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Web Log Teil 259: 18.12.2011 - 22.12.2011

20.12.2011: Phobos Grunt - die Alternative

Wer sich mal die Phobos Grunt Mission genauer ansieht, so wie ich dies für mein Buch getan habe, dem fällt auf wie viel Treibstoff da verwendet wird. Die MDU, eine umgebaute Fregat-SB wiegt schon über 11 t. Sie transportiert nur die Raumsonde in einen ersten Marsorbit. Dort wird dann die nächste Stufe aktiv. Wenn auf Phobos gelandet wird, ist die Nutzlast auf 1 t abgesunken. Zur Erde machen sich dann noch rund 100-150 kg, und landen tun nur noch 8 kg. 8 kg von 13,500 kg in einer Erdumlaufbahn.

Klingt nicht so atemberaubend. Vor allem ist der größte Teil davon, rund 11 t, nur Treibstoff. Ich will heute mal zeigen wie Ionentriebwerke hier eine Alternative sein können.

Die Basis zum Nachrechnen:

Alles sind keine besonders hohen Werte. es gibt experimentell leistungsfähigere Solargeneratoren und auch Tanks die nur ein siebtel des Inhalts wiegen.

Nun zum zweiten Teil: Dem Energiebedarf. Dieser ist bei Ionentriebwerken schwerer errechenbar. Daher auch hier konservative Annahmen:

Das entspricht bei der Erde der Fluchtgeschwindigkeit + 56% (andere Autoren nehmen nur 20% an) und bei den anderen Umlaufbahnen jeweils den Differenzen der Geschwindigkeiten der Bahnen bzw. bei Phobos der Fluchtgeschwindigkeit zur Phobosbahn + 100 m/s für die Landung. Dafür wird man etwas chemischen Treibstoff brauchen, weil die Triebwerke zu wenig Schub haben (selbst für einen so kleinen Himmelskörper wie Phobos).

Wenn man dasselbe Missionsprofil wie Phobos-Grunt fliegt, also nicht in eine Erdumlaufbahn zurückkehrt, so hat man alle Geschwindigkeiten beim Mars zweimal zu addieren, bis auf die ersten beiden und kommt so auf 8,4 km/s in Marsnäher und 8,6 km/s in Erdnähe

Phobos Grunt wird 34 Monate unterwegs sein. Da die Nutzlast von Ionentriebwerken abhängig von der Betriebszeit ist, habe ich eine Gesamtbetriebszeit der Ionenentriebwerke von 12 bis 24 Monaten angesetzt. Die Missionszeit wäre dann noch etwas länger, weil es auch Phasen ohne Betrieb gibt. Doch da man nun von Startfenstern nicht so sehr abhängig ist, dürfte das nicht nur von Nachteil sein.

Hier das Ergebnis der Simulation:

Betrieb beim Mars:

Ionentriebwerk:
Spezifischer Impuls: 44150 m/s
Stromverbrauch 4500 W
Schub 0,15 N
Wirkungsgrad 73 Prozent
Gewicht eines Triebwerks 15,00 kg
Treibstoffverbrauch 0,0034 g/s
Gewichtsbilanz:
Strukturgewicht: 0,00 kg
Treibstoff bei diesem Manöver: 1.767,21 kg
Gesamttreibstoff: 1.767,21 kg
Tankgewicht: 353,44 kg
Triebwerksanzahl 72
Triebwerksgewicht: 1.080,00 kg
Nutzlast: 3500 kg
Startgewicht: 10.200,66 kg
Solargenerator:
Leistung: 80 W/kg
Gewicht: 3500 kg
Mittlere Distanz zur Sonne: 249,00 Mill km
Leistung bei der Distanz 28,87 W/kg
Anteil der Bahn mit Sonnenlicht: 100 Prozent
Bahndaten:
Geschwindigkeitsänderung: 8400 m/s
Betriebsdauer bei diesem Manöver: 273,65 Tage
Gesamte Geschwindigkeit: 8.400,00 m/s
Gesamte Reisedauer: 273,65 Tage

Und hier bei der Erde:

Gewichtsbilanz:
Strukturgewicht: 0,00 kg
Treibstoff bei diesem Manöver: 2.212,68 kg
Gesamttreibstoff: 3.979,90 kg
Tankgewicht: 442,54 kg
Triebwerksanzahl 72
Triebwerksgewicht: 1.080,00 kg
Nutzlast: 3500 kg
Startgewicht: 12.502,43 kg
Solargenerator:
Leistung: 80 W/kg
Gewicht: 3500 kg
Mittlere Distanz zur Sonne: 150,00 Mill km
Leistung bei der Distanz 79,57 W/kg
Anteil der Bahn mit Sonnenlicht: 80 Prozent
Bahndaten:
Geschwindigkeitsänderung: 8600 m/s
Betriebsdauer bei diesem Manöver: 154,46 Tage
Gesamte Geschwindigkeit: 17.000,00 m/s
Gesamte Reisedauer: 428,11 Tage

Das kann man nun noch etwas optimieren, wenn eine gewisse Betriebszeit gewünscht wird. Doch ich hier schon nahe bei 360 Tage bin habe ich hier aufgehört. Es wird schon eines deutlich: Bei einer Gesamtstartmasse von 12,5 t beträgt hier die Nutzlast 3,5 t - von Phobos Grunt kommen gerade mal noch 150 kg zurück. Die 3,5 t liegen höher als das Trockengewicht der Rückkehrstufe+Landestufe und YH-1 ( rund 1,5 t). Das bedeutet: man könnte die gesamte Sonde zurückführen nicht nur die Rückstartstufe. Bei Phobos Grunt sind es weniger als 150 kg die zur Erde kommen (genaue Zahlen gibts leider nicht, trotz intensiver Recherche).

Die Möglichkeiten? Nun man könnte mit einer kleineren Trägerrakete auskommen und die Rückkehrstufe einsparen. Mit einer Sojus könnte man trotzdem die Landestufe zurückbringen. Daneben wären weil der Treibstoffverbrauch praktisch keine Rolle spielt, die Sonde auch zwei Kapseln mitführen und nach Phobos auch noch auf Deimos landen.

Übrigens war auch der Einsatz von Ionentreibwerken bei Phobos Grunt geplant, als die Raumsonde noch mit einer Sojus gestartet werden sollte. Der Anstieg der Startmasse machte einen Strich durch diese Planung.

18.12.2011: Wie viele Tests und Kontrolle braucht man?

Machen wir einen Zeitsprung in die Anfangszeit der Raumfahrt. So Ende der fünfziger Jahre, Anfang der sechziger Jahre. Damals gab es noch keine Raumfahrtindustrie und die Herangehensweise an die Sache war anders. Von Wernher von Braun stammt folgender Ausspruch (wenn auch nicht wörtlich): "Es ist egal ob eine Rakete bei einem Test explodiert, Hauptsache wir haben die Testdaten und können feststellen woran es lag." Entsprechend war er auch ein Vertreter der stufenweise Erprobung. Also erst mal die erste Stufe und wenn die getestet ist dann die erste und zweite und so weiter...

Überhaupt wurde damals viel mehr Hardware im Einsatz getestet. Schaut man sich die Anzahl der Testflüge bei der Redstone, Jupiter, Thor, Atlas und Titan an, so wird man feststellen das es im Vergleich zu heute enorm viele sind, teilweise mehr als später operationelle Exemplare stationiert wurden.

Das erste Projekt der US-Luftwaffe waren die Discoverer Satelliten. Eigentlich hieß das Projekt Corona, doch erfand man den Tarnnamen um die eigentliche Aufgabe zu verschleiern. Ziel war es mit einer Kamera Aufnahmen des Ostblocks zu machen und an einer Kapsel zur Erde zurückzubringen. Die ersten vier von 15 Missionen waren Erprobungsmissionen. Doch auch danach klappte es nicht. Trotzdem startete man eine Mission nach der anderen - 15 zwischen Januar 1959 und September 1960. Erst zum Ende hin begann man Tests in Orbit, lies die Fotoausrüstung weg und baute Messinstrumente ein, änderte das Trägermaterial des Films. Nur eine, die vorletzte war wirklich erfolgreich.

Als die ersten Ranger Mondsonden alle ausfielen, geriet das (in der Raumfahrt noch) junge JPL in die Kritik. Man würde Raumsonden bauen wie Strahlantriebe für Flugzeuge und dort testete man eben und wenn's nicht klappte baute man den Antrieb aus und untersuchte ihn nach der Fehlerursache. Nur klappt das mit einer Raumsonde nicht und ein Fehler kostete bei den Ranger rund 28 Millionen (rund 200 Millionen heutige) Dollar.

Oder ich lenke euren Blick mal auf dieses Bild, das die Montage von Vangaurd 1 auf die Trägerrakete zeigt und diese zeigt Explorer 33 (IMP D) bei der Montage.

Bevor du nun weiterliest. Was will Dir der Bernd den in diesem Blog nun sagen?

Nun worauf ich raus will ist, dass sich seitdem nicht nur eine eigene Industrie gebildet hat, sondern auch eigene Regeln wie man Raumfahrt betreibt. Würde heute noch die Öffentlichkeit es dulden, dass eine Trägerrakete erst mal 10 bis 20 mal getestet wird bis der erste operationelle Flug stattfindet? Würde man einen Satelliten nach und nach nachbessern bis er mal nach dem 14-ten Flug funktioniert? Würde man in Alltagskleidung im Freien einen Satelliten auf die Trägerrakete montieren?

Was Raumfahrt von anderen Gebieten unterscheidet, ist dass alles Einzelexemplare gibt und die meisten Fehler zum Ausfall oder Missionsende führen. Das bedeutet: Will man nicht zig Erprobungsexemplare starten, dann muss alles funktionieren. Es gibt nicht wie bei einem Flugzeug die Möglichkeit einer Notlandung oder zumindest die Untersuchung des Wracks. Als sich dies in die Köpfe eingebrannt hatte, begann man damit alles vor der Mission zu testen. Das geht los bei Simulationen, Studien, dann wenn es Hardware gibt bei Komponenten, also einzelnen Bauteilen, geht weiter über Subsysteme, so entstehen von Satelliten verschiedene Modelle, die z.B. nur einen Aspekt beinhalten, wie das elektrische System, die Struktur oder das Antriebssystem und schließlich entstehen neben dem Flugexemplar noch weitere Exemplare für Tests wie Thermaltests, Schütteln um den Start zu simulieren. und und und.

Es gibt auch eigene Verfahrensweisen. Heute werden alle Satelliten in Cleanrooms vorbereitet. Die Leute laufen in Plastikanzügen rum, damit keine Hautschuppen und Haare freigesetzt werden. Während ich das noch bei empfindlichen Instrumenten verstehe, um die optischen Oberflächen nicht zu kontaminieren leuchtet mir der Sinn bei anderen Satelliten nicht so ein. Aber ich denke irgendwann man hat man es eingeführt um eine Fehlerquelle auszuschalten. Genauso geht es bei der Montage vor. Ich möchte da zwei Dinge wiedergeben die ich mal in einem Film sah. Das erste war die Montage der Ariane 4, genauer gesagt das Verbinden von erster und zweiter Stufe. Ein Monteur ging drehte die Schrauben fest, und einer folgte ihm und maß das Drehmoment mit dem angezogen wurde und notierte das. Das zweite waren Monatearbeiten an der Aestusstufe. Da gab es einen Rollwagen mit Werkzeugen. Ein Arbeiter kam, nahm aus der obersten Schublade ein Journal, machte Eintragung und entnahm erst dann das Werkzeug. Und nach Beendigung der Arbeit wieder das gleiche. Ich vermute mal man hat mal einen Arbeitsschritt oder noch schlimmer das Werkzeug vergessen. Ein Metallteil soll ja beim ersten N-1 Start die Ursache des Fehlschlags gewesen sein und bei V-35 der Ariane fanden sich auch Tücher in den den Treibstoffleitungen. So eine Vorgehensweise verzögert die Arbeit und macht sie teuer, aber der Fehler tritt nicht auf.

Was sich etabliert hat, ist eine Kultur des Testens, Nachprüfens, Dokumentierens. Das Prüf und Produktionsprotokoll einer Leuchte auf der ISS soll über 500 Seiten umfassen. In der bemannten Raumfahrt ist ex extrem. Wer mal Bücher über die Entwicklung dieser Projekte gelesen hat weiß eines: auch wenn man Lichtjahre von der heutigen Technik weg ist wusste man schon damals dass man eines immer konnte: Prüfen, Testen nachkontrollieren. Nicht einmal, nicht zweimal, sondern x-mal.

So haben wir heute Satelliten die über Jahrzehnte arbeiten. Ausfälle sind selten. Die Frage ist nur: hätten wir dasselbe Ergebnis auch einfacher bekommen? Hat sich in den letzten Jahrzehnten eine Bürokratie eingebürgert die alles unnötig teuer macht und man auch mit weniger Tests eine Zuverlässigkeit erreicht die ausreichend ist?

Ich glaube dieser "frische Geist" ist das was einige der neuen Raumfahrtfirmen ausmacht. Vielleicht machen sie nicht so viel anders, aber vieles weniger aufwendig. Da können Leute aus anderen Branchen inspirierend sein. Es müssen nur die richtigen Branchen sein. Also wenn eine Raumfahrtfirma von Naturwissenschaftlern gegründet wird, sagen wir mal Chemiker und Physiker, dann wird das Produkt nie fertig. Denen fallen immer noch neue Tests zur Überprüfung der Hypothese "Raumschiff" ein. Genauso schlimm ist es wenn die Leute aus einem Bereich kommen, indem es reicht, das etwas formal in Ordnung ist, also z.B. Juristen oder Mathematiker. Okay die kommen auch sicher nicht drauf, Raumfahrtgeräte zu entwickeln. Die absolute Katastrophe ist allerdings wenn jemand aus dem Softwarebereich eine Raumfahrtfirma gründet. Bekanntlicherweise lernt jeder Programmierer, dass man die Fehlerfreiheit von Programmen nicht beweisen kann und alle Programme fehlerhaft sind - nur haben gute Programme weniger Fehler als schlechte. Außerdem hat es sich dort eingebürgert Programme auszuliefern, ohne groß zu testen und dann die Fehler zu korrigieren wenn sie auftreten. ("Bananensoftware - sie reift beim Kunden").

Eine Firma hat zum Beispiel gerade mal zwanzig Tests ihres Triebwerks absolviert, bevor sie es als qualifiziert betrachtete - Gesamtlaufzeit 3300 s. Das ist bei Triebwerken fast nichts. Das Vulcain hat z.B. 90.000 s absolviert, das RS-68 über 30,000 s und dessen Entwicklung galt als "schnell". Aus Softwaresicht ist das logisch: Wenn ich ein Programm einmal teste und es kommt kein Fehler, dann ist es okay. Nur ist das bei Hardware etwas anderes. Noch besser ist es natürlich, man schenkt sich die Tests gleich ganz. Die Firma stellt auch eine Raumkapsel her. Sie produziert sie und dann gehts in den Weltraum. Tests in einer Vakuumkammer um den Weltraum zu simulieren? Warum denn? Für die paar Tage gehts doch auch ohne, und das kostet nur Geld... Und weil sie Computer und Software so lieben, simulieren sie mal die Bergung ihrer Stufe im Computer, machen keinen Windkanalversuch und wundern sich dann dass die Stufe Purzelbäume wegen des tiefliegenden Schwerpunkts schlägt und in Trümmern zur Erde kommt. Die so als "verkrustet" angeschriene ESA hat nach den Simulationen bei der Ariane 1 auch Modelle im Windkanal getestet und ist zum selben Ergebnis gekommen....

Man kann alles in Frage stellen, wenn man neu ist. Braucht man den unbedingt Prallbleche? Man kanns doch mal ohne probieren. Muss man unbedingt Retroraketen einsetzen, oder reicht nicht einfach schon ein Mechanisches System aus Federn für die Stufentrennung einzusetzen? Wie dünn kann eine Düse sein, bevor schon Kaltgas zur Rissen führt? Probieren wirs aus? Die Frage ist nur: mache ich mir damit das Leben einfacher oder unnötig schwer. Gefährde ich meinen eh schon angeschlagenen Ruf durch unnötige Fehlschläge und mein finanzielles Polster durch diese Kosten oder spare ich so viel Zeit und Entwicklungskosten ein, weil ich vielleicht 1-2 Systeme nachbessern muss, aber bei 10-20 Systemen Einsparungen habe? Eine schwierige Frage.

Neulinge können frischen Wind reinbringen, vor allem wenn sie sich mit alten Hasen zusammensetzen und man voneinander lernt und Dinge hinterfragt. Fatal ist wenn dieses gegenseitige befruchten nicht klappt. Bei der Firma gab es inzwischen schon eine ganze Reihe von Managern aus anderen Firmen, die nach wenigen Monaten das Handtuch geschmissen haben. Auf der anderen Seite stellt sie nur Hochschulabsolventen oder Neulinge mit wenig Berufserfahrung bei niederen Positionen ein. So bleibt das agile, aber auch riskante erhalten. Mal sehen wie lange dies gut geht.

Eines dürfte klar sein: Im Endeffekt entscheiden die Kunden. Hauptkunde ist bisher die US-Regierung. Solange diese nur Dienstleistungen bucht wird das auch gut gehen. Nur rechnet die Firma mit mehr. Milliardenteuere Satelliten des US-Militärs transportieren und Astronauten. Und das einzige was sie zur Sicherheit sagen kann ist: "der strukturelle Sicherheitsfaktor liegt bei uns bei 1,4 anstatt bei 1,25 als Vorgabe für unbemannte Raumfahrtprojekte". Das ist genauso richtig wie die Aussage "64 Bit Programme sind doppelt so sicher wie 32 Bit Programme". Es zeigt, dass die Firma völlig anders denkt als ihre Auftragnehmer. Ich glaube nicht, dass dies der Weg ist erfolgreich zu sein.

Das heist natürlich nicht, dass man die Strukturen wie sie heute sind so akzeptieren muss und nicht hinterfragen soll. Ist heute nicht zu viel Bürokratie aufgebaut worden? Reicht es nicht etwas ei- oder zweimal nachzuprüfen anstatt vier oder fünfmal? Radikale Änderungen werden aber nicht funktionieren. Das zeigt auch das Disvoery Programm, das ja alles "fast, cheaper, better" machen sollte - nun ja die ersten zwei Punkten trafen auch zu. Nur beim dritten Punkt haperte es: drei verlorene Raumsonden sprechen Bände. Wie deutlich dere Wechsel ist zeigt sich als aus Discovery das Mars Scout Programm wurde:

Die Projekte sind vergleichbar. Phoenix und Odyssey waren die direkten Nachfolgesonden der 1998-er Sonden. 1999 kam der Wechsel und beide Sonden erhielten eine bessere finanzielle Basis - die Missionskosten explodierten, aber die Projekte wurden erfolgreich und gingen nicht verloren.

Wie rund kann ein Himmelskörper sein?

Heute mal eine astronomische Frage: Ab welcher Größe ist ein Himmelskörper rund? Jeder kennt ja einige unregelmäßig geformte Himmelskörper: Die Marsmonde Deimos und Phobos, die Asteroiden Gaspra, Ida, Mathilde und Eros. Und es gibt auch runde wie die Erde, Venus, Mars, Merkur, der Mond. Auffällig ist das die Runden eher groß sind und die unregelmäßig geformten eher klein. Gibt es da einen Zusammenhang?

Da bei einem Gastbeitrag schon in den Kommentaren die Rede war, er passe nicht zu diesem "wissenschaftlichen" Blog aber zuerst mal die wissenschaftliche Klärung einer Frage: Wann sprechen wie von rund? Doch zuerst noch meinen Senf zu dem Kommentar: Der Blog ist nicht wissenschaftlich, es ist meine Meinung oder eben die von Gastaturen und wenn auch Wissen vermittelt wird, dann um so besser. Das muss aber nicht sein. Aber schon aufgrund der Tatsache dass jeden Tag einer erscheint, kann man ableiten dass es keine Wissenschaft sein kann, weil ich niemals die Zeit hätte, alles haarklein zu recherchieren. Diese Fehleinschätzung ist übrigens auch in dem Forum, dass ich unter dem Blog "Neid" erwähnte vorherrschend. Die diskutieren über meine Blogs auch als wären es Nachrichten....

Aber zurück zur Frage. "rund" bedeutet eigentlich, dass die Abweichungen von der idealen Kugelgestalt minimal sind. Also egal welchen Schnitt ich durch den Himmelskörper mache und die durch den Mittelpunkt geht - die Abweichungen der Durchmesser sollten minimal sein. Überlegt man sich dies genauer, so kommt man auf die atomare Ebene als Grenze. "Rund" würde dann bedeuten, dass die Abweichungen dieser Schnitt nicht mehr als einen Atomdurchmesser betragen dürfen oder anders gesagt - ein Atom darf nicht mehr als einen halben Atomdurchmesser nach oben oder unten von der idealen Form abweichen. Bei mehr als einem halben Atomdurchmesser könnte ich es entfernen (steht hervor) oder die Lücke auffüllen und ich erhalte eine noch bessere Annäherung an die ideale Form. Wir sind übrigens heute soweit, dass wir diese Genauigkeit erreichen können. Spiegel für die EUV-Lithographie müssen auf wenige Atomdurchmesser genau geschliffen sein und das Avogadroprojekt, das die letzte SI-Einheit die noch nicht auf einer Naturkonstante beruht, arbeitet an einer Siliziumkugel mit einer festen Anzahl an Atomen. Neben anderen Reinheitsanforderungen muss natürlich auch diese Kugel sehr genau geschliffen sein - 30 nm werden da heute erreicht.

Nur ist das eine ideale Annahme. Kein Himmelskörper, wahrscheinlich nicht mal Neutronensterne werden so dem Ideal entsprechen. Daher nehme ich mal als rund ein viel praktischeres Kriterium. Fast jeder, der den Saturn sieht bemerkt, dass er nicht rund ist. Hier beträgt der Unterschied  zwischen Pol- und Äquatordurchmesser 10,85%. Bei Jupiter, bei dem der Unterschied nur 6,9% bemerken dies nicht mehr alle. Also soll mal pragmatisch gelten: "rund" bedeutet weniger als 6% Abweichung zwischen größter und kleinster Achse durch den Himmelskörper. Bei der Erde sind es übrigens 0,3%.

Warum ist ein Himmelskörper rund? Das ist eigentlich nicht selbstverständlich. Wir gehen heute davon aus, dass alle Körper durch Kollisionen kleinerer Körper entstehen. Das beginnt mit Staub, dann Stücken von Ballgröße, über hausgroße bis hin zu Protoplaneten, welche die kleineren "einsammeln". Große Himmelskörper erhitzen sich durch die Einschläge stark. Zum einen sind die viel häufiger als bei den kleinen und jeder Einschlag führt durch die Bewegungsenergie zur Erwärmung. Zum anderen ist ihre Oberfläche im Verhältnis zum Volumen kleiner und sie geben so weniger Energie ab. Die Erde ist heute noch im Inneren flüssig. Mond und Mars sind es heute nicht mehr, sie sind schon zu klein. Bei der Venus weis man es nicht und bei Merkur wird auch ein flüssiger kleiner Kern vermutet, der sich wahrscheinlich halten konnte, weil die Oberflächentemperatur mit bis zu 400°C viel höher ist und so die Abstrahlung geringer ist.  Nun formen sich Flüssigkeiten von alleine zu Kugeln, da dann die Gravitation an der Oberfläche überall gleich groß ist. Bei kleinen Himmelskörpern ist zum einen die Gravitation an der Oberfläche viel kleiner, zum anderen kühlen sie schnell aus und große Einschläge führen eher zur Zertrümmerung was eine unregelmäßige Form begünstigt.

So ist zum einen einmal die kugelförmige Form großer Körper begründbar, die unregelmäßig kleiner. Das ganze hat aber auch noch einen anderen Aspekt, der zeigt sich wenn das Material abkühlt, also sich eine Kruste bildet. Denn auch dann kann es noch zu "Unrundungen" kommen. Es gibt noch Einschläge, die Krater mit Zentralbergen schlagen, und durch tektonische Aktivitäten kann es Gebirgsketten oder Vulkane geben. Auf der Erde kann es keine viel größeren Berge als 10-12 km Höhe geben. Ab dieser Grenze (je nach Gestein) drückt die Masse so stark auf die nach unten hin immer heißer werdenden Gesteine, dass dieser Druck und die entstehende Reibung zur Verflüssigung des Gesteins an der Basis führen. Die Grenze ist abhängig von der Gravitationskraft, der Art des Gesteins und den inneren Aufbau. Auf dem Mars, wo die Gravitation kleiner ist und der ganze Mantel fest ist, konnten Vulkane bis zu 27 km Höhe entstehen.

Schauen wir ins äußere Sonnensystem so bestehen die äußeren Schichten der Monde aus Eis - das verflüssigt sich weitaus früher als Gestein, hat aber auch eine geringere Dichte und so sind auch relativ kleine Himmelskörper rund. Selbst riesige Einschlagskrater, wie der Herschel Krater auf Mimas füllen sich bis auf kleine Reste des Zentralbergs und Walls auf. Nur Iapetus schmückt ein bis zu 20 km breiter und 13 km hoher Bergrücken. Wirken auf einen Mond, dessen äußere Schicht aus Eis besteht, laufend Kräfte ein, wie dies die Gezeitenkräfte bei Europa sind, so wird er erstaunlich glatt - auch wenn den Mond viele Rillen als Folge der Kräfte zieren, so ist die Oberfläche doch nahezu kraterfrei und Äquator- und Poldurchmesser sind fast gleichgroß.

Beide Gesetzmäßigkeiten haben eine Grenze: Ab rund 400 bis 500 km Durchmesser ist bei Himmelskörpern oft die Abweichung von der Kreisform zu sehen. Beispiele bei den Eismonden sind Miranda (mit zwar kugelförmiger Gestalt aber starken Erhebungen und tiefen Tälern) und bei des Gesteinskörpern ist dies Vesta (kleinster Durchmesser: 448 km, größter 560 km). Je kleiner ein Himmelskörper wird, desto extremer kann er sein. Radarvermessungen von Asteroiden, welche an der Erde vorbeiflogen, zeigten schon dass die größere Achse doppelt so groß wie die kleinste ist.

Ein letzter Faktor ist noch die Rotation. Sie bewirkt eine weitere konstante Kraft, die Zentrifugalkraft die zusätzlich wirkt. Sie ist am größten am Äquator und bei allein Planeten, welche einmal flüssig waren und die schnell rotieren ist der Äquatorradius höher als der Polradius wie folgende Tabelle zeigt:

Planet Rotationsperiode Abplattung
Merkur 59 Tage 0
Venus 243 Tage 0
Erde 1 Tag 0.003
Mars 1 Tag 0.006

Noch ausgeprägter ist das Phänomen bei Gasplaneten, da Gas ja viel einfacher als Flüssigkeit den Kräften folgen kann. Bei allen Gasplaneten ist der Äquatordurchmesser deutlich größer als der Poldurchmesser. Am höchsten ist er bei Saturn. Das ist leicht erklärbar: Die Zentrifugalkraft ist proportional der Distanz zum Zentrum und der Masse in dieser Entfernung, aber quadratisch zu der Rotationsgeschwindigkeit. Saturn rotiert nur wenig langsamer als Jupiter, hat aber nur ein Drittel der Masse. Die Gravitationskraft ist daher an der Oberfläche nur ein Drittel der von Jupiter, die Zentrifugalkraft aber fast gleich groß (die Masse auf die sie wirkt ist ja nur die Masse in diesem Abstand, nicht die Gesamtmasse).

Auch bei der Sonne weichen Äquatorialradius und Polradius ab. Man kann so leicht postulieren, welches die "rundesten" Körper sein müssten - das sollten alte Neutronensterne sein. Junge Neutronensterne rotieren sehr schnell, in wenigen Millisekunden um ihre Achse. alte dagegen in Sekunden oder noch länger (danach werden sie mit Radioteleskopen nicht mehr detektierbar und optisch sind sie zu lichtschwach). ebenso sind gute Kandidaten weiße Zwerge. Also alle Himmelskörper die sehr dicht sind. Wenn man schwarze Löcher mit dazu zählen kann, dann sind sie wohl am "rundesten". Nur wird es schwer das auszumessen.

Deutschland und die bemannte Raumfahrt

Beim verfolgen der Weltraum-Nachrichten bin ich auf folgendes gestoßen. Es geht im wesentlichen darum, dass Frankreich, Italien und Deutschland unterschiedliche Interessen haben und der DLR Vorstandsvorsitzende (es ist ja ein Verein) hier Konfliktpotential beim nächsten ESA Treffen sieht. das worauf ich mich beziehe steht ganz unten:

"By the time the space station is retired in 2020 — and the actual retirement date may be later — Germany will have spent some 4 billion euros ($5.4 billion), Woerner said. To assure maximum value for that investment, Germany will argue for strong support for a station-utilization budget.

“This is both a question of getting a return on investment, and a question of science,” Woerner said. “We in Germany are convinced we should not reduce our science and technology investment even in difficult times.”.

Das bringt mich auf meinen heutigen Blog: Deutschland und die bemannte Raumfahrt. Das ist ein trauriges Thema. Es begann mit der Siebziger Jahre, als die USA und ESA die Vereinbarung über das Sotrie-Lab unterzeichneten:; Ein Labor das in der Shuttlebucht Platz hat. Aus ihm wurde das Spacelab und Deutschland beteiligte sich anfangs mit 53,3% an dem Programm. Wie bei vielen anderen Programmen auch wurde es stetig teurer und aus 991 Millionen DM wurden 1,5 Milliarden DM, was (unter Berücksichtigung der Inflation) einer Kostensteigerung von fast 140% entsprach. Dabei stieg Deutschlands Anteil noch von 53,3 auf 65%, während Italien seinen von 18 auf 1% reduzierte.

Als dann der erste Flug anstand, kam die Ernüchterung: Die Shuttle Startpreise waren so stark angestiegen, dass sich die ESA keine einzige Spacelabmission mit ihrem eigenen Labor leisten konnte! Eines hatte sie der NASA "geschenkt" für die Gegenleistung eines gemeinsamen Jungfernflugs, ein zweites kaufte die NASA regulär. Anekdote am Rande: für das geschenkte Labor zahlte die ESA sogar noch Einfuhrzoll! Lediglich einige gemeinsame Missionen mit NASA und JAXA gab es von der ESA. Die einzige Ausnahme: Deutschland, dass 400 Millionen DM für die D-1 Mission locker machte und weitere 800 Millionen DM (man erkennt die steigenden Startpreise) für die D-2 Mission. Eine D-3 Mission wurde dann schon gestrichen.

Als hat man nichts daraus gelernt, war dann auch Deutschland die treibende Kraft bei Columbus. Schon als es noch mehr als unabhängiges Labor geplant war (zusammen mit Hermes) und dann auch später. Bei Columbus und den anderen begleitenden ISS Programmen liegt der deutsche Anteil bei 40 bis 50%, je nachdem von welchem Programm wir reden (ATV Entwicklung, ATV Betrieb, Columbus Entwicklung, Columbus Betrieb). Dazwischen gab es noch einige Flüge deutscher Astronauten zur MIR entweder unter ESA-Fahne oder alleine.

Das ist deswegen so erwähnenswert, weil Deutschland nur ein kleines nationales Budget hat. Der größte Teil geht an die ESA. Es gibt kaum nationale Forschungssatelliten oder andere eigenständige Aktivitäten.

Natürlich hat man was davon: Deutschland hat innerhalb der ESA die meisten Astronauten ins All befördert. Auch von der neuen Gruppe ist ein Deutscher wieder der erste. Und sie tauchen ja auch dauernd im Fernsehen auf, werden zu allen möglichen Dingen der Weltraumfahrt interviewt, auch welchen die jetzt nicht unbedingt etwas mit bemannter Raumfahrt zu tun haben. Das bemannte Raumfahrt gute P&R ist, das ist unbestritten.

Nur ist es eines nicht: großartige Wissenschaft. Für die bringt ein Satellit mehr, bzw. für die 4 Milliarden Euro welche der ISS Betrieb für Deutschland kostet könnte Deutschland, das in den letzten zwei Jahrzehnten ja nur noch kleine bis mittelgroße Projekte bei der unbemannten Raumfahrt national stemmte, sicher zwanzig Satelliten starten. Demgegenüber steht vielleicht der Aufenthalt von 3-4 deutschen Astronauten an Bord der ISS. Also bitte rechtfertigt mir das nicht mit "Science".

Mehr noch: An jedem Satellit sind viele Experimentatoren beteiligt. Wenn ich die Jugend begeistern will, wenn ich sie für eine Forschungskarriere motivieren will, dann ist die Chance: "Mein Experiment fliegt mal in den Weltraum" viel förderlicher als die Chance "Ich fliege in den Weltraum", denn zum einen kann für den Aufenthalt eines Astronauten einige Satelliten mit mehreren Experimenten, die jeweils von einem ganzen Team betreut werden, finanzieren und zum anderen zählt da nur die geistige Leistung. Nicht aber ob man auch körperlich der beste ist. Wenn ich also die Jugend motivieren will, dann ist das der falsche Weg und ein viel stärkeres nationales Forschungsprogramm der richtige Weg.

Doch eine Umkehr ist wohl nicht in Sicht. Es scheint ja auch eine konstante Größe zu sein, die völlig unabhängig von der Politik ist. Es begann unter der sozialliberalen Koalition, ging dann weiter unter Kohl, über Schröder und nun Merkel. Das einzig kritische das ich jemals von einem Politiker gelesen habe, war von Edelgard Bulmann die schrieb "Die Entscheidung die verfügbaren Mittel in die bemannte Raumfahrt zu stecken war falsch. Sie lässt sich nicht mehr rückgängig machen". Leider kam die rotgrüne Regierung zu spät um das Ruder herumzureisen und nun, das zeigen ja auch die Äußerungen von Wörner, bei dem der bisherige Kurs, weiter Geld in diesen Teil der Raumfahrt zu stecken weiter gefördert wird. Es ist gewünscht. So berichtet das DLR-Magazin über den ESA Astronauten Alexander Gerst und auch auf den Internetseiten nimmt die bemannte Raumfahrt, die ja eigentlich ESA Sache ist, einen große Raum ein. Was berichtet aber das DLR über ihre eigenen Missionen, z.B. TerraSARX und TanDEM-X? Wenn es mal eine Flutkatastrophe gibt, wird ein Bild gezeigt, so nach dem Motto "Schaut mal was wir für ein tolles Satellitensystem haben". Alles andere bleibt aber unter Verschluss. Die Forschung läuft unter Ausschluss der Öffentlichkeit. So muss man sich nicht wundern wenn nicht nur Politiker das gerne aufnehmen, denn so unnütz wie die bemannte Raumfahrt auch ist - sie ist präsent.



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