Astronaut Edwin 'Buzz' Aldrin steht neben einer US-Flagge auf der Mondoberfläche. Im Nachhinein immer noch erstaunlich, dass diese erste Mondlandung mit Apollo 11 im Juli 1969 so glatt ging. Bildrechte: imago/UIG

Raumfahrt Warum ist eine Mondlandung so kompliziert?

04. Mai 2023, 16:01 Uhr

Egal ob der Mond oder ein anderer Himmelskörper wie ein Planet oder Asteroid: Eine Landung auf einem fremden Objekt ist immer eine Herausforderung. Dabei zu scheitern ist quasi bereits vorbestimmt, wie wir es gerade wieder bei der japanischen Mondmission erlebt haben. Nur wenigen Missionen sind erfolgreiche Landungen bisher gelungen. Eine Forschungsgruppe hat sich angeschaut, warum eine sanfte Landung auf dem Mond oder anderen Objekten so schwer ist.

von Patrick Klapetz

Inhalt des Artikels:

• Landeversuche mit Triebwerken sind eine große Herausforderung
• Sichere Landung auf fremden Himmelskörpern, dank Simulation
• Die nächste Mondlandung sollte glücken – aber wann?

Ansetzen zur ersten kommerziellen Mondlandung hieß es am Dienstag, den 25. April 2023. Doch beim Ansetzen blieb es auch, denn die japanische Mission Hakuto-R konnte nur mit einer harten Landung trumpfen und scheiterte damit bei ihrem Versuch, den Mond erfolgreich zu besetzen. Das private japanische Raumfahrtunternehmen ispace ist damit in guter Gesellschaft. Eine Landung auf einem fremden Himmelskörper ist alles andere als einfach, es ist ein wahres Kalkül. 

Egal ob der Mond, der Mars, ein Asteroid oder in Zukunft auch andere Himmelskörper wie beispielsweise ein Eismond vom Jupiter oder ein Saturnmond: Die sichere Ankunft bei einem dieser Himmelskörper ist bereits eine Herausforderung, eine sichere und damit sanfte Landung ähnelt einem Glücksspiel.

Hierfür müssen sie nicht einmal ins Weltall schauen. Stellen Sie sich einfach eine Notlandung auf der Erde vor. Die Landebahnen auf Flughäfen sind eben, es gibt keine Steine oder Unebenheiten, die einfach auf der Landestrecke liegen. Wenn ein Flugzeug nun aber in der Pampa notlanden muss, sollten Sie lieber ihre Daumen gerückt halten. Selbst bei einer sicheren Notlandung nimmt das Flugzeug meistens schweren Schaden. 

Landeversuche mit Triebwerken sind eine große Herausforderung

Das Terrain ist unbekannt, uneben, uneinsichtig. Ähnlich wie auf einem fremden Himmelskörper. Hier sind die Landefähre jedoch senkrecht herab und die Düsen des Raumfahrzeugs wirbeln damit ganz schön viel Staub auf. Die Abgasfahne der Triebwerke verursacht Erosion und wirbelt Regolithpartikel auf. Die daraus resultierende Staubdecke kann zu einem gefährlichen Brownout-Effekt führen, der die Sicht einschränkt und möglicherweise das Raumfahrzeug oder nahe gelegene Geräte beschädigt.

Schematische Darstellung des Auftreffens der Triebwerksfahne und des anschließenden staubhaltigen Gasstroms, der durch den Auswurf von Feststoffpartikeln aus dem Regolith bei der Mondlandung entsteht. Bildrechte: Omid Ejtehadi, Myong Rho Shin, Sohn Ilyoup, Kim Byoung Jae (Nachdruck: Rahimi et al., Acta Astronaut, Elsevier)

Ein Brownout ist kein exotischer Sonderfall! Man muss immer mit ihm rechnen. Die üblichen Ursachen für einen Brownout, eine Abschaltung einzelner Systeme, sind leer werdende Batterien und der normale Ausschaltvorgang, wenn in der Stromversorgung ein größerer Kondensator ist. Bei einer bevorstehenden Landung alles andere als hilfreich. 

Sichere Landung auf fremden Himmelskörpern, dank Simulation

Eine Forschungsgruppe hat deshalb jetzt ein Modell entwickelt, das die Wechselwirkung zwischen einem Raketenschweif und der Oberfläche eines planetarischen Körpers unter vakuumnahen Bedingungen beschreibt. 

"Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen dem Raketenschweif und der Oberfläche ist wichtig für die Sicherheit und den Erfolg von Weltraummissionen", erklärt Byoung Jae Kim von der Chungnam National University. Er ist einer der Autoren der Studie. Für ihre Berechnungen haben die Forschenden die "Kontamination und Erosion, die Genauigkeit der Landung, den Schutz des Planeten und das technische Design" sowie das wissenschaftliche Verständnis für die künftige Erforschung des fremden Himmelskörpers berücksichtigt. 

Mit dem Modell können Vorhersagen über Partikelbahnen getroffen werden. Laut Kim könne dies Schäden an der Landefähre vermeiden, man könne aber auch bestimmte Abstiegs- und Aufstiegsszenarien an verschiedenen Standorten simulieren. 

Parametrische Studie über die Höhe des staubigen Bettes für zwei verschiedene Partikeldurchmesser: 5 μm (a)-(c) und 50 μm (d)-(f). Links: Konturen der Feststoffdichte (kg/m3) auf der Symmetrieebene, Mitte: Konturen der radialen Gasgeschwindigkeit, die den Linien der Feststoffdichte auf der Symmetrieebene überlagert sind, und rechts: Draufsicht auf eine Isofläche der Feststoffdichte, gefärbt durch die Geschwindigkeit (m/s). Bildrechte: Omid Ejtehadi, Myong Rho Shin, Sohn Ilyoup, Kim Byoung Jae (Nachdruck: Rahimi et al., Acta Astronaut, Elsevier)

In so einer Simulation wird dann die Form und Größe der Wolke berechnet und welche Auswirkungen sie auf ihre Umgebung hat. Dazu gehören die Temperatur und der Druck sowohl der Wolke als auch des darunterliegenden Landeplatzes. Außerdem kann die Menge des erodierten oder verdrängten Materials bestimmt werden. 

Die Forschungsgruppe zeigt mit ihrem Modell, dass kleine Regolithpartikel große Höhen erreichen und während des Auf- und Abstiegs schwere Brownout-Effekte verursachten. Größere Partikel würden dagegen mit größerer Schichthöhe zu einem günstigeren Brownout-Status führen. "Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse über die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Wechselwirkung zwischen Boden und Oberfläche können zur Entwicklung effektiverer und effizienterer Landetechnologien beitragen", sagt Kim. 

Die nächste Mondlandung sollte glücken – aber wann?

Die Ergebnisse des Forschungsteams können zur Bewertung der Sicherheit und Durchführbarkeit eines vorgeschlagenen Landeplatzes führen. Zusätzlich können die Informationen zur Optimierung der Konstruktion von Raumfahrzeugen und Raketentriebwerken für Planetenlandungen verwendet werden. Laut dem Forschungsteam soll das neue Modell rechnerisch effizientere Daten liefern, als frühere Methoden es möglich gemacht haben – ob dem tatsächlich so ist, bleibt abzuwarten.

Das Team will sein Modell weiter ausbauen, um auch komplexere physikalische Prozesse wie chemische Reaktionen und Kollisionen von Feststoffteilchen einzubeziehen. Vielleicht werden dadurch zukünftige Landungen auf fremden Welten ein weniger schweres Unterfangen, als sie es bisher sind. Die Raumfahrt steckt nach über 60 Jahren halt immer noch in ihren Kinderschuhen. 

Künstlerisches Konzept des Starship HLS von SpaceX, das auf dem Mond landen soll. Bildrechte: SpaceX

Das hat zuletzt auch der gescheiterte Jungfernflug des Starships von SpaceX gezeigt – auch wenn das private Raumfahrtunternehmen die Sprengung seines Raumschiffs dennoch als Erfolg verkauft. Das Modell des Wissenschaftsteams könnte für das Human Landing System (HLS) von Elon Musk interessant sein. Mit dem HLS, einem umgebauten Starship, soll das Unternehmen nämlich die ersten Astronauten seit der Apollo-Ära auf die Mondoberfläche bringen. 

Ob Artemis III tatsächlich 2025 zum Mond aufbrechen wird, bleibt abzuwarten. Derzeit sieht es eher nach einer Verzögerung der dritten Mondmission des Artemis-Programms aus. Denn der nächste Testflug des Starships wird wohl erst in einigen Monaten erfolgen können – wenn die US-amerikanische Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) dem Unternehmen überhaupt eine neue Startlizenz genehmigt. 

Studie

Die Studie wurde am 25. April 2023 unter dem Titel "Full continuum approach for simulating plume-surface interaction in planetary landings" (engl. Vollständiger Kontinuumsansatz für die Simulation der Wechselwirkung zwischen Schreif und Oberfläche bei der Landung auf einem Planeten) im Fachmagazin Physics of Fluids veröffentlicht.