Zwei von Rocket Lab gebaute Raumfahrzeuge werden sich auf eine zweistufige Reise begeben. Der erste Schritt ist die 55 Stunden dauernde, 2.500 Meilen lange Strecke von Kalifornien zum Startplatz in Cape Canaveral. Der zweite Schritt? Nur 11 Monate und 230 Millionen Meilen bis zum Mars.
Das Ziel der Mission Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers (ESCAPADE) ist es, die Wechselwirkung zwischen Sonnenwinden und der Marsatmosphäre zu untersuchen. Das Space Sciences Laboratory (SSL) der University of California Berkeley hat die wissenschaftlichen Nutzlasten für die Mission entwickelt, aber der Satellitenbus – die eigentliche Plattform, die durch den Weltraum reist und diese Nutzlasten in einer Umlaufbahn um den Mars beherbergt – stammt vollständig von Rocket Lab. Der Start der Mission ist derzeit frühestens im Oktober mit dem ersten Start der New Glenn-Rakete von Blue Origin geplant. laut NASA.
Das Unternehmen ist zwar vor allem für seine Electron-Rakete bekannt, die in Bezug auf die Anzahl der Starts nur von der Falcon 9 von SpaceX übertroffen wird, doch der Großteil seines Umsatzes stammt aus dem Bau und Verkauf von Raumfahrzeugen und Raumfahrzeugkomponenten. Mit ESCAPADE möchte Rocket Lab sowohl der Raumfahrtbehörde als auch der Welt zeigen, dass es extrem leistungsfähige Raumfahrzeuge bauen kann, die das gesamte Sonnensystem bereisen können.
Das Unternehmen hat sich bereits bewährt, als es den Satellitenbus für die CAPSTONE-Mission (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) der NASA zum Mond im Jahr 2022 baute. Diese Raumsonde unternahm einen fast fünfmonatigen Aufenthalt im Weltraum, bevor sie in die Mondumlaufbahn eintrat. Doch die Reise zum Mars dauert deutlich länger – und war historisch gesehen auch sehr, sehr teuer. Zwei aktuelle Missionen, die Orbiter um den Roten Planeten schickten, der Mars Reconnaissance Orbiter im Jahr 2005 und MAVEN im Jahr 2013, kosteten die NASA jeweils über eine halbe Milliarde Dollar.
Daher hat die Raumfahrtbehörde 2019 das Programm „Small Innovative Missions for Planetary Exploration“ (SIMPLEx) ins Leben gerufen, um kleine Raumsondenmissionen in den Weltraum zu finanzieren. Wie andere NASA-Programme der letzten Jahre ist auch dieses Programm ein Versuch der Behörde, Risiken einzugehen. Anstatt 550 Millionen Dollar für eine Mission in den Weltraum auszugeben, hat sich die NASA zum Ziel gesetzt, nur ein Zehntel davon auszugeben, und für jede SIMPLEx-Mission eine Preisobergrenze von 55 Millionen Dollar festgelegt, Start nicht inbegriffen. ESCAPADE ist eine von drei Missionen, die die Behörde im Rahmen des SIMPLEx-Programms ausgewählt hat, und aller Wahrscheinlichkeit nach die erste, die tatsächlich starten wird.
Diese Mittel gingen an den Hauptforscher der Mission, SSL, der Rocket Lab für die beiden Satellitenbusse beauftragte. Rocket Lab sagt nicht, wie viel von diesen 55 Millionen Dollar an sie gingen, aber der leitende Systemingenieur von ESCAPADE, Christophe Mandy, sagte, das Unternehmen sei „zwei Größenordnungen billiger als alles andere“.
Die Raumfahrzeuge mit den Namen Blue und Gold basieren auf der Explorer-Plattform von Rocket Lab (die während CAPSTONE Flugerfahrung sammelte), die für ihre hohen Delta-v-Fähigkeiten bekannt ist, um Missionen dieser Art zu unterstützen. Eine der größten Herausforderungen für die Rocket Lab-Ingenieure war die Entwicklung eines Raumfahrzeugs, das von der Erdumlaufbahn bis zum Mars gelangen kann. Aus diesem Grund bestehen die ESCAPADE-Raumfahrzeuge zu etwa 70 % aus Treibstoff. Mit diesem Treibstoff kann das Raumfahrzeug eine Delta-v-Geschwindigkeitsänderung von etwa 3 Kilometern pro Sekunde erreichen, was für einen Satelliten dieser Größe sehr hoch ist.
Die andere große Herausforderung besteht darin, dass Rocket Lab den Startanbieter erst relativ spät im Designprozess kannte, als die NASA sich im Februar 2023 für New Glenn entschied. Diese Unbekanntheit wirkte sich auf die sogenannten „treibenden Einschränkungen“ für das Raumfahrzeug aus, also auf die Faktoren, die die Designentscheidungen der Ingenieure beeinflussen.
„Fast jedes Raumschiff, das ich je gesehen habe, hatte eine Trägerrakete als Antriebsbeschränkung, aber weil wir nicht wussten, was die Trägerrakete sein würde, haben wir das anders gemacht“, sagte Mandy. „Also haben wir enorme Anstrengungen unternommen, um es so zu machen, dass die Trägerrakete nicht [a] Fahrbeschränkung, was einfach sehr ungewöhnlich ist.“
Stattdessen stützten die Ingenieure von Rocket Lab das Design des Raumfahrzeugs letztendlich auf eine andere Variable: die maximale Masse, die das Raumfahrzeug bei einem kritischen Manöver mitnehmen kann, das als Mars Orbital Insertion (MOI) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um das Manöver, das das Raumfahrzeug im Weltraum ausführen muss, um in die Marsumlaufbahn zu gelangen.
„Die Masse des Systems wird also von physikalischen Gesetzen bestimmt und nicht von etwas, das Menschen gemacht haben, wie etwa der Trägerrakete“, sagte Mandy. Aber nachdem die Trägerrakete ausgewählt war, „mussten wir das Design nicht mehr neu gestalten, weil unser Design von anderen Anforderungen bestimmt wurde.“
Diese Einschränkungen haben die Ingenieure zu Innovationen angespornt. Statt einer Box sind die beiden Raumfahrzeuge im Grunde „Tank-Sandwiches“, wie Mandy sie nannte, mit zwei durch Streben verbundenen Decks und den Treibstofftanks in der Mitte. Normalerweise macht die Primärstruktur eines Satelliten etwa 20 bis 22 Prozent seiner Gesamtmasse aus; bei ESCAPADE beträgt dieser Wert dank der Sandwich-Bauweise nur 12 Prozent. Diese Änderungen haben eskalierende Auswirkungen, sagte Mandy: Weniger Masse in der Primärstruktur bedeutet weniger Treibstoff dafür, was wiederum eine andere Tankgröße bedeutet und so weiter. Die Ingenieure haben das Raumfahrzeug auch so konstruiert, dass sich alle Komponenten, die dazu neigen, heiß zu werden, wie der Flugcomputer und das Funkgerät, in der Nähe des einen Decks des Raumfahrzeugs befinden, während sich alle Komponenten, die dazu neigen, kalt zu werden, wie das Antriebssystem, in der Nähe des anderen Decks befinden. Diese Änderungen bedeuten, dass das Raumfahrzeug weniger Strom, kleinere Solarmodule und weniger Heizungen benötigt, und viele andere Effekte.
Nach dem Start wird die Raumsonde elf Monate lang zum Mars reisen, bevor sie den kritischen MOI-Zündvorgang durchführt. Doch wenn die Raumsonde den Zündvorgang durchführen soll, wird die Sonne zwischen Erde und Mars stehen, was eine rechtzeitige Kommunikation mit ihnen unmöglich macht. Die Ingenieure von Rocket Lab müssen noch etwa drei Monate warten, bevor sie der Raumsonde den Befehl geben können, ihre Umlaufbahn zu beginnen. Dann wird die Raumsonde etwa elf Monate lang wissenschaftliche Daten sammeln und zur Erde zurücksenden.
Mandy wollte das genaue Startfenster der Mission nicht nennen, da dies von Blue Origin festgelegt werden müsse. Er sagte jedoch, dass jetzt der Höhepunkt der Effizienz für die Reise des Raumfahrzeugs erreicht sei und dieses Fenster „noch mehrere Monate nach dem Höhepunkt“ reiche. Wenn Blue Origin das Fenster verpasst, müssen die beiden Unternehmen und die NASA weitere 26 Monate warten, bis das Raumfahrzeug ESCAPADE beginnen kann, die Geheimnisse des Mars zu entschlüsseln.