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Web Log Teil 308: 2.1.2013 - 7.1.2013

2.1.2012: Die F-1 eine Alternative für heute

Seit die F-1 ausgemustert wurden tauchen sie regelmäßig wieder auf - vor allem in Diskussionen, wenn es um Schwerlastträger geht. Selten ist die Diskussion sachlich. So gab es mal das Argument "Wenn sie ein neues Auto haben wollen, bauen sie dann einen Chevrolet aus den Sechzigern nach?". Nachdem nun nochmals der Vorschlag kam es bei der SLS einzusetzen, ist es Zeit dies mal genauer zu betrachten. Fangen wir mit dem einfachsten an, den reinen technischen Parametern:

Die F-1 waren keine Triebwerke, die man auf maximale Leistung, sondern auf Robustheit und Zuverlässigkeit auslegte. Ein Vergleich mit anderen Triebwerken ist relativ schwierig, weil es nur wenige Vergleichsmaßstäbe gibt. Das RD-170/171 ist zwar vom Schub vergleichbar, ist aber ein Triebwerk mit vier Brennkammern. Triebwerke mit Gasgeneratorantrieb findet man nur mit einer Zehnerpotenz kleinerem Schub. Am ehesten kann man noch die NK-33 vergleichen, die immerhin ein Viertel des Schubs liefern.

Was relativ klar ist: Das Triebwerk hat für seine Schubklasse ein relativ schlechtes Schub/Gewichtsverhältnis, ist also relativ schwer.  Der Quotient liegt bei 80,6:1 bei der Trockenmasse. Beim NK-33 liegt er bei 112,7 zu 1, obwohl es nur ein Viertel des Schubs aufweist. Der Quotient steigt aufgrund der physikalischen Gegebenheiten an, wenn ein Triebwerk schubstärker wird.

Auch die Energieausbeute war bei dem Brennkammerdruck von 70 Bar nicht überragend. Allerdings gibt es im US-Arsenal auch kaum besseres. Merlin 1C und RS-27 liegen auf gleichem Niveau. Das Merlin 1D soll besser sein, doch sind die Werte mit Vorsicht zu genießen, wie alle angaben von SpaceX vor der Einsatzreife. Die meisten russischen Triebwerke mit derselben Treibstoffkombination sind besser, allerdings verwenden diese auch das Hauptstromverfahren, das kein US-Triebwerk jemals für LOX/Kerosin nutzte,

Betrachtet man allerdings, dass das Triebwerk für die erste Stufe gedacht ist, so entkräftet sich beides. Würde die Saturn V Triebwerke mit den Leistungsdaten des NK-33 einsetzen, so würde dies das Abtrenngewicht gerade mal um 2% ändern und die Geschwindigkeit um etwa 260 m/s. Das sind Werte die die Nutzlast vielleicht um 6% absenken. Deswegen lohnt sich keine Neuentwicklung.

Die nächste Frage ist, die ob man die Produktion wiederaufnehmen könnte und ob es nicht besser wäre ein neues Triebwerk zu bauen, das optimiert für die Produktion ist.

Natürlich ändern sich Technologien. Wir reden hier zwar vor allem von Metallbearbeitung, aber auch hier gibt es Änderungen. In den Sechzigern verschweißte man z.B. Tanksegmente mit Rollnähten, heute mit dem Rührreibschweißverfahren. Dazu kommt, dass sich Materialen ändern, allerdings weniger bei den Triebwerken um die es hier geht, als bei den Strukturen, dort zogen leichtere Aluminiumlegierungen und CFK Werkstoffe ein. Triebwerke stellt man damals wie heute aus Hochtemperaturfesten Legierungen wie Nickelstahl her.

Auf der anderen Seite haben wir es nicht mit einer Serienproduktion zu tun, sondern der Fertigung von maximal einem Dutzend Triebwerken pro Jahr. Bei einer individuellen Fertigung ist es sowohl möglich auf ältere Verfahren zurückzugreifen, wie auch, wo das nicht benötigt wird neue anzuwenden (wenn eine Schweißnaht hält ist es eigentlich egal nach welchem Verfahren sie gesetzt wurde).

Mag sein, dass ein neues Triebwerk in der Produktion billiger ist. Doch wie oft wird es produziert? Wenn man die erhöhten Produktionskosten für wenige Exemplare dadurch reinbekommt, dass man keine entwicklungskosten hat, dann hat man .

Kommen wir aber zum Hauptpunkt. Es geht um bemannte Raumfahrt.

Bemannte Raumfahrt zeichnet sich durch eines aus: sie ist teuer. Sie ist aus vielen Gründen teuer, aber bei Raketen sind es die Sicherheitsstandards und 50 Jahre bemannte Raumfahrt haben bei der NASA die Anforderungen eher steigen als sinken lassen. Die NASA lehnte für den Transport der Orion Delta 4 und Atlas V ab, sie wären nicht sicher genug, dabei handelte es sich um eingesetzte Träger. Stattdessen wollte sie die Ares I, weil sie rechnerisch sicherer sei.

Und hier kann das F-1 punkten. Das F-1 ist das am intensivsten getestete Triebwerk. Bis zur Zertifizierung gab es 2471 Tests mit einer Gesamtdauer von 239.124 Sekunden. Zum Vergleich: Der Nachfolger das SSME absolvierte 730 Tests und ein RS-68 180 Tests, das ist auch eine typische Zahl für andere Triebwerke die in unbemannten Raketen stecken wie das Vulcain. Selbst wenn man ein neues Triebwerk nicht so intensiv testen wird, wie das F-1, so wird man sicher mehr Tests machen als bei einem unbemannten Einsatz und dies kostet Geld. Der Test eines Triebwerks ist der Punkt der die Entwicklung teuer macht und es steht zu befürchten, dass man diese Summen durch niedrige Produktionskosten wieder hereinbekommt. Wenn es Probleme gibt so wird es noch teurer: Probleme bei der Entwicklung des SSME nachten einen NASA-Nachtragshaushalt nötig und verzögerten den Erststart um mehr als ein Jahr. Die F-1 Entwicklungskosten wurden auf 1,77 Milliarden Dollar (1991 wert) geschätzt. Das wären heute 3,05 Milliarden Dollar. Wenn dann ein Triebwerk 50 Millionen Dollar teurer in der Fertigung ist (und das ist schon ein hoher Wert), dann holt man diese Summe erst nach 61 Triebwerken wieder herein. Bei ATK, das den Vorschlag macht sie erneut einzusetzen sollen je zwei Triebwerke zwei Booster antrieben, also würde man erst nach 15 Flügen die Kosten wieder reinholen. Bei geringeren Aufpreisen wären es sogar noch mehr Flüge. Wie viele Flüge wird wohl die SLS absolvieren? Ich glaube kaum, dass sie 15-mal eingesetzt werden wird.

Vor allem gibt es Sicherheit: Das F-1 ist getestet, es ist sicher, es hat so große Reserven, dass ein F-1 bei der Saturn V vor dem Start dreimal getestet wurde (einmal einzeln und zweimal in der Stufe) und dabei länger betrieben wurde als später im Flug.

Man mag es für übertrieben halten und meiner Meinung nach wäre die Kombination von Fluchtturm und einem bewährten Triebwerk wie dem RS-68 oder RD-180 ausreichend, aber die Leute von Manned Spaceflight Center haben eine andere Denke. Es gibt ja noch das nicht ableugbare Restrisiko, dass die SLS wieder gekippt wird und in diesem Falle ist es besser wenn man nicht zu viel in ein Triebwerk investiert hat das nie fliegen wird, denn einen Bedarf für ein Triebwerk mit 6670 kN Schub gibt es nicht. (Ein F-1 hat mehr Schub als 12 Merlin 1D oder 15 Merlin 1C...).

Was es auch spart ist Zeit: Selbst die "schnell" Entwicklung des RS-68 dauerte fast 5 Jahre. Die des SSME acht Jahre. Bei der SLS sollen nach derzeitiger Planung ja nur Triebwerke zum Einsatz kommen die schon existieren oder von denen zumindest Vorläufer existieren (wie beim J-2S). Würde man ein neues Triebwerk entwickeln (wofür man übrigens derzeit nicht das Geld hat), so wäre es sicher erst in 8 Jahren einsatzreif.

Also wenn man die SLS angeht, dann wäre ich für das F-1!

--> 6.1.2012: Anstatt einer Buchkritik

Eigentlich hatte ich vor heute eine Buchkritik zu veröffentlichen. Doch schon beim Schreiben wurde mit klar, dass ich das nicht konnte. Ich habe bald beim Durchlesen festgestellt, dass sich das Buch viel von meiner Website bedient hat, vor allem was den Erklärungstext angeht. Teilweise wurden Sätze übernommen, teilweise in etwas anderen Worten das dort gelesene nacherzählt. Die Daten in den Tabellen stammen offensichtlich mehr von Astronautix.com, leicht erkennbar, dass bei Treibstoffen oft "fest" steht, anstatt die genaue Mischung.

Nun ist der Autor nicht der erste der abgekupfert hat. Das wissen wir spätestens seit Gutenberg. Er ist auch nicht der erste der mit der Aufgabe überfordert ist und beim selbst verfassten Text jede Menge Fehler einbaut, indem er erfundene Dinge erzählt oder neue Namen erfindet. Aber gegen den Strich gingen mir zwei Dinge. Das eine war die Selbstbezeichnung als "ausgewiesener Fachmann" auf dem Buchumschlag oder bei einem neueren Buch will er auch Profis noch was beibringen. Das ist ein starkes Stück, wenn man nur zusammenschreibt was andere aufwendig recherchiert haben. Und das zweite ist, dass man dies nicht mal würdigt, sondern die Liste der Links aus denen die Angaben geklaut sind, noch kommentiert in der Art "Recht bekannte Quelle. Sehr detailliert und unterhaltsam. Enthält Zusatzinformation die man sonst nicht bekommt, zitiert allerdings in manchen Fällen die Fehler der Urquellen mit". (So der Text zu meiner Seite) und vorher schreibt als Einleitung zu den Links "Für die Erstellung des Buches wurden neben Anfragen bei Herstellern und Recherche in Fachpublikationen auch über 250 Internetadressen zu Rate gezogen. Nur wenige brachten einen Mehrwert oder Informationen die in das Buch einflossen".

Das hat mich dann ziemlich verärgert. Material ungefragt klauen und dann so tun, als wüsste man es noch besser und hätte fast nichts verwendet und sich selbst als Experte aufspielen. Das ganze ist ja kein Einzelfall, ein zweites jüngeres Werk von ihm ist noch schlimmer, mit noch mehr Fehlern und wenn ich den Kommentaren bei Amazon bei anderen Büchern gehe, scheint das auch bei anderen Werken so zu sein. Als Opfer eines Plagiators sollte man keine Kritik verfassen. Vor allem nicht wenn man über den Autor verärgert ist.

Nun erfindet sicher nicht jeder das Rad neu. Auch das, was man bei mir findet, ist ja nicht vom Himmel gefallen. Die Fakten habe ich aus Büchern oder dem Internet. Ich würde meine Tätigkeit aber als Recherche bezeichnen. Für einen Artikel ziehe ich aus vielen Quellen Material zusammen, manchmal nur technische Daten, manchmal Beschreibungen. Sehr oft besteht die Arbeit darin Widersprüche aufzuklären. Inzwischen stammt im Bereich Raumfahrt sehr viel vom NASA Technical Reports Server. Die Arbeit liegt darin erst mal alles durchzulesen. Festzustellen, ob es brauchbar ist und wenn ja was. Wenn sich dagegen jemand diese schon zusammengestellten Informationen nimmt, einige Sätze leicht umformuliert und andere nicht, dann würde ich dies als Plagiat bezeichnen.

Man darf raten wer der Plagiator ist, ich werds aber nicht kommentieren.

7.1.2012: Wie schnell explodiert ein Stern?

Ich habe kürzlich einige Artikel über das Leben der Sterne geschrieben und dazu nicht nur ein älteres Buch über das Thema durchgelesen, sondern mir ein neues gekauft. Dabei kam ich auf etwas was ich vorher nicht wusste: Wie schnell explodiert eine Supernova. Also ich war immer der Meinung, das wäre eine schnelle Explosion, so sieht man es in den Animationen und schließlich leuchtet sie auch sofort auf - weit gefehlt.

Aber fangen wir mal ganz von vorne an, warum explodiert ein Stern (es gibt auch Supernova bei denen ein weißer Zwerg explodiert)? der Grund dafür wurde schon bei der Entstehung des Sterns gelegt, es ist die Gravitationskraft. Je mehr Materie vorliegt, desto stärker ist sie. Bei der Erde reicht die Masse der darüberlegenden Schichten schon aus, die Atome im Erdkern stärker zusammenzupressen bis die Abstoßungskräfte zwischen den Elektronen wieder die Gravitation ausgleicht.

Bei einem Stern mit 300.000 mal höherer Masse ist sie im Zentrum extrem stark. Als Folge wird die Materie stark komprimiert und die Temperatur steigt durch den Druck an. Gleichen Druck und Temperatur die Gravitationskraft aus, so befindet sich der Stern im hydrostatischen Gleichgewicht. Das hydrostatische Gleichgewicht herrscht über die größte Zeit im Inneren des Sterns, allerdings oft nur deswegen, weil nukleare Brennprozesse Energie liefern um der Gravitationskraft stand zu halten. Sie gleichen die Abgabe von Energie aus, die frei wird, wenn der Kern kontrahiert. Langfristig, d.h. wenn man das Kernbrennen ignoriert, das ja irgendwann immer endet, wenn der Brennstoff verbraucht ist, hat ein Stern genau folgende Optionen:

Sehr massereiche Sterne (ab 8 Sonnenmassen) können in ihrem Kern nach Helium noch Kohlenstoff fusionieren, dann Neon, Natrium und zuletzt Silizium. Was sich für eine Lösung anhört, ist in Wirklichkeit eine Sackgase. Die Fusionstemperaturen steigen immer weiter an, was auch mit einem Anstieg der Energieabgabe einhergeht. Vor allem aber verliert der Stern bei immer höheren Temperaturen immer mehr Energie in Form von Neutrinos. Sie entstehen wenn zwei energiereiche Photonen zusammenstoßen. Anders als die Photonen, die Hunderttausende von Jahren brauchen, um vom Kern zur Oberfläche zu gelangen und dabei den größten Teil der Energie an die Hülle abgeben, schaffen das Neutrinos in Sekunden. Sie tragen daher Energie vom Kern weg. Der letzte Fusionsschritt vom Silizium zum Eisen verläuft in weniger als einer Woche. Ohne Neutrinoverluste würde es 1 Million mal so lange dauern.

Wenn der inneren Kern aus Eisen besteht, dann gibt es aber ein Endstadium. Aus Eisen kann man keine Energie gewinnen, weder durch Kernfusion noch durch Kernfission. Er kontrahiert nun unter der Gravitationskraft. An der Außengrenze des Kerns kann die Fusion noch weiter gehen, doch das ist eher eine Verschlimmerung, denn die Kernmasse, in der keine Fusion mehr stattfindet, steigt dadurch immer weiter an, er schrumpft weiter. Er wird immer heißer und wenn er 8 Milliarden Grad und eine Masse von 1,4 Sonnenmassen erreicht ist, kommt es zur Katastrophe: Zuerst reicht die Energie nun aus das Photonen die Eisenkerne wieder spalten, das verbraucht jedoch Energie und liefet keine. Dadurch beschleunigt sich sie die Katastrophe, der innere Kern gibt unter dem Druck nach und kollabiert. Durch die abgegebene Energie reichen die Abstoßungskräfte zwischen Elektronen und Protonen nicht mehr aus um gegen die Gravitationskraft zu bestehen Der Kollaps mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit und diese kommt erst zum Stillstand wenn der vorher etwa 10.000 km große Kern nur noch einen Durchmesser von 20 km hat. Bei diesem Radius wirken nun andere Kräfte, nämlich die starke Kernkraft. Elektronen werden in die Protonen hineingedrückt, es entsteht eine dichte Packung von Neutronen, so dicht wie ein Atomkern. Damit stoppt der Kollaps des inneren Kerns abrupt.

Der äußere Kern und die darüberlegenden Schichten haben von dem Kollaps noch nicht viel mitbekommen, weil er so rasch passiert, doch auch er fällt nun Richtung Zentrum. Trifft er nun auf den riesigen Atomkern, der praktisch inkompressibel ist, so gibt es eine Rückstoßwelle die nun durch den äußeren Kern nach außen läuft. Sie würde, noch bevor sie den Rand des Sterns erreicht, wieder abflauen, doch nun kommen erneut die Neutrinos ins Spiel: Beim Kollaps wird Gravitationsenergie frei. das heizt den Kern erneut auf, es bilden sich erneut Neutrinos. Während die normale Sternmaterie für Neutrinos so durchlässig ist, wie ein Stück Papier für ein Projektil, sieht es bei einem Atomkern anders aus. Die Neutrinos können zuerst nicht entkommen, tunneln aber langsam an den Rand des Neutronensterns heran, dort angekommen übertragen sie die Energie auf die Stoßwelle die so den Kernbereich verlassen kann und schlussendlich den Stern explodieren lässt. Nur: bis diese Stoßwelle den Rand erreicht vergehen Stunden. Die Neutrinos verlassen den Stern dagegen sofort. So wurden diese bei der SN 1987A drei Stunden vor der sichtbaren Explosion detektiert. Bei einer supernova wird die meiste Energie von diesen Neutrinos abtransportiert, 100-mal mehr die sichtbare Leuchtkraft beträgt.

Die freiwerdende Gravitationsenergie (eine Kugel von etwa 10000 km Durchmesser hat sich in 10-20 ms auf 20 km Größe verkleinert) steckt zu einem großen Teil in der Schockwelle. Sie heizt das umgebende Medium bei der Passage weiter auf. Wo noch fusionsfähige Elemente sind, fusionieren diese spontan. Es entstehen jede Menge Neutronen, die bei den hohen Dichten in die Atomkerne gepresst werden und die neutronenreiche Isotope der Elemente im r-Prozess (r=rapid) bilden. Dabei entstehen auch radioaktive Isotope wie Nickel, das zu Kobalt zerfällt. Dieser Zerfall bewirkt dann den langsamen Helligkeitsabfall nach der Fusion, denn dieses Element zerfällt rasch und die Kernfusion ist recht schnell bei der Explosion beendet, denn bald reduziert sich die Dichte so rasch, dass keine Fusion mehr möglich ist. Es leuchtet dann nicht mehr die Supernova selbst, sondern die Gasschichten um sie, die nun von dem Gammastrahlen der radioaktiven Isotope ionisiert werden.

Kurze Antwort auf obige Frage: Ein Stern implodiert in 10-20 ms, doch bis wir das optisch sehen, vergehen rund 3 Stunden. Schon komisch oder? Wäre unsere Sonne so massereich, dass sie in einer supernova explodiert, dann würden unsre Neutrinodetektoren das einige Stunden vorher erkennen, nur denke ich wäre es dann für eine Rettungsaktion zu spät.


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