Lust auf eine Reise zum Mond? Das ist nur noch vier bis fünf Tage entfernt – zumindest mit einem One-Way-Ticket. Für die Capstone-Mission der NASA ist der Mond jedoch drei bis vier Monate entfernt. Der Mini-Weltraumdetektor, etwa so groß wie ein Mikrowellenherd, soll eine treibstoffsparende Route testen. In Zukunft werden größere unbemannte Missionen zum Mond denselben Weg gehen.

MDR WISSEN ist es erstmals gelungen, einen NASA-Mitarbeiter für ein Interview zu gewinnen. Wir sprachen mit Elwood Agasid über Capstone – ein Akronym für Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment. „Viele Leute fragen nach dem Namen und ich nenne ihn Capstone, weil der andere linguistisch ist. Und es ist wirklich ein bisschen schwer, sich daran zu erinnern, um ehrlich zu sein“, gibt Agasid zu. Er ist stellvertretender Programmdirektor für das Small Spacecraft Technology Program, das die Organisation in naher Zukunft in der Mond- und Marsumgebung testen will. Als Teil des Artemis-Mondprogramms ist Capstone einer von ihnen.

Capstone: Ein Leitfaden für die bemannte Raumfahrt

Capstone ist für Agasid eine Art Wegweiser für das Lunar Gateway – eine programmierte Raumstation, die Mitte der 2020er-Jahre bis zu 15 Jahre lang um den Mond kreisen und als Zwischenstopp für Astronauten auf ihrem Weg zum Mond dienen soll auftauchen. Doch es gibt ein Problem: Eine solche Raumstation braucht nicht nur Wasser und Sauerstoff für ihre Besatzung. Vor allem braucht es Treibstoff. Diese kann noch nicht im Weltraum gewonnen werden, sondern muss von der Erde hergebracht werden. Je mehr Kraftstoff Sie mitführen, desto schwerer wird die Ladung. Je schwerer die Ladung, desto mehr Schub braucht die Rakete, um aus dem Orbit zu kommen – ergo: Sie braucht noch mehr Treibstoff.

Auf dem direkten Weg zum Mond, der im Schnitt rund 384.400 Kilometer lang ist, verbraucht man viel Sprit. Und um in der Mondumlaufbahn zu bleiben, muss das Gateway Korrekturmanöver durchführen. Um Treibstoff zu sparen, wählte die NASA zwei spezielle Umlaufbahnen. Capstone muss sie ausprobieren.

Der Weg zum Mond: Capstone und das Lunar Gateway

Auf dem Weg zum Mond wird Capstone einen ballistischen Transfer des Mondes durchführen. Die Raumsonde nutzt die Schwerkraft von Erde, Sonne und Mond, um schließlich von der Anziehungskraft des Satelliten erfasst zu werden. „Es dauert einige Zeit, bis man mit diesem ballistischen Mondtransporter zum Mond gelangt. Es braucht nicht so viel Treibstoff“, sagt Agasid.

Sobald die Sonde ihren Höhepunkt erreicht hat – den am weitesten von der Erde entfernten Punkt – wird sie die Gravitationskraft des Mondes nutzen, um am nächsten Punkt zum Mond (Umlaufbahn) in ihre Umlaufbahn einzutreten. Dies wird nach 1,5 Millionen Kilometern der Fall sein.

“Dann beginnt das Raumschiff in einer kreisförmigen Bewegung zu brennen, um es an seine endgültige Position zu bringen” – im NRHO (Nearly Halo Orbit, auch bekannt als Halo Orbit). Anders als bei Apollo-Missionen umkreist das Schiff den Mond nicht entlang des Äquators, sondern entlang der Pole.

Eintritt in die Halo-Umlaufbahn

Sie ist wichtig für das künftige Mondtor, weil „es für Kommunikationszwecke eine kontinuierliche Sicht auf die Erde hat. Es ist auch eine sehr stabile Umlaufbahn, die nicht viel Treibstoff benötigt, um die Station zu unterhalten“, sagt Agasid.

Capstone wird alle sieben Tage den Nordpol des Mondes in einer Entfernung von etwa 1.600 Kilometern umkreisen. Bis zum Südpol sind es 70.000 Kilometer. Capstone nutzt dazu einen “Lagrange-Punkt und die Schwerkraft der Erde und des Mondes” und benötigt laut Agasid nur wenige Korrekturmanöver, um im Orbit zu bleiben.

Autonom durch die Galaxis

Die Raumsonde wird viele solcher Manöver nicht durchführen können. Kraftstoff macht nur 20 Prozent ihres Gewichts aus. Bei 25 kg sind das fast fünf kg Kraftstoff. Ausreichend, denn “im Moment geht es vor allem darum, die Anforderungen für die Halo-Umlaufbahn zu charakterisieren und herauszufinden, wie viel Treibstoff benötigt wird.”

Ein weiteres Ziel der sechsmonatigen Mission sind die Navigations- und Kommunikationsfähigkeiten des Raumfahrzeugs. Einmal auf dem Mond wird Capstone eine Kreuzung mit dem Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) machen. Diese befindet sich seit 2009 auf dem Mond und hat ihn vollständig kartiert.

Die Schnittstelle ermöglicht es Capstone, seinen Standort zu lokalisieren. Dazu verwendet der Detektor ein Hochfrequenzsignal, das mithilfe der integrierten Hardware und Software zwischen Capstone und dem LRO hin und her gesendet wird. Capstone misst dann die Signalgeschwindigkeit, um die Position zu bestimmen. Was den Leuten nicht wirklich bewusst ist, ist, dass derzeit alle Deep-Space-Missionen der NASA – alle Deep-Space-Missionen, um ehrlich zu sein, ob es die Europäische Weltraumorganisation, die NASA oder andere internationale Weltraumagenturen sind – vom Boden aus gesteuert werden. Elwood Agasid, stellvertretender Programmdirektor der NASA

Wann beginnt die Capstone-Mission?

Capstone soll ab dem 13. Juni mit einer modifizierten kleinen Elektronen-Trägerrakete des privaten Raumfahrtunternehmens Rocket Lab ins All fliegen. Die Rakete kann jeden Tag bis zum 22. Juni vom Launch Complex 1 auf dem Raumschiff auf der neuseeländischen Halbinsel Māhia gestartet werden.