Technologie gedruckt werden können.Während diese Analyse das Mars One-Programm entmutigend aussehen lässt, sagen die Forscher, dass das von ihnen entwickelte Siedlungsanalysetool helfen könnte, die Machbarkeit verschiedener Szenarien zu bestimmen. Anstatt beispielsweise Besatzungen auf Einwegreisen zum Planeten zu schicken, wie hoch wären die Gesamtmissionskosten, wenn die Besatzungen gelegentlich ersetzt würden?“Mars One ist eine ziemlich radikale Idee“, sagt Schreiner. „Jetzt haben wir ein Werkzeug entwickelt, mit dem wir herumspielen können, und wir können einige der Knöpfe drehen, um zu sehen, wie sich die Kosten und die Durchführbarkeit der Mission ändern.“Tracy Gill, Technology Strategy Manager bei der NASA, sagt, dass das Tool für die Bewertung anderer Missionen zum Mars anwendbar sein könnte, und weist auf einige Szenarien hin, die die Gruppe möglicherweise mit dem Siedlungsanalysetool untersuchen möchte. „Dies kann Missionsplanern einen Vorteil bieten, da sie ein größeres Spektrum von Missionsarchitekturen mit mehr Vertrauen in ihre Analyse bewerten können“, sagt Gill, der nicht zur Forschung beigetragen hat. „Zu diesen Architekturen gehören Optionen, die vom vollständigen Anbau aller Lebensmittel in situ mit bioregenerativen Systemen über die Verpackung aller Lebensmittelprodukte von der Erde bis hin zu verschiedenen Kombinationen dieser beiden Extreme reichen.“
Einige der Studenten dieses Projekts wurden von NASA-Stipendien unterstützt.