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Web Log Teil 333: 25.6.2013 - 27.6.2013

25.6.2013: Ein Energieproblem weniger

Wie wir alle wissen sind die fossilen Energien endlich. Zwar will man seit einigen Jahrzehnten auf regenerative Energien umstellen, doch ob dies wirklich zu 100% geht? Ich habe meine Zweifel. Eines der größten Probleme ist, das z.b. wir im Winter am meisten Energie verbrauchen, aber weniger Chancen haben, sie zu erzeugen. Weder kann man im Winter Warmwasser mit Sonnenkollektoren erzeugen, noch nennenswerte Mengen an Strom erzeugen. Natürlich gibt es auch noch den Wind, aber sinnvoll wird immer ein Mix aller möglichen Energielieferanten sein.

Ein Problem scheint jedenfalls gelöst zu sein. An der TU München wurde schon in den neunziger Jahren im Rahmen einer Doktorarbeit die Kombination eines Solarkollektors mit einer Wärmepumpe als Energieversorgung für Privathaushalte erprobt. Die dahinterliegende Idee war die, dass der Solarkollektor im Frühjahr bis Herbst Heißwasser erzeugt und die Wärmepumpe vom Herbst bis Frühjahr für die Heizung und Warmwasserversorgung eingesetzt wird. Die Wärmepumpe sollte auch Tage ohne Sonnenschein abfedern. Wenn die Sonne schien, war der Warmwasserverbrauch meist gering und der Doktorrand kam auf die Idee, den Solarkollektor mit der Wärmepumpe zu koppeln und heißes Wasser in den Untergrund zu pumpen. Die Idee war es den dortigen Wärmevorrat aufzufüllen. Die meisten Wärmepumpen verlieren nach einigen Jahren an Leistung weil mehr Wärme entnommen wird, als durch das umgebende Grundwasser/Gestein nachfliest. Dieser Abfall kann klein sein, er kann bei ungünstigen Bedingungen aber auch so groß sein, das sich der Betrieb nicht lohnt. Ob die Umkehrung funktioniert, also auch Wärme so gespeichert werden konnte, war noch nie vorher erprobt worden. Der Doktorrand hoffte im günstigsten fall die Wirkungsgradabnahme der Wärmepumpe zu verringern. Als Vergleich wurde in derselben Bodenschicht 100 m weiter eine zweite Wärmepumpe angebracht.

Erstaunlicherweise stieg in den drei Wintern die Energieausbeute der Wärmepumpe (berechnet als verbrauchter Strom im Verhältnis zur gewonnen Wärmeenergie) an. Das führte zu weiteren Doktorarbeiten, in denen das Phänomen über mehr als 10 Jahre an einer schon in den Achtzigern angelegten Wärmepumpe untersucht wurden. Nach fünf Jahren erreichte sie wieder die Sollleistung vor dem Abfall. Besonders der extrem sonnenreiche Sommer von 2003 führte zu einem Anstieg der Energieausbeute im folgenden Winter. Seitdem hat sich die gewonnene  Wärmemenge, je nach Sonnenscheindauer, im Sommer vorher im Winter auf 120% bis 140% des Ausgangswertes stabilisiert. Das scheint nach weiteren Versuchen auch bei neuen Anlagen der Fall zu sein. Inzwischen wurde der Versuchsaufbau soweit perfektioniert, dass das System automatisch funktioniert. In der ersten Form musste der Doktorrand noch von Hand die Ventile umschalten und die Pumpen an, inzwischen wurde ein an einem kleinen Solarmodul angeschlossener Mikrocontroller auf Basis eines ATMega entwickelt. Er und die Pumpen bekommen vom Solarmodul Strom, das ist im Sommer billiger als der Strom aus der Steckdose und spart eine Elektroinstallation, was vor allem bei Außenanlagen teuer würde. Gleichzeitig ist die Strommenge auch ein Maß für die verfügbare Energie der Solarkollektoren. Damit wird der Durchfluss zu der Wärmepumpe geregelt und zugleich auch diese mit dem Strom angetrieben. Unterhalb einer Schwelle die vom Benutzer festgelegt wird, wird nur Warmwasser für das Haus (Waschen, Duschen, Baden) erzeugt.

Die TU München hat nun erst die Ergebnisse veröffentlicht, zeitgleich mit der Gründung eines Unternehmens das die Technologie kommerziell vertreiben soll, als Spinn-off der Forschung: "Solarpump". Nach Aussage von Jürgen Schmidt, Fachbereichsleiter der Fakultät Energieingenieurswesen, wollte man auf Nummer sicher gehen, dass der Effekt dauerhaft ist und in der Summe den Nutzen Kosten spart. Das ist sicher ein Seitenhieb auf die Wärmepumpe die in den Siebzigern und frühen Achtzigern als Heizform der Zukunft galten - bis absinkende Wirkungsgrade nach einigen Jahren und höhere Strompreise zu einem starken Einbruch bei den Installationen führten. Nach nunmehr insgesamt 17 Jahren Untersuchungen, davon bis zu 12 Jahren an einer Quelle sei man sich sicher, das es möglich ist Wärmenergie im Sommer zu gewinnen, und im Untergrund zu speichern um sie im Winter zu gewinnen. Der Wirkungsgrad beträgt je nach Untergrund zwischen 38 und 51%. Das klingt nach wenig, doch da im Juli bei uns bis zu 1000 Watt/m² einfallen erzeugt man auf diesem Weg im Sommer immer noch genug Wärme für den Winter. Solarkollektoren sind relativ preiswert herzustellen, verglichen mit den Investitionskosten für eine Wärmepumpe. Dazu benötigt man noch das von Solarpump vertriebene Steuermodul mit Microcomputer und Solar-Modul sowie Anschluss an Solarkollektor und Wärmepumpe. für ein Einfamilienhaus braucht man 12 m² Fläche etwa die doppelte Menge die man für die reine Warmwasserversorgung braucht. Das sind dann bei den heutigen Installationspreisen rund 4.500 Euro Investitionen. Dem stehen Einsparungen von 400 bis 500 Euro pro Jahr gegenüber, sodass sich die Anlage nach weniger als zehn Jahren amortisiert hat. Noch günstiger ist es bei Altanlagen die an Leistung verloren haben, da diese in etwa 5 Jahren die Normleistung wieder erreichen und sie danach sogar über den Ausgangspegel ansteigt. Hier sind Einsparung von bis zu 800 Euro pro Jahr möglich, verglichen mit dem Energieverbrauch einer sonst zusätzlich nötigen Heizung.

Es gibt allerdings auch grenzen. Mehr als 150% des Ausgangswertes konnte nie an Wärmeenergie gewonnen werden, selbst wenn man die Kollektorfläche vervierfachte. Dann scheinen offenbar Grundwasserströme angeregt zu werden, die die Wärme abtransportieren. Dieses Phänomen will man nun noch weiter untersuchen indem man durch zusätzliche Bohrungen in der Umgebung Meßsonden einbringen will, welche die physikalischen Parameter wie Temperaturm Leitfähigkeit, Druck etc. messen.

Doch schon in der heutigen Form scheint das System dazu geeignet den seit zwei Jahrzehnten dahinsiechenden Wärmepumpenmarkt wiederzubeleben, da diese Technologie nun wider rentabel ist. Wenn es nun noch gelänge den Strom den man im Winter für die Pumpe braucht im Sommer zu gewinnen und zu speichern, dann hätte man eine Heizung, die nur von regenerativer Energie gespeist wird.

Die Forschung ist aber noch nicht am Ende. Derzeit wird untersucht ob bei Kleinkraftwerken mit Strom-Wärmekopplung es lohnend sein kann, wenn wenig Wärme abgenommen wird diese im Untergrund zu deponieren und später zu entnehmen. Zum einen ist die Stromerzeugung mit diesen schon heute der lukrativere Teil, zum anderen kann man so die Anlage kleiner auslegen, da die Leistung bisher vom Spitzenwärmebedarf der meist im Winter anfällt vorgegeben ist. Nach den bisherigen Untersuchungen ist der Wirkungsgrad dafür ausreichend, allerdings sind solche Anlagen eine Nummer größer als Wärmepumpen für Privathaushalte, sodass weitere Forschung nötig ist.

26.6.2013: Der böse Bernd

Niels hat mir eine Mail geschrieben, und mich auf einige Fehler aufmerksam gemacht, die ich natürlich sofort korrigiert habe. Dann hat er sich noch bedankt für den Blog und die Webseiten.

Er ist damit die absolute Ausnahme. Meistens bekomme ich nur Mails, in denen man sich beschwert, meistens über Rechtschreibung und Satzbau. Das ist so typisch Deutsch (und ich muss zugeben, auch ich melde mich öfters wenn ich Fehler entdecke, als wenn mir was gefällt) dass ich es meist ignoriere. Meistens sind es sowieso nur Gelegenheitsbesucher und schon eine Rückantwort wenn ich drauf eingehe bleibt aus.

Aber es gibt einem Ort im Netz, wenn ich da mal vorbeischaue, dann weiß ich das ich nichts gescheites produziere. Die Seiten sind voller Fehler (die man natürlich einem nicht mitteilt, sonst könnte ich sie ja korrigieren und sie wären weg). Ich vermische Tatsachen mit Meinung. Ja man darf überhaupt keine Meinung haben, erst recht nicht gegen was sein, wie z.B. bemannte Raumfahrt oder SpaceX. Dann fehlen Referenzen (das liegt primär daran dass die meisten Artikel ziemlich alt sind und ich sie für mich schrieb um die Information zusammenzutragen, inzwischen füge ich welche ein, nur eben nicht in der Form dass sie unten als Links stehen, sondern direkt im Text, wie dieser zu der enorm umfangreichen Testserie der Merlin 1D. Referenzen nützen aber auch nichts, wenn es die Seite nicht mehr gibt. Das hat Niels gerade auf der Angara Seite festgestellt. Vieles über alte Programme habe ich auch aus Büchern, die arbeiten übrigens auch oft ohne Referenzen. 

Dafür dass ich solchen Mist verzapfe verdiene ich mich nach Meinung einiger dort dann dumm und dämlich an der Werbung. Im redaktionellen Teil der Website wird daher auch kein Link auf mich gesetzt. Leider gibt es dort noch einen Userbereich. Und wenn dann jemand auf milch verlinkt wird er getadelt, denn damit komme ich noch früher in den Genuss mir von den Werbungseinnahmen mir mein Ticket auf einer Sojus kaufen zu können. Vor einigen Jahren hatte ich daher extra ein Script geschrieben, das feststellte, von welcher Domain die Besucher kamen und wenn sie von dort kamen habe ich sie wieder zur aufrufenden Seite geschickt, in der Hoffnung, dass das Schlechtgerede aufhört und keine Links mehr gesetzt werden. Geholfen hat es nicht.

Seit ich einen Blog habe melden sich die Redakteure auch um mich zu korrigieren. Natürlich nicht per Email, sondern als direkte Kommentare. Komischerweise weder unter Klarnamen noch unter dem Pseudonym das sie in ihrer Website verwenden, wahrscheinlich ist man verseucht wenn man man bei mir einen Kommentar hinterlässt, selbst wenn dieser mich nur kritisiert. Gelöscht wurde übrigens noch niemals ein Kommentar, es kann nur sein, dass wenn jemand mehr als zwei Links in dem Kommentar hat als Spam markiert wird und bei 100 SPAM pro Tag lösche ich den ohne ihn anzusehen.

Das geht seit einigen Jahren so. In der ganzen Zeit hat sich nie ein verantwortlicher (Redakteur, Admin, Moderator) bei mir per Email gemeldet.

Warum diese Feindseligkeit vorhanden ist verstehe ich nicht. Die entsprechende Präsenz hat eine komplett andere Ausrichtung als ich. Es gibt dort weder einen Blog noch längere Artikel. (Also lang in der form in der meine sind). Ich mache also keine Konkurrenz. Und profitieren von Links tut nicht meine Website, sondern ihre. Es gibt 28 Links von dort auf mich, aber 48 von mir auf diese Präsenz. Und dumm und dämlich verdienen tue ich mich auch nicht. Zum einen weil die meisten einen Werbungsblocker haben, zum anderen weil man für Werbung nicht viel bekommt. es reicht gerade mal um die Kosten für einen DSL-Zugang und die Website zu decken. Um die Admins von dort zu beruhigen: Referenzen von ihrer Präsenz sind erst an Nummer 26 der Verweisliste mit satten 0,01% (oder 123 Stück im letzten Monat) der Verweise. Damit erlöse ich dann schon einen halben Cent pro Monat....

Natürlich bin ich auch der einzige der Werbung auf der Website hat. Also weder Mark Wader schaltet Werbung, noch Günther Krebs und die ganzen US-Portale wie Spaceflight now, Space.com oder spaceref.com haben alle keine Werbung.

Über die Gründe für diese totale Ablehnung kann ich nur rätseln. Interesse das die Website besser wird gibt es nicht, sonst würde man ja Fehler melden, damit man sie korrigieren kann. Kommunizieren will man auch nicht und soviel Verstand, dass man einen Blogeintrag der eine Meinung von mir ist von einem Grundsatzartikel (die gibt es ja auch) unterscheiden kann, denke ich kann ich vorrausetzen. Ich sehe auch dort kein Bestreben den so fehlerhaften Artikeln eigene, fehlerfreie Artikel entgegenzusetzen, natprlich mit den entsprechenden Referenzen. Wenn es Artikel gibt so umfassen sie nur einen Bruchteil der Information die man auf meinen Seiten findet. Also besser will man es auch nicht machen, oder man hat zumindest etwas Ahnung wie viel Arbeit in einem Artikel der tief in die Materie geht steckt. Dabei bin ich ja alleine, dort arbeiten mehr als zwei Dutzend Personen als Redakteure. Es müsste dann doch kein Problem sein innerhalb weniger Wochen eine bessere Alternative zu erstellen.

Natürlich bin ich kein Heilliger, ich habe eine Meinung die auch gerne verteidige und ich habe eine sehr ausgeprägte sarkastische Ader und wenig Geduld. Man sollte also nicht mit "Argumenten" kommen die keine sind wie bei SpaceX der Standardspruch "Man muss doch bedenken, was die alles schon erreicht haben", wenn ich mich über die miserable Informationsversorgung auslasse. Okay, da könnte man höflich darauf hinweisen, dass das eine mit dem anderen nichts zu tun hat man, also auch wenn man etwas erreicht hat korrekt informieren kann. Aber wenn ich das nicht einmal sondern etliche Male gehört habe, dann habe ich die Lust verloren darauf sachlich zu antworten.

Was ich mir wünschen würde, wäre, dass die dort Verantwortlichen sich mal entscheiden was sie wollen. Wenn alles hier so schlecht ist, dann blockiert die Links auf mich, dann hören auch die schlechten Bemerkungen auf, dann gibt es nämlich nichts mehr worüber man sich aufregen kann. Wenn ihr konstruktiv sein wollt könnt ihr wie andere Fehler direkt melden , dann kann man sie korrigieren.

Und wenn ihr euch nun aufregt, weil ihr euch angesprochen fühlt - dann fragt euch mal warum ihr im ganzen Internet die einzigen seid, die sich angesprochen fühlen können. Solange ihr die einzigen seid, bin ich mir relativ sicher, dass so schlecht wie ihr meint die Seiten nicht sein können.

27.6.2013: Triergole Antriebe

In der Raketentechnik unterscheidet man zwischen Treibstoffen aus einer Komponente, mit zweien oder dreien. Als Komponente gilt dabei ein Treibstoff oder Oxydator in einem eigenen abgeschlossenen Behälter. So ist Aerozin, eine Mischung von UDMH und Hydrazin nur eine Komponente, weil es eine Treibstoffmischung ist. Auch feste Treibstoffe bestehen nur aus einer Komponente, obwohl die aus drei unterschiedlichen Materialien bestehen (einem Kunststoffbinder, Aluminium und Ammoniumperchlorat), wobei man allerdings sagen muss, das die Einteilung in diese drei Gruppen nur bei flüssigen Treibstoffen üblich ist.

Monergole Treibstoffe sind energiereiche Moleküle die man durch Katalysatoren oder Hitze leicht in energieärmere Produkte spalten kann, so Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff oder Hydrazin in Ammoniak und Stickstoff.

Diergole Treibstoffe bestehen aus zwei Komponenten, zumeist einem Oxydator (Sauerstoff, Salpetersäure oder Stickstofftetroxyd) und einem Verbrennungsträger oder Brennstoff wie Kohlenwasserstoffe (Kerosin), Wasserstoff, Hydrazinderivate.

Bei einem triergolen Treibstoff gibt es dann zwei Oxydatoren mit einem Verbrennungsträger oder zwei Verbrennungsträger mit einem Oxydator. Zwei Oxydatoren wurden noch nicht untersucht, zumal die beiden potentesten, Fluor und Sauerstoff mischbar sind, man also nur einen Tank braucht (die Mischung wird als FLOX bezeichnet und für die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen vorgeschlagen).

Theoretisch untersucht sind triergole Antriebe auf Basis von LH2 und Kerosin und Sauerstoff als Oxydator. Da Kerosin und flüssiger Wasserstoff unterschiedliche Temperaturbereiche haben in denen sie flüssig sind, kann man sie nicht miteinander mischen und braucht getrennte Tanks

Betrachtet man nur den spezifischen Impuls, so ist die Sache einfach: reiner Wasserstoff hat den höchsten. Das sieht man auch an der unteren Grafik, die den spezifischen Vakuumimpuls ("eingefrorenes Gelichgewicht") eines Triebwerkes mit 0-100% Wasserstoffanteil eines RP-1/LH2 Gemisches aufführt. Auf der anderen Seite hat Wasserstoff auch einige Nachteile. Selbst wenn man die praktischen Probleme bei Triebwerken außen vorlässt und sich nur auf die physikalischen Eigenschaften beschränkt, hat flüssiger Wasserstoff zwei Nachteile:

In der Summe haben Stufen die flüssigen Wasserstoff einsetzen Tanks die rund dreimal mehr wiegen, als wie Stufen, die Kerosin/Sauerstoff einsetzen.

Ein weiterer Nachteil ist durch den höheren spezifischen Impuls die längere Brennzeit einer Stufe. Wenn die Stufe mit der gleichen Startbeschleunigung startet, so braucht sie beim Einsatz von LH2 anstatt RP-1 ein Drittel länger bis der Treibstoff verbraucht ist. So steigen die Gravitationsverluste an.

In theoretischen Berechnungen kann man zeigen, dass eine Rakete, die zuerst Kerosin verbrennt und dann Wasserstoff eine leicht höhere Nutzlast hat, als jede Kombination für sich alleine. Dies beruht vor allem auf den niedrigeren Gravitationsverlusten. Zudem ist bei LOX/Kerosin der Unterschied zwischen spezifischen Impuls auf Meereshöhe und im Vakuum meist geringer. Die praktischen Nachteile überwiegen dies allerdings. So dürfen, wenn der Wasserstoff zu dosiert wird keine Kerosinreste mehr in den Leitungen verbleiben, weil dieses sonst zu Eis gefriert und sie verstopft. Man müsste dafür eine Lösung finden oder das Triebwerk zuerst abschalten, die Leitungen entleeren und dann erneut zünden. Bewegliche Teile müssen unterschiedlich geschmiert sein. Bei Kerosin kann man entweder Schmieröl nehmen oder Kerosin. Bei Wasserstoff kann dies nur mit Wasserstoff erfolgen, wobei die vorherige Schmierung zu Eis erstarren würde und Teile nicht mehr geschmiert wären. Die Kühlung von Brennkammer und Düse hat ein ähnliches Problem. Kerosin kann man über 200°C erhitzen bis es verdampft, flüssigen Wasserstoff nur um 7 Kelvin. Da der gasförmige Wasserstoff viel weniger Energie pro Volumen aufnimmt muss man die Kühlung auf den Wasserstoff ausrichten.

Eine theoretisch nicht untersuchte Möglichkeit will ich heute genauer betrachten, Es ist die gleichzeitige Verbrennung von Wasserstoff und Kerosin.  Die Wasserstoffzumischung erhöht die Energieausbeute und senkt die Molekularmasse ab. Beides steigert den spezifischen Impuls. Man kann das Triebwerk als reines RP-1/LOX Triebwerk auslegen und mit dem RP-1 die Kühlung durchführen. Das führt zu bezahlbaren Lösungen. Der Wasserstoff wird über eigene Leitungen gefördert und erst im Injektor zur Verbrennung mit dem Kerosin vermischt.

Wie man an der Grafik sieht erhöht schon eine kleine Beimischung die Ausströmgeschwindigkeit der Gase. Wenn man es praktisch ausnutzen will, so wird natürlich nur eine Turbopumpe betreiben und nicht derer zwei. ein Grund warum LOX/LH2 Triebwerke so aufwendig sind, ist das Wasserstoff so eine kleine Dichte hat. Selbst wenn man weniger davon fördern muss als bei LOX/RP-1 (Gewichtsverhältnis bei LOX/LH2 typisch 6 bis 5:1, bei LOX/RP-1 typisch 2,8 bis 2,6 zu 1), so ist das Volumen durch die geringe Dichte trotzdem viel höher. Dadurch brauchen die Turbopumpen sehr viel höhere Drehzahlen für den gleichen Förderdruck. Drehzahlen von 30.000 bis 60.000 U/min sind für LH2 Pumpen üblich. LOX und Kerosinpumpen liegen dagegen bei 6.000 bis 15.000 U/min je nach Mischungsverhältnis und Brennkammerdruck.

LOX/RP1+LH2Nimmt man ein LOX/RP-1 Verhältnis von 2,7 so fördert eine Turbopumpe pro Sekunde z. B. :

1 t LOX = 876 l

0.373 t Kerosin = 455 l

0,0319 t LH2 = 455 l

Das ist zwar nur eine Beimischung von 8,2%, aber es erhöht den spezifischen Impuls um 166 m/s. Der Treibstofftank ist dann genauso groß wie der Kerosintank was eine einfache Montage möglich macht. Bei einem Mischungsverhältnis von 2,8 zu erhält man so einen Vakuumimpuls von über 3600 m/s. Der Gewinn ist klein, aber dafür steigt aber auch die Trockenmasse nur um 5%. In der Summe verbleibt bei einer zweistufigen Rakete ein Gewinn von 430 m/s beim Erreichen eines erdnahen Orbits - nicht viel, aber es übersetzt sich in 15% mehr Nutzlast. Eine etwas höhere Mischung würde sich an der Drehzahl der LOX Pumpe orientieren, also hier die LH2 Pumpe über ein Getriebe anbringen. Dann würde die Mischung 14% LH2 enthalten.

Der spezifische Impuls ist fast genauso hoch wie bei LOX/Methan, nur muss man das Triebwerk nicht daran anpassen und das benötigte Tankvolumen ist sogar noch etwas kleiner. Die Zumischung von 14% LH2 würde ihn sogar über das Niveau von Methan anheben. Vielleicht sollte man diese Kombination mal ausprobieren.

Auch das nacheinandergeschaltete Verbrennen wäre möglich, wenn man ein Konzept wie bei der Atlas einsetzt:

Ein kleines zentrales Triebwerk das nur LOX/LH2 Verbrennt, mehrere Außentriebwerke die LOX/Kerosin verbrennen. Die Kerosintanks müsste man dann an der Seite anbringen, nicht wie bisher untereinander. wenn das Kerosin verbraucht ist, so werden die Ventile zu den Außentriebwerken geschlossen und der gesamte Triebwerksrahmen zusammen mit den Tanks abgetrennt. Das wäre sogar gegenüber der Atlas noch günstiger, da man dort nicht die Möglichkeit hatte Tanks abzuwerfen. Wenn das zentrale Triebwerk 15% des Schubs der Außentriebwerke hat, so ist erst ein Viertel des Wasserstoffs verbraucht, allerdings auch 78% des Sauerstoffs.

27.6.2013: Marsbodenprobengewinnung: energetische Betrachtungen

Ich pflege ja Missionen immer gerne konkret durchzurechnen, doch heute mal damit es allgemeiner ist eine Betrachtung der Grundlagen. Diesmal geht es um die Gewinnung von Bodenproben vom Mars und welche Vor- und Nachteile sie haben. Alle Angaben beziehen sich auf chemische Treibstoffe mit hohem Schub, zu Niedrigschubtriebwerken am Ende mehr.

Alles beginnt mit einer Transferbahn zum Mars. Es gibt dabei zwei Möglichkeiten. Zum einen eine Hohmann Typ I Bahn, bei der der Winkel zwischen Abflugort Erde und Ankunftsort Mars weniger als 180 Grad sind und zum anderen eine Hohmann Typ II Bahn bei der er größer als 180 Grad ist. Je nach Position der beiden Planeten kann die eine oder andere die niedrigere Ankunftsgeschwindigkeit aufweisen. Manchmal starten bei einem Startfenster mehrere Raumsonden, die dann zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommen. Oftmals nutzen dann Landesonden eine andere Bahn als die Sonden, die in einen Orbit einschwenken.

Raumsonden die direkt landen, für die ist die Ankunftsgeschwindigkeit nicht so wesentlich. Sie wird von dem Hitzeschuldschild vernichtet, der verglichen mit Eintrittschilden in die Erdatmosphäre sowieso leichtgewichtig ist. Für Raumsonden die in einen Orbit einschwenken dagegen schon. Hier gibt es die erste Unterteilung. Es ist eine direkte Landung möglich oder eine aus einem Orbit heraus. Bisher dominierten die direkten Landungen. Lediglich Viking schwenkte zuerst in einen Orbit ein und setzte dann erst die Lander ab. Dies lag daran, dass man keine Aufnahmen der potentiellen Landegebiete hatte, die eine ausreichende Auflösung hatten. Diese sollten erst im Orbit gewonnen werden. Ein zweiter Vorteil ist das die Landegenauigkeit potentiell höher ist. Doch dies kann heute, wie Curiosity bewies, durch Vermessung der Bilder beim Abstieg auch dann noch eine Korrektur durchgeführt werden.

Ein Einschwenken in den Orbit kostet in jedem Falle Treibstoff, ungefähr 800 m/s müssen für einen sehr elliptischen Orbit abgebaut werden. Weiterer Treibstoff braucht der Lander, damit er seine Periapsis auf die Oberfläche absenken kann. Er spart durch die niedrigere Auftreffgeschwindigkeit auf die Atmosphäre etwas Material beim Hitzeschutzschild, aber in der Summe ist dies aufwendiger.

Schon beim Start muss man eine Unterscheidung treffen: hat man nur ein Gefährt oder deren zwei oder gar drei. Man kann die gesamte Mission mit einer Sonde durchführen - landen, Bodenproben entnehmen und zurück zur Erde fliegen. Man kann, das wäre naheliegend, aber auch das Gefährt das die Bodenproben nimmt, separat starten. Bei einem zweiten Flug hat man in der Regel mehr Platz und kann dies auch vorher starten, muss es nicht von der Hauptsonde erst absetzten etc. Eine wichtigere Entscheidung ist aber, ob man direkt zurückfliegt oder mit dem Ladegerät erst einmal in einen Orbit gelangt und dort an eine Rückstartstufe ankoppelt und diese bringt die Bodenproben zurück.

Energetisch ist klar, dass die zweite Lösung günstiger ist. Man muss zwar die Rückstartstufe in einen Orbit einbremsen, aber man muss sie nicht von der Marsoberfläche in einen Orbit bringen, was eine viel höhere Geschwindigkeit erfordert. Diese kann nun Bestandteil der Raumsonde sein, die Bodenproben gewinnt, also z.B. dort auch als Bus während der Reise fungieren. Nur trennt sie die Landesonde ab bevor sie selbst in einen Orbit gelangt, oder die Rückstartstufe kann getrennt gestartet werden. Da auch die Landestufe eine Möglichkeit für die Kurskorrektur und Kommunikation während des Flugs zum Mars braucht wäre es sinnvoll die erste Möglichkeit zu wählen. Die Rückstartstufe wäre dann ein einfacher Orbiter der während des Aufenthalts am Mars auch als Kommunikationsrelais fungieren könnte.

In jedem Falle ist das Einbremsen in jeden Orbit der denkbar ist, energetisch günstiger als die Landung auf dem Mars und der Transport in den Orbit, dieses erfordert mindestens 4 km/s.

Betrachten wir nun die Landestufe genauer. Sie wird zumindest aus einem Landegestell, mindestens einer Stufe mit Triebwerken und einer Kapsel für die Bodenproben bestehen. Es könnten auch zwei Stufen sein. Da sowieso Triebwerke benötigt werden wird man sinnvollerweise mit diesen landen und nicht die Abbremsung durch Airbags nutzen. Ansonsten wird die Auslegung missionsspezifisch sein. Das geringste Startgewicht erhält man, wenn die Rückstartstufe möglichst leicht ist. was erreichbar ist, wenn sie nur eine Kapsel und eine kleine Steuerung trägt, dann muss sie im Orbit an eine zweite Stufe gekoppelt werden. Sie ist dabei aber der passive Teil. Es reicht dann eigentlich eine Stufe für Landung und Rückstart aus, doch zweistufig offeriert eine bessere Lösung: die erste Stufe dient nur zum Landen und als Startbasis für die zweite die aber viel einfacher aufgebaut werden kann. An ihr kann man dann auch schwere Ausrüstung montieren, wie Manipulatorarme um Proben umzuladen oder Instrumente / Kommunikationseinrichtungen und eine Stromversorgung. Bei der Landung nicht benötigter Treibstoff könnte von dem Start in die obere Stufe umgepumpt werden.

Die Treibstoffgewinnung vor Ort wird wahrscheinlich, bei einer Mission die nur Bodenproben gewinnt, nicht lohnenswert sein. Der Aufwand den Treibstoff kühl zu halten (die gängigen Verfahren wandeln Wasserstoff mit der in der Marsatmosphäre enthaltenen Kohlendioxyd zu Methan und LOX um, alle drei Gase würden auch unter Marsbedingungen verdampfen) und die benötigte Energieversorgung stehen in keinem Verhältnis zu den eingesparten Startkosten.

Für die Gewinnung der Bodenproben hat man je nach Startfenster zwischen 450 und 550 Tage Zeit. Ein Startfenster wiederholt sich alle 730 Tage, und durch die Reise zum Mars ist man bei der Ankunft in einer Position in der man gegen die Bewegungsrichtung der Planeten starten müsste um zur erde zu gelangen, was sehr energieaufwendig wäre. Das nächste Startfenster ist dann 730 Tage abzüglich der Reisedauer zur Erde in der Zukunft. Danach folgen alle weiteren Startfenster in einem Zeitraum von 730 Tagen.

Betrachtet man nun die Lösung mit einem Orbiter in der Marsumlaufbahn. Welchen Orbit soll er einschlagen? Es gibt natürlich hier verschiedene Aspekte, z.B. ob er als Kommunikationsrelais dienen soll, dann wäre ein Orbit ideal in dem er den Mars als 24,6 Stunden umkreist, solange dauert ein Marstag dauert. das wäre z.B. bei einer 338 x 33.700 km Bahn gegeben. Im marsfenstern Punkt würde er sich über stunden kaum von Mars aus bewegen und könnte mit Daten selbst mit einer nicht genau ausgerichteten Antenne mit mittlerem Gewinn empfangen.

Energetisch ist zu sagen, dass es natürlich am sinnvollsten ist ihn in einem elliptischen Orbit zu belassen. Will man diesen zirkularisieren (z.B. einen marsnahen kreisförmigen Orbit erreichen) so braucht man Energie. Man benötigt dann aber auch mehr Energie, um ihn wieder zu verlassen, diesmal sogar mit mehr Masse nämlich den Bodenproben. daher wäre es ideal den Orbiter in obigem 338 x 33700 km Orbit zu belassen und die Bodenproben in diesem Orbit zu starten, auch wenn dies mehr Energie für den Start von der Marsoberfläche aus benötigt. Man bewegt aber damit nur die Kapsel und nicht wie im anderen Fall auch noch den Orbiter mit.

Der Orbiter wird nun die Kapsel einfangen, da für eine Maximierung der Nutzlast sie möglichst passiv und leicht gebaut ist. Das wird nicht ganz einfach, da eine Eingriff von der Erde aus nicht möglich ist. ATV und Progress können das zwar schon im Erdorbit, doch bei den Marsbodenproben wird man auf GPS verzichten müssen und es ist auch nicht gesagt, das die Kapsel optimal ausgerichtet ist.

Danach startet der Orbiter zurück zur Erde, wobei genau das gleiche ΔV aufbringen muss wie bei der Ankunft. Nach weiteren 6-10 Monaten kommt er bei der Erde an. Es wäre prinzipiell möglich dort in eine Erdumlaufbahn einzuschwenken, doch da man dazu ein ΔV von >3,5 km/s aufbringen muss und diesen ganzen Treibstoff zuerst zum Mars und zurück bringen muss ist dies nicht sehr sinnvoll. Die Kapsel wird daher direkt landen so wie auch die Bodenproben von Itokawa oder die von den Luna Sonden gewonnenen. Der Bus kann nun in der Atmosphäre verglühen oder mit dem Resttreibstoff noch eine Sonnenumlaufbahn einschwenken.

Das minimale ΔV Budget sieht nach erreichen der fluchtbahn dann so aus:

Manöver ΔV
Interplanetare Reise Erde->Mars Kurskorrekturen 100 m/s
Orbiter: Einbremsen in eine 338 x 33700 km Bahn 930 m/s
Landestufe: Geschwindigkeitsänderungen 230 m/s
Rückstartstufe Start in den Orbit 4565 m/s + Aufstiegsverluste
Orbiter: Ankopplung an Rückstartstufe Manöver 100 m/s
Orbiter: Rückkehr zur Erde 930 m/s

Daraus ergibt sich, dass der Orbiter in etwa ein ΔV von 2000 m/s aufbringen muss. Die Lande/Rückstartstufe 4800 m/s + Aufstiegsverluste (ca. 600-700 m/s)

Der Orbiter könnte durch Aerobraking Energie einsparen. Bei einem großen Schutzschild, der ihn aber deutlich schwerer macht, die gesamte Energie für das Erreichen des Orbits. Alternativ erreicht er zuerst nur einen 130 x 80000 km Orbit und senkt diesen dann auf 130 x 33700 km ab, bis eine Zündung die Periapsis anhebt. Das sind dann 788,1 + 11,8 m/s oder rund 130 m/s weniger. So wäre auch der bahnnächste Punkt absenkbar bis man eine 338 km hohe Kreisbahn erhält. Der Preis ist allerdings dass man um die 338 km hohe Kreisbahn in Richtung Erde zu verlassen, dann nicht mehr 930 m/s, sondern 2086 m/s braucht. Die Rückkehrstufe spart 1179 m/s ein, doch in der Summe braucht man mehr Treibstoff, da der Orbiter nicht nur sein eigenes Gewicht sondern auch die Kapsel mit den Bodenproben beschleunigen muss.

Mit Ionentriebwerken sieht es etwas anders aus. Hier würde schon das Einbremsen in den Zielorbit mehr ein Einfangen sein, wofür der Orbiter schon vorher seine Bahn dem des Mars angleichen muss. Durch Aerobraking würde er seinen anfänglichen elliptischen Orbit absenken. Die Rückstartstufe würde dann in dem niedrigen Orbit ankoppeln um Treibstoff zu sparen, denn chemischen Treibstoff benötigt nur sie. Der Orbiter wäre hier das größere beider Geräte. Danach schließt sich ein Aufspiralen in der Marsumlaufbahn an, bis man den Mars verlassen kann. Gefolgt von einer Absenkung der Sonnenumlaufbahn bis man eine Bahn die zur Erde führt erreicht hat.

Der Preis ist durch die fehlende Ausnutzung des hyperbolischen Exzesses und der Anhebung der potentiellen Energie durch höhere Umlaufbahnen im Gravitationsfeld das der Orbiter erheblich höhere ΔV aufbringen muss. Wie hoch ist abhängig vom Antrieb. Hier das "Worst Case Scenario"

Manöver ΔV
Interplanetare Reise Erde->Mars Kurskorrekturen 100 m/s
Orbiter: Einbremsen in eine 338 x 33700 km Bahn 2650 m/s + Aerobraking
Landestufe: Geschwindigkeitsänderungen 230 m/s
Rückstartstufe Start in den Orbit 3386 m/s + Aufstiegsverluste
Orbiter: Ankopplung an Rückstartstufe Manöver 100 m/s
Orbiter: Rückkehr zur Erde 6035 m/s
Die Gesamtdauer würde im besten Fall bei knapp unter drei Jahren, etwa 34 Monaten liegen. 14 bis 20 Monate entfallen davon auf die Hin- und Rückreise, je nach Entfernung des Mars und gewählter Transferbahn.


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