Willst du eine Reise zum Mond? Bis dahin sind es nur noch vier bis fünf Tage – zumindest mit One-Way-Ticket. Für die Capstone-Mission der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA ist der Mond jedoch drei bis vier Monate alt. Die fast mikrowellengroße Mini-Raumsonde soll eine treibstoffsparende Route erproben. In Zukunft werden größere unbemannte Missionen zum Mond die gleiche Route verfolgen.
MDR WISSEN ist es erstmals gelungen, einen NASA-Mitarbeiter für ein Interview zu gewinnen. Wir sprachen mit Elwood Agassid über Capstone – ein Akronym für Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment.
„Viele Leute fragen nach dem Namen und ich nenne ihn einfach Capstone, weil der andere gesprächig ist. Und es ist eigentlich ziemlich schwierig, sich daran zu erinnern, um ehrlich zu sein“, gibt Agassid zu. Er ist stellvertretender Programmmanager für das Small Spacecraft Technology Program, das die Agentur in naher Zukunft in Mond- und Marsumgebungen testen will. Als Teil des Mondprogramms von Artemis ist Capstone einer von ihnen.
Capstone: Ein Leitfaden für die bemannte Raumfahrt
Capstone ist für Agassid eine Art Fingerzeig auf das Lunar Gateway, eine geplante Raumstation, die Mitte der 2020er-Jahre bis zu 15 Jahre lang den Mond umkreisen soll. Es ist als Zwischenstopp für Astronauten auf ihrem Weg zur Mondoberfläche konzipiert.
Doch es gibt ein Problem: Eine solche Raumstation braucht nicht nur Wasser und Sauerstoff für ihre Besatzung. Vor allem braucht es Treibstoff. Diese kann noch nicht im Weltraum gewonnen werden, sondern muss von der Erde hergebracht werden. Je mehr Kraftstoff Sie transportieren, desto schwerer wird die Ladung. Je schwerer die Ladung, desto mehr Schub braucht die Rakete, um aus dem Orbit zu kommen – also: Mehr Treibstoff wird benötigt.
Auf dem direkten Weg zum Mond, der durchschnittlich rund 384.400 Kilometer lang ist, verbraucht man zu viel Treibstoff. Und um in der Mondumlaufbahn zu bleiben, muss das Gateway Korrekturmanöver durchführen. Um Treibstoff zu sparen, hat die NASA zwei spezielle Umlaufbahnen gewählt. Capstone muss sie testen.
Der Weg zum Mond: Capstone und das Mondportal
Auf dem Weg zum Mond muss Capstone einen ballistischen Transfer zum Mond durchführen. Die Raumsonde nutzt die Schwerkraft der Erde, der Sonne und des Mondes, um von der Anziehungskraft des Satelliten erfasst zu werden. „Es dauert einige Zeit, mit diesem ballistischen Mondtransfer zum Mond zu gelangen. Es braucht nicht so viel Sprit“, sagte Agassid.
Sobald die Sonde ihren Höhepunkt erreicht hat – den am weitesten von der Erde entfernten Punkt – wird sie die Gravitationskraft des Mondes nutzen, um an dem Punkt, der dem Mond am nächsten ist (Perigäum), in ihre Umlaufbahn einzutreten. Das wird in 1,5 Millionen Kilometern passieren.
“Das Raumschiff startet dann kreisförmige Verbrennungen, um es in seine endgültige Position zu bringen” – in der NRHO-Umlaufbahn (fast geradlinige Halo-Umlaufbahn, auch als Halo-Umlaufbahn bekannt). Anders als bei den Apollo-Missionen wird das Raumschiff den Mond nicht am Äquator umkreisen, sondern an den Polen.
Eintritt in die Umlaufbahn von Halo
Das ist wichtig für das zukünftige Lunar Gateway, weil „es für Kommunikationszwecke eine kontinuierliche Sicht auf die Erde hat. Es ist auch eine sehr stabile Umlaufbahn, die nicht viel Treibstoff benötigt, um die Station zu unterhalten“, sagte Agassid.
Capstone wird den Nordpol alle sieben Tage in einer Entfernung von etwa 1.600 Kilometern umkreisen. Der Südpol ist 70.000 Kilometer entfernt. Capstone nutzt dazu den „Lagrange-Punkttyp und die Schwerkraft der Erde und des Mondes“, und Agassid sagt, es seien nur wenige Korrekturmanöver erforderlich, um im Orbit zu bleiben.
Autonom in der ganzen Galaxie
Die Raumsonde wird viele solcher Manöver nicht durchführen können. Kraftstoff macht nur 20 Prozent ihres Gewichts aus. Bei 25 Kilogramm sind das fast fünf Kilogramm Kraftstoff. Ausreichend, denn “derzeit geht es vor allem darum, die Anforderungen für das Fliegen im Halo-Orbit zu charakterisieren und zu bestimmen, wie viel Treibstoff benötigt wird.”
Ein weiteres Ziel der sechsmonatigen Mission sind die Navigations- und Kommunikationsfähigkeiten des Raumfahrzeugs. Auf dem Mond wird Capstone mit dem Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) vernetzt. Er ist seit 2009 auf dem Mond und hat ihn vollständig kartiert.
Die Querverbindung ermöglicht es Capstone, seine Position autonom zu bestimmen. Dazu verwendet die Sonde ein Hochfrequenzsignal, das mithilfe eingebetteter Hardware und Software zwischen Capstone und dem LRO hin und her gesendet wird. Capstone misst dann die Signalgeschwindigkeit, um die Position zu bestimmen.
Was die Leute nicht wissen, ist, dass alle Deep-Space-Missionen der NASA – ehrlich gesagt alle Deep-Space-Missionen, ob es sich um die Europäische Weltraumorganisation, die NASA oder andere internationale Weltraumagenturen handelt – von Grund auf kontrolliert werden.
Elwood Agassid, stellvertretender NASA-Programmmanager
Wann beginnt die Capstone-Mission?
Capstone soll am 13. Juni an Bord einer modifizierten kleinen Elektronen-Trägerrakete des privaten Raumfahrtunternehmens Rocket Lab ins All starten. Die Rakete kann bis zum 22. Juni täglich vom Startkomplex 1 am Weltraumbahnhof auf der Mahiya-Halbinsel in Neuseeland gestartet werden.
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