Wolfgang Baumjohann
Wolfgang Baumjohann | 29. September 2011

Menschen in der Weltraumforschung – mehr als bessere Roboter?

Die wissenschaftliche Erkundung des Weltraums, hier definiert als der Bereich zwischen der Ionosphäre der Erde in 100 km Höhe und den äußeren Grenzen unseres Sonnensystems in einigen 10 Milliarden Kilometer Entfernung, und insbesondere Messungen dort vor Ort, sind bis jetzt größtenteils durch Roboter erfolgt.

Warum?

Für das äußere Sonnensystem - jenseits der Mars-Umlaufbahn (Orbits) oder des Asteroidengürtels - gibt es eine einfache Antwort: Unsere Technologien erlauben es noch nicht, dass Menschen in diese Zonen aufbrechen und dort auf sich allein gestellt überleben können. Was das innere Sonnensystem betrifft, so liegt die Venus hinsichtlich Reisedauer zwar in Reichweite, jedoch herrschen dort und auch auf dem Merkur dermaßen feindliche Bedingungen, dass Menschen nicht überleben können.

Damit bleiben Mond und Mars, möglicherweise erdnahe Asteroiden und der erdnahe Weltraum als Ziele für bemannte Missionen. Bezüglich dieser Himmelskörper und Regionen hängt das Problem bemannte oder unbemannte Mission von einem kleinen Unterschied in der Fragestellung ab. Auf die Frage: „Sollen bemannte Missionen aufbrechen, um Mond und Mars zu erforschen?“, ist die Antwort: Nein! Auf die Frage: „Sollen bemannte Missionen aufbrechen und Mond und Mars erforschen?, ist die Antwort: Ja!

Wissenschaftliche Erforschung

Die wissenschaftliche Weltraumforschung begann 1958 mit dem Abschuss des ersten wissenschaftlichen Satelliten „Explorer-1“ in die Erd-Umlaufbahn und führte zur Entdeckung des nach dem Astronauten Van-Allen benannten Strahlungsgürtels. (Der russische Satellit „Sputnik-1“ war zwar vier Monate früher gestartet, hatte jedoch noch keine Messinstrumente an Bord.)

Abbildung 1 - Raumsonden: Darstellung eines Orbiters und eines Landers.

Während Van-Allen’s Geigerzähler noch kaum unter die Definition Roboter fielen, wurden mit Anbruch des Computerzeitalters die wissenschaftlichen Instrumente und Raumsonden immer ausgereifter und werden heute zu recht als Roboter bezeichnet. Dies trifft insbesondere auf die Marssonden „Spirit“ und „Opportunity“ zu, die - auch dem Aussehen nach typische Roboter - als Geländefahrzeuge (Rover) von 2004 bis 2011 die Marsoberfläche erkundeten.

Die von Robotern an Ort und Stelle ausgeführten Untersuchungen haben unser Wissen über den erdnahen Weltraum und unser Sonnensystem enorm erweitert. Die meisten Planeten und eine Anzahl kleinerer Himmelskörper wurden so - zumindest während eines Vorbeiflugs - besichtigt. Weitere Orbiter (Roboter, die in die Umlaufbahn eines Himmelskörpers gebracht werden) und Landeroboter (Lander) sind unterwegs, im Bau oder zumindest im Planungsstadium.

Die Frage ist: „Hätten Menschen dies besser gekonnt?“

Ja, selbstverständlich. Das Apollo Programm hat gezeigt, dass in der Wissenschaft Menschen den Computern noch überlegen sind. Allerdings muss dafür ein Preis gezahlt werden, der zu hoch ist für Wissenschaft.

Bereits in tiefer Erdumlaufbahn, am Übergang zum Weltraum, ist es beträchtlich kostspieliger, Experimente von Menschen durchführen zu lassen als von Robotern, die nach erfolgreicher Mission automatisch auf die Erde zurückkehren, wie z.B. der Foton-M Satellit. Sogar biologische und medizinische Untersuchungen können während dieser relativ billigen unbemannten Missionen im Raum-Labor vollzogen werden.

midasAbbildung 2: Das Innere des Instruments MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System). MIDAS wird an Bord der Raumsonde Rosetta den Kometen Churyomoy-Gerasimenko umkreisen und soll die physikalischen Parameter des bei Annäherung zur Sonne freigesetzten Kometenstaubs untersuchen. Das Bild zeigt u.a. das dazu verwendete Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope) und die Vorrichtungen, die den Staub zum Sensor transportieren. Das IWF ist maßgeblich an Entwicklung und Bau dieses und weiterer Instrumente zur Untersuchung des Kometen beteiligt.

Der Unterschied in den Kosten wird noch viel höher, wenn man Missionen mit automatischer Rückkehr der Roboterkapsel mit denen vergleicht, die bei der Errichtung einer Mondbasis oder gar bei bemannten Expeditionen zum Mars und zurück entstehen. Kostenschätzungen für die Errichtung einer Mondbasis belaufen sich auf 100 Milliarden € und auf 400-500 Milliarden € für ein kombiniertes Mond-Mars Programm. Dagegen liegen die Kosten eines fahrbaren Landeroboters (Rover) bei rund einer Milliarde €, die einer Rückkehr der Roboterkapsel bei 3 - 4 Milliarden €. Die Möglichkeit bei ungleich günstigeren Kosten eine höhere Zahl an Roboter-Missionen durchführen zu können, dürfte wohl das Argument aufwiegen, dass Menschen auf unvorhergesehene Situationen besser reagieren können.

Die 12-stelligen Summen in Euro oder Dollar (oder noch höherstelligeren in Yuan) sind aber sicherlich nicht der einzige Preis, der gezahlt werden muss. Unglücklicherweise hat der bemannte Raumflug bereits mehrmals unbezahlbares Gut gefordert: das Leben von Menschen. In der Vergangenheit wurden diese Katastrophen durch das Versagen menschlicher Technologien verursacht. Wenn es in der Zukunft um die Erforschung des Monds oder die Expedition zum Mars geht, kommt eine andere, ebenso gefährliche Bedrohung ins Spiel: stürmisches Weltraumwetter.

Die Sonne emittiert kontinuierlich einen Strom Energie-geladener Partikel, den sogenannten Sonnenwind. Zeitweilig treten gewaltige Eruptionen in der äußeren Schichte der Sonne auf, sogenannte koronale Massenauswürfe, die riesige Mengen an Materie, mit noch mehr hochenergetischen Ionen und Elektronen, in den umgebenden Weltraum schleudern.

Wenn solche Eruptionen solaren Plasmas auf die Erde treffen, wird der Grossteil der potentiell gefährlichen Partikel durch das Magnetfeld der Erde abgelenkt. Dieses Magnetfeld erstreckt sich über zehn- bis mehrere hunderttausend Kilometer in den Weltraum und fungiert als ein magnetischer Schutzschild, der die sogenannte Magnetosphäre von den bedrohlichen Vorgängen zumindest partiell abschirmt. Dennoch hat während derartiger Vorgänge eine Reihe unbemannter Raumschiffe die Funktion eingestellt, höchstwahrscheinlich durch schwerste Schäden an ihren elektronischen Bestandteilen hervorgerufen durch Elektronen und Ionen mit Energien von einigen hunderttausend bis Millionen Elektronenvolt.

Bis jetzt haben derartige Weltraumstürme noch kein Menschenleben gefordert, hauptsächlich deshalb, weil bemannte Flüge kaum eine tiefe Erdumlaufbahn verlassen haben, in welcher die magnetische Abschirmung besonders stark ist und den Grossteil der schädigenden Partikel ablenkt. Die Situation verändert sich bei Expeditionen zum Mond. In der Mondumlaufbahn ist das terrestrische Magnetfeld bereits sehr abgeschwächt und kann nicht mehr als Schutzschild fungieren. Tatsächlich sind mehrere Apollomissionen um nur wenige Tage bis Wochen derartigen Weltraumstürmen entronnen. Allein die Millionen Elektronenvolt an energetischen Protonen hätten für die Astronauten zumindest ein sehr hohes Krebsrisiko oder schwere Strahlenkrankheit bedeutet und zwischen den Apollo Missionen 16 und 17 vermutlich eine für alle tödlich ausgehende Katastrophe.

Es besteht Hoffnung, dass dieses Problem für Mond-Missionen lösbar ist. Die koronalen Massenauswürfe und ihre gefährlichen Partikel benötigen drei bis vier Tage um von der Sonne zur Erde zu gelangen – eben dieselbe Zeitdauer wie Astronauten für die Fahrt zum Mond brauchen. Mit der Etablierung moderner Sonnenobservatorien wie dem kürzlich errichteten STEREO (einem Paar baugleicher Raumsonden, die die Sonne und das gesamte dynamische Geschehen an der Sonnenoberfläche und in Sonnennähe beobachten), kann man sehen, wann ein koronaler Massenauswurf beginnt und die Mission verschieben, bis sich der Sturm gelegt hat.

Eine unterschiedliche Situation ist für Astronauten (Kosmonauten, Taikonauten) auf ihrer monatelangen Fahrt zum Mars gegeben. Deren Raumschiff wird die volle Kraft der Weltraumstürme erleben mit tödlichen Folgen oder zumindest schweren Strahlenschäden für die Besatzung, sofern das Raumschiff nicht massiv abgeschirmt ist. Abschirmung ist prinzipiell möglich, jedoch bedeutet dies Erhöhung des Gesamtgewichts durch dicke Schichten von Metall oder Verbundstoffen, Wassertanks oder starken magnetischen Abschirm-Vorrichtungen.

Die Entwicklung leichtgewichtiger Abschirmung gegen Sonnenstürme und gegen die noch schädlichere kosmische Strahlung, die ihren Ausgang in Supernova-Explosionen hat (ungleich andere Voraussetzungen als zur Abschirmung von Strahlung in der Nähe undichter Atomkraftwerke), wird essentielle Voraussetzung sein, um bemannte interplanetare Raumfahrt bis zum Mars und noch weiter möglich zu machen.

Klassische Erkundung

Erkundung im klassischen Sinn, das bedeutet das Vordringen zu neuen Grenzen und ein Ausdehnen des menschlichen Lebensbereichs in den Weltraum, unterscheidet sich von der vorher besprochenen wissenschaftlichen Erkundung. Hier spielt nun die Kostenfrage keine so große Rolle und auch das Risiko für das Leben steht nicht mehr zur Diskussion.

Während Leute, die ihr Leben riskieren um zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen zu gelangen, häufig als potentielle Selbstmörder angesehen werden, werden Menschen, die für irgendein größeres Ziel ihr Leben lassen, zu Helden. Ebenso wie bei der Erkundung der Polargebiete, bei den Erstbesteigungen der 8000-Meter hohen Gipfel im Himalaja und auch bei der Apollo-Mission, kommen nationales Prestige und Patriotismus mit ins Spiel und platzieren die Kosten, seien es finanzielle oder das Risiko umzukommen, in die zweite Reihe. Auch wenn sie Patriotismus oder Nationalstolz durchaus nicht befürworten, meinen viele Menschen (der Autor miteingeschlossen), dass faktische Erkundung einer höheren Förderung würdig ist als rein wissenschaftliche Erkundung. Wenn auch die meisten Weltraum-Wissenschafter nicht zustimmen werden, dass einige Kilogramm von Menschenhand mitgebrachte Marsbrocken eine halbe Billion Euros und eine mögliche Gefährdung des Lebens wert sind, so fühlen sie tief im Herzen wie alle Menschen: In der klassischen Erkundung können Roboter aufklären, aber nicht Menschen ersetzen.

Wie viele historische Erkunder werden die Weltraumerkunder während ihrer Expeditionen auch wissenschaftlich arbeiten. Gute Beispiele sind dafür Polarforscher. Oberste Priorität von Fridtjof Nansen waren nicht neue Erkenntnisse über die Polarregion, trotzdem enthält sein zweibändiger Bericht über die Reise des Schiffes „Fram“ in den Jahren 1893-96 eine Fülle an neuem Wissen über die Nordküste von Westsibirien und über das Arktische Meer.

Schlussfolgerung

Der Einsatz von Menschen für die rein wissenschaftliche Erforschung des Weltraums verbietet sich – auf Grund der exzessiv hohen Kosten und des hohen Risikos. Für die Erkundung im klassischen Sinn, das ist die Reise zu unbekannten Regionen, ist aber eine Beteiligung von Menschen unabdingbar, und die hohen Kosten und Risiken werden tragbar. Aus diesem Grund können die Impulse zur Erforschung des Weltraums nicht von der Wissenschaft ausgehen. Nichtsdestoweniger sind neue wissenschaftliche Erkenntnisse ein natürliches Nebenprodukt bemannter Expeditionen zu Mond, Mars und darüber hinaus.

 

Glossar

Asteroide (Kleinplaneten, Planetoiden): felsige und metallische Objekte mit einem Durchmesser bis zu 1000 km, die die Sonne umkreisen

Ionosphäre: äußerste Schicht der Erdatmosphäre bestehend überwiegend aus geladenen (ionisierten) Teilchen - daher der Name. Beginnt in etwa 80km Höhe und geht fließend in den freien Raum über.

Kometen: bestehen aus verschiedenen Arten von Eis, Mineralien und organischen Stoffen. Im Inneren sehr ähnliche Zusammensetzung wie Urmaterie aus der die Planeten unseres Sonnensystems entstanden sind. Bei Annäherung an die Sonne erwärmt sich der Komet und emittiert Gas und Staub (= Kometenschweif).

Lander: Raumsonde, die auf einem Himmelskörper landet und dort Forschungsaufgaben erfüllt

Orbiter: Raumsonde, die einen Himmelskörper umkreist

Rover: bemanntes oder ferngesteuertes motorisiertes Geländefahrzeug zur Erkundung, fremder Himmelskörper.

Sample Return: Proben eines Himmelskörpers oder Partikel aus dem Weltraum werden zur Erde zurückgeführt.

Unser Sonnensystem: besteht aus 8 Planeten, diversen Zwergplaneten, > 80 natürlichen Satelliten (umgangsspr. „Monden“), unzähligen Kometen sowie Asteroiden und ist erfüllt von Magnetfeldern, Strahlung jeder Art und einem steten Strom von geladenen Sonnenwind-Teilchen.

Van-Allen-Gürtel: Strahlungsfeld um die Erde, resultierend aus dem Sonnenwind und der kosmischen Strahlung
 

Weiterführende Präsentationen und Links

Informationen zu Erdkörper, Weltraum, Missionen und diesbezüglichen Aktivitäten des Instituts für Weltraumforschung

G. Kargl, Mars: Fernerkundung durch Raumsonden

C. Moestl, Hurrikans im Sonnenwind
 

Über den Autor:

Univ. Prof. Dr. Wolfgang Baumjohann ist Direktor des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz, und (teilweise federführend) in neun Satellitenmissionen in den erdnahen Weltraum und zu anderen Planeten involviert. Baumjohann gehört zu den "ISI Most-Cited Scientists" in Weltraumwissenschaften und ist Mitglied hochrangiger Gremien, Kommittes und Akademien. Forschunggebiete: Weltraumplasmaphysik, Planetare Magnetosphären.

Details: www.science-blog.at/Autoren