über der Mondoberfläche.Raum
In meinem vorherigen Artikel „Lunar Orbital Congestion Is Gonna Be A Thing“ habe ich die Möglichkeit angesprochen, dass Orbitalstauungen und Trümmer früher zum Problem auf dem Mond werden, als die meisten Menschen denken würden. Dieser Artikel konzentrierte sich auf das Problem von Satelliten in einer niedrigen Mondumlaufbahn (LLO). Dieses Gebiet zwischen 30 und 1.000 km ist für entfernte Bildgebungs- und Kommunikationskonstellationen sehr attraktiv, da die Nähe zur Oberfläche ihre Leistung erhöht. Satelliten in diesen niedrigen Umlaufbahnen fliegen schnell über die Mondoberfläche und eine kontinuierliche Abdeckung erfordert eine große Anzahl von ihnen. So haben sich die Erdorbitbeobachtung (Planet) und Kommunikationskonstellationen (Starlink) entwickelt.
Startplätze, ein Observatorium und eine Satellitenschüssel, erstellt am 29. März 2018. (Illustration von Adrian Mann/Future Publishing über Getty Images)Zukünftige Veröffentlichung über Getty Images
Heutzutage sind Satelliten teuer und es kostet viel Energie, sie zum Mond zu bringen. Daher sind die meisten vorgeschlagenen Pläne für die Vermessung und Kommunikation des Mondes weniger ehrgeizig als die Umlaufbahnkonstellationen der Erde. Sie sind auf nur wenige Satelliten in höheren, elliptischen Umlaufbahnen angewiesen, von denen aus sie große Flächen abdecken können, unterliegen aber größeren Beobachtungsentfernungen und Kommunikationslatenzzeiten. Im letzten Artikel habe ich vorhergesagt, dass wir bis 2030 1.000 Satelliten in Mondumlaufbahnen sehen werden. Diese aggressive Prognose geht von einem erheblichen Kostenrückgang sowohl bei den Start- als auch bei den Satellitenkosten aus, was meiner Meinung nach unvermeidlich ist. Wenn ich richtig liege, kann der überfüllte Raum um den Mond zu internationalen Konflikten und/oder einem lästigen Trümmerproblem führen, ähnlich dem, das den Low Earth Orbit (LEO) heimsucht.
Eine Peinlichkeit des Raketenreichtums
Raumstation.Greg Autry
Dies ist das goldene Zeitalter des Weltraumstarts. Wir verfügen über leistungsstarke Startsysteme, die von Regierungsbehörden und staatlich gegründeten Unternehmen entwickelt wurden, darunter die russische Sojus, die europäischen Vega- und Ariane-Raketen, Chinas Long March-Serie und Japans H-IIA. Eine wachsende Zahl äußerst konkurrenzfähiger kommerzieller Raketen führt dazu, dass diese Regierungssysteme wirtschaftlich schnell überflüssig werden. Dazu gehören: der Atlas V von United Launch Alliance (ULA), der Falcon 9 von SpaceX, der Antares von Orbital ATK / Northrup Grumman und der Electron von Rocket Lab. Mehrere vielversprechende Startlösungen befinden sich in der Testphase, darunter der Alpha von Firefly, die Astra Launch System 2 Rocket, der Terran von Relativity Space und LauncherOne von Virgin Orbit (Moment der Stille). Für Satellitenunternehmen ist das eine Schande des Reichtums. Der Wettbewerbsdruck nimmt zu, Herstellungsprozesse werden verbessert und Skaleneffekte werden genutzt. Infolgedessen ist der Startpreis für Nutzlasten in die erdnahe Umlaufbahn (LEO) von vielen Zehntausend Dollar pro Kilogramm auf unter 5.000 Dollar gesunken. Auch die Preise für die Lieferung zum Mond sinken und werden weiter sinken.
Aber warten Sie, es gibt noch mehr!
Prototypen auf der Sternenbasis in der Nähe von Brownsville, Texas.Greg Autry
Mehrere neue Raketen stehen kurz vor der Markteinführung, darunter die Vulcan-Centaur von ULA, die New Glenn von Blue Origin, das Starship/Super Heavy von SpaceX und die Neutron von Rocket Lab. Diese Fahrzeuge der nächsten Generation versprechen mehr Leistung, höhere Effizienz und deutlich geringere Markteinführungskosten. Mittlerweile erkennt die Satellitenindustrie Skaleneffekte und Standardisierung in der Fertigung. Das Fazit ist, dass in den nächsten Jahren für bemerkenswert wenig Geld eine Menge Kleinsatelliten zum Mond gebracht werden könnten. Die einzige verbleibende Frage ist, ob jemand all diese Satelliten an LLO senden möchte?
Wie ich im vorherigen Artikel festgestellt habe, sind nutzbare LLO-Umlaufbahnen durch das kleinere Umlaufvolumen des Mondes und die durch Massenkonzentrationen (Mascons) verursachten Gravitationsanomalien stark eingeschränkt. Der Platzbedarf im Orbit ist äußerst begrenzt und – da es keine Koordination oder kein Gesetz gibt, das die Besetzung dieser wünschenswerten Orbits verhindert – müssen die Regeln des „First Mover Advantage“ gelten. Wenn jemand das Mondoberflächenbeobachtungs- und Kommunikationsgeschäft mit geringer Latenz für das nächste Jahrhundert besitzen möchte, ist es eine kluge Geschäftsstrategie, seine Satelliten in den erstklassigen Bereich niedriger, stabiler Umlaufbahnen zu bringen, noch bevor die Marktnachfrage eintritt. Wenn dies relativ günstig möglich ist, kann ich mir nicht vorstellen, warum ein kluger Unternehmer nicht ein oder zwei Raumschiffe voll mit preiswerten Satelliten packen und die Mondwirtschaft ankurbeln würde. Tatsächlich würde ich darauf wetten. Vorausgesetzt, dass es gut gemacht wird, würde ich es begrüßen, denn die Vorteile der Mondentwicklung versprechen viel für die gesamte Menschheit und unseren blauen Planeten.
Die erstklassigen Immobilien des Mondes
Im vorherigen Artikel wurde darauf hingewiesen, dass die Überlastung der Umlaufbahn um die Erde nicht auf LEO beschränkt ist. Wir finden auch viele Satelliten im Geostationären Orbit (GEO), einem Bogen 35.786 km über der Erde. In dieser Entfernung bewegen sich Satelliten mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erdrotation und wenn sie sich über dem Äquator befinden, scheinen sie dort zu „schweben“. Wenn Sie Ihre Satelliten-TV-Antenne jemals auf einen Punkt am südlichen Horizont (im Norden, wenn Sie sich in Down Under befinden) ausgerichtet haben, zielen Sie auf einen dieser Punkte. Es gibt keine „mondstationäre Umlaufbahn“, weil ein solcher Punkt so weit über dem Mond läge, dass er durch die stärkere Anziehungskraft der Erde gestört würde, aber es gibt etwas Ähnliches.
Das Mondäquivalent von GEO sind zwei Punkte im Weltraum, die als Erde-Mond-Lagrange-Punkte 1 und 2 (L1 und L2) bekannt sind. Diese gravitativ stabilen Punkte im Weltraum liegen etwa 60.000 km über dem Mond. L1 liegt zwischen Erde und Mond; Stellen Sie sich den Ort vor, an dem die relative Anziehungskraft der größeren Erde und des kleineren Mondes im Gleichgewicht ist. L2 ist 180° entfernt, auf der anderen Seite des Mondes, in gleicher Entfernung. Alle Himmelssysteme mit zwei Körpern haben diese Lagrange-Punkte, an denen sich ein dritter Körper niederlassen kann. Noch interessanter ist, dass es möglich ist, etwas in die Umlaufbahn um den leeren Raum von L1 oder L2 zu bringen. Dies ist als „Halo-Umlaufbahn“ bekannt. Das James-Webb-Weltraumteleskop befindet sich in einer Halo-Umlaufbahn um den L2-Punkt im Sonne-Erde-System, Millionen Meilen von der Erde entfernt, gegenüber der Sonne. Mehrere Weltraumwettersatelliten befinden sich auf der L1-Achse Sonne-Erde und weitere sind geplant. Zu ihnen gehört das Deep Space Climate Observatory (DSCOVR), das uns frühzeitig vor potenziell gefährlichen Sonnenstürmen warnt und herrliche Bilder des Erde-Mond-Systems liefert.
Erde-Mond L2 ist ein großartiger Ort, um einen Satelliten für die Kommunikation mit Landern oder Rovern auf der anderen Seite des Mondes zu platzieren, und China hat dort seinen Queqiao-Relaissatelliten stationiert, um seine Chang’e 4-Lander- und Yutu-2-Rover-Mission zu unterstützen. Das Lunar Gateway, ein von der NASA führendes multinationales Weltraumhabitat, wird in einer speziellen Halo-Umlaufbahn um L2 platziert, die als Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO) bezeichnet wird. Diese einwöchige Umlaufbahn hat ein Ende, das das Andocken der Weltraumkapsel Orion ermöglicht, und ein anderes an einem guten Ort, um einen Lander auf der Mondoberfläche abzusetzen. Das ist wichtig, da das Servicemodul von Orion nicht über die nötige Energie verfügt, um Orion in den LLO zu bringen, einen Lander abzuwerfen und aus dieser Umlaufbahn zurückzukehren, um zur Erde zurückzukehren. Die Entscheidung, übrig gebliebene Shuttle-Orbital-Manövriertriebwerke (6.000 Pfund Schub) als Antrieb für die große Orion-Kapsel zu verwenden, machte sie deutlich weniger mondtauglich als das Apollo-Kommandomodul. Eine Apollo-Kapsel wog etwa halb so viel wie eine Orion und verfügte über ein ähnliches, aber viel leistungsstärkeres Servicemodul-Antriebssystem (21.900 Pfund Schub). Dieses Defizit eröffnete die Gelegenheit für Gateway, eine Lösung, die während meiner Zeit im NASA-Hauptquartier entwickelt wurde. Während sein ursprünglicher Zweck darin bestand, diese Lücke zu schließen, habe ich argumentiert, dass das Gateway genau die Art von flexibler Infrastruktur ist, die die NASA in einer Vielzahl zukünftiger Missionen nutzen kann. Auch eine große Beteiligung am wertvollen L2-Viertel ist keine schlechte Idee.
Untergehen?
Diagramm eines Mondraumaufzugs
Star Technology and Research, Inc./Jerome Pearson und Bryan Derksen über Wikimedia
Eine Möglichkeit, die Notwendigkeit leistungsstarker Raketen zum Betreten und Verlassen von LLO zu vermeiden, wäre ein Lunar Space Elevator. Ein solcher Aufzug würde auf einem Kabel fahren, das an L1 oder L2 befestigt ist und bis zu einem Oberflächenpunkt am Äquator des Mondes reicht. Menschen und Material könnten mit Mondseilbahnen mit sehr geringem Energieaufwand von der Mondoberfläche in eine hohe Umlaufbahn und zurück transportiert werden. Das System erfordert ein Ausgleichskabel, das in die andere Richtung verläuft. Zephyr Penoyre und Emily Sandford, Wissenschaftler aus Cambridge und Columbia, veröffentlichten einen Artikel, der darauf hinwies, dass das Kabel möglicherweise so nah an die Erde heranreichen könnte wie der GEO-Bogen. Erdgestützte Weltraumaufzüge gibt es schon seit langem, aber obwohl es theoretisch möglich ist, ein Kabel von GEO zu einem Ort außerhalb von Quito, Ecuador (oder einem anderen äquatorialen Ort) zu verlegen, ist dies praktisch unmöglich. Kein Material, das derzeit in großen Mengen hergestellt werden kann, könnte den Belastungen standhalten, die mit dem Gewicht eines Weltraumaufzugskabels unter der Schwerkraft der Erde einhergehen. Mehrere Ingenieure – darunter NASA-Führungskräfte, mit denen ich dieses Thema erkundet habe – sind sich einig, dass Kabel aus traditionellen Materialien wie Stahl für die Schwerkraft des Mondes ausreichen würden. Dies macht L1 zu einem sehr wertvollen Stück Orbitalgrundstück. Begehrt wäre auch der Ankerpunkt am Mondäquator unterhalb von L1. L2 wurde auch als Standort für die Montage und den Start von Schiffen aus Mondmaterial tiefer in das Sonnensystem vorgeschlagen. Ein Weltraumaufzug an diesem Punkt würde eine solche orbitale Werft und einen solchen Raumhafen ermöglichen. L1 und L2 könnten sich als Suez und Gibraltar des cis-Mondraums und als Brennpunkte internationaler Konflikte erweisen.
Wie Sie der Abbildung entnehmen können, gibt es noch drei weitere Lagrange-Punkte. L3 befindet sich auf der anderen Seite der Erde, direkt gegenüber dem Mond. Es gibt wirklich nicht viele offensichtliche Gründe, L3 zu verwenden. L4 und L5 hängen seitlich ab und an jedem dieser Punkte könnten sich optische Kommunikationssatelliten befinden, um Übertragungen von einem Satelliten an L2 weiterzuleiten. Umlaufbahnen um L5 wurden vom Weltraumsiedlungspionier Gerard K. O’Neill in seinem bahnbrechenden Buch „The High Frontier“ als stabile Standorte zur Lokalisierung großer menschlicher Weltraumlebensräume vorgeschlagen. Tatsächlich trat ich der L5-Gesellschaft als Schüler in der High School bei und meine erste weltraumpolitische Arbeit bestand darin, mit anderen L5-Mitgliedern gegen den Mondvertrag zu kämpfen. Bereits 1980 überzeugten wir den US-Senat, dieses fehlgeleitete UN-Abkommen nicht zu ratifizieren, das den Mond (und möglicherweise den gesamten Weltraum) in ein grenzenloses wissenschaftliches Reservat verwandelt und die kommerzielle Erschließung des Weltraums ungefähr so schwierig gemacht hätte wie in der Antarktis. Dies hätte der gesamten Menschheit die wirtschaftlichen Vorteile des Weltraums vorenthalten und unserem Planeten das ultimative Ablassventil für seine Umweltbelastungen verwehrt. Ich bin jetzt stolz darauf, als Vizepräsident für Weltraumentwicklung für die Nachfolgeorganisation der L5 Society, die National Space Society, zu fungieren. Wenn Sie unsere Vision einer besseren Zukunft mit Menschen, die im Weltraum leben und arbeiten, teilen, schließen Sie sich bitte an.
Fortgesetzt werden…
In meinem nächsten Artikel in dieser Reihe werde ich mich mit dem potenziellen Problem befassen, dass Staub und von der Oberfläche abgeschleuderte Raketen die Umlaufbahnen des Mondes verschmutzen. Ich plane auch, politische Lösungen für das Orbital-Überlastungsmanagement zu erforschen, die die kommerzielle Entwicklung des Mondes zum Wohle der Erde und aller Menschen auf ihr fördern, anstatt sie zu behindern.
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Klinischer Professor für Weltraumführung, -politik und -wirtschaft an der Thunderbird School of Global Management, ASU. Vorsitzender der Sicherheitsarbeitsgruppe des Commercial Space Transportation Advisory Committee (COMSTAC), FAA. Überprüfungsteam der NASA-Agentur (2016–2017). Fmr. Verbindungsperson des Weißen Hauses der NASA. Ernennung zum CFO der NASA. Vizepräsident, National Space Society.
Ehemaliger Software- und Netzwerkingenieur und leitete Teams in diesen Sektoren. Gründung von Startups in den Bereichen Videospiele, Computernetzwerke, Gesundheits-IT und Material-Upcycling. Ich habe an der UC Irvine, USC und dem Graduiertenprogramm der ISU/Florida Tech im Bereich kommerzielle Raumfahrt unterrichtet.
MBA und PhD (Management/Wirtschaftspolitik), University of California, Irvine.
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