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Web Log Teil 248: 6.10.2011 - 9.10.2011

6.10.2011: Die Bahn

Ich war nun ja wieder mal in Nesselwang, wo wir unser Ferienhaus haben. Ohne Auto komme ich da nur per Bahn hin und wie bei dem letzten Mal dauerte es eine Stunde länger als geplant. Es ist schon chronisch: Wie beim vorletzten Mal geht es schon in Stuttgart los, wo der Zug 8 Minuten verspätet ankam. Auf der Alb hielt er dann an und in Ulm waren es dann 20 Minuten Verspätung - und der Anschlusszug weg. Das ist nicht die Ausnahme, sondern die Regel. Von vier der letzten Fahrten war es so, dass bei dreien ich den Anschluss versäumte und zwar immer in Ulm. Auf dem Rückweg gab es das in den letzten 11 Jahren nur zweimal. Einmal bei wirklich schlechtem Wetter (20 cm Neuschnee) und einmal wegen eines Zugunglücks auf der Strecke. Aber das der Zug in Stuttgart verspätet ankommt und auf der Alb dann noch bummelt ist schon fast normal.

Ich hatte dann Gelegenheit die Regelungen der Bahn für ihre Fahrten durchzulesen. Geld zurück gibt es erst ab mehr als 60 Minuten Verspätung. Und Verspätung nennt sie es auch erst ab 6 Minuten - da ich in Ulm typischerweise 5 Minuten für das Umsteigen habe, würde also ein schon ein nach der Bahn "pünktlicher Zug" dazu führen dass ich den Anschluss verpasse. Und das ist chronisch. Ich finde auch dieses Gebaren erst Verspätungen ab 6 Minuten zu zählen als eine Unverschämtheit. Ich habe gehört, dass in Japan sich das Zugpersonal sich bei den Gästen entschuldigt wenn ein Zug nur 3 Minuten verspätet ist. Bei der DB gab es nicht mal eine Durchsage, wann wir in Ulm ankommen und warum das so lange dauert.

Nun können wir ja in BW darüber entscheiden, denn die Volksabstimmung über Stuttgart 21 kommt. Ich bin ehrlich gesagt unschlüssig wie ich entscheiden sollte. Vor einem Jahr war ich noch klar gegen das Vorhaben. Das lag weniger an Stuttgart 21, als vielmehr wie die Politik und Polizei mit den Protestierenden umgegangen ist. Entsprechend war das sicher auch ein Grund sie abzuwählen und erstmals seit 1988 ist auch der Ministerpräsident geworden, den ich im März gewählt habe.

Heute bin unschlüssig. Zum einen sehe ich ja wie oben beschrieben selbst, das Nadelöhr schwäbische Alb und ihre Auswirkungen. Aber das ist ja ein anderes Projekt. Stuttgart 21 endet in Plochingen und bis dahin gibt es selten Verspätungen. Auch ist es heute nicht so, dass ein ICE schneller ist, nicht mal, wenn er in Ulm nicht hält und direkt nach Kempten fährt als ein Regionalexpress - und zumindest an der Strecke Ulm - Kempten wird auch das Ausbauprojekt nicht viel ändern. Ich habe auch starke Zweifel das es mit acht Gleisen und der Taktzeit von 3 Minuten klappt. Auch das aus eigener Erfahrung: Als wir auf dem Rückweg einführen, kamen wir zeitgleich mit dem ICE an. Bis ich in Ulm von meinem Gleis zum ICE kam, waren schon 3 Minuten von 5 Minuten um und noch immer gab es eine Traube an einigen Wagons, von den Leuten die schon auf dem Gleis warteten. Wie soll das dann werden wenn man nur noch 3 Minuten Zeit zum Einsteigen hat? (Und in Stuttgart steigen mehr zu und aus als in Ulm)

Auf der anderen Seite wird eine Strecke, die viel mehr unterirdisch ist und die kürzer ist, sicher die Reisezeit verkürzen. In Ulm sind übrigens viele für das Projekt, dass konnte ich bei meinem letzten Zwangsaufenthalt in Ulm (dank der DB) an zahlreichen Plakaten sehen. Und dann hat auch noch mein Bruder recht, der drauf hinweist, dass von den 4,8 Milliarden BW und Stuttgart den kleinsten Teil zahlen und wenn es nicht kommt, das Geld nur woanders ausgegeben wird. Das ist aber leider kein bahnspezifisches Problem, sondern allgemein ein öffentlich-rechtliches wie ich auch bei meiner Tätigkeit an der Hochschule Esslingen sah: Wer beim Staat Geld spart wird im besten Fall schief angeschaut. Ich habe schon von Professoren, die sich mal so eben ein 4.000 Euro Notebook bestellten, auf meine Frage "Muss das sein?" schon gehört "Das ist ja nicht ihr Geld und wenn ich es nicht ausgeben, dann tut es ein anderer". Manch einer hat sich über die 100.000 Euro Cave aufgeregt die an zwei Tagen im Jahr in Betrieb ist, aber verhindert hat keiner die Anschaffung.

Mir wäre mit etwas ganz anderem gedient, nämlich einer Änderung in dem Rabattprogramm der Bahn. Wer bei der DB frühzeitig seine Fahrt bucht und gleich die Rückfahrt hinzu, spart bis zu 50% des Fahrtpreises. Ich mache das, wenn ich nach Nesselwang gehe eigentlich immer. Nur: es gilt nur wenn ein EC / IC / ICE Zug benutzt wird. Das führt zu seltsamen Dingen. So ist der kürzeste Weg für mich über Esslingen mit dem Regionalexpress nach Ulm und dann weiter nach Kempten ebenfalls mit Regionalexpress und dort mit der Bummelbahn nach Nesselwang. Nur hält in Esslingen kein EC / IC / ICE. Also muss ich nach Stuttgart (12 km mehr und 5 Euro teurer) und dort einen dieser Züge nehmen. Es geht weder schneller noch ist es kürzer.

Es bringt keinen Vorteil. Selbst ein ICE der nicht in Ulm hält, ist nicht schneller als die zwei Regionalexpresszüge mit Umsteigen in Ulm. Sie können derzeit auf der Strecke nicht schneller fahren und wenn, dann muss ich in jedem Fall in Kempten auf die Bummelbahn warten, die nur jede Stunde einmal fährt. Warum die Bahn die Rabatte nur auf diese "Spitzenzüge" gewährt, obwohl sie eigentlich immer voller sind, aber keinerlei Vorteile bringen, verstehe ich nicht. Sie sollte doch Interesse haben ihre langsamen Züge auszulasten.

Passend dazu ein Witz den ich aus einer Fernsehsendung habe und nicht vergessen habe. Die Mutter wird von der Tochter gedrängelt und antwortet "Alte Frau ist doch kein D-zug". Die Tochter lacht. "Machst Du dich jetzt noch über mich lustig" - "Ne Mutti, aber der D-Zug ist heute der langsamste....". Oder eben auch nicht, siehe oben.

Wie ihr seht, bin ich jetzt wieder aktiver. Es ist so, dass bei der Arbeit ich nun auf einen Kollegen warten muss. Nur geht der im Oktober in Urlaub und fällt für eine Woche wegen anderer Tätigkeiten aus. So haben wir uns geeinigt, das ich nach der Hälfte der Projektzeit einen Schnitt mache und im November weiter mache und alles fertigstelle.

7.10.2011: Alternativen zum Plutonium-238

Wenn eine Raumsonde ins äußere Sonnensystem aufbricht, benötigt sie eine Stromversorgung die unabhängig von der Sonnenstrahlung ist, die immer weiter abnimmt. Derzeit ist dies noch immer ein RTG, bei dem Thermoelemente einen Teil der Zerfallswärme von Plutonium-238 in Strom umwandeln. Es gibt Alternativen wie Kernreaktoren oder Solarzellen, doch darum soll es in diesem Beitrag nicht gehen, sondern um eine Alternative zu Pu-238 als Element für die RTG.

Zuerst: Warum eine Alternative? Die Erzeugung von Pu-238 ist recht teuer. Es entsteht in zwei Schritten in Kernreaktoren. Zuerst entsteht aus U-235 das Neptunium 237. Es wird heute aus den Brennstäben extrahiert und in eigenen Stäben in einem Schwerwasserreaktor starker Neutronenstrahlung ausgesetzt, wobei durch Neutroneneinfang zum Teil das Pu-238 entsteht.

Dafür eine eigene Fertigung aufzubauen ist teuer. 150 Millionen Dollar soll die Wiederaufnahme der Produktion kosten. Früher war es einfach, denn es fiel als Abfallprodukt bei der Gewinnung von atomwaffenfähigem Plutonium an. Es entsteht wie dieses in größerer Menge, wenn Kernbrennstäbe nur kurz in Betrieb sind. Bei längerem Betrieb wird es wieder gespalten. Daher ist ökonomisch unrentabel einen Reaktor nur für die Produktion von Pu-238 zu betreiben und das Material entsprechend teuer.

Die Misere fing Ende der achtziger Jahre an, als die USA weniger atomwaffenfälliges Plutonium produzierten. Damit wurde auch kaum noch Pu-238 produziert. Lange Zeit konnten sie es von Russland beziehen, deren Graphitreaktoren recht gut geeignet sind es zu produzieren. Doch auch das ist nun nicht mehr möglich. Die USA haben noch rund 37 kg Pu-238. Damit man eine Vorstellung hat: In einem RTG des Typs GPHS, wie er seit 1989 für Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons eingesetzt wurde, stecken rund 8,2 kg Plutonium und er liefert anfangs 285 Watt Leistung. Das reicht also für gerade mal vier dieser Generatoren.

Daneben ist es teuer. Die Fertigung eines GPHS kostete zuletzt 90 Millionen Dollar, also mehr als 10 Millionen pro Kilogramm Pu-238.(Rund 200 mal teurer als Gold oder Platin). Also Zeit nach Alternativen zu suchen. Wenn man das Funktionsprinzip beibehält: Also ein radioaktives Element erzeugt beim Verfall Wärme und daraus erzeugt man Strom, dann gibt es folgende Elemente die man in größeren Mengen herstellen kann:

Element Halbwertszeit
Plutonium 238 87,4 Jahre
Cäsium 137 30 Jahre
Strontium-90 28 Jahre
Curium 244 18,1 Jahre
Kobalt 60 5,24 Jahre
Prometium 147 2,6 Jahre
Ruthenium 1 Jahr
Cer 144 0,78 Jahre
Curium 242 0,45 Jahre
Polonium 210 0,38 Jahre
Thullium 170 0,35 Jahre

Diese Liste kann man jedoch schon in einem ersten Schritt reduzieren. Die NASA gibt heute den Strom ihrer RTG beim Start und nach 10 Jahren unter Marsbedingungen und 14 Jahren im Weltraum an. Das sind heute typische Missionszeiten. Cassini wird bis 2017 betrieben werden, 20 Jahre nach dem Start. Galileo wurde 14 Jahre lang betrieben.

Rein theoretisch sinkt die Wärmeabgabe nach einer Halbwertszeit auf die Hälfte ab. Aber durch Alterungen der Thermoelemente und sinkenden Wirkungsgrad (da dieser nicht von der Gesamtenergie sondern dem Temperaturunterschied abhängt) sinkt der erzeugte Strom schneller ab. Bei Voyager wird 2025, rund 48 Jahre nach dem Start die Stromproduktion auf die Hälfte gesunken sein. Das entspricht ungefähr einer halben Halbwertszeit. Das bedeutet, dass man bei 10-14 Jahren Lebensdauer und der Annahme, dass zum Ende nicht die Stromausbeute auf weniger als die Hälfte des Anfangswerts sinken darf, alle Elemente mit Halbwertszeiten unter 20-28 Jahren ausschließen kann. Das reduziert die Auswahl auf die ersten 3-4 Elemente.

Das nächste Ausschlusskriterium ist die Energieabgabe. Elemente können zerfallen unter Abgabe von Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung. Die Durchdringungsfähigkeit nimmt in dieser Reihenfolge zu. Gammastrahlung ist heute nach dem Stand der Technik nicht sauber abschirmbar. Von den ersten vier Elementen sieht es so aus:

Element Strahlung
Plutonium 238 Alpha
Cäsium 137 Gamma und Beta
Strontium-90 Beta
Curium 244 Alpha

Das schließt Cäsium 137 aus. Strontium 90 wird eine höhere Abschirmung benötigen als Curium 244 und Plutonium 238.

Die nächste Tabelle gibt an wie viel Energie man pro g Triebstoff erhält:

Element Energie über 10 Jahre Betrieb [kWh/g]
Plutonium 238 47
Cäsium 137 33
Strontium-90 74
Curium 244 190

Die Energie und Abschirmung hängt nicht nur von der Halbwertszeit ab, sondern auch der Energie jedes Zerfalls. Cäsium 137 erweist sich hier als Plutonium 238 unterlegen. Alle anderen Elemente sind besser. Weitere Differenzierungen kann man machen nach Schmelzpunkt (Sicherheitsaspekt) Dichte (Volumen und damit Gewicht) und Konzentration (üblicherweise liegt das Isotop nicht in Reinform vor und auch meistens in einer Verbindung). Ich will davon nur noch eine Übersicht nehmen, die Wärmeabgabe pro Volumen:

Element Energiedichte [kWh/cm³]
Plutonium 238 3,9
Cäsium 137 0,38
Strontium-90 1,01
Curium 244 20,4

Das bedeutet, dass Cäsium 137 und Strontium 90 vier bis zehnmal mal größere RTG ergeben als Plutonium und daher eher nachteilig sind. Doch wichtig sind für den kommerziellen Einsatz die Kosten. Sie hängen von der Produktionsrate und dem Aufwand ab. Folgende Mengen der Isotope sind mit einem Kernreaktor gewinnbar:

Element Produktionsmenge [kg/1 GW Reakjtor/Jahr]
Plutonium 238 15
Cäsium 137 36
Strontium-90 16
Curium 244 0,4

Damit scheidet Curium 244 praktisch aus, da es 30-mal weniger produziert wird als vom Plutonium, man aber ein Fünftel dessen Menge braucht. Das führt zur vorletzten Tabelle, den Kosten pro kWh bei einer 10 Jahresmission:

Element Relative Kosten pro kwh für eine 10 Jahresmission
Plutonium 238 138
Cäsium 137 4
Strontium-90 6
Curium 244 22

Es gibt also Alternativen: Allerdings außer den Radioisotopen alleine noch einen zweiten Aspekt: Wie schwer wird das ganze. Das hängt nicht nur von den Radisotopen ab, sondern auch dem Gesamtsystem, z.b. was dieses wiegt, aufgrund des nötigen Schutzes und das zeigt warum man bisher bei Pu-238 blieb:

Element Schutzschild für eine 1kWh Wärmequelle um die Strahlung in 10 m Abstand auf 10mrem/h zu reduzieren
Plutonium 238 2,5 mm
Cäsium 137 117 mm (aber 500 mal höherer Neutonenfluss der nicht abschirmbar ist, als Pu-238)
Strontium-90 152 mm
Curium 244 51 mm

Alle Schilddicken sind in mm Blei-Aquivalent. Das reduziert die Auswahl praktisch auf Plutonium. Bei Curium ist schon ein über 5 cm dicker Bleischild nötig.  Bei der Größe eines GPHS von 0,43 x 0,43 x 1,14 m, davon (geschätzt) 0,3 x 0,3 x 1,14 m ohne Radiatoren ist das ein Zusatzgewicht von 656 kg - praktisch ist es also viel zu schwer. Die GPHS haben einen 2 mm starken Iridumschutzschild.

Das ist der Hauptgrund für die Verwendung von Pu-238: als einziges Element kann man es mit einer nur wenige Millimeter dicken Schutzschicht abschirmen. Da auch das Gewicht wichtig ist, ist dies der Hauptgrund für die Verwendung.

Wichtiger als die Suche nach anderen Elementen ist es daher den Wirkungsgrad zu steigern. Bei den derzeitigen Thermoelementen liegt er bei Missionsbeginn bei 6,4%. Das ist natürlich noch steigerbar. In den frühen neunziger Jahren hat man in Amerika an Alkalimetall Thermal to Electric Converters (AMTEC) RTG gearbeitet. Bei diesem Verfahren wird Natrium durch die Wärme erhitzt und bei unterschiedlichem Druck verdampft es, wobei als Besonderheit bei Natrium ist, das es in Ionen und Elektronen zerfällt, man also direkt Strom gewinnen kann. Der Wirkungsgrad im Labor bei diesem Prozess liegt bei 16 % und Wirkungsgrade von 15-25 % sollten theoretisch möglich sein. Das wäre 2-3 mal besser als bei den GPHS (6.4%). Ein solcher RTG war für eine leichtgewichtige Plutosonde vorgesehen. Die Entwicklung wurde dann jedoch eingestellt. Strom wird hier also nicht durch den thermoelektrischen Effekt erzeugt.

Klassische Wärmekraftmaschinen sind hier noch weitaus effizienter. Vor allem wenn man daran denkt, dass direkt am Element eine Temperatur von über 1000 °C vorliegt. Das grundsätzliche Problem ist das alle Maschinen bewegliche Teile haben und sie absolut wartungsfrei über 10-14 Jahre lang laufen können. Es gibt immerhin eine Maschine, die dieses Potential hat, das ist der Stirlingmotor, der mit einem abgeschlossenen Kreislauf abreitet und sehr einfach aufgebaut wird. (entsprechende Motoren werden z.B. in Afrika in die Mitte von Parabolspiegeln gesetzt um Strom oder mechanische Arbeit an Orten zu erzeugen wo es keinen Strom gibt).

Der Stirlingmotor besteht aus einem Kolben in einem Zylinder. Ein Teil des Zylinders wird erwärmt, der andere ist kühl. Das Arbeitsgas, das im Zylinder eingeschlossen ist, dehnt sich bei Wärmaufnahme auf und treibt den Kolben an. Dabei dehnt es sich aus und kühlt ab, spätestens wenn es den gekühlten Bereich erreicht.  Dieses ist  optimierbar indem es z.B. zwei Kolben sind die verbunden sind oder Regeneratoren einen Teil der Wärmeenergie speichern. Das wichtigste ist, das ein Stirlingmotor sehr einfach aufgebaut ist, sehr langlebig und als sehr robust gilt. Es gibt schon seit Jahren Tests von Sterlingmotoren für RTG, doch eingesetzt werden sie erst, wenn sicher ist, dass sie über die Missionszeit nicht ausfallen. Das bedeutet dass sie über ein Jahrzehnt im Dauerbetrieb getestet werden müssen.

der Vorteil ist der Wirkungsgrad von rund 30%. Die Gesamtkonstruktion ist zwar nicht leichter, aber sie ist effizienter gemessen am eingesetzten Plutonium, das der Hauptkostenfaktor ist:

  GPHS MMRTG SRG
Masse 56.3 kg 44 kg 26.7 kg
GPHS Module 18 8 2
Strom beim Start 285 W 125 W 123 W
Strom/Masse 4.97 W/kg 2.84 W/kg 4.60 W/kg
Thermische Leistung 4410 W 1900 W 1100 W
Plutonium 9.7 kg 4.3 kg 1.2 kg
Strom/kg Plutonium 29 W/kg 29 W/kg 102 W/kg
Stromabgabe 211 W nach 11 Jahren 110 W nach 14 Jahren 109 W nach 14 Jahren
Durchschnittlich pro Jahr 2.3 % 0.86 % 0.81 %

Der Stirling-RTG (SRG) ist leichter als der MMRTG, der beim mobilen Marslabor Curiosity eingesetzt wird und vor allem ist er effizienter, denn er erzeugt die gleiche Leistung mit nur zwei GPHS Modulen, anstatt mit acht. Das müsste die Produktionskosten drastisch senken und der vorliegende Bestand müsste auch viel länger ausreichen.

Datenquelle: BASIC Elements of Static RTG

8.10.2011: Kleinvieh macht auch Mist

Ihr wisst ja, ich bin ein Ionentriebwerk-Fan. Ich denke pragmatisch und sie sind verfügbar, haben das Potential viel Treibstoff einzusparen und sie teilen etwas mit Unix/Linux: Sie sind die Triebwerke/das Betriebssystem der Zukunft - und das schon seit 40 Jahren ....

Also Zeit sie behutsam einzuführen. Da fiel mir wieder etwas ein. Heutige Planetensonden haben eine sehr großzügige Stromversorgung. Sie muss dem Rechnung tragen, dass alle Systeme zur Stromversorgung im Laufe der Zeit weniger Leistung liefern und vor allem alle Fälle abgedeckt werden müssen, also z.B. der Betrieb mehrerer Instrumente zur gleichen Zeit und eine Dehnung des Körpers. Während des Flugs zum Planeten ist eine Raumsonde aber weitgehend inaktiv und die Instrumente abgeschaltet und es gibt kaum Kommunikation mit der Erde - die nicht benötigte Leistung liegt brach.

Warum nicht diese für ein Ionentriebwerk nutzen? Sicher ist es nicht viel für diese stromhungrigen Triebwerke, aber die Reisezeiten können Jahre betragen. Über Jahre hinweg macht ein kleiner Schub auch einen großen Impuls. Warum nicht diese überschüssige Leistung nutzen. Also mal einen Fall durchspielen.

New Horizons benötigt 9,5 Jahre um von der erde zu Pluto zu kommen. Die Startgeschwindigkeit von der Erde betrug sensationelle 16,9 km/s, was schon ohne die Passage von Jupiter über der Fluchtgeschwindigkeit des Sonnensystems liegt. Dafür wiegt die Sonde aber auch weniger als 500 kg. Die Atlas 551 hätte über 20 t in eine LEO Bahn befördern können.

Hier nun ein Plan für "Ionentriebwerke im Kleinen". Die Idee ist ganz einfach: Ein Ionentriebwerk wird dauernd betrieben. Aber nur mit dem Strom, der während der Reise zur Verfügung steht. New Horizons startet mit einer Anfangsleistung von 245,7 Watt die bis Pluto auf 202 Watt sinkt. Im Mittel stehen also 224 Watt zur Verfügung. Sie benötigt während der Cruise Phase rund 155 Watt. Rechnen wir 159 Watt, da diese auch ab und an von Kommunikationssessions unterbrochen ist. So werden 65 Watt an Leistung zur Verfügung stehen. Das ist nicht viel. Es ist weitaus weniger als die kleinsten Ionentriebwerke benötigen. Doch man kann auf Basis eines existierenden Triebwerks ein neues konstruieren:

Bezeiechnung RIT-10 (existent) RIT-4 (hypothetisch)
Gewicht: 1,2 kg 0,5 kg
Leistungsaufnahme 275 Watt <65 Watt
Schub: 0,01 N <0,0023 N
Ausströmgeschwindigkeit 38.500 m/s 38.500 m/s
Treibstoffverbrauch: 0,32 mg/s 0,075 mg/s
 

Dieses Triebwerk wird wenn es neun Jahre lang betrieben wird nur rund 21,2 kg Treibstoff verbrauchen. Sehr wenig. Doch wenn man für das ganze System (mit Treibstofftanks, Spannungskonverter etc.) 30 kg rechnet und so von einer beim Start 508 kg schweren Raumsonde ausgeht, so sind dies einer Geschwindigkeitssteigerung um 1.600 m/s. Das bedeutet, dass man entweder eine kleinere Trägerrakete benötigt (die kleinste Version der Atlas V (401) hätte ausgereicht), oder man die Reisedauer bedeutend absenken kann.

Warum macht man es nicht? Nun neben der der Raumfahrt inhärenten Beharrlichkeit und des konservativen Denkens, ist es auch nicht ohne Risiko. Beim chemischen Antrieb ist es relativ einfach. Nach wenigen Stunden steht die Bahn fest. Sie kann vorausberechnet werden und Abweichungen können durch kleine Korrekturen vorgenommen werden. Dagegen verändert ein Ionentriebwerk dauernd den Kurs. Wenn es kurzzeitig ausfällt oder pausieren muss, so muss man dies kompensieren. Ansonsten ist der Pluto wenn seine Bahn kreuzt wird nicht dort wo er sein sollte. Doch auch dafür gibt es Lösungen. Man setzt eben einfach nur einen Teil der Zeit die zur Verfügung steht für den Betrieb an, also z.B. nur 7 von 8 Jahren. Wenn alles erfolgreich lief, so verzichtet man einfach auf ein Jahr Betriebszeit. Ansonsten nutzt man das letzte Jahr. Natürlich ist dies sehr vereinfachend dargestellt, da in der Praxis sich laufend Geschwindigkeit und Ort ändern und man so den Kurs laufend neu berechnen muss, doch genauso ist man auch bei Dawn verfahren. Als die Raumsonde startete gab man als Ankunftsdatum bei Vesta den August 2011 an. Tatsächlich erreichte die Raumsonde schon am 15.7.2011 den Planetoiden. Das Triebwerk konnte also den Ankunftszeitraum verschieben und erlaubt so auch ein späteres Verlassen von Vesta (Juli 2012 anstatt Mai 2012).

Es ist also Stand der Technik. Einsetzbar wäre es bei allen Missionen bei denen sehr lange Reisezeiten vorliegen wie ins äußere Sonnensystem oder zu Merkur. Auch für Messenger wäre es eine Option gewesen, ja dort angesichts der nahe der Sonne schnell zunehmenden Leistung der Solarzellen sogar noch effektiver. Wegen des nur geringen Geschgwindigkeitsbedarfs für Venus und Mars ist es dort sinnlos, aber man kann ein Ionentriebwerk nutzen um den sonnennächsten Punkt anzuheben (Mars) oder den sonnenfernsten Punt abzusenken (Venus), während man zum Planeten fliegt. Der Nutzen liegt dann darin, dass die Differenzgeschwindigkeit um in einen Orbit einzuschwenken dann kleiner ist.

Dienstag den 11.10.2011: Projekt Midas / Falconeye

Nur wenige Wochen nach der Ankündigung der wiederverwendbaren Falcon 9 präsentierte Elon Musk gestern auf einer Presse die neuesten SpaceX Entwicklungen: Projekt Midas und Falconeye.

"Wir haben bei der Entwicklung des Block II Designs der Falcon 9 einige Missverständnisse mit der NASA. Ursprünglich hatten wir die Idee, mit der von 10,5 auf 16 t erhöhten Nutzlast nun die volle Nutzlast der Dragon von 6 t auszunutzen und wollten so die CRS Flüge von 12 auf 4 reduzieren. Leider bekamen wir die Rückmeldung, dass für die Versorgung vor allem Fracht im Druckmodul benötigt wird und hier ist durch die Größe der Kapsel die Menge auf 1,2 bis 1,4 t begrenzt. Die Fracht im hinteren Zylinder wird kaum benötigt. Die Nasse sieht daher nicht den Bedarf über rund 1,7 t Fracht pro Flug. Wir haben so nach dem sechsten Flug für mindestens 10 Flüge das Problem, das die Falcon 9 rund 6 t mehr in den Orbit bringen könnte als benötigt wird. Wir können diese brachliegende Kapazität zum Teil mit Sekundärnutzlasten wie den Orbcomm-Satelliten füllen, aber es bleibt eine große Lücke die SpaceX auch potentielle einnahmen kostet.

Als ich dann einen Besuch beim Livermore Laboratorium machte, war ich von dessen Möglichkeiten beeindruckt. Die Teilchenbeschleuniger dort können nicht nur Elementarteilchen spalten, sondern sogar neue erzeugen. Es gelang ihnen sogar, künstliches Gold zu erzeugen. Das brachte mich auf eine Idee: Die Sonne ist doch ein natürlicher Teilchenbeschleuniger der jede Menge Teilchen ausschüttet und das Erdmagnetfeld bündelt diese sogar noch. Auf der anderen Seite ist der Goldpreis in enorme Höhen geklettert. Das brachte mich und die anderen SpaceX Visionäre auf das Projekt Midas.

Wir werden die verbleibende Nutzlast zum Teil nutzen um nach dem Absetzen der Dragon mit der zweiten Stufe einen höheren Orbit von 1200 bis 2500 km Höhe zu erreichen. Dort befindet sie sich im Van Allen Gürtel, weitere höhere Orbits könnten erprobt werden. Dort entfaltet sie ein Segel, welches dann von Protonen und Alphateilchen bombardiert wird. Dieses wurde von SpaceX schon vor einigen Jahren entwickelt, als ich noch die Idee hatte, damit Helium-3 aus dem Sonnenwind zu sammeln. Leider wurde ich nicht davon unterrichtet, das das Heliumn-3 des Mondes sich über Milliarden Jahre ansammelte, sodass ein Sammeln des Heliums nicht ökonomisch war.

Diese für das Projekt "Helios" schon entwickelte, 7,5 µm dicke, Kaptonfolie wird nun beschichtet. Für die Goldgewinnung mit Quecksilber. Zwischen zwei Schichten kommt eine 10 µm starke Quecksilberschicht des Isotops 200, die durch Oberflächenadhäsion gebunden wird. Durch ein Proton des Sonnenwindes entsteht dann das instabile Thallium, dessen Isotop Tl204 nach 70 Tagen durch die Abgabe von Alphastrahlen in Gold200 zerfällt. Wenn eine bemannte Dragon dann in einigen Jahren zur Verfügung steht, werden wir die nun aus purem Gold bestehenden Folien bergen und zur Erde zurückbringen. Wir rechnen rund 3 t Quecksilber in den Orbit pro Flug bringen zu können. Beim derzeitigen Goldpreis entsprechen dies 150 Millionen Dollar, das ganze ist also sehr profitabel. Wir werden von der Erde aus mittels spektroskopischer Untersuchungen den Goldgehalt periodisch ermitteln. Zeit genug haben wir ja, da eine bemannte Dragon noch einige Jahre in der Zukunft liegt und die Umlaufbahn ist über Jahre stabil."

Sollte SpaceX wirklich die Gewinnung von Gold aus Quecksilber gelingen? Damit würde ein alter Menschheitstraum in Erfüllung gehen. Doch die Pläne von SpaceX gehen weiter:

"Wir setzen natürlich nicht alles auf diese Karte, zumal es auch skeptische Stimmen gibt, die bezweifeln, dass es möglich oder der Anteil an Gold nur gering.  Wir suchen daher auch nach einer zweiten Möglichkeit die Flüge profitabler zu gestalten. Das zweite SpaceX Projekt ist daher Falconeye. Die NGA kauft derzeit von den Firmen Digiglobe und GeoEye etwa die Hälfte ihrer Bilder ab. SpaceX will auch von diesen Regierungsaufträgen profitieren. Wir werden daher bei den verbleibenden Flügen zur ISS im rückwärtigen Zylinder der Dragon einen Aufklärungssatelliten installieren. Er wird wie die Falcon 9 und Dragon sensationell billig sein und wir erwarten, das er die Erdbeobachtung revolutionieren wird. So verzichten wir auf eine eigene Stromversorgung und auch Triebwerke um den Orbit anzuheben - Nach Abkoppeln der Landekapsel wird der Rest mit den Solarzellen den Satelliten mit Strom versorgen und da es vier bis fünf Flüge pro Jahr zur ISS geben wird, können wir damit leben, dass Falconeye ohne Bahnanhebung nur zwei Jahre aktiv sein wird.

Wir nutzen nur verfügbare Commercial on the Shelf Komponenten. So setzen wir Teleskope ein, die serienmäßig gebaut werden, wie das 50 Zoll Teleskop von Orion. Es wird aus 400 km Höhe eine sensationelle Auflösung von 20 cm aufweisen. Damit wird Falconeye die bisher schärften Bilder aus dem All liefern. Ergänzt wird es durch einen 12 und 4 Zöller von Meade für kleinere Auflösungen (1 m, bzw. 3 m). Sensoren sind normale APS-CCD, wie sie auch in professionellen Spiegelreflexkameras eingesetzt werden, die wir zu einem Array zusammenfassen werden. Wir werden einen herkömmlichen Industrie-PC mit Linux als Steuerrechner und 256 Gbyte SSD von Intel als Massenspeicher einsetzen. Die Daten werden von handelsüblichen Satellitensendern, welche auch die US-Army benutzt, zum Boden gesendet. Das alles ist möglich, da unser Falconeye Satellit bis zu 6 t wiegen kann. Er wird damit dreimal schwerer als Digiglobes Worldview sein und das lässt uns viele Möglichkeiten, zugunsten von Kosten schwerere Komponenten einzusetzen. Wir rechnen damit, dass der Falconeye Satellit für unter 1 Million Dollar zu bauen ist.

Umgekehrt rechnen wir damit, ein Drittel des über 700 Millionen Dollar großen Kuchens, den die NGA jährlich für Bilder ausgibt erhalten können. Digiglobe wird zu 80% von der Regierung finanziert. Wir wissen, dass es Widerstände gegen SpaceX gibt, aber weil die NGA verhindern möchte, dass hochauflösende Bilder bestimmter Gegenden wie Afghanistan oder den Irak, aber auch bestimmter Teile der USA veröffentlicht werden, rechnen wir fest damit, dass diese unsere Aufnahmen kaufen werden, obwohl sie vielleicht von unserer Firma nicht viel halten."

Auf die Frage von Journalisten, wie die Daten empfangen und verarbeitet werden, präsentierte Elon Musk eine einfache Lösung:

"Wir haben die Möglichkeit von mehreren Empfangsstationen wie auch eines geostationären Relaissatelliten erwogen. Aber sie waren alle zu kostenintensiv. Wegen der Neigung der ISS-Bahn von 52 Grad reichen nicht 2-3 Empfangsstationen nahe des Nordpols. Wir hätten sehr viele, mindestens 20 Stück benötigt um eine nur halbwegs globale Abdeckung zu erreichen. Eine Nutzung eines geostationären Satellitens wäre zumindest anfangs zu teuer. Eventuell ist das eine Option, wenn Falconeye die Einnahmen generiert, die wir uns erhoffen. Wir setzen daher auf die Cloud. Jeder, der eine 90 cm große Satellitenantenne hat, die durch einen Motor nachführbar ist, wird Daten von Falconeye empfangen können. Wir senden daher nicht auf einem Kanal, sondern über 100. Notwendig ist nur eine Anmeldung bei http:///www.SpaceX.falconeye mit den genauen Daten des Standorts und des Empfängers. Nach Prüfung bekommt man die Daten für die Einstellung, ein Empfangsprogramm und einen Schlüssel. Das Empfangsprogramm wird die Daten auf den SpaceX Server übertragen und mit dem Schlüssel kann der Benutzer sich die Bilder mit 1 und 3 m Auflösung dekodieren. Die hochauflösenden können nicht entschlüsselt werden. Wir werden daher auch nicht nur einen Sendekanal, sondern etwa 100 jeweils mit niedriger Datenrate von 1-10 MBit/s einsetzen, je nach Qualität und Größe der Antenne und des Empfängers. Auf unseren Servern werden dann die Daten zusammengesetzt und aufbereitet.

Ich rechne fest damit dass Falconeye die Erdbeobachtung umkrempeln wird. Bald wird eine ganze Flotte von Satelliten eine Flut von Bildern anfertigen. Weitere möglichen Kunden wären Google und Microsoft für Google Maps und andere Dienste. Mit den Einnahmen werden wir dann die bemannte Dragon und die wiederverwendbare Falcon 9 finanzieren. Spätestens dann werden wir den Orbitaltourismus aufnehmen können und dann als nächsten Schritt die Kolonsierung des Mars angehen können.


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