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Web Log Teil 303: 26.11.2012 - 29.11.2012

26.11.2012: Macht was draus

Nachdem ich erfahren habe, dass man von EADS aus wieder meine Webseiten besuchen kann (war anscheinend für eine Zeitlang gesperrt) muss ich doch was tun, damit man wieder eine Sperre einrichtet, denn nicht nur SpaceX missfällt mir, auch bei EADS ist einiges im Argen. Da gäbe es auch was zu sagen zu Webseiten die dauernd ihre Adresse ändern, sodass man sie gar nicht erst Bookmarken muss (wie die mit den Ariane 5 Launchkits) über die Verdrängung von Information durch Flash bis hin zu der Einwegkommunikation (man kann ihnen gerne eine Mail oder auch ein Dutzend schreiben, nur Antwort wird man keine bekommen).

Aber das ist ja nicht das Kerngeschäft dieses internationalen Rüstungs- und Weltraumkonzerns, sondern die Produktion von Hardware und da ist nun ja die Ariane 5 ME beschlossen, verbunden mit einer Vorentwicklung der Ariane 6. Das wäre nun die Gelegenheit etwas richtig zu machen.

Die Ariane 6 ist zwar noch nicht endgültig festgelegt, doch was sicher sein dürfte, ist das das Vinci Triebwerk auch in der Ariane 6 zum Einsatz kommen sollte. Zeit für eine gute Konzeption der ESC-B, die es ermöglichst von dieser Stufe möglichst viel auf die Oberstufe der Ariane 6 zu übertragen.

Von der ESC-B ist noch nicht viel bekannt, aber was man weis, ist das sie zwischen 27,5 und 28,4 t Treibstoff fassen soll und trocken zwischen 6 und 6,25 t wiegt, je nach Quelle und das ist kein Ruhmesblatt. Das Trockengewicht ist viel zu hoch. Zum Vergleich die Delta 4 Zweitstufe hat auch eine Treibstoffzuladung von 27,5 t und wiegt 3,5 t trocken. Da die Oberstufe auch einen Orbit erreicht, bedeutet aber jedes Kilo mehr bei der Trockenmasse ein Kilo weniger Nutzlast. Oder anders ausgedrückt - würde die ESC-B wie die Delta 4 Zweitstufe anstatt 6 t nur 3,5 t wiegen, so würde die Ariane 5 nicht 12 sondern 14,5 t Nutzlast transportieren.

Die Ursache ist leicht geschildert: Die ESC-B befindet sich wie die ESC-A direkt oberhalb des Stufenadapters, in dem die Kräfte der Feststoffbooster übertragen werden. Sie wird daher erheblich durchgeschüttelt. Diese Problematik hat man bei der ESC-A durch eine massive Konstruktion gelöst, denn auch die ESC-A hat dieses hohe Gewicht (hier sind es 4,5 t). Vor allem die tragenden Tanks sind sehr massiv. So wiegt bei der ESC-A der Sauerstofftank 220 kg und der dreimal voluminöse Wasserstofftank 1980 kg, also pro Volumen dreimal mehr. Die Ursache: Der Wasserstofftank ist tragend und der Sauerstofftank nicht.

Natürlich ist die Position schlecht. Sie ist schlechter als z.B. bei der Centaur auf der Titan, wo die zweite Stufe einen Teil der Schwingungen abfederte, sodass hier die Trockenmasse nur um 10% höher lag als bei der Atlas Version der Centaur. Sie ist daher auch nicht direkt mit obiger Delta 4 Oberstufe vergleichbar. Doch das Manko haben auch andere Konstruktionen. Beim Space Shuttle Tank übertragen die beiden Feststoffbooster auch direkt die Schwingungen auf den Tank und an der anderen Seite hängt sogar noch ein bis zu 120 t schwerer Orbiter dran. Bei der Ares I wäre die Oberstufe auch direkt auf einen Feststoffbooster montiert geworden. Das ergibt noch stärkere Belastungen als bei der ESC-B, doch beide Tankkonstruktionen sind deutlich leichtgewichtiger.

Das verwundert nicht, denn die Konstruktion von Astrium Bremen ist solide, aber eben nicht gerade effektiv oder elegant. Es gibt drei grundlegende Technologien um die Leermasse zu senken:


Fangen wir mit dem Letzten an: Das idealste ist es die Vibrationen gar nicht erst weiterzugeben. Ariane 5 hat schon immer ein Vibrationsdämpfungssystem, das auch im Laufe der Zeit verbessert wurde. Man könnte hier weiter ansetzen, auch wenn das zuerst anscheinend Nutzlast kostet. Wird die Trockenmasse der EPC um 1000 kg erhöht, so sinkt die Nutzlast um 340 kg. Solange also pro 1000 kg mehr für den Stufenadapter die ESC-B um mehr als 340 kg leichter wird, hat man einen Gewinn. Passive Systeme kommen da allerdings bald an die Grenze und aktive Systeme, die mit verschiebbaren Gewichten arbeiten wie mal für die Ares I angedacht waren, sicher für eine kommerziell genutzte Rakete zu teuer.

Das zweite ist es die Stabilität zu erhöhen. Das geht durch Innendruckstabilisierung. Sie setzt die Centaur ein, aber auch die EPC, die dadurch erheblich leichtgewichtiger als die ESC-B sind. Nur wird die EPC eben nicht von Astrium Bremen gefertigt.... Der Effekt ist der wie bei einem Luftballon.  Der Innendruck macht ihn steif und lässt ihn viel größere Belastungen aushalten. Das kann soweit gehen, dass die Hülle ohne Innendruck kollabieren würde. Die Technik ist nun nicht gerade neu, sondern wurde schon mit der Atlas Mitte der Fünfziger eingeführt.

Das dritte ist es Gewicht zu sparen. Beim Triebwerk geht es nicht, dass ist relativ schwer. Aber bei allen anderen Strukturen. Die Planungen sehen für die Ariane 5 ESC-B die Aluminiumlegierung 2219 vor, aus der auch die EPC besteht. Diese Legierung wurde schon bei der Saturn V eingesetzt und ist "Standard". Standard heißt aber auch: es gibt was besseres. Seit Ende der siebziger Jahre wurde an der Legierung 2195 bestehend aus Aluminium und Lithium mit kleinen Spuren anderer Metall entwickelt. Sie wiegt 5,5% weniger als die 2219 und ist trotzdem höher beanspruchbar. Das ist temperaturabhängig. Ein Mittel für die Triebstoffmischung die die ESC-B einsetzt ist 26%. Die Tanks sind also um 26% leichter.

Rechnet man nur die Tanks und rechnet man deren Gewicht von den bekannten Tankmassen der ESC-A aus, so müssten diese bei der ESC-B bei 28,4 t Treibstoffzuladung rund 4460 kg wiegen. 26% weniger sind also schon 1160 kg. Die Legierung ist übrigens nicht neu: der Space Shuttle Tank besteht aus ihr, zumindest in der Version die für die ISS genutzt wird (die Konstruktion war 1988 fertig wurde aber erst eingesetzt, als man die mehr Performance brauchte). Sie war für die Ares I EDS vorgesehen und wenn man SpaceX glauben kann bestehen ihre Tanks auch daraus (die Legierungsnummer wird nicht explizit genannt, aber es gibt nicht viele "Lithium-Alumnium-Alloys".

Bei den anderen Teilen wie Schubgerüst kann man Composite Verbundwerkstoffe einsetzen. Hier ist die Gewichtseinsparung noch höher. Das geht bei allen Teilen, die nicht tiefe Temperaturen aushalten müssen, z.B. Schubgerüst, Abschlussring.

Der dritte Punkt ist es die VEB einzusparen. Die VEB ist der Geräteteil der Ariane 5, der bei Ariane traditionell ein eigener Baustein ist. Er sitzt auf der Oberstufe, bedingt durch die gewölbten Tankböden würde aber der Platz oben auf der Stufe ausreichen dort die Elektronik, Batterien und den Lagereglungstreibstoff unterzubringen. Eventuell verlängert man diesen Teil leicht. Die Folge ist dass man die Trockenmasse der VEB stark verringern kann. Beim Übergang Ariane 5 G → ESC-A wurde die VEB schon um 450 kg leichter, weil man sie verkürzen konnte, sie nicht die Last der EPS mittragen musste. Realistisch kann man, wenn man die Elektronik in die Stufe verlagert, so sicher 350 der 950 kg der VEB einsparen. Zusammen wären das dann schon rund 1500 kg. Das würde die Nutzlast der ESC-B auf 13,5 t steigern, anstatt nur 12 t.

Eventuell kann man ja auch Innendruckstabilisierung und leichte Legierung kombinieren, dann wirds vielleicht noch etwas mehr, vielleicht in Richtung 2 t? Immerhin: die Delta 4 Zweistufe ist immer noch leichter, verwendet aber beide Techniken nicht, die Centaur ist nochmals 10% leichter mit Innendruckstabiliiserung und die Ares EDS sollte sogar ein Voll/Leergewicht von 16,6 erreichen - für die ESC-B werden von Astrium Bremen nur 5,5 anvisiert. Das ist zwar nicht direkt vergleichbar, zeigt aber dass noch einiges an Luft offen ist.

Es gäbe aber auch noch zwei wichtige Gründe sich reinzuhängen und sich nicht mit dem derzeitigen Design zu begnügen. Der erste: Wenn mal die Ariane 6 kommt. Wer bekommt dann den Auftrag für eine neue Oberstufe? Eine Firma die nur schwere und massive Stufen bauen kann, weil sie bisher nur eben kleine Oberstufen mit lagerfähigen Treibstoffen selbst entwickelt hat, oder eine Firma die den Anschluss an die derzeit aktuelle Technologie hat? Schließlich bedeutet eine leichte Stufe auch bei der Ariane 6 mehr Nutzlast.

Und der zweite ist der Grund, der der mich antreiben würde, wenn ich bei Astrium Bremen arbeiten würde: Ich will stolz auf meine Arbeit sein, dass klappt aber nicht wenn man einen Eintrag im Guinessbuch der Rekorde hat für die Stufe mit dem niedrigsten Start/Leergewichtsverhältnis ....Ich würde mich schämen so was als Arbeit abzuliefern.

27.12.2012: Baustellen

Da ich gerade mit einer Erkältung laboriere und mir auch die Themen fehlen, will ich mal wieder einen kleinen Smalltalk-Blog einschrieben (nein, nicht über dieser Programmiersprache). Es geht um das was ich als "Baustelle" bezeichne. Eine Baustelle ist etwas, was ich eigentlich tun sollte, aber zu dem ich aus verschiedenen Gründen nicht komme.

Also als Baustelle habe ich derzeit folgendes: Ich wollte einen Programmparser für eine Skriptsprache neu schreiben, effizienter mit besserem Syntaxcheck. Da bin ich noch ganz am Anfang, dann schwebt mir ein neues Programm vor um Notizen zu verwalten. Ja so was gibt es schon, aber ich mach lieber alles selbst....

Dann habe ich mir vorgenommen mein Skript für die DHBW nochmals zu überarbeiten und um einige Rechenbeispiele aus dem Maschinenbau zu ergänzen (Problem: Ich habe das nicht studiert und weiß nicht was gute Beispiele sind). Meine Website für unser Ferienhaus müsste überarbeitet werden, vor allem aus Zig Fotos die besten rausgesucht und die alten ersetzt werden, also eine eher tröge Geduldsarbeit.

Tja, man fragt sich nun was ich mache? Nun natürlich nichts von dem da oben. Ich habe von Hans den ersten Teil des Manuskripts vom Diätbuch zurückbekommen, nachdem ich gefragt hatte. (Die Kommentare waren übrigens sehr nützlich Hans!) Hintergrund war, dass mein Verlag das !"Was ist drin"-Buch auch als ebook rausbringen will und damit es hier nicht zu Problemen kommt (ich habe es schon vor einem Jahr selbst publiziert) wollte ich es substanziell modifizieren. Da dieses Buch auch mit einer Einführung in die Ernährung beginnt, lag es nahe hier die deutlich umfangreichere des Diätbuchs zu verwenden. Dann gibt das eine das andere. Die Leute bemängelten eine fehlende Referenztabelle, also habe ich die in einigen Tagen Fleißarbeit (es gibt über 300 Zusatzstoffe)  erstellt, wobei ich gleich auch feststelle, das es vier neue Zusatzstoffe gibt. Und wenn ich mir die Arbeit schon mache, warum dann nicht gleich auch den Teil, der offensichtlich für viele am interessantesten ist, als eigenständige Broschüre zu veröffentlichen? Kurzum, es gibt bald eine Broschüre über E-Nummern und Zusatzstoffe. Genauso ist geplant den Einführungsteil des Diätbuches über Ernährung noch um die wichtigsten Aspekte der verschiedenen Ernährungsformen und Ernährungsabhängigen Krankheiten zu ergänzen (Übergewicht ist ja schon dabei) und daraus auch eine kleine Broschüre über Ernährungsgrundlagen zu machen.. Und da ich dabei war, habe ich auch gleich die Website über die Bücher neu strukturiert und die Kategorien neu geordnet.

Nur ist das natürlich alles nicht das was ich eigentlich tun wollte oder sollte. Irgendwie sind Bücher bei mir noch in oberster Priorität einsortiert. Das mag dran liegen, dass ich selbst viele Bücher habe, zuerst anfange in Büchern zu lesen wenn ich was nachschlage und damit auch so was wie "beständig" und "sinnlich" verbinde. Die Website kann schnell weg sein, wenn der Server mal einen Defekt hat, ich meine Rechnung nicht bezahle oder morgen bei einem Autounfall ums Leben komme, aber die Bücher werden bleiben, zumindest die wenigen Exemplare die verkauft wurden.... Vielleicht spukt in meinem Gehirn noch das Bild von Bibliotheken mit alten Gutenbergbibeln herum. Werner Büdeleter und Heinz Siefahrt sind tot, aber ihre Bücher sind immer noch in meinem Schrank.

Immerhin, ich habe mich ja schon durchgerungen, kein neues mehr zu schreiben, weil es sich einfach nicht lohnt, wenn ich den Aufwand und das Ergebnis betrachte. Das hindert mich aber nicht daran, "weils ja viel weniger Arbeit ist", wie bei obigen Beispielen bestehende Inhalte zu extrahieren, zu modifizieren oder zu ergänzen. Aber ich lerne dazu: derzeit bin ich bei "Baustelle" US-Trägerraketen, Auflage 2, an der ich seit 2010 arbeite. Sie wird nun auch endlich erscheinen. knapp die Hälfte ist durchkorrigiert und dann ist Schluss mit der Baustelle. Offen ist nur wie ich es rausbringe, nur als e-Book, oder ein Exemplar doch gedruckt für mich oder doch regulär? Und wenn dann noch die Ernährungsfragen durch sind, dann ist auch wirklich Schluss mit allen Büchern. Das wird allerdings noch dauern, weil ich im ersten Teil des Jahres sowohl meine DHBW Vorlesung habe, wie auch mein Kunde eine Systemweiterung will. Obwohl ich den Wunsch äußerte, dass es mir später im Jahr lieber wäre, alleine um die Arbeit übers Jahr aufzuteilen, anstatt in den ersten 4 Monaten viel zu tun zu heben, in den folgenden 3 dann wenig und dann gar nichts, war dies nicht möglich. So werde ich zwischen Januar und März nichts dran machen können.

Aber wenn alles gut läuft bin ich vielleicht in einem Jahr mit den Ernährungsfragen ganz fertig und sie auch durch alle Korrekturen durch und dann habe ich enorm viel Zeit für meine Baustellen, denn ein Buch braucht, wenn es neu geschrieben wird zwischen 4-6 Monaten Vollzeitarbeit, da ich meistens ja noch Blogs schreibe, sonst was zu tun habe und ja noch ein Leben außerhalb des Computers habe, eher länger, müsste ich in einem Jahr über massig Zeit verfügen. Da sind die bisherigen Baustellen schnell erledigt in einigen Wochen. Obs mir dann langweilig wird? Ich glaube nicht, dann mache ich sicher wieder eine Baustelle auf.

Kennt ihr das? Und wenn ja, was habt ihr für Baustellen?

28.11.2012: Haschisch

Eigentlich sind die Zeiten lange vorbei wo ich im Internet nur mal so rumgesurft bin, aber kürzlich kam ich doch dazu. Der Anlass war banal: in einem Fernsehfilm ertappt eine Mutter ihren Sohn beim Dealen und zwingt ihn 300 g Hasch zu vernichten. Da kam die Bemerkung "Weist Du was das gekostet hat?". Ja wie viel? Ich habe keine Ahnung, aber dazu gibt es ja das Internet. Und da kam ich auf eine Seite die Leuten die Schmerzen haben, dagegen wird sogar Cannabis experimentell verschreiben, beschreibt wie sie es zuhause "indoor" anbauen für 1,53 Euro pro Gramm im ersten Jahr. Im zweiten wirds billiger weil Investitionen für Boxen, Lüfter und Lampen nicht mehr anfallen. Beim Weiter surfen bin ich dann bei einer niederländischen Firma gelandet wo man die Cannabissamen bestellen kann - für 10 bis 30 Euro pro Stück, bei mehr als einem wirds billiger.

Das erinnerte mich an einen Film in ZDF-Info. Da kamen vor den US-Wahlen vermehrt Sendungen über Amerika und da war einer über Kalifornien. Dort ist Cannabiskonsum zur Schmerztherapie legalisiert und man kann es bei halbstaatlichen Läden kaufen. Man braucht nur ein Rezept vom Arzt, was auch kein Problem ist wenn man keine Schmerzen hat. Die Anbauer von Haschisch können den Stoff an den Läden verkaufen und einer zeigte uns seine Plantage in einem Dachzimmer "Ich habe ja nur 10 Pflanzen, andere haben bis zu 100". Eine Stadt in Kalifornien ist sogar noch weiter gegangen und hat Haschisch besteuert.

Wäre das nicht ein Modell für uns? Eigentlich ist das ganze System ja verrückt. Man baut Pflanzen im Zimmer an, mit Licht aus Halogenlampen in abgeschlossenen Boxen, weil sie ja aufdringlich riechen, bezahlt für einen einzigen Samen mehrere Euro. Es lohnt sich, weil man pro Produkt viel verdient. Nur deswegen kann man auch Samen zu mehreren Euros verkaufen. Diesem Treiben könnte man sofort begegnen, wenn der Anbau legalisiert würde. De Faktor kann ein Landwirt auf einem Hektar wahrscheinlich den "Stoff" zu einem Bruchteil des Preises produzieren und niemand würde mehr anfangen Hanf selbst zu ziehen. Über die Rezepte könnte man trotzdem den Konsum steuern. Und eine Steuer wie bei Zigaretten kann man auch erheben.

Denn wachsen tut Hanf bei uns. Was gern vergessen wird: das ist eine uralte Kulturpflanze, deren Anbau erst vor einigen Jahrzehnten verboten wurde, weil man schwer vom äußeren Aussehen her Haschisch produzierende Pflanzen von "anderem" Hanf trennen kann. Meine Mutter erzählte mir, dass sie im Krieg ihr eigenes Hanföl produziert haben. Daneben war Hanf lange Zeit auch wichtig, weil man daraus Leinen gewann, nicht für Kleidung sondern auch Taue, Segel  wurde er eingesetzt. Es spricht also eigentlich nichts dagegen, dass man Haschisch als "Hanfprodukt" nicht zu Preisen produzieren könnte wie Tabak, also 100 Euro pro Kilogramm. Wenn der Staat dann noch ordentlich Steuer draufhaut kann er es trotzdem noch weitaus billiger verkaufen als illegales Hasch, das (zumindest nach meinen Recherchen) so 7-10 Euro/Gramm kostet.

Die Frage ist natürlich immer, ob dies nicht schädlich ist - für die Leute wie für die Gesellschaft. Es also einer Explosion von Haschichkonsumenten kommen würde. Ich bin kein Experte dafür (die einzige Droge die ich konsumiere ist Alkohol in kleinen Mengen, schon weil ich mich mein Gewicht halten will, Zigaretten habe ich mit 12 oder 13 mal probiert und schon nach einer wurde mir klar, dass ich das nicht mag) aber soweit ich informiert bin sind sowohl Abhängigkeit wie negative Wirkungen von Haschisch geringer als z.B. von Alkohol oder Tabak. Ich glaube eher, das etwas verbotenes die Neugier ankurbelt es zu probieren. Der Staat hat ja schon ein gewisses Verständnis gezeigt, So soll Haschisch in kleinen Mengen ja noch Geduldetet werden. Also meine Meinung: wenn es als Droge nicht gefährlicher als Alkohol oder Tabak ist, dann sollte es legalisiert werden, in der einen oder anderen Form, man könnte ja auch den privaten Anbau für den Selbstbedarf legalisieren so z.B. dass man eine bestimmte Menge selbst anbauen kann und mehr dann konfisziert wird oder verboten ist.

Ich glaube, wenn der Staat daran viel verdienen könnte wie das schon bei den Zigaretten der Fall ist, dann wäre das keine Frage, denn da gibt es ja diese Bigotterie - die Steuer auf die Zigaretten wird laufend erhöht, der öffentliche Konsum wird immer mehr eingeschränkt, Werbung ebenso, aber verboten wird es nicht.

29.11.2012: Die Spektralklassen der Sterne

Unsere Sonne ist ein G2V Stern - wie kommt es zu dieser Bezeichnung und was sagen einem die Spektralklassen der Sterne? Zeit dem einmal nachzugehen. Dass Sterne farbig sind, kann man schon mit dem bloßen Auge sehen. Zumindest bei den hellen Sternen reicht ihre Helligkeit aus, auch die Farbrezeptoren anzuregen. Sirius ist weiß, Beteigeuze ist rot und Aldebaran ist gelb. Daher versuchte man schon früh die Sterne anhand der Farben zu ordnen. Doch jenseits von subjektiven Einordnungen ist Farbe ein schweres Thema und viele Sterne sind auch im Teleskop zu schwach um mit dem bloßen Auge die Farbe zu erkennen.

Der erste Ansatz kam im neunzehnten Jahrhundert auf, als man erstmals die Photographie nutzte um Sterne zu untersuchen. Der erste Ansatz war es ein Sternfeld zweimal unter gleichen Bedingungen zu fotografieren, einmal mit einer Fotoplatte mit einem im blauen Spektralbereich empfindlichen Farbstoff, und einmal mit einem im gelben Spektralbereich empfindlichen Farbstoff. Ein Stern mit blauer oder weißer Farbe ist auf der einen Platte mit dem blauen Farbstoff viel heller, mit einer orangenen oder roten Farbe dagegen auf der anderen Platte und Sterne wie die Sonne, die gelb sind (eigentlich liegt das Strahlungsmaximum der Sonne im grünen Spektralbereich, nur hat noch niemand bei Sternen eine grüne Farbe beobachtet) ist auf beiden Platten in etwa ungefähr stark zu sehen.

Es entstand der B-V Index (B für Blau, 450 nm Wellenlänge (blau) und bei 548 nm (visuell) genannt. Der Buchstabe B wurde für Blau und V für Visuell vergeben. Manchmal wurde auch noch eine Ultravioletthelligkeit (U bei 340 nm) hinzugenommen für die es auch spezialisierte Fotoplatten gab. Unterhalb von 340 nm absorbiert die Erdatmosphäre das licht sehr stark und weit jenseits des roten Spektralbereichs sinkt die Empfindlichkeit von fotografischem Film stark ab.  Zur Klassifizierung wurde dann die die Differenz B-V gebildet. Sie ist bei der Sonne in etwa 0, bei blauen Sternen wie Sirius leicht negativ und kann bei roten Sternen sehr positiv sein, Beteigeuze hat z.B. ein B-V= 3.

Später erkannte man dass die Farbe eine direkte Funktion der Oberflächentemperatur ist, und konnte so diese Berechnen. Der Zusammenhang ist linear nach dem Wieschen Versicherungsgesetz:

λ (max) = 2897,9 / T (in Kelvin)

Für die Sonne mit einer Oberflächentemperatur von 5780 K erhält man so 501,3 nm als Strahlungsmaximum. Eine weitere Erkenntnis, die man machte ist, dass die Energieabgabe nicht linear ansteigt, sondern in der vierten Potenz. Ein Stern mit einer Oberflächentemperatur von 6000 K emittiert nicht doppelt so viel Energie wie einer mit 3000 K, sondern 16-mal so viel.

Das Herzsprung-Russel DiagrammDen Durchbruch brachte die Spektroskopie. Dabei wird das Licht der Sterne in einzelne Spektralfarben aufgespalten. Man fand im Spektrum der Sonne zahlreiche Absorptionslinien. Sie entstehen, wenn das Licht der Sonne der Photosphäre das darüber liegendene kühlere Gas passiert. Elemente in dem Gas nehmen Energie auf, um ein Elektron von einer der inneren Schalen in die äußeren springen zu lassen. Die Energie ist abhängig vom Energieunterschied und dieser ist wiederum von der Bahn und dem Element abhängig. Dadurch konnte man die Zusammensetzung der Sonne bestimmen, indem man die Spektren mit Emissionsspektren vergleicht, die auf die gleiche Weise entstehen, wenn man einem Element (z.B. durch eine Flamme) Energie zuführt. Dann senden sie genau die Energie aus, die beim Rückfall der Elektronen von der angehobenen Bahn frei wird. Man fand sogar auf der Sonne ein Element, dass man auf der Erde nicht kannte und nannte es Helium nach Helios ("Sonne" im griechischen).

Damit konnte man auch Spektren anderer Sterne aufnehmen und man begann ein Klassifikationssystem aufzubauen. Um 1890 schuf Pickering ein System, er ordnete die Sterne nach ihren Wasserstofflinien in Spektralklassen, beginnen von A mit den stärksten Spektrallinien bis O mit den schwächsten. Als man dieses System später beibehielt, musste man einige Korrekturen machen. Einige Spektralklassen entfielen, sie waren unnötig oder beruhten auf fehlerhaften Beobachtungen. Auf der anderen Seite entdeckte man einige neue wie die Spektralklassen R und S.

Das System wird bis heute benutzt. Nur korreliert es nicht mit den Oberflächentemperaturen, weshalb sich die Reihenfolge verschoben hat. Der Grund liegt in der Physik. Bei hohen Temperaturen reicht die Energie der Photonen aus, die Elektronen nicht nur in eine höhere Bahn anzuheben, sondern sie können  das Atom verlassen, das Atom wird dann einfach ionisiert. Die Stärke der Spektrallinien die auf dem Anheben der Bahnen beruht, nimmt ab und die Spektrallinien die auf einfach ionisiertem Wasserstoff zurückgehen nehmen zu. Diese Linien wurden von Pickering aber nicht zur Klassifikation genutzt. So wurde die Spektralklasse O so weit hinten positioniert, weil ihre Oberflächentemperaturen von 20.000 K so hoch sind, dass dort praktisch nur noch ionisierter Wasserstoff und ionisierte höhere Elemente vorkommen und es fast keine Absorptionslinien von atomaren Wasserstoff gibt. Die heute gültige Reihenfolge ist OBAFGKMRNS. Das kann man sich mit dem Satz "Oh be a fine Girl kiss me right now Sweetheart" merken.

Enjahr Herzsprung und später  Henry Russell kamen auf die Idee, die Sterne zu ordnen. Es entstand das Herzsprung-Russell Diagramm. Es gibt es in verschiedenen Ausprägungen. In der Y-Achse wird immer die Helligkeit des Sterns aufgetragen, wobei man die der Sonne gleich 1 setzt und in der X-Achse entweder die Oberflächentemperatur oder die Spektralklasse. Da beide zusammenhängen, erhält man aber dieselbe Abbildung. Ein Stern unten links in diesem Diagramm hat Spektralklasse O9 und eine sehr niedrige Helligkeit, das sind eigentlich Gegensätze, die sich ausschließen. Anders sieht es in der rechten unteren Ecke aus. Dort hat ein Stern Spektralklasse M9 und ist sehr lichtschwach. Da die Spektralklasse M für sehr niedrige Oberflächentemperaturen steht sind Sterne aus diesen Spektralklassen auch sehr lichtschwach.

BeteigeuzeLinks oben finden wir einen sehr leuchtkräftigen Stern der Spektralklasse O, auch dies passt zusammen die O-Sterne sind sehr leuchtkräftig, das liegt an den hohen Oberflächentemperaturen von über 20.000 K. In der rechten oberen Ecke findet man Sterne die ebenfalls sehr leuchtkräftig sind, aber nur rot leuchten. Auch diese Sterne gibt es: sind rote Riesen, Sterne die aufgrund eines enormen Durchmessers trotz der niedrigen Oberflächentemperatur sehr leuchtstark sind. Beteigeuze ist in der Nähe der Ecke und er ist 200-mal größer als die Sonne und einer der wenigen Sterne von denen es möglich ist Bilder der Oberfläche anzufertigen (Bild rechts).

Ziemt man eine Diagonale durch das Diagramm von unten rechts nach oben links, so hat man einen Anstieg der Leuchtkraft und einen Anstieg der Oberflächentemperaturen, also einen natürlichen Zusammenhang und man findet dort die Hauptreihe. So benannt weil die meisten Sterne sich den größten Teil ihres Lebens auf ihr aufhalten.

Das Einsortieren aller Sterne in ein Diagramm hat einen Nachteil: Wir sehen Sterne in unterschiedlichen Phasen ihres Lebens. Viele Hauptreihensterne der Klasse M haben sich seit ihrer Entstehung kaum verändert, da ihre Lebensdauer viel höher ist als das Alter der Galaxis. Die O und B Sterne leben dagegen nur wenige Millionen Jahre und wir sehen nur wenige, die meisten die  es je gab sind längst als Supernova explodiert. Wird ein Hauptreihenstern alt, so hat er wenig Wasserstoff im Kern, die Fusion wandert nach außen und er wandert zuerst nahezu senkrecht nach oben, er wird leuchtkräftiger, verändert aber nicht die Oberflächentemperatur. Danach wird er zum roten Riesen und wird leuchtkräftiger, er rutscht nach rechts, die Oberflächentemperaturen sinken bis auf 2000 K. Das ist der Riesenast. Wenn ein Stern von etwa Sonnenmasse seinen Wasserstoff verbraucht hat, erlischt das nukleare Feuer im Inneren, die Gravitation zieht den Kern zusammen und die dabei freiwerdende Energie führt zum Absprengen der äußeren Schichten. Es entsteht ein weißer Zwerg - sehr heiß , weil der Kern ja vorher noch Millionen von Grad heiß war und selbst wenn er abkühlt, dann nur langsam, aber leuchtschwach, denn dieser Kern ist typischerweise so groß wie der Planet Uranus oder Neptun, also dreißigmal kleiner als die Sonne. Diese weisen Zwerge findet man unterhalb der Hauptreihe in einer weiteren Diagonale.

Die weiteren Äste weiter oben kommen von Sternen die viel massiver als die Sonne sind. werden sie älter, so werden sie größer, behalten aber die Helligkeit. Sie rutschen dann von den Spektralklassen O und B herunter zu K und M. Diese horizontal verlaufenden Äste nennt man Riesenäste, wobei man von Riesen, Überriesen und Unterriesen spricht.

Die Aufteilung der Spektralklassen ist nicht gleichmäßig. Es gibt mehr leuchtschwache als leuchtstarke Sterne, vergleichbar der Vermögensaufteilung in Deutschland, wo es auch viel weniger Millionäre als arme gibt. Masse, Radius und Leuchtkraft sind hier auf die Sonne=1 bezogen.

Spektralklasse Masse Radius Leuchtkraft Temperatur Anteil
O >16 >6,6 >30.000 > 33.000 K ~0.00003%
B 2,1 bis 16 1,8 bis 6,6 25.000 bis 30.000 10.000 bis 33.000 K 0,13%
A 1,4 bis 2,1 1,4 bis 1,8 5 bis 25 7500 bis 10.000 K 0,6
F 1,04 bis 1,4 1,.15 bis 1,4 1,5 bis 5 6.000 bis 7.500 K 3%
G 0,8 bis 1,04 0,96 bis 1,15 0,6 bis 1,5 5.200 bis 6.000 K 7,6%
K 0,45 bis 0,8 0,7 bis 0,96 0,08 bis 0,6 3.700 bis 5.200 K 12,1%
M <0,45 <0,7 <0,08 2.000 bis 3.700 K 76,45%

Die Spektralklassen werden dann noch etwas feiner unterteilt wobei man die Ziffer 0 bis 9 anhängt. 0 ist ein Stern der nahe an der nächst höheren Spektralklasse angesiedelt ist und 9 einer der nahe der nächst niedrigen Klasse. 5 liegt gerade in der Mitte, ist also eher als typischer Vertreter einzustufen.

Unsere Sonne hat den Spektraltyp G2, ist also näher an der Spektralklasse F als an der Spektralklasse K anzusiedeln. Man sieht dies auch am Radius und der Masse.

Wie man sieht sind die meisten Sterne der Hauptreihe von der Spektralklasse M. Das hat zum einen den Grund, dass viel eher kleine als große Sterne entstehen, es hat aber auch mit den Entstehungsgebieten und der Lebensdauer zu tun. Die Sterne kann man nach ihrem Ort in zwei Populationen unterscheiden. Die Population I besteht aus vorwiegend blauen Sternen (Spektraltyp O und B, sowie einige rote Überreise findet man nur in den Spiralarmen, die Population II aus den Sternen von G-M dagegen in einem Halo rund um die Spiralarme. Nur in diesen gibt es genügend Gas um die sehr massiven Sterne des Typs O und B zu erzeugen. Da diese auch nur kurz leben, können sie sich nicht weit von ihrem Sternentstehungsort entfernen. Dagegen können die masseärmeren Sterne auch jenseits der extrem gasreichen Sternentstehungsgebiete entstehen und sie leben sehr lange, können also in den Milliarden die seit der Entstehung vergangen sind, aus den gasreichen Spiralarmen herausgewandert sein.

Das führt zur Lebensdauer von Sternen. Da die Leuchtkraft mit der 4-Fachen Potenz ansteigt, die Masse aber linear, gibt es auch eine Masse/Leuchtkraftbeziehung. Sie steigt mit einer Potenz von 3,5. Die ungerade Potenz ergibt sich daraus, dass die Oberfläche mit steigender Masse auch ansteigt. Sprich: ein Stern mit 2 Sonnenmassen lebt nur 1/23,5 = 1/11,3 mal kürzer als unsere Sonne. Die Sonne wird wahrscheinlich 8-9 Jahre alt werden, ein Stern der Spektralklasse A mit zweifacher Sonnenmasse nicht mal eine Milliarde Jahre alt. Als Folge kommen wenn wir nach Planeten suchen auf denen Leben entstehen kann, Sterne der Spektralklassen O-A nicht in Frage, da sie nicht lange genug dazu leben.

Umgekehrt gibt es noch alle Sterne mit einer Masse von weniger als 0,8 Sonnenmassen. Ihre Lebensdauer ist größer als das Alter der Galaxis, das auf 13 Milliarden Jahre geschätzt wird. Die Extreme sind einige O-Sterne nur 3-4 Millionen Jahre alt werden und M9 Zwerge die 3 Billionen Jahre alt werden können.

Zuletzt hat man dann die Sterne noch in Gruppen mit gleichen Eigenschaften eingeteilt. Die Gruppen wurden schon bei dem Herzsprung-Russeldiagramm besprochen. Es sind:

Population Mitglieder Beispiele
I extrem leuchtkräftige Überreisen, Hyperriesen S-doradus
Ia leuchtkräftige Überreise Beteigeuze, Deneb
Ib weniger leuchtkräftige Überreisen Antares Canopus
II helle riesen Polaris
III Riesen Arktur, Aldebaran, Capella
IV Unterreisen Procyon-A
V Heuptreihensterne (Zwerge) Sonne, Sirius-A, α-Centauri, Wega
sD oder VI Unterzwerge Kapetyns Stern
D weisse Zwerge Sirius-B, Procyon B
Da unsere Sonne zur Hauptreihe gehört stellt man ihr noch ein V hinterher, daher kommt man zur Einstufung "G2V". Mit dieser Kombination kann man ihren Durchmesser, Oberflächentemperatur, Masse und ihre voraussichtliche Lebensdauer bestimmen.

Hier die Daten einiger Beispiele:

Population Stern Spektralklasse Masse Leuchtkraft Radius Temperatur
I S-Doradus A0 50 1.000.000 390 8.510 K
Ia Deneb A2 20-25 250.000 200 8.400 K
Ia Beteigeuze M1 20 55.000 662 2.250 K
Ib Antares M1 15-18 65.000 820 3.500 K
IB Canopus F0 15 13.800 71,4 7.500
II Polaris F3 1,4 3,9 1,4 6.900 K
III Arktur K2 <1,5 210 25,7 4.290 K
III Capella G5 3 75,8 10,8 4.100 K
IV Procyon F5 1,5 7,73 1,86 6.650 K
V Sirius-A A1 2,12 25,4 1,711 9.900 K
V Wega A0 2,20 37,3 2,73 10.000 K
V α-Centauri G2 1,105 1,504 1,224 5.810 K
sD oder VI Kapetyns Stern M0 0,38 0,004 0,24 3.800 K
sD oder VI Groombridge 1830 G8 0,661 0,212 0,681 4.760 K
D Sirius-B A2 0,978 0,027 0,00864 25.200 K
D Procyon B A1 0,6 0,000548 0,08359 10.100 K


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