Auf der Erde ist ein Mensch auf dem Fahrrad das energieeffizienteste Fortbewegungslebewesen, das je gemessen wurde, mit einem Verbrauch von etwa 0,15 Kilokalorien pro Kilogramm und Kilometer. Diese bemerkenswerte Effizienz veranlasste frühe Planer von Mondmissionen zu einer scheinbar einfachen Frage: Wenn die Nutzlast zum Mond Zehntausende Dollar pro Kilogramm kostet, warum schwere Batterien mitführen, wenn Astronauten zwei Beine mitbringen?
Historische Studien und spekulative Entwürfe
Spekulatives Konzeptrendering • Mondfahrrad mit Wellenantrieb
Um zu verstehen, warum ein Erd-Gravelbike nicht einfach an einer Mondlandefähre befestigt werden kann, muss man Gewicht und Masse trennen. Die Masse (in Kilogramm gemessen) bestimmt Impuls und kinetische Energie; das Gewicht (Masse multipliziert mit der lokalen Erdbeschleunigung) bestimmt die Normalkraft der Reifen und die maximale Traktion.
Die maximale Seitenreibung entspricht dem Reibungskoeffizienten (μ) mal Normalkraft (m ċ g), während die erforderliche Zentripetalkraft m ċ v² / r bleibt. Da g auf dem Mond 1,62 m/s² statt 9,81 m/s² beträgt, vergrößert sich der minimale sichere Wenderadius bei 18 km/h (5 m/s) um den Faktor sechs – noch ohne Berücksichtigung des lockeren, pulverartigen Silikatstaubs, der μ unter 0,35 senkt.
Trifft man mit 4 m/s einen 6 Zentimeter großen Stein, erhalten Rad und Rahmen einen vertikalen Geschwindigkeitsimpuls nach oben. Unter Erdschwerkraft kehrt der Reifen innerhalb von einigen Dutzend Millisekunden zum Boden zurück. Unter Mondschwerkraft verlängert sich die Flugzeit auf das Sechsfache, sodass das Vorderrad im Vakuum bis zur Landung nicht lenkbar ist.
Ein Rucksack mit tragbarem Lebenserhaltungssystem (PLSS) verlagert den Schwerpunkt des bemannten Fahrers nach oben und nach hinten. Beim starken Bremsen am Vorderrad eines Diamantrahmens kommt es schon bei geringen Verzögerungen zu einem Überschlag, während Bremsen am Hinterrad lediglich über das Regolith rutscht, ohne Geschwindigkeit abzubauen.
Bei den Bewertungen der Oberflächenmobilität vor Apollo am NASA Langley Research Center und am Manned Spacecraft Center testeten Ingenieure Gehsimulatoren für reduzierte Schwerkraft (etwa Donald Hewes' Simulator mit schiefer Ebene für Mondschwerkraft) sowie kleine Radroller und Pedalkonzepte. Die entscheidende Einschränkung war nie die Herz-Kreislauf-Fitness des Menschen, sondern die mechanische Arbeit, die durch das Biegen eines gasdruckbeaufschlagten Anzugs verloren ging.
Ein Apollo-A7LB-Anzug wurde mit etwa 25,5 kPa (3,7 psi) reinem Sauerstoff betrieben, während Raumanzüge der nächsten Generation nahe 29,6 bis 56,5 kPa arbeiten. Das Beugen eines druckbeaufschlagten Stoffzylinders verringert dessen Innenvolumen leicht, weshalb der Astronaut bei jeder Pedalumdrehung Quadrizeps und Hüftbeuger einsetzen muss, um das Atemgas zu komprimieren. Selbst mit Gelenken konstanten Volumens (Convolute) und Drehlagern im Taillenbereich erzeugt eine dauerhafte zyklische Hüftbeugung bei 60 bis 80 U/min etwa 500 bis 700 Watt Stoffwechselwärme.
Auf dem Mond kann Wärme weder durch Wind noch durch Schweiß abgegeben werden, der an die Umgebungsluft verdunstet. Jedes Watt Abwärme des Fahrers muss Kühlwasser, das geopfert wird, über den Sublimator oder Membranverdampfer des Anzugs ins Vakuum verdampfen. Ein fünf Kilometer langer Pedal-Sprint könnte mehr Kühlwassermasse verbrauchen, als die Batteriemasse ausmacht, die durch den Verzicht auf einen elektrischen Nabenmotor eingespart wird – genau deshalb gewannen elektrische Radantriebe den Auftrag für das Apollo Lunar Roving Vehicle.
Während Fahrräder auf der Erde blieben, wurden stationäre Pedalgeräte seit 1973 auf praktisch jeder Raumstation für lange Missionen unverzichtbare Flugausrüstung.
Auf Raumstationen geflogene Hardware • Orbitales Ergometer
An Bord von Skylab pedalierten 1973–1974 die Astronauten Charles Conrad, Owen Garriott und ihre Nachfolger ein kalibriertes Fahrradergometer für das medizinische Experiment M171 und bewiesen damit, dass tägliches intensives Radfahren die aerobe Kapazität (VO₂max) in der Schwerelosigkeit erhält. Sowjetische Besatzungen von Saljut und Mir verließen sich auf robuste Veloergometer mit Backenbremse.
Auf der Internationalen Raumstation entfällt mit dem dänisch gebauten CEVIS (Cycle Ergometer with Vibration Isolation and Stabilization System) der Sattelstützen vollständig. Besatzungsmitglieder klicken Radschuhe in die Pedale, halten sich an stabilisierenden Griffen fest oder lehnen sich gegen eine Rückenstütze und treten mit bis zu 250 Watt. Federgedämpfte Streben verhindern, dass 1–2-Hz-Pedalschwingungen empfindliche Kristallzucht- und Teleskopnutzlasten erschüttern.
Parallel dazu haben Bodenzentrifugenstudien – darunter die kompakten Twin-Bike-Experimente des MIT zur künstlichen Schwerkraft – menschenbetriebene Kurzradius-Zentrifugen getestet, bei denen zwei Astronauten im Inneren eines zylindrischen Weltraummoduls auf einer kreisförmigen Innenbahn radeln, um aerobes Training mit Knochenbelastung durch Hypergravitation zu verbinden.
Wenn wir den Widerstand des Raumanzugs entfernen oder die Radgeometrie einschränken, werden menschenbetriebene Fahrzeuge wieder zu legitimen Gegenständen architektonischer Studien für dauerhafte Mondbasen.
In einer 2 Kilometer langen, abgedichteten Lavaröhre oder einem aufblasbaren Korridornetz, das auf 70 kPa unter Druck gesetzt ist, tragen Astronauten leichte Sportkleidung. Ein 6 kg schweres Aluminium-Nutzfahrrad oder Lastendreirad vermeidet hier Abgase, Funkenbildung und Ladeinfrastruktur für Batterien und dient zugleich als verpflichtendes tägliches Herz-Kreislauf-Training.
Bei 10 m/s (36 km/h) auf einer steil überhöhten Kreisbahn mit 12 Metern Radius entstehen 8,33 m/s² Zentripetalbeschleunigung. Vektoriell mit der Mondschwerkraft (1,62 m/s²) addiert, erfährt der Fahrer 8,49 m/s² – knapp 87 % des Erdgewichts. Das belastet Schenkelhals und Lendenwirbel mechanisch, während der Fahrer beweglich bleibt.
Zwischen einem Kernkraftreaktor und einem 1,5 km entfernten Habitat ermöglicht ein gespanntes Führungsseil aus Edelstahl oder ein leichter Einschienen-Fachwerkträger, dass ein unangetriebener, handgekurbelter Rettungswagen einen Astronauten im Raumanzug mithilfe der Schultergelenke des Oberkörpers bewegt, ohne Rollwiderstand durch das Regolith.
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