Hubschrauber Rundflug auf dem Mars

Realität oder Fiktion? Machen Sie sich auf eine Überraschung gefasst!
Ihre Kinder oder Enkelkinder werden vielleicht in gar nicht allzu ferner Zukunft als Mars-Touristen folgendes Angebot von uns nutzen können:

Alles nur Fiktion und schöner Traum? Eines zumindest wird tatsächlich bald zur Realität: Der erste Hubschrauber soll bereits 2021 auf dem Mars fliegen. Dann zwar noch ohne Mars-Touristen, dafür mit zahlreichen Messinstrumenten und Kameras ausgestattet. 

Wenn mich jemand fragt: “Warum muss die Menschheit überhaupt zum Mars?”, antworte ich gerne: “Aus dem gleichen Grund, aus dem Christoph Kolumbus Amerika entdecken und erkunden musste”. Als Heliflieger aus Leidenschaft und Ingenieur für Luft- und Raumfahrt begeistert mich der Mars-Heli mit dem Namen “Ingenuity”  – zu deutsch: “Einfallsreichtum“ – besonders. Er vereint meine Leidenschaft für die Raumfahrt mit der für Hubschrauber. Und so möchte ich Sie gerne in diese schöne neue Welt der Space-Copter mitnehmen.

Führen Sie sich mal kurz vor Augen, in welch besonderer Zeit wir leben:

Mehrere hunderttausend Jahre war die Menschheit in ihrer Geschichte an den Erdboden gebunden und blickte sehnsüchtig zu den Vögeln und Sternen auf. Gerade mal vor ca. 130 Jahren fand der erste kontrollierte Gleitflug eines Menschen statt. Der Deutsche Luftfahrtpionier Otto Lilienthal ging mit dieser Leistung in die Geschichte ein. Inzwischen sind Flugreisen für uns Teil des Alltags geworden. Vor ungefähr 70 Jahren begann der berühmte “Wettlauf ins All”. So wurde Juri Gagarin im Jahr 1961 der erste Mensch, der im Weltraum die Erde umkreiste. Der Wettlauf führte schließlich vor gut 50 Jahren mit Neil Armstrong, Buzz Aldrin und den folgenden Apollo-Astronauten auf den Mond. Erst Ende Mai 2020 hat SpaceX als erstes privates Raumfahrtunternehmen zwei Astronauten wohlbehalten zur Internationalen Raumstation ISS befördert. Zum ersten mal sind dabei Astronauten mit Hilfe eines wiederverwendbaren Boosters gestartet und läuten damit ein nachhaltigeres und kostengünstigeres Zeitalter der Raumfahrt ein. Damit hat SpaceX Geschichte geschrieben und den Weg für eine neue Ära der bemannten Raumfahrt eröffnet, in der sowohl Raumfahrzeuge als auch Trägersysteme wiederverwendet anstatt wie Einmalhandtücher weggeworfen werden. Wir gehören nun zu den ersten Generationen in der Menschheitsgeschichte, die ihren Heimatplanet verlassen und den Raum um uns erkunden können. Während wir niemals vergessen sollten, wo unsere wahre Heimat ist, haben wir die Möglichkeit, die Menschheit auf andere Himmelskörper auszuweiten und zugleich unseren Heimatplaneten zu schützen, indem wir ihn mit Satelliten beobachten, um Daten über den Klimawandel, Ausbeutung von Ressourcen, Zerstörung von Regenwäldern und vieles mehr zu gewinnen. Die Raumfahrt ist zugleich eine der größten Chancen aber auch Herausforderungen unserer Generation und wir dürfen stolz sein, Teil dieses evolutionären Schrittes der Menschheit zu sein.

Doch nun zum Mars-Heli mit dem Namen “Ingenuity”. Welche Einsätze wird er auf dem Mars fliegen? Der Mars-Heli soll den Rover mit dem Namen “Perseverance” (zu deutsch: “Ausdauer”) unterstützen. Als autonom fliegender Begleiter kann der Space-Copter Ingenuity dem Mars-Rover helfen, interessante Ziele und die beste Route dorthin auszuwählen. Stellen Sie sich vor, sie wandern querfeldein durch unwegsames Gelände und haben eine Drohne dabei, mit der Sie aus der Luft mögliche Ziele und den besten Weg ausfindig machen können. So wie das Ihnen die Wanderung erleichtern würde, erleichtert Ingenuity dem Mars-Rover die Arbeit und sorgt für eine effizientere Missionsdurchführung. 

Der Mars-Rover Perseverance sammelt, analysiert und lagert unter anderem Proben von Marsgestein, wie in dieser Simulation der NASA verdeutlicht:

In einer zukünftigen Mission sollen diese Proben zur Erde gebracht werden. Damit soll die Bewohnbarkeit des Mars für Menschen analysiert werden. Können mit Marsstein oder Marssand Marshäuser gebaut werden? Je mehr Ressourcen wir für unsere ersten Siedlungen direkt vom Mars verwenden können, desto weniger müssen wir von der Erde mitbringen. Der Marsrover sucht außerdem nach Zeichen von einstigem Leben auf dem Mars und versucht, aus der CO2-Atmosphäre Sauerstoff zu gewinnen. Dabei hat der neue Perseverance Rover viele Teile von seinem kleinen Bruder, dem Rover Curiosity,  kopiert. Durch die Verwendung von Komponenten, die sich auf dem Mars bereits bewährt haben, kann die Missionssicherheit weiter erhöht werden.

Der Mars-Copter Ingenuity fliegt in nur 3 bis 10 Metern Höhe und legt in dieser Marsmännchen-Kniehöhe eine Strecke von bis zu 300 Metern zurück. Sein Hauptrotor ist als “Koaxialrotor” angeordnet. Dabei drehen sich zwei Rotoren gegenläufig, sodass auf einen Heckrotor verzichtet werden kann – das gibt es auch hier auf der Erde. Lesen Sie hierzu unseren Blogartikel zu den Rotor-Konzepten von Hubschraubern.

Der Mars Heli Ingenuity ist ganz schön klein. Sein Rumpf ist nur ca. 10cm breit, der Rotordurchmesser beträgt aber immerhin 1,2m. Der ganze Mars Heli wiegt weniger als 2kg.

“Wiegt” ist dabei ein Begriff, mit dem wir hier sehr vorsichtig umgehen sollten. Der Mars Heli hat eine Masse von 1,8 kg – egal ob auf der Erde oder auf dem Mars. Sein Gewicht ist aber auf dem Mars viel niedriger als auf der Erde. Das liegt an der geringeren Anziehungskraft des roten Planeten. Sie beträgt nur rund 38% der Anziehungskraft, die wir auf unserem Planeten Erde gewohnt sind und die uns hier auf dem Boden der Tatsachen festhält. Die gleiche Masse fühlt sich auf dem Mars also “leichter” an, als auf der Erde. Statt 1,8kg käme es einem auf dem Mars so vor, als würde man nur 680g heben. Sie denken sich jetzt bestimmt: “Ist doch super! Ein leichterer Heli kann sicher auch leichter fliegen als ein schwerer Brocken”. Das stimmt, aber auf dem Mars ist nicht nur die Gravitation anders, auch die Atmosphäre. Und das hat große Auswirkungen…

Alle Helis und auch Flugzeuge hätten ohne die Gase einer Atmosphäre nichts, woran sie sich nach oben “abstoßen” können. Das haben wir im Detail in unserem Blogbeitrag und E-Book “Warum kann ein Hubschrauber überhaupt fliegen und wie steuert man ihn” erklärt.

Hier auf der Erde haben wir eine relativ dichte Atmosphäre, die sich vor allem aus den Gasen Stickstoff und Sauerstoff zusammensetzt, die wir atmen. Die Marsatmosphäre besteht dagegen fast vollständig aus CO2, auch bekannt als Kohlenstoffdioxid. Lebensfeindliche Bedingungen für Menschen. Ob Sauerstoff, Stickstoff oder CO2 wäre unserem Mars-Heli noch relativ egal. Eines aber macht ihm zu schaffen: Seine Rotoren haben fast nichts zu “greifen”, woran sie sich hochschrauben könnten. Die Atmosphäre des Mars ist nämlich dünner als 1% der Erdatmosphäre. Das liegt am fehlenden Magnetfeld. Moment – was hat denn das Magnetfeld mit unserer Atmosphäre zu tun?

Auf der Erde umspannt ein starkes Magnetfeld unseren ganzen Planeten. Dieses Magnetfeld richtet nicht nur unsere Kompassnadeln nach Norden aus, sondern schützt uns auch vor gefährlichen Sonnenwinden und kosmischer Strahlung, indem es diese an unserem Planeten vorbeilenkt. Nur in den Polarregionen kommen die geladenen Partikel des Sonnenwindes der Erde nahe – es entstehen die bekannten Polarlichter. Jedoch schützt das Magnetfeld nicht nur uns, sondern auch die ganze Erdatmosphäre. Ohne das starke Magnetfeld der Erde würden uns die Sonnenwinde unsere Atmosphäre Stück für Stück entreißen. Genau so geschieht es auf dem Mars, der kein eigenes Magnetfeld mehr hat. Die Marsatmosphäre ist daher inzwischen dünner als 1% der Erdatmosphäre.

Aber immerhin gibt es überhaupt eine Atmosphäre! Ohne sie wäre ein Mars-Heli-Flug nämlich gar nicht möglich! Die dünne Luft macht dem Mars-Heli zwar zu schaffen, aber sie reicht gerade noch aus.

Wie muss nun ein Heli konstruiert sein, der auf dem fremden Planeten zwar “leichter” ist, aber kaum Atmosphäre zur Verfügung hat, in der er sich empor schrauben kann? Es hilft ein einfacher Zusammenhang aus der Aerodynamik, mit dem der Auftrieb beschrieben wird:

Der Auftrieb wird am größten, wenn

• die Dichte der Atmosphäre groß ist, 
• die Strömungs-Geschwindigkeit groß ist und 
• die Fläche der Rotorblätter groß und deren Form günstig ist.

Der Heliflieger.com-Heli und der Mars-Heli: Die Proportionen von Rotorblättern und Rumpf unterscheiden sich wegen der unterschiedlichen Atmosphäre deutlich. [Quelle: Eigene Darstellung mit Bildmaterial der NASA]

Die Dichte der Marsatmosphäre ist aber, wie wir schon festgestellt haben, sehr klein, daher muss also die Fläche der Rotorblätter größer werden und sie müssen sich zudem schneller drehen. Und genau so wurde der Mars-Heli auch gebaut! VergleichenSie sich doch mal unseren Heli für den Flug in der dichten Erdatmosphäre mit dem Mars-Heli: Bei unserem gelben Planet-Erde-Heli können schmale Rotorblätter eine große Masse tragen. Bei dem Mars-Heli tragen große Rotorblätter nur eine kleine Masse. Während bei unserem irdischen Heli die Rotordrehzahl bei ungefähr 400 Umdrehungen pro Minute liegt, dreht sich der Rotor des Mars-Helis mit 2400 Umdrehungen pro Minute sechsmal so schnell. Nur mit diesen großen, schnellen Rotoren und der kleinen Masse kann der Mars-Heli überhaupt abheben.

Auf dem Mond, der gar keine Atmosphäre hat, wäre ein Mond-Heli-Flug deswegen überhaupt nicht möglich! Es gäbe nichts, woran sich die Rotoren empor schrauben könnten. Weil es keine Atmosphäre gibt, würde ein Mond-Heli nie abheben. Egal, wie groß man den Rotor auch bauen würde und egal, wie schnell sie sich auch drehen würden.

Ein ausgebildeter Mars-Heli-Pilot sitzt in einem Kontrollzentrum auf der Erde und steuert? Nein! Der Mars ist so weit weg, dass Funksignale je nach Konstellation der Planeten Erde-Mars zwischen 3 und 22 Minuten von der Erde zum Mars brauchen. Und genauso lange wieder zurück. Bis das Signal eines Erdpiloten zum Mars-Hubi gelangt ist und ein Videobild zum Piloten zurück kommt, dauert es also im schlimmsten Fall fast eine ¾ Stunde. So kann man keinen Heli steuern. Stellen Sie sich vor, Sie fahren eine ¾ Stunde mit geschlossenen Augen Auto und sehen danach das Video, wo Sie überhaupt hingefahren sind. Sicher keine gute Idee.

Der Mars-Heli ist also auf sich alleine gestellt. Er fliegt autonom! Von der Erde aus kann zwar vorgegeben werden, wo der Mars Heli hinfliegen soll, die Flugbewegungen führt der Mars Heli aber vom Start bis zur Landung aber ganz alleine aus. Für uns als Hubschrauberpiloten ist der Gedanke,  von einem Computer ersetzt zu werden fast ein bisschen gruselig – aus Ingenieurssicht aber doch auch faszinierend.

Mit dem ersten Mars-Heli wird primär getestet, ob ein autonomer Flug in der Mars-Atmosphäre überhaupt möglich ist. Geplant sind zunächst fünf Flüge innerhalb der ersten 30 Missionstage. Schon viele Marsmissionen haben in der Vergangenheit ihren ursprünglich geplanten Missionszeitraum aber deutlich überschreiten können. Wir dürfen also auf mehr Flüge hoffen. 

Sie wollen noch mehr über den Mars-Hubschrauber wissen? Dieses Video eines Youtubers gibt gute Einblicke.

Dafür werden wir einen eigenen Blogeintrag schreiben. Ich kann Ihnen schon jetzt versprechen: Ohne ein paar Formeln geht da nichts. Aber lassen Sie sich drauf ein! Mathe und Physik sind richtig erklärt faszinierend – vergessen Sie, was manche Leute sagen. Es sind die wichtigsten Disziplinen, um nicht nur unsere Welt, sondern auch fremde Welten das ganze Universum zu verstehen. Ich werde versuchen, von Schallgeschwindigkeit über Isentropenexponent bis zum Auftrieb alles für Laien verständlich zu erklären. Ich bin selbst schon auf die Ergebnisse gespannt und hoffe, dass sich meine Begeisterung etwas auf Sie übertragen hat.

Bis wir zum ersten gemeinsamen Mars-Heli Rundflug aufbrechen wünsche ich Ihnen visionäre Träume von einer neuen Welt. Lassen Sie uns dabei aber nie unsere wahre Heimat vergessen. Und lassen Sie uns unsere Heimat, den Planeten Erde gemeinsam bewahren!

Freitag, 24.7.2020, München, Deutschland, Europa, Planet Erde