China betritt Neuland auf dem Mond

Ein Überblick über die nächsten Phasen des chinesischen Mondforschungsprogramms


Am 21. Mai 2018 startete ein kleiner chinesischer Satellit namens Queqiao („Elsternbrücke“), der bei der für Ende 2018 geplanten ersten Landung eines Raumfahrzeugs – Chang’e-4 – auf der erdabgewandten Seite des Mondes eine ganz entscheidende Rolle spielen wird. Da es zwischen der Erde und der erdabgewandten Seite des Mondes keine direkte Funkverbindung gibt, wird der Relaissatellit Queqiao in nicht ganz einer halben Million Kilometern Entfernung von der Erde am 2. Erde-Mond-Lagrange-Punkt stationiert, wo sich die Gravitations- und Fliehkräfte aufheben, so daß der Satellit dort – mehr als 60.000 km jenseits des Mondes – stabil schweben wird. Von dort hat er Funkverbindung sowohl zur Erde als auch zur erdabgewandten Seite des Mondes und kann daher Daten, die von der Landesonde Chang’e-4 gesammelt und gesandt werden, zur Erde und umgekehrt Steuerbefehle von der Erde zur Landesonde auf dem Mond weiterleiten.

Diese komplizierte Mission der beiden Raumfahrzeuge wird detaillierte Daten über diejenige Hälfte der Mondoberfläche liefern, die wir bisher nur mit kurzen Blicken gestreift haben – zuerst mit der sowjetischen Mission Luna-3 (1959), dann durch die Apollo-Astronauten und später durch unbemannte Sonden, die den Mond umkreisten.

Der Name des Satelliten, Queqiao, bezieht sich auf das alte chinesische Märchen von der Elstern-Brücke, das auf das 6. Jh. v.Chr. zurückreicht: Eine Weberin und ein Kuhhirte sind nach dieser Überlieferung getrennt durch den Silberfluß, der die Milchstraße versinnbildlicht. Die beiden Liebenden können nur an einem einzigen Tag des Jahres über eine Brücke zusammenkommen, die Elstern mit ihren Flügeln bilden. In gleicher Weise dient der Satellit als Brücke zwischen der Erde und der Sonde Chang’e-4.

Das chinesische Mondprogramm verfolgt Schritt für Schritt immer anspruchsvollere Ziele. Die dreiphasige Chang’e-Serie begann 2007 mit einer Mondumkreisung. Die nächste Mission war eine Mondlandung, die 2013 mit der Sonde Chang’e-3 gelang. Der letzte Schritt wird die Rückführung einer Probe von Mondgestein zur Erde sein, was wahrscheinlich 2020 stattfinden wird.

„Eine Mission der Erstleistungen“

Die Landung auf der erdabgewandten Seite gehörte ursprünglich gar nicht zu den geplanten Schritten dieses dreiphasigen Mondprogramms. Chang’e-4 wurde ursprünglich als Reserve für die Mondlandesonde Chang’e-3 gebaut. Doch da die Mission erfolgreich war, mußte sie nicht wiederholt werden, und so konnte man das Landefahrzeug für einen anderen Zweck einsetzen. Die Wissenschaftler wählten dafür eine Mission aus, die bisher noch nie versucht wurde: Eine Landung auf der erdabgewandten Seite des Mondes. Und im Zuge dieser Erweiterung des Mondprogramms öffneten die chinesischen Wissenschaftler die Mission auch der internationalen Zusammenarbeit.

Neben seiner Hauptaufgabe als Relaisstation für die Kommunikation wird Queqiao auch radioastronomische Experimente durchführen, dazu ist er mit dem chinesisch-niederländischen Niederfrequenz-Explorer (LFE) ausgerüstet. Wenn alles klappt mit der Stationierung des Relaissatelliten, wird Chang’e-4 dann im Dezember gestartet. Die Landesonde ist mit einer Landekamera, einer Bodenkamera, einem Niederfrequenz-Spektrometer und dem „Lunar Lander Neutron Dosimetry“ (LND)-Experiment ausgestattet, die allesamt in Deutschland entwickelt wurden.

Als ein weiteres Novum wird die Landesonde Chang’e-4 eine „Minibiosphäre“ mit sich führen, um auf dem leblosen Mond eine Reihe biologischer Experimente durchzuführen. Ein kleines Gefäß enthält Tomaten- und Schotenkresse-Samen und Eier von Seidenwürmern. Dieses Experiment wurde von 28 chinesischen Universitäten entwickelt. Man hofft, daß die Samen, wenn sie austreiben, den Sauerstoff erzeugen werden, den die Seidenwürmer brauchen. „Wir wollen die Atmung der Samen und die Photosynthese auf dem Mond studieren“, erklärte Lui Hanlong von der Universität Chongqing.

Die Chang’e-4-Mission wird auch sekundäre Nutzlasten mitführen und zur Mondumlaufbahn bringen. Zwei jeweils etwa 40 kg schwere Mikrosatelliten werden aufeinander abgestimmt den Mond umkreisen und dabei astronomische Ziele verfolgen. Als Test für mögliche astronomische Missionen in der Zukunft werden sie den Sternenhimmel in einem sehr niedrigen Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums beobachten. „Viele Astronomen in aller Welt haben vorgeschlagen, Beobachtungen in diesem Niederfrequenzbereich vom Weltraum aus durchzuführen“, sagte Chen Xuelei vom Nationalen Astronomischen Observatorium, „und nun sind wir stolz, daß die Chang’e-4-Mission uns die Gelegenheit bietet, den ersten Blick auf den Himmel in diesem Frequenzbereich zu werfen.“

Studenten des Harbin Institute of Technology entwickelten ein Amateurfunkexperiment, das auf dem ersten Mikrosatelliten mitfliegen wird. Der zweite wird eine Mikrokamera mitführen, die von der König-Abdullah-Stadt für Wissenschaft und Technik in Saudi-Arabien entwickelt wurde.

Vergleich der erdzugewandten und der erdabgewandten Seite des Mondes. Bildmosaike aus Aufnahmen des Lunar Reconnaissance Orbiter. | Quelle: NASA/GSFC/Arizona State University

Gegenwärtig wird in China bereits über Nachfolgemissionen diskutiert. Als eine besonders interessante Region des Mondes gilt sein Südpol. Messungen aus der Umlaufbahn deuten darauf hin, daß sich in den sehr kalten Regionen am Grund von Kratern, die sich in Dunkelheit befinden, Lager von Wassereis befinden. Im vergangenen Jahr berichtete der Vizedirektor des Chinesischen Zentrums für das Mondforschungs- und Weltraumprogramm, Pei Zhaoyu: „China wird drei Missionen zu den Polregionen des Mondes durchführen, um die geologische Struktur und mineralische Zusammensetzung seines Südpols zu untersuchen, und wir werden bei einer dieser Missionen Proben vom Mond zurückbringen.“

Dabei könnte das Südpol-Aitken-Becken eines der Ziele sein.

Warum die erdabgewandte Seite?

Vergleicht man Aufnahmen der erdzugewandten und erdabgewandten Seite des Mondes, so sieht man leicht, warum die Erforschung der etwa 40% Mondoberfläche, die niemals von der Erde zu sehen sind, uns Antworten auf Fragen zur Entstehung, Evolution und Entwicklung des Sonnensystems liefern kann. Die auffallendste Formation auf der erdfernen Seite ist das Südpol-Aitken-Becken. Es ist die älteste Formation auf dem Mond und einer der größten Einschlagkrater im Sonnensystem. Auf der erdabgewandten Seite fehlen die sog. Maria, dunkle Tiefebenen, die auf vulkanische Aktivitäten hindeuten und die erdzugewandte Seite prägen. Dies wurde lange so gedeutet, daß die Mondoberfläche auf der erdabgewandten Seite älter sei und vor diesen vulkanischen Aktivitäten gebildet wurde. Aber in jüngerer Zeit vermuten Wissenschaftler, daß die vulkanischen Formationen viel jüngeren Ursprungs sind und ihr Alter eher in Millionen als in Milliarden Jahren zu messen ist. Untersuchungen vor Ort könnten helfen, unser Wissen über das tatsächliche Alter der geologischen Formationen auf dem Mond zu verbessern.

Die Analyse des Gesteins in dem Becken anhand von Aufnahmen aus der Umlaufbahn läßt stark vermuten, daß dieses Gestein einzigartig ist. Der Krater ist so tief – etwa 6 km –, daß die Steine wahrscheinlich älter sind und eine andere Zusammensetzung haben als die, die in der Vergangenheit von amerikanischen Astronauten und russischen Robotern auf der erdzugewandten Seite eingesammelt wurden. Die Analyse solcher Gesteinsproben wird Licht auf ein Zeitalter werfen, das auf der geologisch viel aktiveren Erde schon vergangen ist, aber auf dem Mond immer noch seine Spuren zeigt.

Abgeschirmt vom elektromagnetischen „Lärm“ der Erde, bietet die erdabgewandte Seite des Mondes ein einzigartiges Fenster zu einem Teil des elektromagnetischen Spektrums, das bisher unserem Blick verborgen ist. Seit der Frühzeit der Mondforschung träumen Wissenschaftler davon, ein Radioteleskop auf der erdabgewandten Seite des Mondes zu positionieren, um im Bereich sehr niedriger Frequenzen einen „Blick“ in den Weltraum zu werfen. Dadurch soll eine ganze Bandbreite von Phänomenen sichtbar gemacht werden, darunter auch viele, die wir zwar bereits kennen, aber nun in einer anderen Wellenlänge „neu“ betrachten können, etwa um Planeten abzubilden oder Asteroiden, Kometen und Radiowellen aussendende Galaxien zu entdecken.

Man vermutet, daß der zukünftige Brennstoff für die Kernfusion, Helium-3, den der Sonnenwind auf der Mondoberfläche ablagert, auf der erdfernen Seite des Mondes stärker konzentriert sein könnte als auf der erdzugewandten (auch wenn der Ausdruck „Konzentration“ hier relativ zu verstehen ist, da der Anteil in Milliardsteln gemessen wird). Es kann sein, daß die erdzugewandte Seite des Mondes teilweise durch die Erde gegen den Sonnenwind abgeschirmt ist und daher dort weniger Helium-3 abgelagert wird. Die Feststellung, ob es hier einen Unterschied gibt, wird zu den interessantesten Ergebnissen der Mission gehören.

Während in China derzeit die letzten Tests stattfinden, um Chang’e-4 zur erdfernen Seite des Mondes schicken zu können, wird auch die Chang’e-5-Mission vorbereitet, mit der Bodenproben vom Mond zur Erde geholt werden sollen. Das Startdatum für diese Mission hängt davon ab, wann die Startrakete Langer Marsch 5 einsatzbereit ist. Die Mission, die insgesamt vier Fahrzeuge umfaßt, erfordert eine stärkere Rakete, jedoch hat es im vergangenen Juli mit dieser neu entwickelten Rakete einen Fehlstart gegeben.

Wenn die Mission zur Einsammlung einer Bodenprobe Erfolg hat, werden die Chinesen damit vier neue Rekorde in ihrem Mondprogramm aufstellen. Die Landesonde wird automatisch Proben von Mondstaub und Mondgestein sammeln. Sie wird sie automatisch in eine Kapsel einfüllen und diese hermetisch versiegeln. Die Kapsel wird dann automatisch von der Mondoberfläche zu einem Raumfahrzeug hinaufgeschossen, das auf einer Umlaufbahn um den Mond kreist, und daran andocken. Und beim Rückflug wird die Kapsel vom Orbitalfahrzeug abkoppeln und mit interplanetarer Geschwindigkeit zur Erde zurückgelangen. Aufgrund der Komplexität der Mission werden die Proben, wie bei automatischen Probenrückführungen in der Vergangenheit, auf der erdzugewandten Seite in der Nähe des Mondäquators eingesammelt werden, wo eine direkte Kommunikation mit der Erde möglich ist.

Nun planen die chinesischen Wissenschaftler die vierte Phase des Mondprogramms, die aus drei oder vier Missionen bestehen wird, die zwischen 2020 und 2030 stattfinden sollen. Geplant ist, mit der Nutzung der Ressourcen des Mondes zu beginnen. Der Entwicklungsleiter des Chang’e-Programms, Wu Weiren, erklärte im März im Fernsehsender CCTV, der Südpol könnte eines der wesentlichen Ziele für eine unbemannte Forschungsmission sein. „Da nur der Südpol des Mondes in den meisten Teilen seines Gebiets das ganze Jahr über von Sonnenlicht beschienen wird, wollen wir die Landesonde an einen Ort steuern, wo es genug Sonnenlicht und möglicherweise auch Wasser gibt, um die betreffenden Forschungen unter Nutzung der dortigen Ressourcen durchzuführen“, erklärte er. „Bisher ist noch niemand dort gelandet. Es wird also eine Erstlandung sein, wenn uns dies gelingt.“

Noch warten die chinesischen Wissenschaftler auf eine Entscheidung der Regierung, die anspruchsvollste Mission vorzubereiten – eine bemannte Mondlandung. Während der Feiern zum Nationalen Weltraumtag am 24. April 2018 sagte der Entwicklungsleiter des bemannten Weltraumprogramms, Zhou Jianping: „Wir hatten ausführliche Gespräche mit vielen Experten über die bemannte Mondforschung und haben in den letzten Jahren wichtige Technologien erforscht.“

Nach Abschluß des ersten, dreiphasigen Mondforschungsprogramms mit der Mondprobenmission Chang’e-5 wird China sein bemanntes Weltraumprogramm fortsetzen. In etwa zwei Jahren soll damit begonnen werden, eine bemannte Raumstation aufzubauen.

Von Beijing in zwei Stunden nach New York

Unterdessen arbeitet China an weiteren bahnbrechenden Wissenschafts-, Technologie- und Entwicklungsprojekten.

So haben Windtunnel-Experimente mit einem neuartigen Überschallflugzeug begonnen. Bei den Tests wurde inzwischen Mach 7 (siebenfache Schallgeschwindigkeit, rund 9000 km/h) erreicht. Dies ist nur eines von einer ganzen Reihe von Projekten für schnelle und wiederverwendbare Flugzeuge der nächsten Generation für militärische und zivile Anwendungen, darunter raketengetriebene, wiederverwendbare Weltraumflugzeuge und Überschall-Staustrahltriebwerke („Scramjets“). Wie der russische Präsident Wladimir Putin am 1. März 2018 erklärte, als er die fortgeschrittenen Waffensysteme vorstellte, an deren Entwicklung derzeit in Rußland gearbeitet wird, verleihen solche Geschwindigkeiten diesen Flugzeugen eine globale Reichweite, wodurch alle ballistischen Raketenabwehrsysteme unbrauchbar werden. Amerikanische Militärs zeigten sich schockiert über diese russischen Entwicklungen, aber tatsächlich arbeiten die Vereinigten Staaten, Rußland und China schon seit Jahrzehnten an Überschall-Staustrahltriebwerken und -Technologien.

Am chinesischen Hauptlabor für Hochtemperatur-Gasdynamik wird derzeit ein Windtunnel gebaut, in dem Rekordgeschwindigkeiten bis zu Mach 36 (50.000 km/h) erreicht werden sollen, womit China die Spitze der Überschallforschung übernähme. Ein so ausgerüstetes Flugzeug könne beispielsweise in 14 Minuten von China aus Kalifornien erreichen, und es wäre auch in der Lage, Menschen und Nutzlasten in eine Erdumlaufbahn zu bringen.

Die Windtunnel werden auch dazu genutzt, Entwürfe für wiederverwendbare Weltraumflugzeuge zu testen. Ein solches Weltraumflugzeug könnte wie ein normales Flugzeug von einem Flughafen aus starten und wieder zur Erde zurückkehren, nachdem es Fracht oder Menschen zur Umlaufbahn gebracht hat. Man entwickelt es auch mit Blick darauf, Touristen in den Weltraum zu bringen, Nachschub zur Weltraumstation zu liefern und Rettungsmissionen im Weltraum durchzuführen. Anders als das Space Shuttle wird das chinesische Modell keinen Raketenantrieb nutzen, um die für den Start in den Weltraum notwendige Geschwindigkeit zu erreichen, sondern in den höheren Schichten der Atmosphäre das Staustrahltriebwerk einschalten. Chinesischen Schätzungen zufolge könnte man so die Kosten eines Starts in eine niedrige Erdumlaufbahn auf etwa ein Zehntel der Kosten der nicht wiederverwendbaren Raketen senken.

Künstlerische Darstellung Krafft Ehrickes eines von ihm vorgeschlagenen und entworfenen Weltraumfrachters | Quelle: Krafft Ehricke

Die Chinesische Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt-Wissenschaften berichtet, daß schon 2020 Testflüge mit diesem Weltraumflugzeug durchgeführt werden sollen. Dies ist einer der Meilensteine des langfristigen Plans für die Raumfahrt, der Ende 2017 vorgestellt wurde. Dieser Plan für die Zeit bis 2040 sieht auch die Entwicklung der Schwerlast-Rakete Langer Marsch 9 (die etwa die Tragfähigkeit einer Saturn-V-Rakete haben wird) und eines komplett wiederverwendbaren Startfahrzeugs bis 2035 vor.

Sehr interessant ist auch die Erwähnung eines atomgetriebenen Weltraumshuttles, das China bis 2040 einsatzbereit machen will. Bis dahin werden Siedlungen, Bergbau und Industrieanlagen auf dem Mond einen so starken Transportbedarf haben, daß man nach den Berechnungen des verstorbenen deutsch-amerikanischen Weltraumpioniers Krafft Ehricke atomgetriebene Frachter benötigt, die im Pendelverkehr zwischen Erd- und Mondumlaufbahn fliegen. In den chinesischen Plänen heißt es, das nukleare Shuttle werde in der Lage sein, großangelegte Forschungsunternehmen sowie die Erschließung von Weltraumressourcen wie etwa Bergbau-Aktivitäten auf Asteroiden zu unterstützen.

Innovationen vorantreiben

Im vergangenen Jahr hat Chinas Luft- und Raumfahrtindustrie erstmals auf die Beiträge privater Unternehmen und Personen im Weltraumsektor zurückgegriffen. Neue Unternehmen, oft aus etablierten Einrichtungen ausgegliedert, produzieren Raketentriebwerke und Raketen, Fahrzeuge für Weltraumtouristen und Mikrosatelliten, mit dem Ziel, innovativere Technologien in die Wirtschaft einzuführen, insbesondere in den Bereich Robotertechnik, Luftfahrt und Astronautik. Derzeit gibt es zwar in China nur vielleicht ein Dutzend Luft- und Raumfahrtunternehmen, die mit technischer wie finanzieller Unterstützung staatlicher Einrichtungen Kapital suchen, aber dies ist ein Sektor, der mit Sicherheit weiter wachsen wird.

Chinas Präsident Xi Jinping hat Investitionen in Wissenschaft und Technik – als Motor für Innovationen und dadurch für das Wirtschaftswachstum – zu einem Schwerpunkt seiner Präsidentschaft erklärt. Während China die letzten Reste der Armut überwindet, wird der steigende Lebensstandard der Bevölkerung weitere Produktivitätssteigerungen ermöglichen und China sich immer mehr zu einer „innovationsbasierten Volkswirtschaft“ entwickeln.

Dieser Prozeß wird die verfügbare freie Energie vergrößern, um noch weiter in die Pionierbereiche von Wissenschaft und Technik vorzustoßen.

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