Die Erde, aufgenommen vom Saturn … und Merkur

Am 19. Juli haben wir Erdlinge ja bekanntlich alle fleißig Richtung Saturn gewinkt und können uns nun zur Belohnung in einer wirklich fantastischen Aufnahme bewundern. Weniger bekannt war, dass am selben Tag auch die Merkursonde Messenger ein Bild gemacht hat, auf dem die Erde zu erkennen ist … naja, wenn man großzügig ist.

Ausschnitt der Gegenlichtaufnahme vom Saturn-Ringsystem mit Erde im Hintegrund, Quelle: NASA/JPL-Caltech/SSI

Teil einer Panorama-Aufnahme des Ringsystems im Gegenlicht, aufgenommen am 19.7.2013 von der Saturnsonde Cassini. Quelle: NASA/JPL-CalTech/Space Science Institute

Herausvergrößerte Aufnahme des Erde-Mondsystems, PIA 17170, Quelle: NASA/JPL-CalTech/SSIAufnahme PIA17170, die einen stark vergrößerten Tailausschnitt des obigen Bilds darstellt und in der das Erde-Mond-System erkennbar ist. Quelle: NASA/JPL-CalTech/Space Science Institute

Nachbearbeitete Aufnahme der Wide Angle Camera der Merkursonde Messenger vom 19.7.2013, Quelle: NASA/JHU-APL/Carnegie Institution

Diese Aufnahme entstand im Rahmen einer Durchmusterung der Umgebung des Merkur, die der Suche nach möglichen kleinen Merkurmonden diente. Die verwendete Wide Angle Camera hat ein Sichtfeld von 10.5 Grad, die Entfernung zur Erde betrug 98 Millionen km. Beide Körper sind kräftig überbelichtet, weil die Belichtungszeit eigentlich für die Suche nach sehr kleinen und lichtschwachen Objekten gewählt war. Quelle: NASA/JHU-APL/Carnegie Institution Washington

Und irgendwann fliegt auch die ESA zum Merkur …

Zumindest zum Merkur wird irgendwann einmal auch eine europäische Raumsonde fliegen, und zwar BepiColombo, Start 2009, nein 2013, nein Juli 2014, nein, August 2015. Diese wird dank ihres fortschrittlichen Ionenantriebs nur sechseinhalb Jahre für die Reise brauchen, um im Januar 2022 anzukommen. Ich weiß nicht, wann genau die Studienphase begann, aber sie war lang. Vor mehr als 10 Jahren träumte man sogar noch von einem mitgeführten Merkur-Lander. Der Entwicklungsprozess führte zu einer Umwälzung des ursprünglichen Konzepts, sodass man nun bei einer Startmasse von über 4 Tonnen liegt (davon entfallen insgesamt 125 kg auf die wissenschaftlichen Experimente) und eine große (und teure) Ariane 5-Rakete braucht.

Die NASA-Merkur-Mission “Messenger” dagegen brauchte rund 5 Jahre Entwicklungsdauer. Sie wurde im August 2004 gestartet und kam im April 2011 am Merkur an, also auch in weniger als 7 Jahren. Messenger hat aber einen ganz stinknormalen chemischen Antrieb und ist in jeder Hinsicht einfacher aufgebaut als BepiColombo. Messenger hat eine Startmasse von 1107 kg, wovon knapp 43 kg auf die wissenschaftlichen Experimente entfallen.

Gut, Messenger ist auf einer exzentrischen Bahn; der merkurfernste Punkt liegt bei mehr als 15000 km. Im Gegensatz dazu wird der Mercury Polar Orbiter von BepiColombo (die Mission besteht aus vier Modulen, dem Mercury Polar Orbiter MPO, dem Mercury Magnetospheric Orbiter MMO, einem abwerfbaren Sonnenschutz, der den MMO während des Transfers schützt, und dem Ionenantriebsmodul SEPM) von einer viel niedrigen Bahn (merkurfernster Abstand etwa 1500 km) die Oberffläche des Planeten erkunden. Das zusätzliche Geschwindigkeitsinkrement (Delta-v) zum Erreichen dieser Bahn liegt aber nur bei rund 850 m/s. Wenn der MPO 80 kg wissenschaftliche Nutzmasse mitführt und man dazu sehr großzügig eine Trockenmasse von 1200 kg annimmt (Zum Vergleich: Messenger hat bei 43 kg wissenschaftlicher Instrumentenmasse eine Trockenmasse von etwa 500 kg), dann kämen für das Erreichen der niedrigen Zielbahn noch einmal knapp 400 kg drauf. Man behält da, selbst wenn man die 275 kg für den von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuerten MMO sowie den für den Transfer und den Einschuss in die hochexzentrische Bahn um Merkur notwendigen chemischen Treibstoff hinzurechnet, noch eine komfortable Marge zur Startmasse von mehr als 4 Tonnen.

Hm. Eine konventionell aufgebaute Sonde mit herkömmlichem chemischen Antrieb braucht genau so lange für den Transfer, ist viel schneller entwickelt und hat einen höheren Nutzmassenanteil als eine High-Tech-Sonde mit Ionenantrieb. Interessant.

 

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

37 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Hi
    Danke für den Artikel.
    Bei dem Ionenantrieb muss mensch auch bedenken das chemische Antriebe schon viel weiterentwickelt sind.
    Da wäre es mal interessant einen Artikel oder nen Podcast über aktuelle Entwicklungen zu lesen/hören.
    Dann wollte noch auf die beiden Raumzeitfolgen #43 und #44 verweisen, in denen über BepiColombo und den Merkur gesprochen wird:
    http://raumzeit-podcast.de/…3/rz043-bepicolombo/
    und die nachfolgende.

  2. das Bild der Erde von Cassini ist wirklich wunderbar. Aber es wäre sicher noch besser, wenn du, wie wie alle, mit gewunken hättest.
    Gerade auf dem unteren, vergrößerten Bild ist das deutlich zu erkennen…;-)

  3. Interessante Bilder

    Das muss ich schon sagen. Aber es sind wohl doch so 2 oder 3 Pixel mehr, die die Erde darauf darstellen. 😉
    Auf den Grossen Aufnahmen erkennt man auch noch andere Felsen, die da um die Sonne Kreisen. Erst hab ich angenommen, das es sich dabei vielleicht um die Venus und den Merkur handeln könnte. Aber eine weitere Betrachtung ergab, dass das doch eher unwahrscheinlich ist.

    Und die Beschreibung der BepiColombo Mission klingt ja sehr sarkastisch. Das wundert mich aber auch wiederum nicht, wenn man bedenkt, das die Mission ursprünglich 2009 starten sollte und sich jetzt immer noch am Boden befindet. Und wahrscheinlich auch noch nicht ganz fertig ist. Da fragt man sich mal wieder, welch Köche den Brei verdorben haben, also warum das so lange dauert?

  4. @znEP

    Der “Entwicklungsstand” von Ionenantrieben ist in diesem Zusammenhang meines Erachtens nicht von Bedeutung. Das ist nicht wie bei Automotoren, wo man 1970 noch viel weniger Leistung bei höherem Verbrauch erzielte als 2000.

    Der Ionenantrieb von BepiColombo ist im Prinzip ausgereifte Technologie. Ich sehe nicht, wo da noch viel an Effizienz herauszukitzeln sein sollte. Auch mit neuen Entwicklungen wie VASIMR wird das Blatt nicht dramatisch neu gemischt. Im Prinzip ist es immer so, dass man eine Menge elektrischer Energie braucht. Davon geht ein Teil für die Ionisierung der Edelgasatome drauf, die den Antrieb darstellen, der weitaus größte teil geht in die Beschleunigung der erzeugten Ionen und ein kleiner Anteil sind Verluste.

    Die Ionisierungenergie wird man immer aufbringen müssen, egal mit welchem Verfahren. Auch die elektrische leistung zur Beschleunigung der Ionen hängt immer linear vom Massenstrom und quadratisch von der Ausstoßgeschwindigkeit ab. Irgendwelche Hoffnungen, dass sich hieran jemals etwas ändern wird, sind vollkommen unbegründet, denn wir reden hier von fundamentalen Naturgesetzen. Die eigentliche Masse des Ionentriebwerks ist in diesen Betrachtungen bereits heute vollkommen vernachlässigbar.

    Ionenantriebe erfordern eine hohe elektrische Eingangsleistung. Das kostet Masse. Die Treibstoffmasse ist dagegen schon heute eher nebensächlich. Deswegen bringt es auch nichts, groß am Antrieb herumzuentwickeln. da ist nicht mehr viel herauszuholen. Bei gegebenem Schub und vorgegebener Ausstoßgeschwindigkeit ist die erforderliche Eingangsleistung immer dieselbe, egal, was für ein Triebwerk dahinter steckt.

    Wenn also elektrische Antriebe jemals wirklich mehr als nur eine reine Nischenanwendung sein sollen, dann muss sich nicht beim Antrieb etwas tun, sondern bei der Stromerzeugung. Die muss deutlich masseneffizienter werden.

    BepiColombo müsste eigentlich hier einen klaren Vorteil haben. Immerhin geht die Sonde ins innere Sonnensystem, wo Sonnenenergie im Überfluss vorhanden ist. Problematisch ist aber, dass ein Ionenantrieb mit seinen langen Schubphasen auch Anforderungen an die Ausrichtung der Raumsonde stellt. Das führt zu allen möglichen Komplikationen im thermischen design, und das kostet alles nochmals Masse. Im Weltraum kostet jedes Problem Masse.

    Zudem kann ein Ionenantrieb eigentlich nur dann Wirkung zeigen, wenn das mindestens erforderliche Geschwindigkeitsinkrement hoch ist. Das ist aber bei einer Merkurmission gar nicht der Fall. Das Delta-v-Budget von Messenger liegt, wohlgemerkt inklusive Navigation, Sicherheitsmargen und Reserven, bei nur 2.3 km/s. Das reicht einfach nicht, damit sich ein Ionenantrieb als Alternative wirtschaftlich darstellen kann.

  5. Und Ionen-Antrieb … plus Sonnensegel?

    Hat man auch mal durchgerechnet, ob der clevere Einsatz eines großen Sonnensegels im IKAROS- oder Sunjammer-Stil in Kombination mit einem Ionen- oder herkömmlichen Antrieb die Reise zu einem inneren Planeten signifikant beschleunigen könnte, indem man quasi gegen den Lichtdruck ‘kreuzt’? Ich erinnere mich vage, dass die ESA zeitweise solcherlei Gedanken – zwecks schnelleren Vorankommens in sonnefernere Gefilde allerdings – für die Kometenmission Rosetta hegte, als dieser gerade wegen Ariane-Problemen das Primärziel Wirtanen abhanden gekommen war. (Quelle: Gepräch mit einem Rosetta-Wissenschaftler damals auf einer Party …)

  6. Stromerzeugung

    Um die Ionen zu beschleunigen, braucht man ja vor allem sehr hohe Spannungen und nicht so sehr starke Ströme. Wie wäre es dann mit folgender art von “Atombatterie”: ein zylinderförmiger Kondensator, die Achse bestehend aus einen Alpha-Strahler bekannter Teilchenenergie. Die Alphateilchen fliegen gegen ein elektrisches Feld zum äußeren Zylinder, verlieren der Großteil ihrer kinetischen Energie und lagen den Kondensator auf. Das Feld darf nur nicht so stark werden, daß durch Feldionisation Elektronen hinterherfliegen und die Ladung wieder ausgleichen.

    Man könnte mit sehr wenig radioaktivem Material eine sehr hohe Spannung aufrechterhalten und würde die Energie der Alphateilchen wesentlich effizienter ausnutzen als bei der derzeit üblichen Umwandlung in Wärme.

  7. Hallo Störk, hallo Daniel Fischer,

    eine einfache und effiziente Methode die Alpha-Strahlung als Antrieb zu nutzen, wäre das Strahlungs-Segel.

    Auf eine dünne Metallfolie wird eine dünne Schicht eines Alpha-Strahlers aufgetragen.

    Die Schichtdicke des Alpha-Strahlers ist so bemessen, dass ihn die meisten Alpha-Teilchen verlassen können.

    Die Schichtdicke der Metallfolie ist so bemessen, dass sie die meisten Alpha-Teilchen nicht durchdringen können.

    Noch effektiver wäre eine dünne Folie eines Alpha-Strahlers, deren emittierte Alpha-Teilchen von elektrostatischen Feldern alle in die gleiche Richtung umgelenkt werden.

    In beiden Fällen benötigt man für den Ladungs-Ausgleich noch einen Elektronen-Emitter.

    Besonders gut dafür geeignet wäre ein Beta-Strahler mit ähnlicher Zerfalls-Rate.

    Ist das nicht eine schöne Idee?

    —–

    Ein Bild, wie man gegen den Lichtdruck kreuzt:

    http://wpcontent.answcdn.com/…Fast_Sailcraft.png

    oder:

    http://i1-news.softpedia-static.com/…-Sail-2.jpg

  8. Antworten

    Zum Thema Sonnensegeln zum Merkur für BepiColombo:

    Das ist für eine große Raumsonde wie BepiColombo kein gangbarer Weg. Selbst die angesprochene japanische Demonstrationssonde IKAROS hat in einem halben Jahr per Sonnensegel gerade mal etwa 100 m/s an Delta-v gewonnen. Und IKAROS wog nur 315 kg mit einer Segelfläche von etwa 180 Quadratmetern.

    Da kann man sich unschwer ausrechnen, was eine echte Raumsonde, also eine, die auch etwas machen können soll, vom Sonnensegel für einen Nutzen zu erwarten hätte. Nämlich keinen, der den Aufwand rechtfertigt. Zumals es, wie gesagt, gar nicht so viel Delta-v kostet, zum Merkur zu fliegen. Siehe Messenger.

    Mir ist auch nicht bekannt, dass die ESA ernsthaft erwog, die nach dem Ariane 5 ECA-Debakel verzögerte Rosetta-Mission mittels Sonnensegeln zu retten. Wenn ein Wissenschaftler das behauptet, dann irrt er sich (ohnehin würde ich mich bei solchen Themen eher auf die Aussagen von Flugdynamikern verlassen).

    Zum Thema “Masse der Energieversorgung”:

    Man hat den Xenon-Treibstoff, der ionisiert und mit einer bestimmten Geschwindigkeit und einem bestimmten Massenstrom ausgestoßen werden muss. Massenstrom mal Ausstoßgeschwindigkeit ergeben den Schub, den man haben muss. Die Ausstoßgeschwindigekeit zusammen mit dem zu leistenden Geschwindigkeitsinkrement führt direkt zur Treibstoffmasse.

    Wenn man nun den Massenstrom hat, kommt man über die Ausstoßgeschwindigkeit direkt zur kinetischen Energie, die pro Zeiteinheit im Ionenstrom enthalten ist. Also liegt die Leistung fest: Der Anteil, der in die kinetische Energie der Ionen eingeht, der Anteil, der zur zur Ionisierung erforderlich ist, die unvermeidlichen (aber im Gegenteil zum Automotor nicht erheblichen) Verluste sowie der Eigenbedarf der Sonde.

    Das zusammengenommen ergibt die bereitzustellende Leistung. Ich sehe jetzt nicht, was die Betrachtung der Beschleunigungsspannung da beiträgt. Die elektrische Leistung muss her. dazu sollte man das Verfahren wählen, das pro kW die geringste Systemmasse erfodert, also am effizientesten ist. Im inneren Sonnensystem, wo die solare Einstrahlleistung sehr viel höher ist als in Erdnähe, dürften Solargeneratoren in Punkto Masseneffizienz kaum zu schlagen sein.

    Dennoch ist das Gesamtsystem nicht masseneffizient. Das liegt in diesem Fall, wie gesagt, ausnahmsweise mal nicht an der Energieversorgung, sondern an der Komplexität des thermischen Systems. Diese Komplexität ist eine Konsequenz der Anforderungen, die sich aus Verwendung des Ionenantriebs ergeben.

  9. Zweiter Nachtrag

    Ein Bild zu:

    Noch effektiver wäre eine dünne Folie eines Alpha-Strahlers, deren emittierte Alpha-Teilchen von elektrostatischen Feldern alle in die gleiche Richtung umgelenkt werden.

    http://members.chello.at/….bednarik/ALPHTRIE.PNG

  10. Electric Propulsion is the Future

    Für eine Form des Ionenantriebs,  mit der man interplanetare Distanzen in Monaten anstatt in Jahren zurückzulegen kann benötigt man eine elektrische Energiequelle von etwa 50MWe, welche von einem Kleinreaktor oder einer grossen Fläche ultradünner Solarzellen geliefert werden könnte. Auf die 50 MWe kommt man, wenn man von einem Raumfahrzeug mit einem Gewicht von 100 Tonnen ausgeht (Gewicht inklusive Antrieb) , welches in 10Tagen ununterbrochener Beschleunigung etwa 15 Millionen Kilometer zurücklegen soll. Dazu benötigt dieses 100-Tonnengefährt 1000 Newton Dauer-Schub, wie er von 12 Magnetoplasmadyamischen Schubantriebengeliefert werden könnte. 50MWe könnte beispielsweise von Hyperion-Minireaktoren bereitgestellt werden.
    Hat man einen solchen Antrieb zur Verfügung kommt man auf eine Reisezeit von einem Monat für die Distanz Erde-Mars, was bemannte Marsreisen und eine permanente Marskolonie viel attraktiver machen würde.

  11. Dritter Nachtrag

    1 eV = rund 1,6*10^-19 J,
    Curium 242:
    rund 163 Tage Halbwertszeit,
    alpha-Energie rund 6,2 MeV,
    also rund 10^-12 J,
    alpha-Masse rund 6,65*10^-27 kg,
    wenn E=mv^2/2,
    dann Wurzel(2E/m)=v,
    alpha-Geschwindigkeit = rund 17300 km/s,
    das ist newtonisch, aber nicht einsteinisch gerechnet,
    das sind rund 5,8 % der Lichtgeschwindigkeit,
    das Masseverhältnis von Helium 4 zu Plutonium 238,
    dem Zerfallsprodukt,
    beträgt 4/238 = rund 1,7 %,
    der Plutonium 238 Rückstoss-Kern hat daher
    immer noch rund 291 km/s.

    Admiral Graf Frederik von Hombug sagt:
    “Fürs erste sollte das reichen, und ausserdem gibt Plutonium 238 einen guten Handwärmer ab.”

  12. Elektrische Antriebe

    Elektrische Antriebe sind wunderbar effizient, wenn man auf der Planetenoberfläche (bisher meist der Erde) einen vergleichsweise leichen Transrapid oder ICE/TGV/Thalys zwischen zwei eher schweren Kernkraftwerken hin-und-herfahren läßt. In Merkurnähe, wo das Kraftwerk “Sonne” die Energie liefert, kann die Kombination Solarzelle-Ionentriebwerk Vorteile haben, muß aber nicht.

    Alle anderen Szenarien, bei denen der Energieträger mitgeführt werden muß, (auch meine oben skizzierte Alphateilchen-Zelle) kranken daran, daß die Umwandlung der mitgeführten Energie in Elektrizität und die anschließende Weiterumwandlung in kinetische Energie mindestens ein Umwandlungsschritt zuviel sind:

    Karl Bednarik hat gezeigt, daß man Alphateilchen besser direkt als Antrieb nutzen könnte, als ihre kinetsiche Energie mittels elektrischer Felder erst auf andere, schwerere Ioenen zu übertragen. Hätte ich selbst drauf kommen können, aber meine Gedanken kreisten um “Strom aus Kernenergie ohne altmodische Dampfmaschine”.

    Kernreaktoren als Stromquelle sind ebenfalls ein Umwandlungsschritt zuviel: Kernspaltung erzeugt Hitze, Hitze erzeugt Dampf, Dampf treibe Turbinen, Turbine erzeugt Strom, Strom treibt Raumschiff ist viel umständlicher als direkt den heißen Dampf als Rückstoßmasse zu nutzen. Ein Nuklear-Ionen-Triebwerk wäre einem Nuklearthermischen Dampfkessel daher immer unterlegen. Genau wie ein 2H2+O2 Brennstoffzellen-Ionentriebwerk einem 2H2+O2 Verbrennungstriebwerk immer unterlegen ist.

    Fazit: bei allen Systemen, die ihre Energiequelle mitführen, ist es einfacher, die Energie direkt in Schub umzusetzen, als indirekt über Elektrizität.

    Das System an dem sich die Kombination Solarzelle-Ionentriebwerk messen lassen müßte, wäre also ein Solarthermisches System Parabolspiegel-Dampfkessel … ist so etwas in der Raumfahrttechnik schon mal angedacht oder versucht worden?

  13. Hallo Störk,

    ein solarthermisches System, Parabolspiegel und Dampfkessel:

    SOTV = Solar Orbit Transfer Vehicle.

    Ein Bild, stark vereinfacht:

    http://mech-me.eng.hokudai.ac.jp/…propulsion.JPG

    Ein Text, ziemlich lang:

    http://www.dept.aoe.vt.edu/…/OldReports/sotv.pdf

    Admiral Graf Frederik von Hombug empfiehlt als Starthilfe-Triebwerk für den atmosphärschen Flug PLUTO:

    http://de.wikipedia.org/…_(Marschflugk%C3%B6rper)

    Admiral Graf Frederik von Hombug empfiehlt als Triebwerk für den Weltraum ORION:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Orion-Projekt

    Admiral Graf Frederik von Hombug sagt:

    Ich liebe das dumpfe Donnern nuklear-thermischer Triebwerke am Morgen.

    Vorwarnung, gefährliche Science-Fiction:

    Was ist ein 4FN4?

    http://members.chello.at/….bednarik/SEEPFERD.txt

  14. Direct Conversion Fusion to Propulsion

    @Stoerk: Die direkte Konversion von Energie in Vortrieb verspricht tatsächlich enorme Masseneinsparungen bei Raketenantrieben. Das gilt auch für den nuklearen Antrieb.

    John Slough will den Deuterium-Tritium-Treibstoff seiner nuklear getriebenen Rakete direkt in der Düse einer Rakete zur nuklearen Fusion bringen und das durch die Fusion weiter aufgeheizte Plasma anschliessend durch eine magnetische Düse komprimieren und dabei gleichzeit Elekrizität und Vortieb gewinnen 
    Dazu gibt es die beiden NASA-Seiten Nuclear Propulsion Through Direct Conversion of Fusion Energy und The Fusion Driven Rocket: Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy

  15. Fusion Rocket = Future Porn?

    Im Wall-Street Journal echauffiert sich Richard Martin über die Bemühungen John Slouhgs von der Washington-University eine Fusionskraftwerke- getriebene Rakete zu lancieren und er will der Fusionsforschung überhaupt kein Geld mehr zugestehen. Doch genau diese Haltung überhaupt nichts mehr zu wagen und jeden kleinen Misserfolg als Anlass zu nehmen wieder mit Uralt-Technologie weiterzufuhrwerken hat die NASA in ihre Krise gebracht, wo man auf Erfolge vor 45 Jahren ( Mondlandung) als Masstab für die Zukunft zurückblickt – zurückblicken muss.

    Noch eine Korrektur zu meinem vorherigen Kommentar: In Sloughs Fusionsreaktion werden Lithiumringe mittels Magnetfeldern, die Ströme inuzieren, komprimiert und nicht wie ich geschrieben habe ein Deuterium-Tritium-Gemisch.

  16. Fusion Rocket =Future Porn? NASA Abyss

    In Forbes echauffiert sich Richard Martin über die Bemühungen John Slouhgs von der Washington-University eine Fusionskraftwerke- getriebene Rakete zu lancieren und er will der Fusionsforschung überhaupt kein Geld mehr zugestehen. Doch genau diese Haltung überhaupt nichts mehr zu wagen und jeden kleinen Misserfolg als Anlass zu nehmen wieder mit Uralt-Technologie weiterzufuhrwerken hat die NASA in ihre Krise gebracht, wo man auf Erfolge vor 45 Jahren ( Mondlandung) als Masstab für die Zukunft zurückblickt – zurückblicken muss.

    Noch eine Korrektur zu meinem vorherigen Kommentar: In Sloughs Fusionsreaktion werden Lithiumringe mittels Magnetfeldern, die Ströme inuzieren, komprimiert und nicht wie ich geschrieben habe ein Deuterium-Tritium-Gemisch.,

  17. Orion-Antrieb

    Hallo Karl Bednarik,

    für interplanetare Strecken ist ein Orion-Antrieb sicher ein interessante Option, für das ursprünglich angedachte single-stage-to-orbit (oder gar single-stage-to-mars) Konzept kommt es mir doch zu fehleranfällig vor:

    damit die im Sekundentakt zündenden Sprengköpfe dem Besatzungsmodul einen einigermaßen gleichmäßigen Schub vermitteln, muß die Prallplatte, unter der die Sprengköpfe gezündet werden, sich gegenüber der Raumschiff-Hauptmasse in den Stoßdämpfern in Sinus-Halbwellen vor-und-zurück bewegen. Während dieser Bewegung muß immer die jeweils nächste Ladung unter die Platte verbracht werden.

    Angenommen, wir wollen den Astronauten eine Beschleunigung von 2g zumuten. Das bedeutet, das Schiff hebt mit 10m/s² im Schwerefeld der Erde ab. In der 1. Sekunde gewinnt die Raumschiffhauptmasse gerade mal 10m/s an Geschwindigkeit und 5m an Höhe, und dann zündet bereits der 2. Sprengkopf.

    Angenommen, beim 3. Sprengkopf geht etwas schief, er verkantet sich, bevor er unter der Prallplatte ist, und kann nicht gezündet werden. Das Raumschiff fällt wieder herunter, während um es herum gerade der gemeinsame Atompilz der ersten 2 Sprengköpfe aufsteigt. Ich kann mir keinen Rettungsturm vorstellen, der in so einer Situation die Besatzung noch retten könnte.

  18. Cute Science-Oldies for Thruster-Money

    Die Boys von Hyper-V bemühen sich mittels Crowd-Funding an Geld für ihren electric Thruster ranzukommen. Das Video, das sich hinter Plasma Jet Electric Thrusters for abspielen lässt, sollte man sich ansehen. Irgendwie herzig wie sich hier eine Garde von schon (in der Mehrzahl) etwas älteren Wissenschaftlern Um Unterstützung für ihr Projekt bemüht.

  19. Hyper V ist still alive

    Das gleiche vorwiegend aus ein paar älteren Wissenschaftlern bestehende US-Unternehmen Hyper V Technologies, welches ich in meinem Vorgängerkommentar vorgestellt habe, wo es mittels Crowdfunding das Projekt Plasma Jet Electric Thrusters for Spacecraft beworben hat,
    hat nun ein Kickstarter-Projekt (US-Unternehmen will Satelliten ins All schleudern gestartet, welches ein Singlatron – eine Weltallschleuder – bauen will. Wiederum ich empfehle das Video. Irgendwie erfrischend wie diese Leute an ihre Projekte herangehen. Allerdings dürfte es mehr eine schöne Beschäftigung sein als ein Projekt, das wirklich neue Erekenntnisse bringt.

  20. Nuklearthermisch vs. Nuklearelektrisch

    @Störk:

    Kernreaktoren als Stromquelle sind ebenfalls ein Umwandlungsschritt zuviel: Kernspaltung erzeugt Hitze, Hitze erzeugt Dampf, Dampf treibe Turbinen, Turbine erzeugt Strom, Strom treibt Raumschiff ist viel umständlicher als direkt den heißen Dampf als Rückstoßmasse zu nutzen. Ein Nuklear-Ionen-Triebwerk wäre einem Nuklearthermischen Dampfkessel daher immer unterlegen.

    Vorsicht: Es gilt ja immer auch noch die erreichbare Ausströmgeschwindigkeit, also den spezifischen Impuls zu betrachten. Bei einem rein nuklearthermischen Antrieb, dessen Exponent NERVA sein dürfte, wird ein Kernspaltungsreaktor von flüssigem Wasserstoff gekühlt. Der dabei verdampfte Waserstoff wird über eine Düse ins Vakuum entspannt. Die möglichen erreichbaren Ausströmgeschwindigkeiten liegen bei etwa 9.5 km/s.

    Da stellt sich dann aber die Frage, ob diese Ausströmgeschwindigkeit auch in der Praxis erreichbar ist, denn dazu gehören entsprechende Temperaturen, und bei sehr hohen Temperaturen müssen die Brennstäbe entsprechend hochwarmfest ausgelegt sein, die Materialen müssen aber dennoch eine geringe Neutronenabsorption aufweisen und man muss auch aufpassen, dass der Einfangquerschnitt des fissilen Materials keinen negativen temperaturkoeffizienten hat.

    Das zum einen. Zum anderen ist es bei einer NERVA-Stufe so, dass der Reaktor nicht herunter gefahren werden kann. Der ist dann wahrscheinlich einfach fertig. Außerdem wüsste ich auch nicht, wie man die Nachzerfallswärme in den Griff bekommen sollte. Wahrscheinlich wird das also so sein, dass man das Ding einfach mit der Stufe absprengen muss.

    Das stellt einerseits ein gewisses Entsorgungsproblem dar, beispielsweise wenn dies die Stufe war, die den Einschuss in die Bahn um Mars oder den Einschuss in den Transfer zurück zur Erde bewerkstelligt hat. Andererseits is es auch bei der Berechnung der Massenbilanz und damit der Systemeffizienz zu berücksichtigen. Man braucht nicht nur einen Reaktor für das Raumschiff, sondern jede Stufe braucht einen eigenen Reaktor.

    Außerdem ist es bei hohem Delta-v selbst bei einem spezifischen Impuls um 950 s einfach so, dass die Treibstoffmasse irgendwann unrealistisch hoch wird.

    Das alles heißt zusammengenommen, dass für nuklearelektrische Triebwerke durchaus Platz sein kann. Auch wenn es da erst einmal einen erheblichen Nachteil in der Systemmasse gibt, denn in der Tat braucht man dann Kühlkreisläufe, Radiatoren, Pumpen, Turbinen, Generatoren … Dafür hat man dann aber einen einzigen, regelbaren Reaktor und ein Ionentriebwerk wie ein VASIMR mit variablem Schub und spezifischem Impuls.

    Der Vorschlag mit einem solarthermischen Antrieb ist sehr interessant und sogar für kleine Systeme skalierbar, bei denen man an einen Reaktor gar nicht erst zu denken braucht.

  21. NukTherm

    @Michael Khan,

    Kernreaktoren mit festen Brennstäben sind etablierte 60er-Jahre-Technik aus dem U-Boot-Bau, und in der erreichbaren Betriebstemperatur dadurch begrenzt, daß ein Schmelzen der Brennstäbe unbedingt vermieden werden muß.

    Für die immobile Stromerzeugung am Boden könnte ein flüssiger Reaktorkern gleichzeitig höhere Arbeitstemperaturen und inhärente Sicherheit bieten, (Stichwort Dual Fluid Reaktor) für Nuklear-Thermische Raketen wäre ein Reaktorkern aus gasförmigem UF6 eine interessante Option (Stichwort nuclear lightbulb)

    NERVA war ein Anfang, aber wenn man Kernreaktoren in den letzten 40 Jahren genauso weiterentwickelt hätte wie Autos, dann hätten wir heute:
    – keine Endlagersuche
    – keine “Energiewende”
    – Strom per Flatrate
    und als große Trägerrakete das “liberty ship”.

  22. Davon geht ein Teil für die Ionisierung der Edelgasatome drauf, die den Antrieb darstellen, der weitaus größte Teil geht in die Beschleunigung der erzeugten Ionen und ein kleiner Anteil sind Verluste.

    Wie ist denn das Verhältnis von Ionisierungs- zu Beschleunigungsenergie?

    Wahrscheinlich eine Schnapsidee, aber wäre es technisch möglich die Edelgasatome schon am Boden zu ionisieren? Oder fliegen dazu einfach zuviel Elektronen durch die Gegend selbst wenn man Leitungen, Pumpen und Tanks aus Isolatoren statt Metall bauen würde?

  23. Solarthermisch, Variante zwei:

    Solarthermisch, Variante zwei:

    Der Durchmesser des Sonnenfokus eines Hohlspiegels kann nicht kleiner werden als rund 1/100 der Brennweite des Hohlspiegels (Sonnendurchmesser zu Sonnenabstand).

    Die Temperatur des Sonnenfokus kann nicht höher werden als rund 5000 °C (weil er sonst die Sonne erwärmen würde).

    Aber man kann in den Sonnenfokus eines Hohlspiegels einen solar gepumpten und gepulsten Nd:Cr:YAG-Laser setzen, der winzige Lithiumhydrid-Tröpfchen zu heissen und schnell expandierenden Plasmawolken verdampft.

    Eine Sammellinse hinter dem Nd:Cr:YAG-Laser liefert einen Brennpunkt, der kleiner als rund 0,0005 mm ist (halbe Wellenlänge), und der viel heisser als die Sonnenoberfläche ist.
    Leider kommt es dabei noch nicht zur Kernfusion.

    Lithiumhydrid ist eine besonders stabile Lagerungsform von besonders leichten Atomen (geringes Gewicht für den Tank, und hohe thermische Austrittsgeschwindigkeit).

    Anstelle eines Hohlspiegels kann man auch eine hauchdünne Fresnelzonenplatte (eine holographische Linse, aber keine Fresnellinse) verwenden, die durch die Zentrifugalkraft stabilisiert wird, und die die für den Nd:Cr:YAG-Laser unerwünschten Wellenlängen nur wenig fokussiert.
    Weitere Erklärungen sind im Bild beschrieben, dessen Nachbau durchaus erwünscht ist.
    http://members.chello.at/….bednarik/VASIMR0D.JPG

  24. Vergleich

    Vergleich des solarthermischen Antriebes der Variante zwei mit einem solarelektrischen Ionenantrieb:

    1 Elektronenvolt entspricht rund 11605 Kelvin.

    Wenn eine Plasmawolke des solarthermischen Antriebes eine Temperatur von 116050 Kelvin erreichen würde, dann würde ein Ionenantrieb bereits mit einer geringen Beschleunigungsspannung von nur 10 Volt die gleiche Austrittsgeschwindigkeit erreichen.

    Ausserdem haben die Ionen eines Ionenantriebes eine viel genauere Ausrichtung nach hinten als eine expandierende Plasmawolke.

    Die Beschleunigungsspannungen von Ionenantrieben sind natürlich noch viel höher als 10 Volt.

  25. Hallo hilti,

    das Verhältnis von Ionisierungsenergie zu Beschleunigungsenergie bei den Ionentriebwerken ist grössenordnungsmässig im Bereich von etwa 1 zu 1000.

    Wenn man grössere Mengen von positiven Ionen ohne Elektronen lagern würde, dann würde die dadurch entstehende stark positive Raumladung die Ionen sofort auseinander treiben.

    Wenn man positive Ionen mit Elektronen lagern würde, dann hätte man ein voll ionisiertes Plasma, das bei seiner Rekombination hohe Temperaturen erreichen würde.

    In beiden Fällen würde man eine relativ schwere magnetische Flasche benötigen, und in beiden Fällen hätte das Plasma eine relativ geringe Dichte.

    In beiden Fällen würden die Ionen auch sofort mit jeder festen Oberfläche eines Isolators reagieren.

    Eine positiv geladene Hohlkugel hätte leider nur nach aussen ein elektrostatisches Feld, aber sie hätte im Innenraum kein elektrostatisches Feld, das die positiven Ionen beeinflussen könnte.

  26. Ionisierungs- u. Beschleunigungsleistung

    Alle Achtung, hier ist ja eine richtig gute Diskussion im Gange, bei der alle Beteiligten sich gegenseitig etwas vorrechnen und auch etwas mitnehmen. Offenbar läuft in diesem Blog eben doch etwas richtig.

    Das mit den Leistungsanteilen zur Ionisierung bzw. Beschleunigung könnte ich vorrechnen, aber eigentlich kann das auch jeder selbst nachrechnen. So schwer ist das gar nicht.

    Setzen wir mal die Nennschubraft eines T6-Ionentriebwerks mit 0.143 N an und den spezifischen Impulse mit 4120 s. Die Ausströmgeschwindigkeit ergibt sich aus dem spezifischen Impuls mal der Erdbeschleunigung (das ist halt so definiert).

    Wer die physikalischen Zusammenhänge selbst zusammen bekommt, sollte hier aufhören zu lesen.

    Fpr die anderen:

    Der Schub ergibt sich aus dem Massenstrom mal der Ausströmgeschwindigkeit. Damit kann man den Massenstrom des Xenon-Gases berechnen.

    Die kinetische Leistung ergibt sich aus dem Massenstrom geteilt durch zwei, multipliziert mit dem Quadrat der Ausströmgeschwindigkeit. Damit hatman ja schon den einen Leistungsanteil.

    Nun zur Ionisierungsleistung. Bekannt ist der Massenstrom, also die Masse der pro Sekunde zu ionisierenden Xenon-Atome. Die ionisierungsenthalpie (einfache Inisierung reicht) von Xenon entnimmt man Tabellen. Üblicherweise wird diese Energie in kJ pro mol angegeben. Nun muss man noch mol in Masseneinheiten umrechnen und bestimmen, wie viel Energie für die Ioniserung der pro Sekunde ausgestoßenen Xenonmasse benötigt wird.

    Das war’s schon, mehr als Grundrechnenarten werden nicht gebraucht.

  27. Hallo Michael Khan,

    ich habe einen anderen Rechenweg beschritten:

    Die erste Ionisierungsenergie von Xenon beträgt 12,13 eV.

    Wenn die Beschleunigungsspannung 12130 Volt betragen würde, dann wäre die Bewegungsenergie der Xenonionen 1000 mal grösser als die Ionisierungsenergie.

    Natürlich habe ich alle auftretenden Verluste vernachlässigt.

  28. @The Karl Bednarik

    Auf unterschiedlichen Wegen an ein Problem heran zu gehen ist vollkommen in Ordnung. So kann die Plausibilität beider Ergebnisse überprüft werden. Verluste habe ich bei meinem Ansatz auch nicht betrachtet, das was bei mir herauskommt ist das strikte Minimum an Leistung: Weniger geht nicht, wenn der Schub und die Ausströmgeschwindigkeit erreicht werden sollen.

    Jetzt müsste man nur noch rechnen.

  29. Apropos BepiColombo. Bei der letzten Pressekonferenz wurde kurz erwähnt, dass BepiColombo eine Art “Selfie-Kamera” bekommen wird. Seitdem überlege ich wo diese an der Sonde montiert (wegen der enormen thermischen Belastungen sicher nicht einfach eine geeignete Position zu finden) bzw. welches Blickfeld und Charakteristika diese Kamera haben wird. Vielleicht wissen Sie mehr darüber und könnten uns darüber etwas verraten?

      • Damit keine guten Erfahrungen gemacht, früher schon mal Anfragen gestellt, nie eine Antwort erhalten. Aber danke für den Tipp und die rasche Antwort!

        • Ich kann mir nicht vorstellen, dass so etwas beim ESOC passiert. Die versuchen hier wirklich jede Frage zu beantworten.

          Wenn auf BepiColombo solche Kameras für PR-Zwecke installiert werden, dann hoffentlich nur auf der elektrischen Antriebsstufe, die vor der Ankunft am Merkur abgeworfen wird.

          Man würde so etwas zweckmäßigerweise auf den Seitenwänden installieren, an denen Radiatoren sitzen, weil dort nie die Sonne drauf scheint.

          Ich weiß das aber nicht und diese Mission interessiert mich auch nicht sonderlich.

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