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Web Log Teil 108 : 10.4.2009-15.4.2009

Karfreitag, 10.4.2009: Die Sache mit dem Mondgestein

Moon Hoaxer sind ja dafür bekannt, dass sie zwar gerne und viel über angebliche Beweise in Videos und Fotos reden, aber sich kaum zu Dingen äußern, die auch die Mondlandungen produzierten. Dazu gehören natürlich vor allem die Gesteinsproben. (Anders als die Moon Hoaxer meinen, war nicht der Zweck der Mondlandung Bilder und Videos zu machen, sondern diese zu sammeln. So war die Mission von Apollo 12 ein voller Erfolg, obwohl bei ihr recht früh die Videokamera ausfiel).

Sprechen wir also mal über die Dinge, die Moon Hoaxer so gerne ignorieren. Heute mal über das Mondgestein. Moon Hoaxer gehen über dieses gerne hinweg: "Die NASA hat zig geochemische Labors, da können die das ganz einfach zusammenmixen". Diesen Ausspruch, denn ich mal in einer Dokumentation gehört habe, zeigt viel eher, dass der Betreffende keine Ahnung vom Sachverhalt hat. Zudem ist es keine sachliche Aussage, wie denn die NASA Altersbestimmungen oder die unterschiedliche chemische Zusammensetzung hätten türken können. Also fangen wir mal an. Das Mondgestein unterscheidet sich in 3 Dingen von Erdgestein:

Damit dies verstanden werden kann, hier eine kurze Geschichte, wie man sich heute die Entstehung des Mondes vorstellt: Ursprünglich hatte die Erde keinen Mond. In ihrer frühen Entstehungszeit muss sie dann mit einem anderen Planeten (etwa von Marsgröße) kollidiert sein, der dann viel Material ins Weltall herausschlug. Aus diesem Material formte sich der Mond. Dies erklärt z.B. warum der Mond eine viel geringere Dichte als die Erde hat, obwohl er ja die Erde umkreist (die Dichte des Materials nimmt im Sonnensystem von innen nach außen ab: Wäre der Mond zusammen mit der Erde entstanden, so wäre seine Dichte deutlich höher): Da er aus dem früheren Erdmantel stammt enthält er weniger Eisen, dass damals schon zum Kern wanderte.

Der Mond kühlte dann wegen seiner kleinen Größe viel schneller ab und er hatte auch weniger radioaktive Elemente, welche von Innen heraus weitere Wärme produzierten. Die Mondoberfläche ist daher früher erstarrt, als die Erdoberfläche. Vor allem wird auf der Erde die Oberfläche durch Erosion und Plattentektonik laufend neu gestaltet. Der Meeresboden ist jünger als 200 Millionen Jahre und auch bei den Kontinentalplatten werden Gesteine durch Erosion abgetragen, Gebirge aufgefaltet und Ränder in den Erdmantel gezogen. Auf der Erde ist es schwierig, sehr altes Gestein zu finden. Vor allem aber ist es durch die Umgebungsbedingungen verändert. Es verändert sich Gestein durch Sedimente, Kalkablagerungen durch Algen bilden neues Gestein und das Wasser wird vom Gestein aufgenommen und bildet dann andere Mineralien.

Zuletzt sind Erde und Mond Meteoriten ausgesetzt. Bei der Erde gelangen die kleineren Brocken gar nicht erst zur Oberfläche und die größeren hinterlassen zwar Krater, die aber auch durch die Erosion abgetragen werden. Der Arizona Krater ist noch gut zu sehen. Er ist rund 13000 Jahre alt. Das Steinheimer Becken ist rund 15 Millionen Jahre alt und nur noch schwer als Krater zu identifizieren, die Einflüsse des Einschlags auf die Gesteine sind allerdings noch deutlich sichtbar. Der viel größere Chicxulub Krater, der vor 65 Millionen Jahren die Dinosaurier ausgelöscht haben soll, ist dagegen erst vor rund 15 Jahren durch Schwerkraftmessungen und Bohrungen identifiziert worden. Das zeigt, wie schnell unsere Erde Spuren wieder auslöscht. Auf dem Mond bleiben sie dagegen für immer erhalten, da es keine Erosion gibt.

So. Damit sind die Unterschied erklärt. kommen wir nun zu den Unterschieden von Mondgestein und Erdgestein

Mondgestein ist im Mittel älter als Erdgestein

Auf der Erde muss man lange suchen um altes Gestein zu finden. Der Großteil ist nicht älter als 1 Milliarden Jahre. In Deutschland stammt das älteste Gestein z.B. aus dem Devon vor rund 400 Millionen Jahren. Dagegen hat man auf dem Mond Probleme Gestein zu finden, das jünger als 3 Milliarden Jahre ist, da zu diesem Zeitpunkt die Erstarrung der Kruste abgeschlossen war und nur noch Meteoriten hinzukamen. Wie bestimmt man nun das Alter von Gesteinen? Nun genau genommen bestimmt man nicht das absolute Alter (also die erste Bildung des Gesteins aus Atomen) sondern wann es zum letzten mal aufgeschmolzen wurde. Da auf der Erde dauernd Gestein in den Erdmantel gezogen wird, und dort wieder aufschmilzt ist das Erdgestein im Mittel recht jung. Die Altersbestimmung erfolgt über radioaktive Elemente, die mit einer bekannten Halbwertszeit zerfallen. Bei dem Alter um das es hier geht - Milliarden von Jahren - gibt es nur ein Element das dafür genutzt werden kann: Kalium-40. Dieses Isotop zerfällt mit einer Halbwertszeit von 1.25 Milliarden Jahren. Dabei entsteht zu 11 % das Isotop Argon 40. Kalium ist ein sehr weit verbreitetes Element. 2.4 % der Erdkruste besteht aus Kalium. Beim Mond ist es wegen des höheren Anteils von leichten Elementen sogar ein noch größerer Anteil: 9 %. Die Chancen es in einer Gesteinsprobe zu finden, sind also recht groß. Was ist nun das wichtige daran? Kalium ist als Alkalimetall Bestandteil von Mineralien wie z.B. Feldspat oder Glimmer. Argon dagegen ist ein Edelgas und geht keinerlei Verbindungen zu Gestein ein, sondern gast aus und sammelt sich in der Atmosphäre: Es ist z.B. in der Erdatmosphäre das dritthäufigste Element.

Zerfällt nun ein Kalium Atom in ein Argon Atom, dann ist das Argon Atom zwar fest im Gestein gebunden - weil es einfach nicht mehr aus der festen Kristallstruktur gebunden ist. Aber es hat keine chemische Verbindung mehr zu diesem Kristall. Erhitzt man das Gestein, so wird das Argon freigesetzt und die Uhr auf 0 gesetzt. Das macht klar, dass es nicht möglich ist das Alter eines Gesteins zu faken, indem man Argon-40 mit Gesteinsmehl erhitzt und hofft, das dann das Argon vom Gestein aufgenommen wird - das wird nicht passieren. Setzt man Druck ein um es ins Gestein zu pressen, so wird immer noch Argon vom Gestein getrennt sein. Es bilden sich dann Gasblasen aus Argon im Gestein: Es entsteht ein poröses, gasförmiges Gestein wie z.B. Bimsstein. Massives Gestein mit Argon-40 bekommt man so nicht hin und so ist es auch nicht möglich das Alter des Gesteins zu verfälschen.

Mondgestein entstand unter anderen Bedingungen

Blenden wir erst mal von der Erde das gesamte Sedimentgestein aus - also Gestein das durch Erosion gebildet wurde wie Sand, Tone etc. und auch biogenes Gestein wie Kalkgesteine, die durch Algen gebildet werden, dann bleiben noch die Gesteine übrig, die im Erdmandel und bei vulkanischen Eruptionen gebildet wurden. Es gibt mehrere Unterschiede zwischen irdischen Gesteinen und dem Mond. Das erste ist, dass der Mond viel weniger schwere Elemente enthält und daher die Zusammensetzung eine andere ist. Schwere Elemente sind inzwischen weitgehend zum Erdkern gesunken, an der Oberfläche gibt es vor allem Silikate. Der zweite Punkt ist, dass der Erdmantel bis heute flüssig ist. Dies bewirkt eine Aufschmelzung der Gesteine und sie haben eine homogene Zusammensetzung. Auf dem Mond ist dem nicht so. Es finden sich viele Gesteine die wie ein Konglomerat aus verschiedenen Gesteinen bestehen. Dazu kommen Meteoriteneinschläge welche das Gestein in kürzester Zeit aufschmelzen und abkühlen. Dabei entstehen Gesteine, die nicht unter anderen Bedingungen entstehen können. Diese sind auf der Erde auch durch Labore nicht erzeugbar, weil die Bedingungen nicht nachvollziehbar sind. Dieses Bild zeigt eine Breccia, ein typisches Gestein wie es entsteht wenn Gesteine schnell erhitzt und abgekühlt werden ohne die Gelegenheit zu haben sich zu durchmischen.

Weiterhin ist Mondgestein weitgehend wasserfrei: Der Mond enthält kein Wasser. Dagegen enthalten auch Gesteine aus dem Erdmantel Waser, wenn auch dann oft als molekular gebundenes Wasser. Einige Gesteine sind sicher in einer Hochdruckpresse aus den Grundelementen synthetisierbar, aber selbst die besten Pressen können nicht die Bedingungen nachstellen, die in hoher Tiefe herrschen oder bei einem Meteoriteneinschlag vorliegen. Wir kennen dies auch von anderen Produkten: Diamanten können heute synthetisch mit hohem Druck erzeugt werden, doch man erhält dabei nicht dieselben wie natürliche Diamanten: Sie sind niemals farblos und haben immer ein bestimmtes unter dem Mikroskop erkennbares Bruchmuster in der Kristallstruktur.

Mondgestein enthält zahlreiche Spuren von Meteoriteneinschlägen. Nicht nur großen, sondern auch kleinen. Jeder dieser hinterlässt Spuren. Er erhitzt das lokale Gestein, es kühlt rapide ab, es findet eine unvollständige Durchmischung von Meteoritengestein und Krustengestein statt und dabei entstehen instabile Gesteinsarten wie z.B. Glas. Mondgestein enthält fast immer winzige Glaskügelchen die durch den Einschlag von kleinen und Mikrometeoriten entstanden. Diese sind aufgrund der extremen Entstehungsbedingungen nicht nachstellbar.

Es gibt Vergleichsmaterial

Ein Einwand der nun kommen könnte wäre, dass man ja nur das Mondgestein von den Amis kennt, und sie irgendwelche Proben als Mondgestein ausgeben könnten. Zuerst einmal: Über das Alter des größten Teils der Mondkruste herrscht heute Klarheit. Das Alter muss also stimmen. Die Zusammensetzung ist auch aus mehreren Quellen bekannt. Zum einen gibt es Spektralanalysen durch Apollo selbst, aber auch durch Galileo, Clementine und Kaguya, Diese liefern Daten über das Vorkommen bestimmter Mineralien in der Mondkruste.  Zuletzt gibt es Vergleichsproben. Zum einen natürlich von den Russen die mit 3 Sonden etwa ein Pfund Mondgestein zur Erde brachten. Das ist zwar nur ein Tausendstel der Menge der Amerikaner, aber für physikalisch-chemische Untersuchungen reichen winzigste Mengen. Massenspektrometer zählen einzelne Atome!

Zuletzt gibt es auch Meteoriten vom Mond: Wenn ein Einschlag Gestein ins All wirft, dann kann es auch die Mondfluchtgeschwindigkeit erreichen, ins Erdgravitationsfeld gelangen und hier als Meteorit gefunden werden. Ganz schlaue Moon Hoaxer könnten auf die Idee kommen, dass die NASA dann einfach diese Meteoriten als Mondgestein ausgeben könnte: Dumm nur, dass der erste davon 1979 gefunden und erst 1981 als Mondmeteorite erkannt wurde.

Zusammenfassung

Wer etwa von Geologie versteht, kommt nicht auf die Idee, dass das Mondgestein getürkt sein könnte. Aber bestehen Moon Hoaxer etwas von Geologie?

Dienstag 14.4.2009: Ampeln

So, wie wohl schon bemerkt wurde, habe ich über Ostern keinen Blog geschrieben - ich passe mich eben den Surfgewohnheiten meiner Leser an, die übers Wochenende und am Feiertag besseres zu tun haben. Trotzdem war ich ganz fleißig über Ostern. Ich habe endgültig Teil 1 meines Manuskriptes über europäische Trägerraketen nach fast 4 Monaten Arbeit abgeschlossen. Das sollte eigentlich schon früher geschehen, aber jedesmal wenn ich was durchgelesen habe, fiel mir ein, dass man dies noch ergänzen könnte (nur um 50 Seiten später festzustellen, dass ich dies schon in einem anderen Zusammenhang schon mal erwähnt habe) oder es gab für mich noch offene Fragen die ich klären wollte - um nach einigen Stunden Suche doch nichts neues zu finden. Irgendwann habe ich dann das Korrekturlesen, dass dann mehr zum Umschreiben wurde, aufgegeben und morgen geht dann der Aufruf an die Korrekturleser die sich gemeldet haben raus die und ich hoffe, dass ich dann dieses Projekt bald abschließen kann, auch wenn noch alle Abbildungen fehlen. Da bin ich aber pragmatisch und entscheide mich dann eher für weniger Abbildungen anstatt mit schlechter Qualität zu leben. Vom geschäftlichen Standpunkt her bin ich ja ziemlich dumm: Bei jedem Buch versuche ich noch etwas mehr Text auf die Seiten zu quetschen: Vom Gemini Programm zum ATV habe ich das Format gewechselt (+1.5 cm mehr Platz), vom ATV zum LM Buch die Schrittgröße von 11 auf 10 Punkt reduziert (20 Seiten eingespart) und bei diesem ist der untere Beschnittrand um 1 cm kleiner (12 Seiten eingespart). Die meisten anderen Raumfahrtbücher die ich kenne, machen genau das Gegenteil: Wenig Text, in großer Schrift mit vielen Abbildungen. Das schindet Seiten. Aber ich möchte gerne ein bezahlbares Buch haben, bei dem ich trotzdem noch etwa 25 % vom Buchpreis als Honorar bekomme.

Den Großteil von Ostern habe ich mit der Recherche für den zweiten Teil verbracht, der nun auch um 30 Seiten dicker geworden ist, und sich so langsam den 248 Seiten des ersten Teils annähert. Dabei sind mir ein paar Ideen für "Was wäre wenn" Blogs gekommen, die ich vielleicht mal in nächster Zeit umsetzen werde.

Mein heutiges Thema sind Ampeln. Ich sehe Ampeln vorwiegend aus einer Perspektive als Fußgänger, denn ich habe kein Auto. Und ich hasse Ampeln. Dafür gibt es einige Gründe. Das erste ist, dass Ampeln meiner Erfahrung nach einseitig Fußgänger behindern. Bei meinem täglichen Weg zur Arbeit muss ich zwei Hauptverkehrsstraßen überqueren. Die eine direkt nach der Bushaltestelle und die andere ist eine Ausfallsstraße mit einigen Ampeln in regelmäßigen Abständen. Beide Ampeln reagieren nur auf Knopfdruck. Bei der ersten steht eigentlich immer ein Pulk von Leuten - eben weil 5 Buslinien direkt daneben halten. Trotzdem hat man als Fußgänger grün nach 2 Minuten Wartezeit und dann für rund 10 Sekunden. Zusammen mit der Gelbphase sind das 15 Sekunden. Das ist hier extrem lange (weshalb ich meistens auf den Verkehrsfluss schaue und dann die Straße so überquere) aber es ist bei fast allen Ampeln so: Der Fußgänger, der ja auch ein Verkehrsteilnehmer ist, wird als Störung des Flusses der Autofahrer angesehen. Das ist bei einer Hauptstraße vielleicht extrem, aber es ist so auch woanders. Mehr noch: Die heutigen Ampeln sind ja intelligent: Das bedeutet, sie schalten so, dass die Autofahrer möglichst wenig warten müssen. Das hat meist zur Folge, dass man an einer viel befahrenen Straße auf die Ampel drückt und dann warten kann - ein Auto nach dem anderen braust vorbei. Dann ist Ruhe - kein Auto mehr weit und breit und die Ampel schaltet auf Grün! Viel besser kann man die Fußgänger doch nicht verarschen: Du darfst laufen, wenn du keine Ampel bräuchtest, doch wenn Du den Verkehrsfluss aufhältst, musst Du warten!

Wenn wenigstens alle Ampeln dann im Takt laufen würden (das ist nämlich die Ursache für das pulkartige Auftreten der Autos) und dann automatisch grün für die Fussgänger anzeigen egal ob jemand da ist oder nicht, dann könnte man von weitem sehen - "Aha jetzt wird's rot" und 50 oder 100 m vor der Ampel die Straße überqueren wenn die Autos sowieso halten müssen. Aber das bringen die Verkehrsplaner ja auch nicht zustande - siehe die zweite Ampel bei meiner Hauptstraße. Auch hier kann man bis zu 2 Minuten warten - egal wann man drückt, sie schaltet synchron mit den anderen auf der Straße, aber eben nur wenn man drückt. Die Autos kommen nicht schneller vorwärts - sie müssen nur 200 m später anhalten, aber als Fußgänger muss man immer warten, und wenn dann Grün ist, dann wartet mal ein oder zwei Autos - und das auf einer Ausfallstraße nach Esslingen.

Schlimmer ist noch, was Ampeln bei Autofahrern anrichten: Sie richten sich sklavisch nach diesen. Wir haben in unserem Ort eine Ampel an einer T-Kreuzung von zwei Hauptstraßen. An einer Seite, wo die Autos von zwei Richtungen auf die Ampel zukommen können (einmal in Durchfahrtrichtung und einmal rechtwinklig dazu) zeigt die Ampel nur ein blinkendes oranges Signal mit Fußgängersymbol. Auf der anderen Seite das klassische Grün-Gelb-Rot. Was ist die folge? Die Autofahrer auf der einen Seite warten, auch brav wenn gar kein Fußgänger mehr kommt (weil die Ampel mit einer zweiten zusammengeschaltet ist, kommen lange Rotphasen für die Autofahrer vor, bei denen Fußgänger schon längst Rot haben). Auf der anderen Seite erfüllt das "Orange blinkende Symbol" nicht den eigentlich Zweck - dass Leute aus der Kreuzung rausfahren und vor der Ampel halten können - Sie sehen sonst nicht,dass die Ampel für die andere Seite rot ist. Sondern dieses Symbol heißt wohl im Klartext für einen Autofahrer - wenn kein Fußgänger auf meiner Spur ist, dann fahr ich über die Ampel drüber, selbst wenn Fußgänger noch grün haben (und z.B. gerade die Ampel überqueren wollen, oder gerade mal die halbe Straße überquert haben). Dadurch gab es schon einige Beihnah Unfälle an der Kreuzung, die nur dadurch verhindert wurden, dass der Autofahrer nur 30 m zum Beschleunigen hatte und noch rechtzeitig bremsen konnte.

Andererseits stehen Autofahrer sklavisch vor Ampeln die für sie Rot sind und bei denen keiner den Weg überquert und auch links und rechts auf dem Bürgersteig niemand zu sehen ist. Das ist das Hauptproblem: Die Leute halten sich an Symbole und schalten ihren Menschenverstand ab. Daher plädiere ich für Zebrastreifen, weil da die Leute ihren Verstand wieder gebrauchen müssen und man dort eine Rücksicht beobachten kann, die bei Ampeln, aber auch sonst im Straßenverkehr selten geworden ist. Die meisten Autofahrer denken bei Zebrastreifen vorausschauend und halten an, wenn ich noch auf dem Weg zu einem bin (und bei den meisten hätte es noch gereicht den Streifen vor mir zu überqueren). Aber auch die Autofahrer haben einen Vorteil: Ich beeile mich die Straße schneller zu überqueren und sie können sofort wieder losfahren, anstatt wie bei einer Ampel ewig lang zu warten. Es ist ein System das beiden Partien nützt und etwas wo Rücksicht gefordert wird, anstatt einem festen Zwang zu folgen: Trotzdem sind Zebrastreifen auf dem Rückzug. Ich kenne etliche Beispiele wo sie durch Ampeln ersetzt wurden aber keinen einziges Beispiel wo es umgekehrt lief. Das ist für mich völlig unverständlich, weil die Ampeln ja auch für die Stadt teurer sind. Aber was will man im Land der Ordnungsfanatiker und der unzähligen Verordnungen und Gesetze denn auch anders erwarten?

Mittwoch 15.4.2009: Ariane 4 XL und XXL

Nehmen wir mal an (Ich nehme immer gerne an), wir hätten die Ariane 5 nicht entwickelt - Wäre nicht auch die Ariane 4 weiter entwickelbar gewesen, um den steigenden Satellitenmassen nachzukommen? Ja natürlich! An dieser Stelle mal wieder ein Beitrag in der Rubrik "Gut das wir es besser wissen!". Um die Nutzlast zu erhöhen ist es bei der Ariane 4 nötig vor allem die beiden oberen Stufen zu vergrößern. Zum einen weil sie bei der Berechnung des Voll/Leermasseverhältnisses wichtiger für die Nutzlast sind, zum zweiten weil die Stufen einen höheren spezifischen Impuls aufweisen. So brachten 2 t mehr Treibstoff in der dritten Stufe rund 300 kg mehr Nutzlast, für 1200 kg mehr Nutzlast mussten in der ersten Stufe zwei Booster mit rund 90 t Startgewicht angebracht werden. Da die bisherige Entwicklung vor allem die untere Stufe (wozu man die Booster hinzuzählen muss) erhöhten, sollte dies eine deutliche Nutzlaststeigerung bringen.

Um größere Oberstufen zu transportieren, muss mehr Schub vorhanden sein. Der erste Vorschlag den ich habe, wurde schon bei der Konzeption der Ariane 4 gemacht: Der Einbau eines fünften Triebwerks in die erste Stufe. Dieses liefert rund 700 kN Schub. Bei einer Mindestbeschleunigung von 1.2 g entspricht dies rund 60 t. Die Oberstufen können also rund 60 t mehr wiegen. Derzeit wiegen sie zusammen rund 51 t. Das entspricht also einer Verdopplung des Gewichts. Geschickterweise entspricht dies genau dem Verhältnis (3.80/2.60)². 3.80 m das ist der Durchmesser der ersten Stufe, 2.60 m das ist der Durchmesser der zweiten und dritten Stufe. Wprde man die bisheerige Gestalt bei Beibehaltung der Länge auf druchgehend 3.80 m Durchmesser erweitern, so  erhält man folgende Rakete:

Typenblatt Ariane 4 XL

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
3.80 m
544.000 kg

Einsatzzeitraum:
Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

7500 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25
2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
4 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
4 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L77

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
3,80 m
84.200 kg (max.)
7,200 kg
2 x Viking VB
2 x 798 kN (Vakuum)
140 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H25

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
3,80 m
28.100 kg
2,600 kg
2 x HM-7B
2 x 64.8 kN (Vakuum)
860 s
LOX/LH2
4373 m/s

VEB

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:

Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:

Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

(Ich mache mal Gebrauch von den Typenblättern, die ich für das aktuelle Buch eingeführt habe eventuell werde ich diese auch ins Web übernehmen). Die zweite und dritte Stufe sind 58.8 t schwerer, das passt also ideal zum erhöhten Schub. Nötig ist dann allerdings auch jeweils ein zweites Triebwerk in diesen beiden Stufen. Die Nutzlast beträgt 7500 kg, das sind 2600 kg mehr als bei der Ariane 43L bei einer nur 13 % höheren Startmasse. Also eine echte Verbesserung (52  % mehr Nutzlast bei nur 13 % höherer Startmasse).

Geht noch mehr? Natürlich. Wer sagt denn, das es nur 4 Booster sein müssen? Technisch können 8 Booster an eine Ariane 4 angeflanscht werden. So viele gehen auf einen Kreis mit einem Radius von 6.03 m (2.21 + 3.81 m Durchmesser von Booster und Hauptstufe) Die 4 weiteren Booster haben mehr Treibstoff. Vor allem aber liefern sie mehr Schub und erlauben so eine Vergrößerung der oberen Stufen. Jeder Booster wiegt rund 45 t, liefert aber 70 t Schub. Bei einer Beschleunigung von 1.2 g erlaubt jeder Booster also die Vergrößerung der oberen Stufen um rund 15 t. 4 Booster also um 60 t. Eine Vergrößerung des Durchmessers der zweiten und dritten Stufe auf 4.7 m würde ziemlich genau die zusätzlichen 60 t ergeben. Man erhält dann folgendes Typenblatt

Typenblatt Ariane 4 XXL

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
4,70 m
779.100 kg

Einsatzzeitraum:

Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

12100 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25

2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
8 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
8 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L117

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
4,70 m
128.800 kg (max.)
11.000 kg
3 x Viking VB
3 x 798 kN (Vakuum)
142 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H40

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
4,70 m
43.800 kg
4,000 kg
3 x HM-7B
3 x 64.8 kN (Vakuum)
895 s
LOX/LH2
4373 m/s

VEB

Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:
Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:
Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

Wie sich zeigt: Bei nahezu gleicher Startmasse wie eine Ariane 5 ECA transportiert diese Version 12.1 t in den GTO Orbit (zugegeben sehr optimistisch, da die VEB gleich groß blieb, aber mehr als die ESC-A wird es in jedem Fall sein) Einsetzen könnte man dann natürlich auch größere Nutzlastverkleidungen von 4.70 m Durchmesser. Diese wird frühzeitig abgeworfen und beeinflusst die Nutzlast kaum.

Das ganze wäre noch zu optimieren, indem man eine weitere vierte Stufe einführt, z.B. die bisherige H10, und dafür die zweite und dritte Stufe etwas erleichtert: Da diese einen höheren spezifischen Impuls als die zweite Stufe hat, resultiert nun eine noch etwas höhere Nutzlast: 13.8 t

Typenblatt Ariane 4 XXL2

Länge:
maximaler Durchmesser:
Startgewicht:

54,90-58,70 m
4,70 m
757.300 kg

Einsatzzeitraum:
Starts:
Fehlstarts:
Zuverlässigkeit:

?
?
?

Nutzlast:

13800 kg (in einen GTO Orbit)

Stufe 1 L220

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:

Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

28,39 m
3.80 m
252.200 kg (max.)
18.510 kg
5 Triebwerke Viking IVB
5 x 680 kN (Meereshöhe)
5 x 758 kN (Vakuum)
164 s
NTO/UH25
2432 m/s (Meereshöhe) 2747 m/s (Vakuum)

Flüssigbooster PAL

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:

19,00 m
2,22 m
8 x 4.550 kg (max.) 4100-4400 kg (typ.)
8 x 44.650 kg (max.) 43.550 kg (typ.)
1 x Viking VI
670 kN (Meereshöhe), 750 kN (maximal)
142 s
NTO/UH25

Stufe 2 L93

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Trockengewicht:
Triebwerk:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls:

11.61 m
4,53 m
100,400 kg (max.)
8.600 kg
3 x Viking VB
3 x 798 kN (Vakuum)
126 s
NTO/UH25
2904 m/s

Stufe 3 H33

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
4,53 m
36.600 kg
3,100 kg
3 x HM-7B
3 x 64.8 kN (Vakuum)
753 s
LOX/LH2
4373 m/s

Stufe 4 H10-III

Länge:
Durchmesser:
Startgewicht:
Leergewicht:
Triebwerke:
Schub:
Brenndauer:
Treibstoff:
spezifischer Impuls (Vakuum)

11.14 m (max.)
2,60 m
13.140 kg
1,240 kg
1 x HM-7B
1 x 64.8 kN (Vakuum)
780 s
LOX/LH2
4373 m/s


Länge:
Durchmesser:
Gewicht:

1.04 m
4.00 m
600 kg

Nutzlasthülle

Länge:
Volumen:
Durchmesser:
Gewicht:

8.60, 9.60 und 11.10 m
60 m³ / 70 m³ / 86 m³
4.00 m
750 / 810 kg

Spelda

Volumen:
Durchmesser:
Höhe:
Gewicht:

23 m³ / 26 m³ / 32 m³ / 42 m³
4.00 m
1,80 m / 2,10 m / 2.80 / 3.80 m
300 kg / 350 kg / 380 kg / 410 kg

Verwundert? Nein normale Raketentechnik. Eine Kostenabschätzung ist natürlich nicht leicht. Aber ein paar Hausnummern: Wenn man annimmt, dass die Kosten proportional zu der anzahl der Triebwerke ist und die HM-7B Triebwerke doppelt so teuer sind wie die Viking, dann müsste die letzte Version rund 2.1 mal teurer als eine Ariane 44L sein. Allerdings ist die Nutzlast 2.8 mal höher. Netto gesehen sind die Kosten pro Kilogramm also um rund 74 % der einer Ariane 4. Selbst wenn damit nicht der Startpreis einer Ariane 5 erreicht würde (Ziel: 45 % geringere Kosten pro Nutzlast - erreicht?) - man hätte aber auch nicht die 8000 Millionen Euro Entwicklungskosten für diese eingespart und könnte die Herstellung subventionieren (bei der Ariane 5 tut man das trotz niedrigerem Startpreis ja auch mit 196 Millionen Euro pro Jahr!) Des weiteren gäbe es natürlich die Möglichkeit die Technik zu erneuern, z.B. eine dritte Stufe mit dem Vinci Triebwerk.

Donnerstag 16.4.2009: Gravitationsverluste

Eine Mail in der ich gebeten wurde, die Reisezeit mittels Ionentriebwerken von einer LEO Bahn in den Lagrangepunkt L2 zu berechnen und ich dies ablehnen musste, weil es nicht mit einer einfachen Formel getan ist, sondern über eine Simulation gelöst werden muss, hat mich zum heutigen Thema gebracht. Den verantwortlich dafür sind die Gravitationsverluste. Sie sind ja eigentlich keine Verluste in dem Sinne, das Energie verloren geht. Sie bedeuten aber, das Energie in eine Form umgewandelt wird, die  nicht so nützlich ist, wie wir das gerne hätten.

Gravitationsverluste gibt es bei jeder Arbeit in einem Gravitationsfeld. Ich will das mal an zwei Beispielen verdeutlichen, die auch praktisch die wichtigsten sind. Das erste ist der Aufwand einen Orbit zu erreichen. Nehmen wir mal an, wir hätten eine Erde ohne Atmosphäre. Wir wollen auf dieser nun eine 200 km hohe Kreisbahn erreichen. Am geschicktesten ginge das mit einem Impuls: Eine Railgun beschleunigt z.B. einen Satelliten ganz schnell und er erreicht im Bruchteil einer Sekunde eine hohe Geschwindigkeit. Beschleunigen wir auf 7912 m/s, so haben wir eine Kreisbahn in 0 km Höhe. Da das wegen der Berge und Hügel hinderlich ist, beschleunigen wir auf 7967 m/s und erreichen eine elliptische Bahn mit einem erdfernsten Punkt von 200 km Höhe. Dort angekommen (nach einem halben Umlauf) haben wir nur noch eine Geschwindigkeit von 7724 m/s. Um eine Kreisbahn zu erreichen braucht man aber 7785 m/s - Beschleunigen wir um weitere 61 m/s, so haben wir die Geschwindigkeit die nötig ist, um eine 200 km hohe Kreisbahn beizubehalten.

Gegenüber den 7785 m/s die für eine 200 km Kreisbahn nötig sind, benötigten wir also 7966 + 61 = 8027 m/s. Das ist schon mehr als die 7784 m/s die wir aufbringen müssten, wenn wir mit einem Aufzug die Nutzlast gleich in 200 km Höhe aussetzen könnten. doch nun die Überraschung: Das ist nichts gegenüber den realen Verlusten eines Raketenstarts.

Denn unsere Erde hat eben kein Vakuum - In der Atmosphäre kann man nicht auf rund 8 km/s beschleunigen. Also muss eine Rakete erst mal vertikal beschleunigen, und die Nutzlast in 200 km Höhe bringen. Die vertikale Komponente der Bahn entspricht daher einem senkrechten Wurf mit einer Gipfelhöhe von 200 km. Gemäß der einfachen Formel S = 1/2 a*t² kann man auf t auflösen und die Geschwindigkeit die erreicht werden muss, ist dann a*t, wobei a in unserem Falle g = 9.81 m/s ist. Man erhält dann für v= 1401 m/s. Das ist bedeutend mehr als die 243 m/s, die beim Fall ohne Atmosphäre anfallen würden (8027 m/s-7784 m/s)

Noch schlimmer: Das ist die Betrachtung bei einem Impuls, also wie wenn eine Kanone abgefeuert wird. Bei einer realen Rakete dauert es einige Minuten bis diese Geschwindigkeit erreicht wird und während der ganzen Zeit zieht die Gravitationskraft nach unten. Wenn unsere Rakete mit weniger als 1 g starten würde, dann käme nicht einmal von der Startplattform weg. Wirksam ist nur der Überschuss zu 1 g. Da die Beschleunigung durch den geringer werdenden Treibstoff aber immer größer wird, wird dieser immer größer. Von der Logik her sollte man mit hoher Beschleunigung starten. Da diese aber mit leerenden Tanks immer stärker ansteigt, überschreitet sie rasch ein Maß, bei dem die Nutzlast sehr hohen Belastungen ausgesetzt wird und auch die Strukturen sehr massiv sein müssen. Als Optimalwert gilt daher eine Startbeschleunigung von 1.6 g. Das gewährleistet, dass die Spitzenbeschleunigung im Bereich von etwa 5-6 G liegt. Raketen die langsam beschleunigen brauchen eine höhere Geschwindigkeit um einen Orbit zu erreichen. Raketen die schnell beschleunigen, wie reine Feststoffraketen z.B. nur wenig. Der Mehraufwand liegt zwischen 1200 und 2400 m/s. Wobei am unteren Ende die Scout und die ersten Atlas/Thor Versionen liegen (ohne große Oberstufen) und am oberen Ende die Saturn V (langsame Beschleunigung) und die Ariane 5 (wegen des zu geringen Schub des Vulcain - er beträgt nur noch 0.7-0.8 g nach Abtrennung der Booster).

Teil 2: Nun kommen wir zu den Ionentriebwerken: Was passiert in einer Erdbahn? Man könnte meinen, nun wären die Probleme gelöst. In einer Erdumlaufbahn kann ja der Satellit nicht mehr herunterfallen. Ist es Wurst wie ich von einer 200 km Bahn in eine 36000 km GSO Bahn komme? Äh nein! Nehmen wir zuerst mal das Extrembeispiel: Wir wollen die Erde verlassen. Das könnte man auch interpretieren als den Transport von einer niedrigen Kreisbahn (200 km Bahn v= 7784 m/s) auf eine unendlich weite Kreisbahn (v=0 m/s). Wie jeder weiß benötigt man dazu die Fluchtgeschwindigkeit die √2 * Kreisbahngeschwindigkeit ist, also rund 11009 m/s. Das entspricht der doppelten Energie. Man könnte es auch anders sehen: Die Geschwindigkeit von 7800 m/s wird auf 0 reduziert. Das ist auch die doppelte Energie (einmal aufgebracht und einmal vernichtet). In Geschwindigkeiten aber ist es nicht derselbe Term, da gilt: Die Energie ist proportional v². Im einen Fall sind es zusätzliche 3235 m/s (11009-7784) und im zweiten Fall sind es 7784 m/s.

Wenn mit einem sehr schubschwachen Antrieb nun die Bahn laufend angehoben wird, dann gilt der zweite Tatbestand. Der Grund dafür liegt, dass es in einem Gravitationsfeld zwei Energieformen gibt: Die Potentielle Energie - Ein Körper der angehoben wird hat ein höheres Energieniveau (gehen sie einfach mal in den 8 sten Stock mit der Treppe und Sie wissen was ich meine) und die kinetische Energie in Form der Bewegung. An letztem ist man bei Satellitenbahnen interessiert. Je länger ein Antrieb arbeitet, desto länger tut er dies aber im Gravitationsfeld und desto mehr potentielle Energie müssen wir aufwenden. Das ist der Grund warum Ionentriebwerke eine höhere Energie erreichen müssen als chemische Treibwerke. Sie zu berechnen ist nicht mehr mit einfachen Formeln möglich. Ich mache daher bei Ionentreibwerken nur eine Abschätzung indem ich den "Worst Case" Fall ansetze. Und ich beschränke mich auf die berechenbaren Brennzeiten und den Treibstoffverbrauch, nicht die Reisezeiten.

Das gilt übrigens auch für Satellitentriebwerke und Oberstufen. Die EPS Oberstufe der Ariane 5 hat z.B. eine sehr lange Brennzeit durch den geringen Schub und steigt daher in der Bahn sehr weit hoch, während sie brennt. Ein Teil der Brennzeit findet daher in größerer Höhe statt - dafür wird Hubarbeit geleistet. Als Folge benötigt eine Ariane 5 ES eine um 105 m/s höhere Geschwindigkeit um den GTO Orbit zu erreichen als die ESC-A Version mit höherem Schub und geringerem Ansteigen in der Bahn. Raketen, welche einen höheren Orbit nicht mit einem Zwei-Impuls Manöver erreichen können (weil die Oberstufe nicht wiederzündbar ist) müssen auch Hubarbeit aufbringen: Das war der Grund warum die Nutzlast der Ariane 4 für sonnensynchrone Bahnen nicht viel höher war als bei GTO Bahnen: Sie mussten direkt eine 800 km Bahn erreichen und nicht direkt über den Zwischenschritt 200 km Parkbahn. Während letztere 300 m/s mehr gegenüber der 200 km Bahn erforderlich macht, sind es beim direkten Aufstieg 1400 m/s - also rund 1100 m/s mehr!

So gesehen spricht doch alles für eine Railgun - wenn nur die Satelliten es aushalten würden. Oder für im Schub regelbare Triebwerke - wenn diese nur nicht so viel teurer wären.


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