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Web Log Teil 160: 13.4.2010-27.4.2010

Dienstag den 13.4.2010: Vierzig Jahre Apollo 13: Die Unglücksursache

Ich bin mir sicher, dass zu diesem Jahrestag viele Blogs heute erscheinen werden und die meisten werden sich mit dem Unglück und der Rettung beschäftigen. Eine spannende Geschichte, die ja auch von Tom Hanks verfilmt wurde. Wie von mir gewohnt betrachte ich die technische Seite.

Am 13.4.1970 explodierte der Sauerstofftank Nr.2 im SM und löst die Katastrophe aus. doch wie konnte das passieren? Jedes Servicemodul enthält zwei Sauerstofftanks mit jeweils 145 kg flüssigem Sauerstoff, zur Isolation ist der Tank doppelwandig. In ihn ragen nur zwei Rohre hinein. Das eine enthält zwei durch Thermostate geregelte Heizspulen und zwei Ventilatoren zum Durchmischen des Tanks, das zweite einen Messfühler der den Tankinhalt nach dem Kondensatorprinzip eklektisch misst. Dazu kommt einen außen gebrachter Temperatursensor und ein Drucksensor, der automatisch die Heizung anwirft. Über dieses Rohr wird er auch betankt.

Sauerstofftank Nr. 8 machte schon Probleme bei der Herstellung. Schweißnähte waren zu porös, Der Ventilator zog zu viel Strom. Zum Schluss gelang es bei der Abgabeprüfung nicht den Tank zu entleeren - 45 kg Sauerstoff verblieben im Tank. Durch Erhitzen konnten 34 kg ausgetrieben werden, der Rest erst durch Spülen mit gasförmigen Sauerstoff unter 20 bar Druck.

Danach begannen die Einbauarbeiten in das Servicemodul von Apollo 10. Dies geschah am 11.3.1968. Im Sommer wurde eine Modifikation wegen EMCV Interferenzen mit den Vakuumpumpen nötig, die man bei Tests entdeckte und die Einheit sollte ausgebaut werden. Am 11.10.1968 sollte der Tank aus dem SM-104 von Apollo 10 herausgehoben werden, ein Haltebolzen wurde aber vergessen und der Kran brach und der Sauerstofftank fiel aus 5 cm Höhe wieder in das SM. Dem maß man wegen der geringen Höhe keine Bedeutung bei, doch muss er dabei wohl an den vorderen Teil der Verkleidung gestoßen sein und der Einfüllstutzen dabei verbogen worden sein.

Es folgte der problemlose Einbau in das SM-106 von Apollo 13. Das geschah am 22.11.1968. Danach passierte lange Zeit gar nichts, bis am 16.3.1970 die Countdown-Generalprobe begann. Der Tank wurde vollgefüllt, die Brennstoffzellen in Betrieb genommen und das System geprüft, danach wurden beide Tanks wieder entlüftet. Das geschah durch das Einleiten gasförmigen Sauerstoffs. Während dies bei Tank 1 normal funktionierte und er bald den Füllstand von 50 % erreichte der für die nächsten Tests notwendig war blieb Tank 2 bei 92 % Füllung.

Man unterbrach die Prozedur und beriet sich mit dem Hersteller des Tanks Beech, North American über die weitere Vorgehensweise. Zuerst wurde am 27.3.1970 der Tank normal entlüftet. Durch das Verdampfen des Sauerstoffs hatte sich in ihm inzwischen ein Druck von 12,3 Bar aufgebaut. Das reduzierte die Menge auf 65 % Man diskutierte nun über das Problem und kam zu zwei Schlüssen - einem Leck in der Einfüllöffnung oder einem defekten Einfüllstutzen. Beide Möglichkeiten würden darin resultieren, dass der gasförmige Sauerstoff sofort zur Auslassöffnung gelangt ohne einen Druck auf den flüssigen Sauerstoff auszuüben.

Nun wurde beschlossen den Sauerstoff durch Erhitzen "Boil off" auszutreiben. Die Hitzeelemente wurden mit der 65 V Bodenausrüstung in Betrieb genommen. Nach sechs Stunden betrieb war die Sauerstoffmenge aber nur auf 35 % gefallen. Nun wurde ein Pressure Cycling angewandt - der Tank wurde auf 20.5 Bar beaufschlag ohne dass die Entlüftungsöffnung freigegeben wurde und gleichzeitig erhitzt. Das Entlüften trieb dann jeweils 7 % Sauerstoff aus. Nach fünf Zyklen war der Tank leer. Acht Stunden lang waren die Heizelemente gelaufen.

Nun wurde beraten, ob nicht beide Sauerstofftanks ausgebaut werden sollten (einer alleine ging nicht). Da es nur um das Betanken ging, er aber während der Mission nie enttankt werden musste wurde beschlossen, zwölf Tage vor dem Start den Tank normal zu betanken: Ginge dies so würde die Mission normal durchgeführt werden. Bei Problemen würden beide Tanks ausgetauscht werden und Apollo 13 müsste verschoben werden.

Am 30.3.1970 wurde dies durchgeführt und es klappte. Die 20 % die zugeladen wurden ließen sich aus Tank 1 normal entfernen und bei Tank 2 war wieder ein Pressure Cycling nötig. Die folgenden Diskussionen konzentrierten sich auf den defekten Einfüllstutzen, der offensichtlich nach dem Fall verbogen war und wie sich dies auf die Mission auswirken konnte.

Das war aber nicht die Fehlerursache. Sie lag woanders.

Ursprünglich war der Tank ausgelegt für einen Betrieb an der 28 V Bordstromversorgung von Apollo. Der Thermostat, der die Heizelemente vor Überhitzung schützen sollte, war auf diese Spannung ausgelegt. 1965 änderte North American die Spezifikation für des Block II Designs und gab diese an Bericht den Hersteller weiter. Der Tank sollte auch an das Bodenequipment im KSC angeschlossen werden können um ihn (wie bei Apollo 13 zu be- und enttanken). Das KSC arbeitete jedoch mit einer 65-V-Spannung. Beech bestellte auch neue Schutzschalter, vergaß aber die Spezifikation zu ändern.

Bei 65 V Spannung war der Thermostatschalter, der die Heizelemente von der Stromversorgung trennen sollte, wenn die maximale Betriebstemperatur von +27°C im LOX-Tank erreicht ist jedoch unwirksam. Spätere Tests mit einem anderen LOX-Tank zeigten, dass sich die Heizelemente auf bis zu 530 °C erhitzt haben mussten. Dadurch würde de Teflonisolation der Leitungen beschädigt. Danach waren Metallleitungen blank und ragten in flüssigen Sauerstoff.

Das Unglück nahm dann seinen Lauf. Vor der Explosion sollte Swigert mit den Ventilatoren den Inhalt der Tanks durchmischen - flüssiger Sauerstoff neigt zur Schichtenbindung. Das erschwerte der Bodenkontrolle die Messung der Restsauerstoffmenge. Daher sollte der Inhalt mit den Ventilatoren durchgemischt werden. Erstmals seit Missionsbeginn bekamen die Leitungen Strom, es kam zu einem Kurzschluss mit einer Lichtbogenentladung, welche das Teflon entzündete. Das Teflon brannte in flüssigem Sauerstoff natürlich ganz gut und der Druck im Tank stieg rasch an, bis er explodierte und dabei weitere Systeme beschädigte.

Im Nachhinein muss man sagen hatte die Besatzung Glück im Unglück. Nicht nur, weil die Explosion auch anders hätte verlaufen können, sondern auch wegen des Zeitpunktes: Apollo war in 300.000 km Entfernung, 56 Stunden nach Missionsbeginn. Wäre das Manöver wesentlich früher durchgeführt worden, so hätten die Stromreserven wohl nicht ausgereicht, um die Besatzung zu retten. Bei einem Zeitpunkt nur einen Tag später wäre die Kapsel in einem Mondorbit gewesen und ohne Haupttriebwerk wäre keine Rückkehr zur Erde möglich gewesen. Damit hatte Apollo 13 erheblich mehr Glück als Apollo 1.

Sonntag 18.4.2010: Die Apollo I Missionen

SIM von Apollo 15Manch einer hat sich sicher gefragt warum nach den Apollo H Missionen (Einsatz von Handkarren zur Bodenprobengewinnung) gleich die Apollo J Missionen (erweiterte Einsatzdauer auf dem Mond und Mondmobil) folgten - nun es gab tatsächlich noch einen Typ dazwischen, die Apollo I Missionen.

Bei den Planungen die wissenschaftliche Ausbeute von Apollo zu maximieren, lief unter dieser Bezeichnung eine Mission nur im Mondorbit von 30 Tagen Dauer. Das CSM wäre dann anders als bei den Mondlandungen in einen polaren Mondorbit eingeschwenkt. Ein Mondlander sollte nicht mitgeführt werden, dafür mehr wissenschaftliche Ausrüstung im CSM. Nach einem Monat wäre das CSM zur Erde zurückgekehrt und die Daten auf dem Rückflug geborgen worden. Die Bergung war nötig weil einige Experimente die bei Apollo mitgeführt wurden die Daten auf Film aufzeichneten. Entweder wurde Film direkt benutzt (Kameras) oder über verschiedene Methoden als Datenspeicher eingesetzt zum Beispiel um Spektren aufzunehmen.

Ein Bay des CSM war dafür vorgesehen, das ergab ziemlich viel Raum und ohne den Mondlander gab es auch genügend Treibstoff um wirklich viele Experimente mitzuführen.

Die Apollo 15-17 Expeditionen führten folgende Experimente mit:

Ein Monat Dauer wäre notwendig gewesen, weil dies die Umlaufszeit des Mondes ist und er synchron zur Erde rotiert, also einen Monat für einen Umlauf um die Erde (genauer gesagt 28 Tage) benötigt und sich in dieser Zeit um die eigene Achse dreht.

Die Frage ist nun - hätte es sich gelohnt? Die Mission wäre sicher durchführbar gewesen. Ohne den über 15 t schweren Mondlander hatte das CSM leicht für eine wesentlich längere Mission ausgerüstet werden können - es wären mehr Sauerstofftanks, mehr Wasserstofftanks mehr Nahrung notwendig gewesen. Doch das war technisch kein Problem. der Platz stand im SM zur Verfügung. Auch die Experimente existierten und hätten eingesetzt werden können. Kritisch wäre wohl die Ressource Film gewesen. Doch da der Film für eine Bergung vorgesehen war, denke spricht nichts dagegen die Kassetten mehrmals auszuwechseln. Stauraum gab es in der Kommandokapsel genug - bei Skylabmissionen sollte sie ja für fünf Astronauten Platz bieten (bei einer Rettungsmission). Spionagesatelliten des KH-4 Systems transportierten immerhin schon 7,5 km Film im Gesamtgewicht von 72 kg in Kapseln zurück zur Erde und von diesen stammte das Kamerasystem ab. Hier wurden bis zu sechs Kassetten eingesetzt.

Die meisten anderen Experimente übertrugen die Daten über funk und waren nicht auf aktive Tätigkeiten von Astronauten angewiesen - das ist auch der Knackpunkt. Mit Ausnahme der Kameras die Fotos produzieren, die man erst rund 30 Jahre später mit gleicher Qualität mit digitalen Halbleitern erzeugen kann, wären schon damals alle Experimente schon auf einer Raumsonde möglich gewesen. Nur für die Kameras war es nötig dass der Film geborgen und zurückgeführt wurde. Die anderen Experimente wurden nur aktiviert oder abgeschaltet. Die beiden Mariner 6+7 Raumsonden, zur gleichen Zeit wie Apollo 11 unterwegs, kosteten weniger als die Hälfte dieser Mission und Raumsonden können länger als 30 Tage arbeiten. Die meisten Experimente wären wohl billiger mit einer unbemannten Sonde durchzuführen gewesen - mit Ausnahme von Aufnahmen. Wäre ein Mondatlas das Wert gewesen? Es hätte nicht mal der Filmvorrat oft ausgewechselt werden müssen: Der Film in beiden Kameras war ausreichend bei einer normalen Mission für mehr als die Mondoberfläche (Mapping Kamera: 68 Millionen km², Panoramakamera: 17,4 Millionen km², Mondoberfläche 37,6 Millionen km² - Drei Magazine für die Panoramakamera hätten ausgereicht, damit wir heute einen Mondatlas von 2 m Auflösung hätten - rund 7.500 Aufnahmen von je 1,15 x 0,114 m Länge und 330 x 33 km Breite. Wenn man sich für einen nur 55 km hohen Orbit entschlossen hätte (zehn Filmkassettenwechsel bei der Panoramakamera und vier bei der Mapping Kamera), dann wäre die Auflösung sogar auf 10 m  / 1 m verdoppelbar gewesen,

Ich meine es wäre eine gute Investition gewesen, auch wenn es sicher teurer als ein unbemanntes Unternehmen gewesen wäre - vor allem weil wir aus der Retrospektive schlauer sind: Denn es dauerte bis 2009, bis erneut Mondsonden gestartet wurden, die genauso gute Bilder machen können. Kaguya und der LRO fallen in diese Rubrik. Eine Mondmission mehr, das wären rund 350-450 Millionen Dollar gewesen - bei rund 25,5 Milliarden Dollar für das Gesamtprogramm zu verschmerzen, vielleicht sogar wertvoller als noch eine Mondlandung mehr.

Montag 26.4.2010: Schuhe kaufen und Wasserspritzer

So, inzwischen  bin ich vom Arbeitsurlaub zurück. Dabei sind mir einige Ideen für Themen gekommen, die nichts mit Raumfahrt zu tun haben. Eine kam mir als ich Scrubs ansah,. Ich habe die Szenen mal zusammen geschnitten. Es ist zwar pointiert, aber es trifft es doch genau. Also zuerst mal das Video ansehen, damit ihr wisst wovon ich rede (ist auch nur 87 s lang):

Inzwischen gibt es ja sogar eine Firma die übers Internet nur Schuhe verkauft und damit Werbung macht. Das geht nur wenn es eine entsprechende Nachfrage gibt. Also es gibt ja nun Unterschiede zwischen Männer und Frauen im Konsumverhalten, das ist unbestreitbar. Aber diese Vorlebe für Schuhe ist schon etwas seltsam. Bei so etwas schaltet "Man" instinktiv ab. Ich habe zwar gehört, das Männer mehr praktisch orientiert sind und sich dies auch beim Einkauf äußert: Sie suchen zielgerichtet einen Schuh der passt, bequem ist und dem gewünschten Stil entspricht,

Für Frauen soll dagegen das Einkaufen selbst ein Erlebnis sein (schon eine verrückte Idee, ich finde es als stressige Notwendigkeit) da wird nach Schuhen gesucht die zu der Kleidung passen, stylisch sind etc. Bei Frauen heißt es ja nicht "Einkaufen" sondern "Shopping" und das Geldausgeben für unnütze Dinge soll sogar eine beliebte Freizeitbeschäftigung sein. (Nicht nur bei Frauen) Nun ist sicher nicht bestreitbar, dass die meisten Frauen es besser verstehen ihre Kleidung geschmackvoll zu wählen und zu kombinieren. Das Verhalten das beschrieben wurde, passt ja auch auf den Kleidungskauf allgemein. Doch was unverständlich für mich ist, ist diese Vorliebe für Schuhe. Bei Veronika Pooth habe ich mal gesehen, das sie ein ganzes Zimmer voller Schuhe hat. Dasselbe soll auch bei anderen Promis gelten.

Dasselbe gilt in ähnlicher Weise auch für Handtaschen. Beide Dinge haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind Männern völlig egal. Also wenn man jemanden kennenlernt, worauf achtet man beim Aussehen? Auf die Bluse, Schmuck, Hosen? Aber wer schaut bitte auf die Füße, welche Schuhe die Dame trägt? (und ist das nicht unhöflich?). Es handelt sich also definitiv kein Kleidungsstück, dass nötig ist um sich ins rechte Licht zu bringen oder Eindruck zu schinden. Es ist nun auch keines das der Frau gerade auffällt, außer sie schaut dauernd auf die Füße. Oft ist es nicht mal bequem - modische Schuhe die einen "schlanken Fuß" machen sind oft vorne recht eng und "High Heels" machen das Laufen zur Qual. Ich würde verstehen, wenn sich Frauen so viel Mühe beim Kauf von Reizwäsche geben würden. Aber bei Schuhen? Die Frage die sich mir stellt, ist warum Frau trotzdem so schuhfixiert ist. Meine Nichte meint, es wäre deswegen, weil Schuhe passen egal welches Gewicht man hat, doch dass kann ich nicht so recht als Erklärung akzeptieren. Weiß einer meiner Blogleser mehr?

Mir fällt dann auch noch eine Szene aus "Sex and the City" ein, wo jemand mal einer der Frauen vorrechnete, dass sie in den letzten 10 Jahren 40.000 Dollar für Schuhe ausgegeben hat, als sie Geld brauchte um sich die Wohnung zu kaufen die sie bewohnt, sonst müsste sie ausziehen. Das wäre genau die Summe gewesen, die sie brauchte um diese Anzahl zu leisten.

Das zweite Thema das sich mir aufdrängte sind Sauberkeitsmarotten. Ich war 14 Tage in unserem Ferienhaus, das vorwiegend vermietet ist. Zweimal im Jahr gehe ich dorthin um die bei einem Haus anfallenden Arbeiten zu machen, also Großputz, nach dem Garten sehen, die Terrasse entkrauten und kleinere Schönheitsreparaturen zu machen, nach dem Rechten schauen und kaputte und beschädigte Dinge zu ersetzen. Diesmal waren es vierzehn Tage, weil auch das WC und ein Zimmer renoviert werden mussten. Eines was ich immer mache, ist ein gründlicher Putz der Wohnung. Trotzdem kommt es alle paar Mal vor, dass mir nach der Abreise die Reinigung in Rechnung gestellt wird. Nun bilde ich mir ein, dass ich gründlich putze - ich bin mindestens einen Tag mit dem Haus beschäftigt, bis man alle Möbel auch innen geputzt, eventuell neu eingewachst hat und die, die vom Gewicht her bewegt werden können, verschoben hat um auch in die letzten Ecken zu kommen. Ich glaube auch nicht dass die Reinigung der Putzkräfte so besonders ist, denn wenn ich nur unter den Betten mal fege kommen da Flusen, Haare und Staub heraus der nicht von nur einem Mieter stammen kann (und dazu muss man nichts rücken). Wie ich bei der Verwaltung erfuhr beschweren sich manche Gäste wenn es Wasserspritzer auf der Spüle gibt. Die sind natürlich fast unverhinderbar und Kalkflecken sind bei dem kalkhaltigen Wasser in Nesselwang (ca 23 dH) dann auch nicht vermeidbar, außer man geht als letztes mit einem säurehaltigen Mittel und danach mit einer Alkohollösung rüber um erst Kalk zu lösen und dann das Wasser durch einen Stoff zu ersetzen, der rückstandslos verdampft. Dass erinnert mich an die Wasserspritzerfetischistinnen bei meinem früheren Arbeitgeber: Das waren zwei Sekretarinnen, die bei einer Mitarbeiterversammlung sich öffentlich beklagt haben, dass es Leute gibt, die wenn sie die Gemeinschaftsküche benutzen danach nicht die Wassertropfen von der Spüle wegwischen....

Ich sage bewusst "Fetischistinnen", denn das hat nichts mit Sauberkeit zu tun. Sauberkeit heißt, dass kein Dreck vorhanden ist. Das eine Spüle, an der ein Wasserhahn ist aber naturgemäß Wassertropfen aufweist ist normal und diese zu entfernen ist eine Sisyphusarbeit - spätestens wenn der Wasserhahn aufgedreht wird ist das Resultat wieder verschwunden. Wenn ich das übertrage müsste ich ja dann auch Putzlappen nach jeder Benutzung waschen oder beim Besen jedes Stäubchen aus der Bürste entfernen wenn ich damit gefegt habe. Es ist ja dadurch auch nicht sauberer und hygienischer, sondern nur ordentlicher. Solche Leute fangen aber dann an sich bei anderen unordentlichen Dingen zu beschweren, wie Tischdecken die nicht ganz gerade liegen oder Stühle die nicht unter den Tisch geschoben werden. Wenn es um Sauberkeit ginge, dann müssten sich die Leute eher beschweren über die Flusen unter dem Bett (bei uns sind auch Hundebesitzer willkommen und es soll ja Leute mit einer Tierahaarallergie geben). Dann müssten sich die Gäste aber beim regulären Putzdienst beschweren, was wohl nicht erfolgt, denn sonst wäre es nicht jedes Mal unter den Betten dreckig, würden Kekse oder Spielzeug auftauchen. Dann würden auch Tricks von Gästen auffallen die ich häufig erlebe: Ein Schonüberzug einer Matratze der auf einer Seite versaut wurde, wurde nicht gewaschen, sondern nur die Matratze umgedreht.

Was meint ihr zu Ordentlichkeitsfimmel, Sauberkeitskriterien und dergleichen?

Für alle Raumfahrtfans: Ich habe die Aufsätze die es in den letzten zwei Wochen im Blog gab und noch einen mehr in der neuen Rubrik "ISS" online gestellt. Dort werden eventuell noch mehr Teilartikel aus dem ISS Buch erscheinen.

Dienstag 27.4.2010: Der nationale Aufklärungssatellit - Anforderungen und Probleme

Ich will heute mal an einem fiktiven Beispiel zeigen wo die Probleme eines Aufklärungssatelliten liegen. Nehmen wir mal an, die deutsche Regierung wöllte einen täglichen Überblick haben was so in Deutschland los ist - wo es Staus gibt, wo Umweltsünder am Werke sind etc. Dafür soll ein Satellit angeschafft werden der nur Deutschland aufnimmt, dafür in hoher Auflösung und möglichst oft. Was sind die Anforderungen an ein solches System?

Nun: Zuerst zu "möglichst oft": Der Orbit eines Satelliten bleibt raumfest, während sich die Erde unter ihm dreht. Das minimale Intervall bei dem ein Gebiet erneut besucht werden kann ist ein Tag. Doch dann muss der Satellit auch an der richtigen Stelle sein. Nehmen wir einen Orbit von 100 Minuten Umlaufszeit. Nach einem Tag (1440 Minuten) hat der Satellit 14,4 Orbits dann durchlaufen - die 0,4 Orbits zuviel entsprechen einer Winkelstrecke von 144 Grad, das heißt er dürfte sich dann nahe des Südpols sein. Wenn er nach 0,6 Umläufen wieder über dem Breitengrad von Deutschland ist, hat sich die Erde schon um 1070 km weiter gedreht, er würde also Spanien überfliegen.

Daraus ergibt sich als Forderung, dass die Bahn eine Umlaufszeit hat die einem geradzahligen Bruchteil der Tagesdauer beträgt. Denkbar wären 90 Minuten (16 Umläufe pro Tag), 96 Minuten (15 Umläufe) oder 102,8 Minuten (14 Umläufe pro Tag).. Nun 90 Minuten Umlaufszeit scheiden aus - die Bahn liegt in nur 280 km Höhe, der Satellit würde zu viel Treibstoff brauchen um diese Bahnhöhe zu halten. 96 Minuten Umlaufszeit führen zu rund 570 km Höhe - eine passende Höhe und bei 14 Umläufen sind es 890 km Höhe - ebenfalls ein passabler Wert.

Sofern es sich nicht mit der Auflösung "beisst" ist eine höhere Bahn vorzuziehen, weil so mehr Gebiet verzerrungsfrei gesehen wird und die Zeitdauer für eine Funkverbindung länger ist. Um diese zu maximieren sollte die Umlaufbahn polar sein, dann kann eine in Polnähe stationierte Empfangsstation (z.B. auf Nordnorwegen) bei den meisten Umläufen einen Funkkontakt herstellen.

Das führt uns zum nächsten Punkt: Der Datenmenge die übertragen werden kann. Berechenbar ist die Zeit die ein Satellit braucht um bei einer Empfangsstation von Horizont zu Horizont zu ziehen, wenn er sie direkt überfliegt:

Bahnhöhe Kontaktzeit
570 km 12,46 Minuten
890 km 16,36 Minuten

Diese Zeit kann nicht voll genutzt werden. Nahe des Horizonts kann die Landschaft stören und es gibt Störungen durch Reflektionen an der Erdoberfläche. Zudem ist die Empfangsstation nicht genau am Nordpol, wenn auch in hohen polaren Breiten. Angenommen 60 % der Zeit wäre nutzbar, so erhält man 112 und 127 Minuten Kontaktzeit pro Tag.

Bei der Datenrate orientiert man sich am besten an vorliegenden Satelliten - TerraSAR-X überträgt 300 MBit/s zum Boden und Worldview 800 MBit/s. Nimmt man nur die kleinere der beiden Datenraten, so kommt man auf 2,106 und 2,286 TeraBits (Millionen Millionen Bits) pro Tag.

Diese Datenmenge verteilt sich nun auf die abgebildete Fläche. Deutschland hat eine maximale Breite von 640 km und eine Länge von 876 km. Geht man also von einer Fläche von 700 x 1000 km aus um etwas Luft für Verschiebungen zu haben so entfallen auf einen Quadratkilometer jeweils etwa 3 MBit. Bei 12 Bits pro Bildpunkt (keine Kompression) sind dies rund 250.000-270.000 Bildpunkte pro Quadratkilometer, oder eine Auflösung von rund 2 m pro Bildpunkt.

Eine solche Auflösung ist technisch kein Problem. Selbst aus der höheren Umlaufbahn von 890 km Höhe reicht dazu ein Teleskop von 25 cm Durchmesser. Das ist kein sehr großes Instrument. Das Problem liegt auf einer anderen Ebene:

Bei einer Auflösung von 2 m pro Bildpunkt braucht man für einen 700 km breiten Streifen eine Scanzeile von 350.000 Punkten. Diese kann nicht aus einem Detektor gefertigt werden. Doch selbst wenn diese aus mehreren Detektoren gefertigt wird, wie dies beim MRO geschieht, so gibt es das Problem, dass jedes Teleskop nur ein beschränktes Bildfeld aufweist. Dabei nimmt die Bildfeldkrümmung mit zunehmenden Abstand vom Mittelpunkt ab. Der MRO nutzt ein Bildfeld von 243 mm Breite bei 650 mm Öffnung. Damit wäre bei einem 25 cm Teleskop eine Scanzeile von 97 mm Breite nutzbar. Bei dem Aufbau des Detektors aus einem Standard Fairchild TDI 10121 sind dies nur 22,2 km Breite.

Das zeigt das Problem: Will man einen Staat überwachen, der nicht gerade sehr lang oder klein ist (wie Argentinien oder Chile) so scheiden hohe Auflösung und komplette Flächenabdeckung sich aus. Selbst wenn fünf Kameras in Reihe geschaltet werden, wären es bei Deutschland nur 110 km Breite mit 2 m Auflösung. Für eine komplette Abdeckung muss man also mit der Auflösung heruntergehen, auf 12-13 m.

Das erlaubt es immerhin als Ausgleich mehrere Spektralkanäle nämlich über 30 zu nutzen. Das ist bei TDI Arrays recht einfach, wenn Zeilen mit Filtern versehen werden.

Die nächste Frage ist, ist diese Datenmenge speicherbar? Es gibt hier zwei Einschränkungen: Die Ausleserate des Chips und die Datenrate von Massenspeichern. 2 TBit kann nicht in DDR-RAM gespeichert werden, aber es sind nur 256 GByte, eine Kapazität die schnelle SSD aus Flash Bausteinen schon aufweisen. Die schnellsten Exemplare übertragen rund 200 MByte/s. Reicht dies nicht, so können mehrere SSD kombiniert werden zu einem RAID-Array.

Das TDI CCD 10121 liefert maximal 160 MHZ. Die Bitzahl pro Pixel ist unbekannt. Setze ich 12 an, so reichen zwei SSD für die Datenspeicherung. (Datenrate 240 MByte/s) Wird nur ein Spektralkanal benutzt so resultiert eine Datenrate von rund 1,2 MHz. Technisch möglich wäre also das gleichzeitige Auslesen von 128 Spektralkanälen, also mehr als zum Boden übertragen werden können.

In der Praxis wird ein solcher Satellit daher wahrscheinlich eine Kombination sein: einige Spektralkanäle mit niedriger Auflösung und einer kleineren Optik und einige mit hoher Auflösung.

Eine Alternative ist es nicht das in Erderkundungssatelliten übliche lineare CCD einzusetzen, sondern ein CCD Array. Von Fairchild gibt es z.B. das CCD 595 mit 9,2 x 9,2 KPixel. Dann wird ein Shutter benötigt und man kann die Kamera schwenken und so eine größere Fläche absetzen. Bei 2 m Auflösung pro Pixel dauert es 2,7 Sekunden bis die Szene die Längsrichtung des CCD durchlaufen hat. Während dieser Zeit kann man die Kamera quer zur Flugrichtung schwenken und mehrere Aufnahmen machen die zusammen die Breite Deutschlands abdecken. So haben schon die ersten KH-1-4 Satelliten ihre Aufnahmen gemacht. Die Belichtungszeit muss nur kurz genug sein um die Bewegungsunruhe durch Bewegung der Kamera und Schwenken einzufrieren. Ohne genaue Angaben des CCD kann man dies nicht berechnen. Doch ich habe mir erlaubt mal eine Hochrechnung von den Daten meiner Digitalkamera mit 2,1 µm großen Pixeln auf ein Teleskop mit 3900 mm Brennweite und 254 mm Öffnung (passend für das CCD) zu extrapolieren: Bei Blende 8 zeigt mir die Kamera eine Belichtungszeit von 1/100 s an. So extrapoliert auf Blende 15,3 und 8,75 mm großen Pixels komme ich auf 1/500 s Belichtungszeit. Das ist deutlich zu langsam (In 1/500 s bewegt sich alleine die Erde gegenüber dem Satelliten um 14 m).Auch wenn die Angabe nur eine Hausnummer sein kann (echte CCD sind empfindlicher als die in einer billigen Digitalkamera, im All herrscht mehr Licht, da die Atmosphäre Licht schluckt und ich habe die Messung heute gemacht - ein Sommertag wäre wohl passender gewesen) Das bedeutet, dass eine aufwendige Mechanik mit Bewegungskompensation während der Aufnahme erforderlich ist (in zwei Richtungen) und sofort danach schneller beschleunigt werden muss um die Kamera in die neue Aufnahmeposition zu bringen - praktisch wohl kaum machbar und zu anfällig gegenüber Defekten. Erst wenn die Belichtungszeit deutlich kleiner als die Bewegunsgrichtung ist wird diese nicht benötigt: Will man aber 700 km Breite in 2,7 s Sekunden abfahren so müsste die Belichtungszeit bei 2,7 s Zeit kleiner als 1/130.000 s  sein - praktisch nicht möglich.

Die Lösung ist das was die Bundeswehr heute schon betreibt: Den Einsatz von Radar. Radarantennen können elektronisch geschwenkt werden - keine Mechanik nötig. was heute noch nicht möglich ist, ist gelichzeitig hohe Auflösung und große Abdeckungsfläche.

Das Beispiel zeigt, warum es für einen Staat praktisch recht zweckfrei ist nur für eigene Zwecke einen Satelliten zu starten - man kann ihn nicht vollständig ausnutzen. Selbst wenn es die Möglichkeiten heute gibt die Daten für eine hohe Auflösung zu gewinnen und zu speichern und zum Boden zu übertragen, so wird man immer nur einen kleinen Streifen abdecken (außer man installiert eine ganze Batterie von Teleskopen, die genau zueinander justiert sein müssen). Will man eine Fläche die einem Staat entspricht bei einem Umlauf abdecken so muss die Auflösung niedrig gewählt werden und dann kann der Satellit genauso gut größere Teile der Erde ablichten. (Unser Satellit z.B. in 5 Tagen die ganze Erde)

Das ist auch ein Grund warum Erdbeobachtungssatelliten üblicherweise keine Bahnen haben die ein Gebiet jeden Tag überfliegen, sondern je nach System alle 7-18 Tage - in der Zwischenzeit können sie bei höherer Auflösung größere Gebiete der Erde abdecken.


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