Bevor dieses Jahrzehnt vorbei ist, wird die NASA zum ersten Mal seit der Apollo-Ära Astronauten zum Mond schicken. Als Teil des Artemis-Programms plant die NASA auch, die Infrastruktur aufzubauen, die ein „nachhaltiges Programm zur Monderkundung“ ermöglichen wird. Ein wichtiger Teil davon ist das Lunar Gateway, eine umlaufende Raumstation, die regelmäßige Reisen zur und von der Mondoberfläche ermöglichen wird. Die Station ist nicht nur ein Andockpunkt für Schiffe, die zur und von der Erde fliegen, sondern wird auch Langzeitmissionen zum Mars ermöglichen.
Das Gateway wird eine in der Orbitalmechanik als „near rectilinear halo orbit“ (NRHO) bezeichnete Umlaufbahn haben, was bedeutet, dass es den Mond von Pol zu Pol umkreisen wird. Um die Langzeitstabilität dieser Umlaufbahn zu testen, wird die NASA bis Ende Mai das Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment (CAPSTONE) zum Mond schicken. Diese neunmonatige CubeSat-Mission wird das erste Raumschiff sein, das diese Umlaufbahn testet und ihre Vorteile für das Gateway demonstriert.
Der CAPSTONE, ein CubeSat mit 12 Einheiten, der Advanced Space in Westminster, Colorado, gehört und von ihm betrieben wird, ist ein Technologiedemonstrator, der die Stabilität einer Halo-Umlaufbahn und mehrerer entscheidender Systeme testen wird. Die Mission soll (frühestens) am 31. Mai starten, wenn ein Rocket Lab Photon-Raumfahrzeugbus die CAPSTONE auf ihre viermonatige Reise zum Mond bringen wird. Nach einer Reihe von „Säuberungs“-Manövern, die das Raumschiff in seine Umlaufbahn bringen werden, wird CAPSTONE mindestens sechs Monate um den Mond verbringen und seine Triebwerke nur gelegentlich abfeuern, um seine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten.
Bildnachweis: NASA
Diese elliptische Umlaufbahn wird CAPSTONE auf einem Pfad führen, der von einem Mondpol zum anderen führt und dabei ein konstantes ovales Muster um den Mond zeichnet. Die Fertigstellung wird fast eine Woche dauern und der CubeSat wird sich am langsamsten bewegen, wenn er sich um den Südpol befindet, wo er am weitesten von der Oberfläche entfernt sein wird (76.000 km, 47.000 Meilen). Wenn es den Nordpol erreicht, erreicht das Raumschiff seine Höchstgeschwindigkeit und kommt der Oberfläche bei 3.400 km (2.100 Meilen) am nächsten.
Elwood Agasid, stellvertretender Programmmanager für Small Spacecraft Technology am Ames Research Center der NASA, erklärte in einer Pressemitteilung der NASA: „CAPSTONE wird präzise kontrolliert und gewartet und wird enorm von der nahezu stabilen Physik seiner nahezu geradlinigen Halo-Umlaufbahn profitieren Die Verbrennungen werden zeitlich so abgestimmt, dass sie dem Raumschiff einen zusätzlichen Schub geben, da es auf natürliche Weise Schwung aufbaut – dies erfordert viel weniger Treibstoff als eine kreisförmigere Umlaufbahn erfordern würde.
„Diese Umlaufbahn hat den zusätzlichen Vorteil, dass Gateway eine optimale Kommunikation mit zukünftigen Artemis-Missionen hat, die sowohl auf der Mondoberfläche als auch zurück zur Erde operieren. Dies könnte neue Möglichkeiten für zukünftige Forschungs- und Erkundungsbemühungen auf dem Mond eröffnen.“
Animation der CAPSTONE-Mission im Orbit des Mondes. Bildnachweis: NASA/Daniel Rutter
Diese Tests werden die Leistungs- und Antriebsanforderungen für die Aufrechterhaltung seiner Umlaufbahn, wie von den NASA-Modellen vorhergesagt, validieren und logistische Unsicherheiten reduzieren. Während seiner vielen Umlaufbahnen wird CAPSTONE die Zuverlässigkeit eines innovativen Raumfahrzeug-zu-Raumfahrzeug-Navigationssystems demonstrieren. Dieses System wird die Position des CAPSTONE CubeSat relativ zum Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) der NASA messen, der sich seit 2009 im Orbit des Mondes befindet, ohne auf Bodenstationen angewiesen zu sein.
Um dieses System zu testen, wird CAPSTONE einen zweiten dedizierten Nutzlast-Flugcomputer und ein Funkgerät mitführen, die Berechnungen durchführen, um zu bestimmen, wo sich der CubeSat auf seiner Umlaufbahn befindet. Die aus dieser Querverbindung mit dem LRO gewonnenen Daten werden verwendet, um zu messen, wie weit die beiden Satelliten voneinander entfernt sind und wie schnell sich dieser Abstand ändert. Dieser Peer-to-Peer-Informationsaustausch wird es Missionslotsen ermöglichen, die autonome Navigationssoftware von CAPSTONE zu evaluieren und die Position von CubeSat in Echtzeit zu bestimmen.
Durch die Validierung dieser Software, die als Cislunar Autonomous Positioning System (CAPS) bekannt ist, werden zukünftige NASA-Missionen (sowie Agentur- und Handelspartner) in der Lage sein, den Standort ihrer Raumfahrzeuge zu bestimmen, ohne sich auf erdbasierte Tracking-Systeme verlassen zu müssen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass Bandbreite für bodengestützte Antennen freigegeben wird, sodass Missionsleiter wissenschaftliche Datenübertragungen über den relativ routinemäßigen Verfolgungsprozess durchführen können.
Die NASA-Ingenieure erwarten auch, dass das NRHO es ihnen ermöglichen wird, viel größere Raumfahrzeuge für etwa 15 Jahre im Orbit um den Mond zu stationieren. Dazu gehören das Gateway selbst und das Raumschiff, das daran andocken wird, um aufzutanken oder die nächste Etappe ihrer Reise durchzuführen – dh das Orion-Raumschiff und der Deep Space Transport (DST). Dies ist entscheidend für die Missionsarchitektur „Mond zum Mars“ der NASA, bei der Anfang der 2030er Jahre bemannte Missionen zum Roten Planeten geschickt werden.