Marskolonisation

Pläne zur Marskolonisation beschäftigen sich mit der dauerhaften Besiedlung (Kolonisation) des Planeten Mars durch Menschen. Obwohl es erste wissenschaftliche Untersuchungen zum Thema gibt, die bis zum radikalen Terraforming gehen, war die Marskolonisation bis Ende des 20. Jahrhunderts hauptsächlich ein Gegenstand der Fiktion. Mit neuen Plänen der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Europäische Weltraumorganisation (ESA) zu einem bemannten Marsflug ist sie jedoch einen Schritt näher gerückt.

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1 Randbedingungen

Der Mars ist in mancher Hinsicht ein verhältnismäßig erdähnlicher Planet:

Ein Marstag ist um lediglich 37 Minuten länger als ein Erdtag.
Die Polkappen bestehen aus Eis.
Die Temperaturen erreichen in Äquatornähe etwa 20 °C am Tag
Die Oberfläche beträgt zwar nur 28,4 % der Erde entspricht, ist jedoch kaum kleiner als die Landfläche der Erde (29,2 % der Erdoberfläche).
Seine Anziehungskraft beträgt etwas mehr als ein Drittel der Erdanziehungskraft. Die dadurch verminderte körperliche Belastung wird als vorteilhaft für die Erhaltung der Gesundheit unter den sonstigen Mars-Bedingungen angesehen.
Eine, wenn auch geringe, Atmosphäre ist vorhanden.
Die Neigung seiner Drehachse ist geringfügig größer als die der Erde, im Ergebnis hat der Mars jedoch Jahreszeiten wie die Erde.

Dennoch gibt es gravierende Unterschiede zur Erde:

Die Stärke des planetaren Magnetfelds beträgt nur ca. ein Hundertstel des Erdmagnetfelds und bietet damit nur sehr wenig Schutz gegen die kosmische Strahlung. Bereits nach drei Jahren wären die Höchstwerte nach den Sicherheitsrichtlinien der NASA für Astronauten erreicht.
Die Atmosphäre ist sehr dünn (7,6 Promille der Erdatmosphäre) und würde also Druckanzüge erforderlich machen. Auch ist der Sauerstoffgehalt (0,146 %) zu gering, Wasser ist nur in Spuren vorhanden. Hauptbestandteil der Atmosphäre ist Kohlendioxid mit mehr als 95 Prozent. Das Erreichen einer erdähnlichen Zusammensetzung der Luft und Anpassung des Drucks gestaltet sich schwierig. Einige Theorien gehen davon aus, dass das Magnetfeld nach der Erstarrung des inneren Teil des - heute vollständig flüssigen - Kernes zurückkommt; in welchen Zeitraum dies jedoch passieren wird, ist umstritten.^[1]
Die Temperatur an der Oberfläche schwankt bereits in Äquatornähe um rund 100 Grad Kelvin. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur beträgt −23 °C in Äquatornähe und −140 °C im Bereich der Polkappen.

2 Hindernisse und mögliche Lösungen

2.1 Hinflug

Bei der großen und stark schwankenden Entfernung zwischen Erde und Mars würden sich Reisen zum Mars sehr aufwändig gestalten. Unter Verwendung heutiger Technologien benötigt ein Raumschiff zwischen 6 und 10 Monaten für die Hinreise. Die Startfenster für den Idealfall ergeben sich aus der Nähe zwischen Erde und Mars.

2.2 Lebenserhaltung

Bei einer dauerhaften Besiedlung muss die Versorgung mit Nahrungsmitteln und Atemluft unabhängig vom ständigen Nachschub von der Erde ermöglicht werden. Unabdingbar ist die 100%-ige Wasseraufbereitung von Anfang an. Die Konsequenz ist also der mittelfristige Aufbau eines geschlossenen biologischen Systems, bei dem die Kolonisten ihre Nahrung selbst anbauen bzw. herstellen. Diskutiert werden auch gentechnische Veränderungen, die eine Anpassung der Pflanzen an die neue Umgebung ermöglichen.

2.3 Kommunikation

Der Kontakt mit der Erde wäre schwierig, da die Übertragungsdauer des Signals mit der Entfernung zwischen 3 Minuten und 6 Sekunden bei günstiger Opposition (kleinste Entfernung) und 22 Minuten und 18 Sekunden bei ungüstiger Konjunktion (größter Entfernung) schwankt. Innerhalb eines Dialoges, also einer Unterhaltung zwischen einer Station auf der Erde und der Station auf dem Mars, kommen so Pausen von 6 Minuten und 12 Sekunden bis 44 Minuten und 36 Sekunden zwischen den Nachrichten zustande.

2.4 Strahlung

Wegen der dünnen Atmosphäre und dem geringeren Magnetfeld ist die Marsoberfläche einer sehr viel höheren Strahlungsdichte ausgesetzt als die Erdoberfläche. Kosmische Strahlung und Sonnenwind treffen nahezu ungebremst auf Gebäude, technische Geräte und Menschen. Strahlenkrankheit und Ausfall von Elektronik ist die Folge. Folgende Vorkehrungen sind möglich:

Eingraben: Eine mögliche Kolonie wird zuerst auf der Oberfläche errichtet und anschließend durch Marsboden abgedeckt. Diese Methode würde nicht nur vor Strahlung, sondern auch vor kleinen Meteoriten schützen, die durch die Atmosphäre bis zum Marsboden gelangen.
Panzerung der Gebäude: Unter Verwendung vorhandener Ressourcen oder auch mit mitgebrachten Materialien ließe sich eine absorbierende Verstärkung der Decke erreichen.
Abschirmung mit künstlichen Magneten ^[2]: Bei genügender Energieversorgung könnte man große elektromagnetische Felder als Ersatz für das fehlende Marsmagnetfeld zur Ablenkung von schnellen Ladungsträgern verwenden.
Durch natürliche Formationen: Es ist bekannt, dass es auf der Marsoberfläche regional starke Unterschiede im Magnetfeld gibt. Bei der Einrichtung einer Kolonie in einem solchen Gebiet relativ starker Feldstärke könnte sie durch diese natürlichen Felder geschützt werden.

2.5 Energieversorgung

Eine leistungsfähige Energieversorgung für Heizung und Nahrungsmittelproduktion ist für eine Kolonie lebensnotwendig. Folgende Ansätze werden diskutiert:

2.5.1 Solar

Die Nutzung von Sonnenkollektoren und Solarzellen zur Energiegewinnung ist bei bisherigen Raummissionen eine große Hilfe gewesen. Zählt man als weiteres Argument die Solarkonstante (590 W/m² bei gemittelter Entfernung Sonne-Mars) hinzu, so stellt man fest, dass die Solarenergie als Hauptenergielieferant dienen kann. Wolken aus gefrorenem Kohlendioxid können bis zu 40 % des einstrahlenden Sonnenlichts absorbieren, was ein gewisser Nachteil ist.

2.5.2 Nuklear

Im Wesentlichen gibt es zwei Möglichkeiten zur Nutzung von Kernenergie:

Der Radioisotopengenerator (RTG): ist ein in der Raumfahrt bestens erprobtes Gerät zur Energiebereitstellung über lange Zeit. Sein größter Nachteil liegt aber in der Energieausbeute. Sie ist zwar beständig, aber gering und aufgrund der Halbwertszeit der radioaktiven Elemente ständig abnehmend. Da man aber davon ausgehen kann, dass eine Kolonie einen hohen und im Laufe der Zeit steigenden Energiebedarf hat, müssten fortlaufend neue RTGs ins Energienetz integriert werden. Allerdings ist der Wirkungsgrad pro Masseeinheit (Nutzung von rund 8% der abgestrahlten Energie) nicht sehr hoch, während die Kosten von etwa 75 Millionen US-Dollar pro RTG nicht zu unterschätzen sind. Alternativ wäre die Nutzung der kosmischen Strahlung für diesen Zweck zu erforschen.
Der Kernreaktor: Ein mitgeführter Kernreaktor dürfte je nach Energieausnutzung das Problem relativieren. Die Sowjetunion hat bereits Erfahrungen mit orbitalen Reaktoren gemacht (siehe RORSAT), allerdings benötigt eine Kolonie eine weit höhere Energieausbeute und -effizienz pro Masseeinheit, denn ansonsten wären die sicherheitstechnisch weniger problematischen RTGs die bevorzugte Wahl.

Die NASA arbeitet zurzeit an der Verwendung von Stirlingmotoren und Alkalimetallen bei RTGs, die den Wirkungsgrad auf 15-20% steigern und somit die Nutzung effizienter machen könnten.

2.5.3 Andere

Es besteht natürlich immer die Möglichkeit, dass auf dem Mars Ressourcen gefunden werden, die durch chemische Prozesse nutzbare Energie freisetzen, deswegen sei der Vollständigkeit halber diese Möglichkeit noch erwähnt. Auch sollte man die Möglichkeit einer areothermischen (analog zu "geothermisch" auf der Erde) Energiegewinnung nicht außer Acht lassen, allerdings müssten dafür noch weitere Studien durchgeführt werden. Auch soll es möglich sein, Windkraft zu nutzen, da es, wie zahlreiche Sandstürme belegen, viel Windenergie auf dem Roten Planeten gibt.

2.6 Transport von der Erde zum Mars

Als Ausgangsort für Marsmissionen und -kolonien bietet sich der Mond an, da man von dort aufgrund der geringeren Fluchtgeschwindigkeit leichter Masse in den Raum befördern kann.

Ein Orbitallift lässt sich sowohl auf dem Mond als auch auf dem Mars einfacher als auf der Erde realisieren und würde sich wirtschaftlich wahrscheinlich innerhalb relativ kurzer Zeit amortisieren.

2.7 Transporte auf dem Mars

Marsrover mit RTGs böten sich als erstes Transportmittel an, obwohl ein Betreiben über diese aufgrund der zu befördernden Nutzlasten nicht sonderlich effizient wäre. Hydrazin als Treibstoff stellte vielleicht eine Alternative dar, je nach Synthetisierbarkeit auf dem Mars gäbe es auch andere Varianten.

Diese Rover sollten - wenn möglich - Wohnmodule enthalten, da mehrtägige Forschungsfahrten wünschenswert sind. Beim Aufbau mehrerer Kolonien könnte man diese mit Magnetschwebebahnen verbinden, die aufgrund der geringeren Atmosphäre wesentlich höhere Geschwindigkeiten als auf der Erde erreichen könnten. Allerdings müssten sie aus demselben Grund separate Lebenserhaltungsmodule sein, die auch bei Notfällen wie Druckverlust und Entgleisungen die Insassen über längere Zeit am Leben erhalten könnten.

Da eine Atmosphäre vorhanden ist, müsste man die Möglichkeit von Fluggeräten wie Luftschiffen oder Flugzeugen untersuchen. Experimente auf der Erde haben gezeigt, dass Ballons bei genügend Volumen auch bei sehr geringem Druck fliegen und Lasten heben können.^[3] Bei einer dünneren Atmosphäre müsste ein Flugzeug entsprechend schneller fliegen, um denselben Auftrieb zu erhalten.

Auf dem Mars selbst müsste man angepasste Weltraumanzüge verwenden, denn die für Schwerelosigkeit ausgelegten Anzüge sind sehr schwer und starr. Als Alternative könnte man enger anliegende Anzüge, ähnlich einem Tauchanzug verwenden, die zur Gewährleistung des nötigen Drucks sehr enganliegend sein müssten. Bei Ausstattung mit Heizelementen und einem Drucklufthelm ermöglicht ein solcher Anzug wahrscheinlich die notwendige Bewegungsfreiheit für Außenmissionen unter Schwerkraft. Zurzeit in der Entwicklung befinden sich allerdings starre, einer Rüstung ähnliche Raumanzüge mit Kunststoffgelenken.

3 Terraforming

Erklärtes Ziel des Terraformings ist die Umwandlung des unwirtlichen Mars in einen Lebensraum, der an die Physiologie des Menschen angepasst ist. Idealerweise soll sich der Mensch nach Abschluss dieses Prozesses auch ohne Druckanzug und Atemgerät im Freien aufhalten können. Terraforming ist keine Bedingung für die Besiedlung des Mars, könnte aber die Lebensqualität erheblich verbessern.

Durch den hohen Kohlendioxidgehalt bietet es sich an, zunächst intensiv die Photosynthese zu betreiben, um Sauerstoff zu erzeugen und langfristig die Atmosphäre zu verändern. Dieser Prozess kann zunächst in einem geschlossenen System stattfinden.

Terraforming eines ganzen Planeten würde einen immensen Aufwand erfordern. Es würde Jahrzehnte oder länger dauern, ehe auch nur die ersten Ergebnisse sichtbar wären. Der gesamte Prozess muss über mehrere Jahrhunderte hinweg gesteuert werden. Die langfristige Stabilität des Ergebnisses bleibt aber umstritten. Deshalb ist aus privatwirtschaftlicher Sicht eine solche Investition kaum denkbar, womit es wahrscheinlich nur als gemeinschaftsstaatliches Projekt in Angriff genommen werden würde. Am wahrscheinlichsten ist, dass Terraforming erst in späterer Zukunft von eventuellen dort sesshaften Kolonisten durchgeführt wird, die ihre eigene Lebensumstände verbessern wollen. Bei ihnen dürfte das Interesse daran groß sein.

4 Fiktionen

Kim Stanley Robinsons "Marstrilogie" aus den 1990er Jahren zeichnet sehr detailliert die technischen und sozialen Schwierigkeiten einer Marskolonisation.
Andreas Eschbachs Pentalogie "Das Marsprojekt"" befasst sich mit dem Alltagsleben möglicher Marskolonisten.
Andere Werke wie der Film "Die totale Erinnerung – Total Recall" zielen mehr auf Unterhaltung ab und sind weniger am wissenschaftlich Machbaren interessiert.