Rückkehr zum Mond

Lediglich die vordere Hälfte von Orion, das Modul für die Astronauten, war schon einmal kurz im All. Dieser Testflug fand am 5. Dezember 2014 statt; er dauerte nur 4 Stunden und 24 Minuten. Damals war die 3,3 Meter lange und 8,5 Tonnen schwere Raumkapsel mit einer Delta IV Heavy gestartet worden. Sie erreichte 5800 Kilometer Höhe, trat nach zwei Erdumkreisungen mit 32.000 Kilometer pro Stunde wieder in die Atmosphäre ein und wasserte im Pazifischen Ozean vor Kalifornien.

Orions zweite Komponente ist das Europäische Service-Modul (ESM). Diese Antriebs- und Versorgungseinheit der Kapsel hat einen Durchmesser von 4,1 Metern und eine Masse von 13,5 Tonnen. Sie wurde von der Firma Airbus in Bremen gebaut.

Orion bildet die Nutzlast des SLS und dient künftig vier Astronauten als Raumschiff für die Reise zum Mond und wieder zurück zur Erde. Um es ins All zu befördern, bedarf es einer Riesenrakete in der Größenordnung der legendären Saturn V, auf der die Apollo-Missionen basierten. Entsprechend groß war die Nervosität vor dem Start am Kennedy Space Center in Florida. Immer wieder war es zu Verzögerungen im Vorfeld gekommen – technische Probleme und die Ausläufer zweier Hurrikans eingeschlossen. Vorübergehend musste Artemis 1 sogar wieder vom Launch Complex 39B zurückgefahren werden. Dieser Startplatz, von dem einst die Saturn V und Space Shuttles abhoben, war zuletzt am 28. Oktober 2009 im Einsatz. Damals absolvierte die 99,67 Meter hohe und 816 Tonnen schwere zweistufige Rakete Ares I-X ihren ersten Testflug. Mit der Einstellung des Constellation-Programms 2010, das neue Mondlandungen zum Ziel hatte, wurde die weitere Entwicklung der Ares-Raketen obsolet. Bei der SLS wurden Teile ihres Konzepts wiedererweckt.

Ad astra!

Bis zur Realisierung der SLS war es technisch wie auch politisch ein weiter und kontroverser Weg – „per aspra ad astra“ eben, durch Mühsal gelangt man zu den Sternen, wie das auf Seneca und Vergil zurückgehende Sprichwort besagt. Doch schließlich glückte der Start.

Bereits drei Sekunden nach der Zündung erreichten die noch von den Space Shuttles stammenden vier RS-25-Haupttriebwerke der orange-braunen Zentral- oder Hauptstufe 90 Prozent ihrer Schubkraft. Der Bordcomputer prüfte die Parameter, kappte die Versorgungs- und Kommunikationsverbindungen mit der Startanlage und aktivierte die beiden seitlich angeflanschten weißen Feststoff-Raketen. Lift-off! Wie geplant verließ Artemis 1 die Startrampe, die allerdings von den Triebwerksflammen stark malträtiert wurde und daraufhin wochenlang repariert werden musste.

70 Sekunden später erreichte Orion die maximale Belastung durch die aerodynamischen Kräfte. In 13 Kilometer Höhe betrug die Geschwindigkeit bereits 1600 Kilometer pro Stunde. 2 Minuten und 11 Sekunden nach dem Abheben waren schon 5100 Kilometer pro Stunde und 48 Kilometer Höhe erreicht. Nun brannten die Feststoff-Booster aus und wurden abgesprengt. Eine Minute danach wurden die Verkleidungsbleche um Orion abgeworfen, fünf Sekunden darauf die Schutzkappe darüber. 8 Minuten nach dem Verlassen der Startrampe war der Brennschluss der vier Haupttriebwerke erreicht. 12 Sekunden später wurde die SLS-Zentralstufe nach einer halben Erdumkreisung abgetrennt und verglühte gezielt über dem Indischen Ozean. Sie hätte das Raumschiff zwar komplett in einen Erdorbit hieven können, wäre dann jedoch ebenfalls dort angelangt und erst Tage später unkontrolliert in die Atmosphäre eingetreten.

Das Raumschiff befand sich nun auf einer stark elliptischen Bahn mit 30 bis 1805 Kilometer Abstand vom Erdboden und entfaltete binnen zwölf Minuten seine vier je 7,4 Meter langen, dreiteiligen Sonnenkollektoren. 51 Minuten und 22 Sekunden nach dem Start erreichte Orion den Scheitelpunkt der Bahnellipse. Nun hob das RL-10-Raketentriebwerk der Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS) in einem 22 Sekunden dauernden Schubmanöver den erdnächsten Bahnpunkt auf 185 Kilometer an, sodass ein stabiler Erdorbit erreicht war. Die Oberstufe basiert auf einer modifizierten Delta-IV-Rakete. 97 Minuten nach dem Lift-Off feuerte sie 18 Minuten lang und brachte Orion so auf die benötigte Position und Geschwindigkeit für den Flug zum Mond. Dann wurde auch die Oberstufe abgetrennt, 2 Stunden und 6 Minuten nach dem Start, und zündete knapp eineinhalb Stunden später ein letztes Mal, um auf einen Orbit um die Sonne zu gelangen und somit künftige Raumflüge nicht zu gefährden. Ihre finale Aufgabe war es, innerhalb von 8 Stunden noch
10 Kleinsonden auszusetzen.

Indessen hatte Orion seinen eigenen Testflug begonnen und geschätzte 75 Prozent des kumulierten Risikos der Mission bereits überstanden – nach weniger als 0,5 Prozent der gesamten Dauer. Am 20. November um 20:09 Uhr trat das Raumschiff in die lunare Einflusssphäre ein, in der die Gravitation des Mondes die der Erde überwiegt. Bald darauf bremste das Raumschiff mit seinem eigenen Antrieb ab, um in eine Mondumlaufbahn zu gelangen (Lunar Orbit Insertion).

Helga und Snoopy auf Mondreise

Obwohl kein Mensch in der Orion-Kapsel weilte, war die Kapsel nicht leer. Denn es flogen drei große Puppen im Cockpit zur Messung der Strahlenbelastung und weiterer Parameter mit. Im Kommandantensitz saß Commander Moonikin Campos – eine Puppe benannt nach Arturo Campos, einem NASA-Ingenieur des Apollo-Programms. Sie trug zwei Strahlungssensoren in einem der neuen Crew-Survival-System-Raumanzüge. Der Sitz war mit Instrumenten ausgestattet, die die Beschleunigungen und Vibrationen maßen.

Daneben befanden sich die „LunaTwins“ Helga und Zohar des Matroshka AstroRad Radiation Experiments (MARE). Es wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit der Israelischen Raumfahrtagentur und der NASA entwickelt. Die 95 Zentimeter großen und 36 Kilogramm schweren Messpuppen bestehen aus jeweils 38 Scheiben; sie enthalten Kunststoff-Nachbildungen von Organen und Knochen unterschiedlicher Dichte. Dosimeter maßen die – beim Mond bis zu 800-fach erhöhte – Strahlenbelastung sowohl der Puppen als auch von Stammzellen, die in Gefäßen mitgeführt wurden. Zohar war mit einer von der israelischen Firma StemRad entwickelten, 26 Kilogramm schweren AstroRad-Schutzweste ausgestattet.

Ebenfalls an Bord war das Plüschtier Snoopy, um die Schwerelosigkeit zu demonstrieren, und eine Spielzeugversion der TV-Trickfilm-Figur Shaun das Schaf zur Promotion des ESM. Hinzu kamen kleine Flaggen, Sticker und ein Videokonferenz-Technologiedemonstrator namens Callisto.

Flug um den Mond

Am 21. November passierte Orion die Mondrückseite – in etwa 130 Kilometer Minimalabstand um 13:57 Uhr. Dabei gab es von 13:25 bis 13:59 Uhr keinen Funkkontakt zur Erde. Es musste jedoch ein automatisches Bahnmanöver ausgeführt werden. Dies gelang perfekt. Das ESM feuerte 88 Sekunden lang und änderte so die Geschwindigkeit des Raumschiffs um 110 Meter pro Sekunde. Ein Manöver am 25. November brachte Orion endgültig in eine ferne rückläufige Umlaufbahn („distant retrograde orbit“, DRO) mit einer lunaren Maximaldistanz von 70.000 Kilometern. Rückläufig ist eine Bahn des Mondes entgegengesetzt zur Richtung, in die er um die Erde kreist. Im DRO halten sich die Gravitation von Erde und Mond ungefähr die Waage. Diese Stabilität ist ideal für Tests, ohne dass viel Treibstoff benötigt wird.

Am 13. Flugtag, dem 28. November, bei Halbzeit der Reise, hatte Orion ungefähr 2560 Kilogramm Treibstoff verbraucht. Das waren etwa 70 Kilogramm weniger, als die NASA geplant hatte. Um 14:42 Uhr war Orion 432.210 Kilometer von der Erde entfernt. Nie zuvor hatte ein Raumschiff eine größere Distanz erreicht. Der vorige – allerdings bemannte – Rekord von Apollo 13 am 15. April 1970 betrug 400.171 Kilometer.

Am 30. November begann Orion den DRO gegen 22:53 Uhr zu verlassen. Nach weiteren Bahnmanövern erfolgte am 5. Dezember eine zweite halbstündige Reise durch den Bereich der erdabgewandten Seite mit der geringsten Monddistanz von 128,7 Kilometern um 17:43 Uhr. Gleich darauf zündete das EMS-Haupttriebwerk erneut, mit 3,5 Minuten Dauer am längsten während der ganzen Mission. Das brachte Orion auf einen Kurs zurück zur Erde. Am 6. Dezember um 8:29 Uhr verließ das Raumschiff die gravitative Einflusssphäre des Mondes.

Innovative Landung

Noch einmal nervenzehrend war der 11. Dezember 2022: der Tag der Landung. Fünf Stunden vorher erfolgte die letzte Kurskorrektur. Gegen 18 Uhr trennte sich Orion vom ESM. Das Modul hatte seine Aufgabe erfüllt und verglühte kurz darauf in der Erdatmosphäre.

Orion selbst trat mit beinahe 40.000 Kilometer pro Stunde um 18:20 Uhr in die irdische Lufthülle ein. Erstmals in der Geschichte der US-Raumfahrt geschah dies nicht auf einer ballistischen Bahn, sondern als „skip entry“. Dabei wird die Abbremsung durch eine kurze Aufstiegsphase unterbrochen (von 60 auf 90 Kilometer Höhe). Der Vorteil dieser Art von Wiedereintritt, erfolgreich zuerst 1969 vom sowjetischen Raumschiff Zond 7 ausgeführt (mit einer Schildkröte an Bord), besteht in geringeren Verzögerungskräften als bei den Apollo-Missionen. Trotzdem war Orion höchsten Belastungen und einer Temperatur von etwa 2700 Grad Celsius ausgesetzt – halb so heiß wie auf der Oberfläche der Sonne. Diese kritische Missionsphase hatte oberste Priorität beim Testflug, weil es keine Möglichkeit gibt, solche Bedingungen im Labor oder mit hinreichend verlässlichen Computersimulationen zu studieren.

Eine Öffnungsserie von elf Fallschirmen bremste Orion anschließend auf eine sichere Geschwindigkeit von 25 Kilometer pro Stunde. Um 18:40:30 Uhr platschte die Kapsel in den Pazifischen Ozean, nur 3,9 Kilometer von den vorausberechneten Koordinaten entfernt (10 Kilometer Abweichung galt als Toleranzgrenze). Aufgrund schlechten Wetters musste tags zuvor der vor der Küste San Diegos vorgesehene Ort des Splashdowns rund 550 Kilometer nach Süden verlegt worden: nahe der Insel Guadalupe westlich der mexikanischen Halbinsel Niederkalifornien. Damit war die 2,1 Millionen Kilometer lange sowie 25 Tage, 10 Stunden und 53 Minuten dauernde Reise zu Ende – genau am 50. Jahrestag der letzten Mondlandung durch Apollo 17 im Tal Taurus-Littrow am Rand des Mare Serenitatis.

Späßchen, Lob und Tadel

Die USS Portland diente als Bergungsschiff. Nachdem Techniker die Kapsel zwei Stunden im Wasser beobachtet und getestet hatten, wurde sie mit einer Winde an Bord gezogen, zum Hafen von San Diego transportiert und dort am 13. Dezember an Land gebracht. Am 30. Dezember gelangte sie nach einem LKW-Transport quer durch die USA wieder zurück ans Kennedy Space Center. Daraufhin begannen die Wissenschaftler und Ingenieure mit der Analyse und Datenauswertung des Raumschiffs und seiner Bordexperimente. Zudem werden ein Astronautensitz, Teile der Elektronik und zahlreiche Messgeräte zur Wiederverwendung für Artemis 2 ausgebaut.

Nach einer ersten Einschätzung der NASA erfüllte oder übertraf das Space Launch System alle Erwartungen, sodass der nächsten Mission Artemis 2 nichts entgegensteht. Allerdings ist die detaillierte Analyse noch nicht abgeschlossen. Ingenieure am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, haben mehr als vier Terabyte an SLS-Daten gewonnen. Hinzu kommen über 30 Terabyte an Fotos und Filmen von externen Kameras. „Diese Informationen sind entscheidend für die Rückkehr von Menschen zum Mond“, sagt SLS-Chefingenieur John Blevins. Zum Vergleich: Alles gedruckte Material in der Library of Congress in Washington enthält etwa 20 Terabyte.

Im Februar 2023 gratulierte das Aerospace Safety Advisory Panel der NASA zur Artemis-Mission und konstatierte „einen klaren Erfolg“. Allerdings wurden auch kritische Fragen zu Sicherheitsrisiken gestellt, vor allem hinsichtlich des zweiten Startabbruchs am 3. September. Hier gab es wohl einen menschlichen Fehler, der zum Überdruck an einem Wasserstoff-Ventil führte, und die Kommunikation war intransparent.

Im März zog die NASA ein erstes Orion-Resümee. „Es hat sich mehr vom Avcoat-Material des Hitzeschutzschilds gelöst als erwartet“, berichtete Howard Hu, Orion-Programmmanager bei der NASA. Es bestand aber kein Sicherheitsproblem. „Wir hatten genug Spielraum.“ Trotzdem sind hier Nacharbeiten nötig.

Wie nicht anders zu erwarten, traten beim Raumflug verschiedene technische Schwierigkeiten auf. Doch alle waren marginal, zu keiner Zeit kritisch und konnten meistens rasch behoben werden. Der Missionsleiter Mike Sarafin bezeichnete sie sogar als „Späßchen“ („funnies“).

So zeigten die Sternsensoren für die Navigation unerwartete Unregelmäßigkeiten. Dies war kein Fehler der Tracker, sondern der Software, die von der Strahlung beim Zünden der Triebwerke verwirrt wurde. Auch das Thermalhaushaltssystem entgleiste einmal. Ursache war eine Gasblase. Und die Kosmische Strahlung löste einen Computer-Reset aus. Damit muss man immer rechnen; der Reboot funktionierte reibungslos. Zudem gab es Schaltprobleme in der Power Control and Distribution Unit, die die Energieversorgung im ESM regelt. Das beeinträchtigte die Stromversorgung von sechs Hilfstriebwerksdüsen. Das wurde von der Erde aus korrigiert und geschah 17 Mal aus noch ungeklärter Ursache. Vielleicht waren elektromagnetische Interferenzen oder der Einfluss der Raumschiffsantennen der Auslöser. Überdies gab es am 23. November einen unerwarteten 47-
minütigen Ausfall der Funkverbindung. Das lag jedoch nicht an Orion, sondern an einer Fehlkonfiguration des Deep Space Networks, wie sich später herausstellte. Weil Orions Reise insgesamt also weitgehend problemlos verlief und genug Zeit blieb, konnte das Team der Missionskontrolle das Testprogramm sogar mit 14 zusätzlichen Überprüfungen und Experimenten ergänzen.

Das Service-Modul machte ebenfalls einen ausgezeichneten Job. „Wir sind stolz, dass unser System besser funktionierte als erwartet“, sagte ESM-Programmmanager Philippe Deloo von der ESA. Das Modul produzierte mehr Strom und verbrauchte auch weniger als angenommen, weil die Wärmeverluste geringer waren als vorgesehen und daher nicht so viel geheizt werden musste. Die an den Solarauslegern befestigten GoPro-Kameras, die viele der imposanten Fotos schossen, sorgten allseits für Begeisterung. „Wir nennen die Kollektoren jetzt unsere vier Selfie-Sticks“, scherzte Matthias Gronowski, ESM-Chefingenieur bei Airbus.

Das Europäische Service-Modul war das erste von sechs, die die ESA zum Artemis-Programm beisteuern – im Gegenzug zur Nutzung der ISS. ESM-2 wurde bereits im Oktober 2021 ans Kennedy Space Center geliefert, Nummer 3 bis 5 werden gegenwärtig in Bremen gefertigt. Eine Beteiligung bei Artemis 7 bis 9 wird wohl noch in diesem Jahr vereinbart.

Erfolge verzeichnen auch die beiden Messpuppen Helga und Zohar. Sie wurden bereits im Januar am Kennedy Space Center an das MARE-Team übergeben. Dort geschah gleich die erste Überprüfung der knapp drei Dutzend batteriebetriebenen Messinstrumente. „Die aktiven Strahlungsdetektoren haben durchgehend erstklassige Daten geliefert“, freut sich MARE-Projektleiter Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. Dort sind die Puppen inzwischen angekommen, und die monatelange Auswertung der über 12.000 passiven Strahlungsdetektoren aus kleinen Kristallen hat begonnen. Die Analyse wird ein dreidimensionales Abbild der Strahlenbelastung von Knochen und Organen im menschlichen Körper liefern. „Scheibe für Scheibe nehmen wir Helga und Zohar auseinander, um die Messkristalle auszubauen“, sagt Berger. Die Daten werden auch helfen, die Schutzkleidung für das Krankenhauspersonal in der Radiologie und bei Operationen unter Röntgenstrahlungseinsatz zu verbessern.

Die nächsten Missionen

Nach dem Flug ist vor dem Flug. Denn die Vorbereitungen für Artemis 2 sind längst im Gang. Frühestens im November 2024 soll die Mission starten. Sie ist auf etwa zehn Tage veranschlagt, wird erstmals wieder Menschen in die Nähe des Mondes bringen, alle technischen Systeme noch einmal testen und die Generalprobe für Artemis 3 sein: der nicht vor 2025 geplanten ersten Mondlandung von Astronauten seit mehr als einem halben Jahrhundert. Freilich ist dieser Termin unwahrscheinlich, da bis dahin wohl weder die Mondanzüge fertig sein dürften noch die lunare Landefähre, die zudem mit einer neuen, 120 Meter langen Riesenrakete von SpaceX separat zum Mond gebracht werden soll. Dieses Starship hat zwar am 20. April um 15:33 Uhr seinen ersten Teststart absolviert – doch die Trennung der Oberstufe knapp vier Minuten später in 38 Kilometer Höhe misslang, und die Rakete explodierte.

Je nachdem, wie viel Infrastruktur- und Entwicklungskosten man berücksichtigt, ist ein Artemis-Flug auf 700 bis 4000 Millionen Dollar zu veranschlagen. Das sind enorme Summen – in die die Mondlandefähren und vieles mehr noch nicht einmal eingerechnet sind. Ob sich das ab frühestens 2028 im Jahrestakt realisieren lässt, auch mit internationalen Partnern, steht buchstäblich in den Sternen. Für das Fiskaljahr 2024 jedenfalls hat die NASA allein für das Artemis-Programm 8,1 Milliarden Dollar beantragt, darunter 2,5 Milliarden für das SLS, 1,9 für die Landefähren, 1,2 für Orion und 0,8 für die irdische Infrastruktur.

Quartett für Artemis 2

Am 3. April stellte Joseph Acaba, Leiter der Astronauten-Abteilung der NASA, die vierköpfige Crew von Artemis 2 vor. Das geschah in Ellington Field nahe des Johnson Space Center der NASA in Houston, Texas. Während des Apollo-Programms sind 24 Astronauten zum Mond geflogen und 12 davon gelandet – alles weiße US-amerikanische Männer, größtenteils frühere Testpiloten des Militärs. Die Artemis-Generation hingegen soll ein wesentlich breiteres gesellschaftliches Spektrum repräsentieren.

Als Kommandant ist der 47-jährige Reid Wiseman vorgesehen. Er war 2014 auf der Internationalen Raumstation (ISS), insgesamt 165 Tage im All – und von Ende 2020 bis November 2022 Acabas Vorgänger als Astronauten-Abteilungschef. Von diesem Posten trat er zurück, denn er hätte sonst nicht für Artemis 2 ausgewählt werden können, sondern selbst auswählen müssen.

Als Pilot fungiert Victor J. Glover, 46 Jahre alt. Er weilte 167 Tage lang im Weltraum, nachdem er im November 2020 mit dem zweiten bemannten Flug des Raumschiffs Dragon der Firma SpaceX zur ISS startete, wo er vier Außenbordeinsätze absolvierte. Er war der 15. Afroamerikaner von über 300 Astronauten und Astronautinnen der NASA und der erste Schwarze auf einer ISS-Langzeitmission. „Diversität ist ein wichtiges Ziel der NASA“, sagte er bei seiner Vorstellung.

Missionsspezialistin Christina Koch (44) wird als erste Astronautin die Erdumlaufbahnen verlassen. Sie hält den Rekord des längsten ununterbrochenen Weltraumaufenthalts einer Frau, 328 Tage, und absolvierte auf der ISS 2019 und 2020 sechs Außenbordeinsätze von insgesamt 42 Stunden und 15 Minuten.

Missionsspezialist Jeremy Hansen (47) war bislang noch nicht im All. Der in London, Ontario, geborene Kanadier wird der erste Nicht-US-Amerikaner in Mondnähe sein. Ein Platz an Bord war der Canadian Space Agency 2020 in Aussicht gestellt worden – nach deren Zusage, einen Roboterarm für eine geplante Raumstation in Mondnähe zu liefern. Außerdem sind im kanadischen Budget von 2024 bis 2037 insgesamt umgerechnet rund 800 Millionen Euro für die Entwicklung eines Mondautos vorgesehen. Die Kooperation mit der NASA hat eine lange Tradition. So war Kanada das dritte Land – nach der Sowjetunion und den USA –, das einen eigenen Satelliten im All hatte: Alouette 1 zur Erforschung der Ionosphäre, gestartet von der NASA im September 1962.

„Alle vier Crew-Mitglieder haben ihre eigene Geschichte. Doch zusammen vertreten sie unser Credo: E pluribus unum – aus vielen eins“, zitierte NASA-Administrator Bill Nelson den Wappenspruch des offiziellen Dienstsiegels und Hoheitszeichens der USA. „Gemeinsam werden wir eine neue Ära der Erforschung für eine neue Generation von Sternenseglern und Träumern einläuten – die Generation Artemis.“

Unter den Gratulanten waren Politiker beider großer US-Parteien, prominente Wissenschaftler und Raumfahrtpioniere wie Buzz Aldrin, der zweite Mensch auf dem Mond. Das neue Teams bedeute „eine große Inspiration“, meinte er. „Es ist eine aufregende Zeit“, sagte Harrison Schmitt, der letzte noch lebende Apollo-17-Astronaut: „Bereits drei Generationen ist es her, seit Menschen im tiefen Weltraum waren. Das zu ändern, wird wohl der wichtigste Teil der Mission sein.“