Maßvoll, zurückhaltend, bescheiden – diese Attribute wird man eher selten beim Reden über Elon Musk verwenden, dem südafrikanisch-stämmigen US-amerikanischen Unternehmer, den seine Firmen Paypal, Tesla und SpaceX reich und berühmt gemacht haben. Musk twittert gerne und häufig, macht dabei gerne vollmundige Ankündigungen (schon 2018 wollte er eine Dragon-Kapsel auf dem Mars landen und zwei Menschen um den Mond schießen), macht Leute in gekränkter Eitelkeit verächtlich und redet sich manchmal um Kopf und Kragen. Kürzlich hat er sich bei den Amateurastronomen unbeliebt gemacht.
Auf der anderen Seite muss man ihm zugute halten, dass er die Elektromobilität sexy gemacht hat und binnen weniger als zwei Jahrzehnten aus dem Nichts die derzeit stärkste einsatzfähige Rakete der Welt zum Fliegen gebracht hat – und teilweise sogar wieder zum Landen. Womit er zahlreiche selbsternannte wie ausgewiesene Experten, die solcherlei für unmöglich hielten, Lügen gestraft hat. Es ist also durchaus nicht alles nur heiße Luft, die er von sich gibt. Aber man weiß auch nie so richtig, wann er etwas ernst meint und wann nicht.
Superschurke Elon Musk
Nuke Mars! twitterte Musk am 16. August 2019 und einen Tag später T-shirt soon. Es ist ja bekannt, dass Musk unbedingt auf den Mars will – höchstpersönlich! – und er gerade an einer noch größeren Rakete bastelt, die ihn dort hinbringen soll. Aber Atombomben auf den Mars werfen? Wozu?
T-shirt soon
— Elon Musk (@elonmusk) August 16, 2019
Er meint es diesmal wirklich ernst. Tatsächlich hatte er die Idee schon im September in Stephen Colberts Late Night Show vorgetragen, der ihn vorher gefragt hatte, ob ein Superheld oder ein Superschurke sei: Es gebe zwei Möglichkeiten, den Mars aufzuwärmen und bewohnbar zu machen, eine langsame und eine schnelle. Was denn die schnelle sei, wollte Colbert wissen. “Schmeiß’ thermonukleare Bomben über die Pole.” Ach so, meinte Colbert, dann bist Du also doch ein Superschurke…!
Es geht Musk um Terraforming. Das ist eine Idee, die auf den berühmten Astrophysiker Carl Sagan zurückgeht, der 1961 einen Artikel darüber im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht hatte. Er wollte die fast genau erdgroße, aber unter ihrer 90-bar-Kohlendioxidatmosphäre glühend heiße Venus bewohnbar machen, indem er Algen in die Atmosphäre einbringen wollte, die den Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid (CO2) binden sollten, das den Planeten durch den Treibhauseffekt so aufgeheizt hat. Die obere Atmosphäre hat nämlich Zonen mit gemäßigter Temperatur, wo Algen nach Sagans Idee vielleicht überdauern könnten. Dies erwies sich später jedoch als falsch. Sagan konnte noch nicht wissen, dass die Venusatmosphäre sehr viel Schwefelsäure enthält, die alle Algen abtöten würde, und selbst wenn der Prozess funktioniert hätte, hätte er große Mengen abgestorbener vertrockneter Algen produziert, die sich am Boden gesammelt hätten und verkohlt wären, bis sie sich in der schließlich aus fast reinem Sauerstoff bestehenden, zu Beginn immer noch heißen Atmosphäre von selbst entzündet und das Kohlendioxid wieder freigesetzt hätten.
Obwohl er viel kleiner als die Erde ist, ist der Mars wesentlich erdähnlicher. Wenn man sich die Aufnahmen der Marsrover anschaut, die eine rotbraune Landschaft mit blauem Himmel und manchmal sogar leichter Cirrusbewölkung zeigen, wähnt man sich in einer der Wüsten im Südwesten der USA. Die Temperatur kann am Äquator deutlich über 0°C steigen. Der Rover Spirit maß einmal 35°C im Schatten nahe des Äquators, und es gibt heute noch fließendes Wasser unter der Oberfläche, das manchmal zum Vorschein kommt. Sehr große Mengen an Wasser befinden sich unter der Oberfläche und in der Nordpolkappe. Die Südpolkappe besteht größtenteils aus gefrorenem Kohlendioxid, auch bekannt als Trockeneis. Wir wissen heute mit Sicherheit, dass es auf dem Mars einmal warm genug und die Atmosphäre dicht genug war, um große Seen und kleinere Meere bestehen zu lassen. Aber heute beträgt der Luftdruck auf dem Mars im Mittel nur 6 mbar, etwa so viel wie auf der Erde in 30 km Höhe – der normale irdische Atmosphärendruck liegt hingegen bei 1 bar. Die Luft ist auf dem Mars so dünn, dass flüssiges Wasser dort sofort zu sieden beginnt, während es durch die Verdampfungskühlung gleichzeitig gefriert – es kann in flüssiger Form nicht dauerhaft bestehen.
Die Atmosphäre ist insbesondere zu dünn, um die geladenen Teilchen des Sonnenwinds und der kosmischen Strahlung aufzuhalten. Daher ist man auf dem Mars der gleichen Strahlenbelastung wie im Weltraum ausgesetzt, die bei Sonnenflares auch vorübergehend tödliche Dosen erreichen kann, so dass man Habitate auf dem Mars vergraben oder mit Wasser oder Blei abschirmen muss.
Ein behaglicherer Mars
Wer sich noch an Felix Baumgartners Stratosphärensprung erinnert, der aus 39 km Höhe stattfand, hat sicher noch den Druckanzug in Erinnerung, den Baumgartner trug. Auch die U2- und SR-71-Piloten, die in 20 km Höhe unterwegs waren, mussten Druckanzüge tragen, die dafür sorgen, dass sich keine Embolien durch ausperlendes Gas in den Gefäßen und Ödeme in der Lunge bilden. Und solch einen klobigen Anzug müsste man auch auf dem Mars tragen, genau wie auf dem Mond. Wenn der Druck auf dem Mars deutlich höher wäre, selbst bei einer Atmosphäre aus reinem Kohlendioxid, bräuchte man sich hingegen nur warm zu kleiden und Sauerstoff über eine Atemmaske wie ein Jetpilot zu atmen. Das wäre eine große Erleichterung.
Welcher Luftdruck wäre dafür erforderlich? Flüssiges Wasser kann oberhalb des Tripelpunkts bestehen, der auf dem Mars knapp unterschritten ist: er liegt bei 6,1 mbar und 0°C, dafür reichte eine kleine Erhöhung des Atmosphärendrucks; es käme mehr auf die Temperatur an, die im Mittel auf dem Mars bei -63°C liegt. Unterhalb 15 km Höhe brauchen Piloten auf der Erde keinen Druckanzug mehr, das sind 100 mbar Druck; allerdings müsste man dort immer noch Sauerstoff unter erhöhtem Druck atmen, man bräuchte einen luftdichten Anzug mit Helm. Ab 250 mbar (10 km Höhe auf der Erde) reicht der Luftdruck zum Atmen von reinem Sauerstoff mit Atemmaske; Kohlendioxid dürfte man nicht mit einatmen, weil Konzentrationen von mehr als 1% in der Atemluft Schläfrigkeit verursachen; 7%-10% führen zur Erstickung, selbst wenn Sauerstoff geatmet wird. Für längere Aufenthalte und einen ausgeglichenen Druck mit den Habitaten (in denen man ebenfalls 100% Sauerstoff atmen würde), der Luftschleusen zum Druckausgleich überflüssig machen würde, sollte man vielleicht 350 mbar (5 psi) anstreben, ähnlich wie in den Raumschiffen bei den Apollo-Missionen. So viel Atmosphäre würde dann auch den Großteil der Strahlenbelastung auf der Marsoberfläche absorbieren, so wie das bei der Erde der Fall ist.
Es könnte alles so schön sein: man schmilzt die Pole des Mars mit ein paar Atombomben auf und der Planet verwandelt sich in eine zweite Erde mit Ozeanen und dichter Atmosphäre. Aber ist das überhaupt möglich? Bild: Wikimedia Commons, Daein Ballard,CC BY-SA 3.0.
Musk verficht nun die Idee, zwei künstliche Sonnen über den Marspolen aufgehen zu lassen, indem dort eine Wasserstoffbombe nach der anderen gezündet wird, um die Polkappen zu schmelzen. Das freigesetzte Wasser und Kohlendioxid, beides Treibhausgase, würden die Atmosphäre erwärmen und ihre Dichte erhöhen, so dass flüssiges Wasser wieder auf der Oberfläche Bestand hätte und man sich ohne Druckanzug draußen aufhalten könnte. Die thermonuklearen Bomben sollen im Weltraum gezündet werden, wo sie nur ein ganz klein wenig Fallout und Verstrahlung verursachen würden; der meiste Fallout bei irdischen Nuklearexplosionen entsteht durch den aufgewirbelten verstrahlten Staub, der bei Weltraumdetonationen nicht auftritt. Der bei Weltraumdetonationen im Erdorbit aufgetretene elektromagnetische Puls wäre auf dem Mars egal (na ja, die vorhandenen Rover würde man wohl abschreiben müssen) und die auf der Erde beobachtete Entstehung eines Strahlungsgürtels aus schnellen Elektronen, der Satelliten zerstören könnte, würde vermutlich nicht auftreten, da der Mars kein nennenswertes Magnetfeld hat, und wenn, dann nur temporär sein.
Klingt also ganz nett. Jedenfalls wenn man den Atomwaffen-Weltraumvertrag außer Acht lässt, der den Einsatz von Kernwaffen außerhalb der Erdatmosphäre verbietet, und alle ethischen Bedenken dagegen über Bord wirft, dass man auf dem möglicherweise von noch nicht entdeckten Mikroben belebten Mars einfach mal so das Klima umkippen würde (tun wir bei uns zu Hause ja auch). Aber würde es überhaupt funktionieren? Und was würde es bringen?
Wo steckt sich die alte Marsatmosphäre?
In Nature erschien im Juli 2018 eine Arbeit von Bruce Jakosky und Christopher Edwards [2], die sich konkret auch auf Musks Äußerungen von 2015 bezieht. Die Autoren haben analysiert, wie viel Kohlendioxid im Licht der mit Raumsonden und Rovern gesammelten Erkenntnisse der letzen 20 Jahre auf dem Mars überhaupt noch vorhanden ist. Ist die frühere dichte Atmosphäre nur eingefroren und kann wieder aufgetaut werden, oder ging sie unwiderruflich verloren?
Die Autoren stellen zunächst fest, dass Wasser alleine als Treibhausgas nicht ausreichen würde, es würde rasch wieder gefrieren, wenn man es irgendwie auftaute. Methan oder andere Gase sind nur in Spuren vorhanden, nur CO2 ist einigermaßen häufig und als potenzielles Treibhausgas geeignet. Die Achsenneigung des Mars ist mit 25,19° ähnlich derjenigen der Erde (23,5°), so dass es ausgeprägte Jahreszeiten gibt. Im Winter gefriert daher rund ein Drittel des atmosphärischen Kohlendioxids auf der sonnenabgewandten Polkappe und lässt den Atmosphärendruck um 2 mbar sinken. Wie Radarmessungen gezeigt haben, ist unter den Polkappen weiteres CO2 vorhanden, genug, um den Atmosphärendruck auf 12 mbar zu verdoppeln, wenn es in die Atmosphäre entlassen würde.
Die Nordpolkappe des Mars. Sie durchmisst etwa 1000 km. Bild: NASA/JPL-Caltech/MSSS , JPL-Standardlizenz.
Die Autoren führen weitere CO2-Senken auf. Im Regolith, einer im Mittel 100 m dicken Staubschicht, die sich auf der Oberfläche abgelagert hat, können große Mengen CO2 durch Adsorption, also Anlagerung an die Staubteilchen, gebunden sein. Darin steckt das Potenzial für 40 mbar CO2-Druck. Nicht sehr viel, und dieses Reservoir könnte man auch nur anzapfen, wenn man die 100 m Regolith planetenweit bis in die Tiefe erwärmen würde, aber dazu würde die zusätzliche Wärme des Kohlendioxids aus den Polen nicht reichen. Man müsste den Boden umgraben und aktiv erwärmen. Und währenddessen würde das freigewordene CO2 gleich wieder an vorhandenem Staub anhaften und der Atmosphäre entzogen werden, solange diese nicht warm genug wäre. Somit ist diese Quelle praktisch nicht auszubeuten.
Weiteres CO2 ist in Mineralien gebunden. Eine 15 m dicke planetenumspannende Schicht solcher Karbonatmineralien könnte das Äquivalent von einem bar Atmosphärendruck an CO2 halten. Leider wurden solche Mineralien nur in wenigen Gegenden oberflächennah gefunden. In den Nili Fossae, wo diese Mineralien am stärksten konzentriert sind, könnte auf 6800 km² bis in eine Tiefe von 200 m das Äquivalent von gerade einmal 0,25 mbar stecken. Im benachbarten Isidis-Becken könnten auf 1,8 Millionen km² bis in 500 m Tiefe 150 mbar gebunden sein. Aber um diese Reserven anzuzapfen, müsste man die Mineralien auf 300°C erhitzen – dagegen wäre die Freisetzung aus Regolith geradezu ein Kinderspiel. Noch tiefer unter der Erde – Verzeihung, dem Mars – könnten durchaus Karbonatmineralien mit dem Potenzial für 1 bar verborgen sein, aber diese lägen zu tief, um sie jemals anzuzapfen.
Aber wo ist das ganze Gas denn geblieben, das einst die dichte Atmosphäre des Mars gebildet hatte? Der Mars-Orbiter MAVEN hat nachgewiesen, dass die Atmosphäre vom Sonnenwind erodiert wurde. Da der Mars kein signifikantes Magnetfeld wie die Erde hat, treffen die Protonen, Elektronen und Alpha-Teilchen des Sonnenwinds ungebremst auf die Atmosphäre, zertrümmern die Moleküle und deren Bruchstücke fliegen mit hoher Geschwindigkeit – mehr als die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten – davon. Auf diese Weise hat der Mars ca. 0,5 bar an Atmosphärendruck eingebüßt. Was übrig geblieben ist, haben wir gelesen. Das, was theoretisch ausbeutbar ist, reicht nicht aus, um den Mars auf Zimmertemperatur und Hochgebirgsluftdruck zu bringen.
Nili Fossae und das Isidis-Becken auf einer Karte, auf der die Höhe farbkodiert ist. Bild: NASA / JPL / USGS, JPL-Standardlizenz.
Eine bombensichere Methode?
Und nun zur von Musk vorgeschlagenen Technik: Auf dieser Seite wird – als Übungsaufgabe für Studenten – vorgerechnet, wie viel Energie in Form von thermonuklearen Bomben notwendig wäre, um das Trockeneis der Polkappen frei zu setzen (dieses schmilzt nicht zu einer Flüssigkeit, sondern sublimiert zu gasförmigem Kohlendioxid). Ausgehend von einer gebundenen Menge von 1,18 Billionen Kubikmeter (oder 1180 Kubikkilometer) an gefrorenem Kohlendioxid in beiden Polkappen bräuchte man 1,14·1021 Joules, um diese Menge zu sublimieren. Eine einzelne 250-Kilotonnen-Bombe – das entspricht etwa der Sprengkraft moderner Kernwaffen – würde etwa 1015 Joules freisetzen, wovon allerdings mehr als die Hälfte in alle möglichen Richtungen außer dem Mars abgestrahlt würde. Würde man alle Kernwaffen der Erde (rund 15000) zusammenrechnen, käme man auf 1,6·1019 Joules, das ist nur 1/70 der benötigten Energie zum Sublimieren des Pol-Trockeneises auf dem Mars, und angesichts der ungerichteten Abstrahlung bräuchte es wohl das 200fache, so um die 3 Millionen Bomben. Selbst mit Megatonnen-Sprengkraft bräuchte es hunderttausende Sprengköpfe. Ob das dann in Summe immer noch “nur ein bisschen Fallout” bedeuten würde, sei dahingestellt, denn Wasserstoffbomben werden mit einer Plutoniumbombe gezündet. Die Waffenindustrie würde es sicher freuen, aber hunderttausende bis Millionen Sprengköpfe muss man auch erst einmal zum Mars bringen. Wir schaffen es bisher ja noch nicht einmal, einen einzelnen Menschen dort zu landen… die Kosten dafür werden auf eine Größenordnung von 100 Milliarden Dollar geschätzt.
Geht sonst noch was?
Gibt es also gar keine Möglichkeit, Mars zu terraformen? Man könnte ihn mit Asteroiden und Kometen bombardieren – genau so erhielt die Erde auch ihre Ozeane. Allerdings bräuchte es hunderttausende bis eine Million von ihnen. Derzeit können wir – theoretisch! – bestenfalls Objekte von höchstens 1 km ein wenig ablenken, um sie die Erde knapp verfehlen zu lassen. Solche dutzende Milliarden Tonnen schwere Brocken gezielt auf den Mars zu lenken, ist noch einmal eine ganz andere Hausnummer. Ohne Atomwaffen ist auch dies kaum denkbar, und dann sind wir wieder beim selben Problem wie zuvor. Und wenn es klappte, würde der Mars ordentlich umgekrempelt werden und am Ende wie der Mond aussehen. Wahrscheinlich dauerte es alleine hunderttausende Jahre, die aufgeheizte Oberfläche wieder auf wohnliche Werte abkühlen zu lassen. Nichts, worauf es sich für den Leser zu warten lohnt. Planeten sind halt groß, Prozesse, die sie verändern, dauern lange.
Musks Idee ist also Unsinn, aber er wird nicht damit aufhören, darüber zu reden, schon um im Gespräch zu bleiben. Aber wer das T-Shirt mag, kann es schon kaufen.
Referenzen und Links
[1] Todd Leopold, “Elon Musk’s new idea: Nuke Mars“, CNN, 11. September 2015.
[2] Mike Wall, “Elon Musk Floats ‘Nuke Mars’ Idea Again (He Has T-Shirts)“, Space.com, 17. August 2019.
[3] Bruce M. Jakosky & Christopher S. Edwards, “Inventory of CO2 available for terraforming Mars“, Nature Astronomy, Volume 2, S. 634–639, 30. Juli 2018.
[4] Phil Plait, “Is Nuking Mars a Good Idea? (No)“, Bad Astronomy, ScyFy Wire, 20. August 2019.
[5] en.wikipedia.org, Terraforming.
[6] en.wikipedia.org, Terraforming of Mars.
[7] M. Özgür Nevres, “Terraforming Mars – Why it’s so hard“, Our Planet, 6. Februar 2019.
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