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Web Log Teil 338: 14.7.2013 - 17.7.2013

14.7.2013: Es geht billiger und EADS Bremen kann es auch

Es gibt Neuigkeiten von der Ariane 6. Ich verweise mal zum Nachschauen auf diesen Originallink. Es gibt da einige Überraschungen. So wird die Rakete leistungsschwächer (6,5 anstatt 8 t Nutzlast) und eine Rakete mit einer kryogenen Zentralstufe wäre auch nicht billiger gewesen. Ich will aber nur auf eines eingehen:

"The agency said having Ariane 6 use an upper stage similar to what is being built for Ariane 5 Midlife Evolution would save some 600 million euros over the cost of designing a new upper stage.".

Und aus diesem Artikel über die Vergabe eines Auftrags an EADS Astrium entnehmen wir:

"The original 1.5 billion-euro cost of the stage — a figure that includes a qualification flight — is now estimated to have grown to 1.6 billion euros in 2008 economic conditions."

Also die Entwicklung einer neuen Stufe für die Ariane 6 kostet 600 Millionen Euro, die ESC-B dagegen 1,6 Milliarden. Da beide Stufen dasselbe Triebwerk verwenden, muss der Unterschied in der Stufe selbst liegen, also den Strukturen. Daraus kann man ableiten: Die Entwicklung einer LOX/LH2 Stufe ohne Triebwerk kostet 600 Millionen Euro, die Entwicklung des Vinci dagegen 1000 Millionen Euro.

Also das Triebwerk ist ziemlich teuer. Das ist ein Unterschied zur Centaur/RL-10, die war ja auch teuer, aber das meiste entfiel da auf die Stufe und nicht das Triebwerk. Da kam mir ein Geistesblitz. Ich schimpfe ja immer auf EADS Bremen (tja ihr hättet ja auf die vielen Anfragen inklusive Einschalten eures Pressebeauftragten bei der Recherche für meine Bücher mal antworten können....). Doch in einem haben sie technologische Kompetenz: druckgeförderte Triebwerke und leichte Hochdrucktanks. Genau das braucht man wenn man eine billige Stufe haben will. Die Idee: Wir ersetzen das Vinci durch eines oder einige druckgeförderte Triebwerke (einige weil diese  Bauweise normalerweise auf etwa  45 kN Maximalschub begrenzt ist, und setzen dazu die bewährten Drucktanks von Astrium Bremen ein.

Die folgenden Daten sind aus meinem Berechnungsprogramm für Raketen entnommen. Sie basieren auf folgenden Daten:

Es gibt folgende einfache Zusammenhänge:

Hier eine Tabelle der Ergebnisse:

Brennkammerdruck Tankdruck spezifischer Impuls (70% eingefrorenes, 30% freies Gleichgewicht) Expansionsverhältnis Brennschlussmasse Nutzlast
7,5 10 4112 m/s 28,9 3087 kg 12.300 kg
15 20 4266 m/s 57,8 3630 kg 12.500 kg
22,5 30 4375 m/s 86,6 4164 kg 12.500 kg
30 40 4397 m/s 115,5 4718 kg 12.000 kg

Sehr deutlich wird, dass es ein Optimum gibt das zwischen 15 und 22,5 Bar liegt mit einer Nutzlast von 12,5 t, also mehr als bei der ESC-B Version.

Doch darum geht es nicht. Die wesentlichen Vorzüge sind:

Triebwerke mit Druckgasförderung sind zuverlässiger und haben weniger Fehlerquellen. Dadurch ist auch die Entwicklung kürzer und billiger. Ein Vergleich von der Ariane 5G: Das Vulcain wurde 87.000 s lang getestet (entspricht 145 Missionen), das Aestus nur 12.000 s (entspricht 11 Missionen).

Die dickwandigen Tanks fangen durch ihre Steifheit (Innendruckstabilisierung) die Erschütterungen durch EAP ab und sind durch ihre Wandstärke auch weniger Empfindlich gegenüber Treibstoffschwappen.

Durchgeförderte Triebwerke und Hochdrucktanks sind Technologien die in Deutschland beherrscht werden, damit könnte man erstmals ein LOX/LH2 Triebwerk aus Deutschland einsetzen.

Auch die Wiederzündung ist relativ einfach. Es müssen nur die Ventile geöffnet und gezündet werden. Diese Version könnte auch 6.400 kg in einen Galileo-Orbit befördern, das wären 8 Satelliten gleichzeitig, sofern so viele in der Nutzlasthülle Platz haben. In einen ISS-Orbit wären es bei voller Treibstoffzuladung 28 t, bei 15 t Treibstoff immerhin noch 24 t.

Hier die technischen Daten der Rakete und der Stufe (30 Bar Tankdruck)

Rakete: Ariane 5 Druckgefördert

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
793923133011970102282187
StufeNameVollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1556800748002692
2189550153554248
33230243024375

Dichte Oxydator: 1,140 g/cm³
Durchmesser Oxydatortank: 353,64 cm
Masse Oxydatortank: 511,2 kg
Dichte Treibstoff: 0,070 g/cm³
Durchmesser Treibstofftank: 493,31 cm
Masse Treibstofftank: 994,7 kg
Brennkammerdruck: 22,5 bar
Düsenhalsdurchmesser: 16,1 cm
Düsenmündungsdurchmesser: 150,0 cm
Expansionsverhältnis: 86,6
Strukturen: 501,0 kg
Stufenadapter: 304,0 kg
Strukturelle Verstärkung: 160,0 kg
Masse Triebwerk: 395,1 kg
Durchmesser Heliumflaschen: 152,5 cm
3 Flaschen für den Treibstoff und 1 für den Oxydator
Oxydator Heliumflasche: 313,6 kg
Oxydator Helium: 132,7 kg
Treibstoff Heliumflasche: 940,8 kg
Treibstoff Helium: 398,1 kg
Steuerung [inkl Treibstoff]: 172,2 kg
Gesamtmasse: 32164,4 kg
Brennschlussmasse: 4164,4 kg
Trockenmasse: 3633,7 kg

13.7.2013: Dallas / selbst anstrengen ist billiger / Was für Bücher spricht

So, da am Sonntag die wenigsten den Blog studieren, heute wieder ein kurzes und kurzweiliges Thema. Derzeit wird auf Super RTL Dallas ausgestrahlt, nicht die Serie aus den Achtzigern, sondern ein Neudreh, der nun eben 20 Jahre später spielt. Anstatt J.R und Bobby kämpfen nun John Ross Junior und Christopher um die Firma, aber sonst hat sich nichts geändert. Von der Story her ist es das gleiche. Es gibt also noch die vielen Wendungen innerhalb kurzer Zeit oder manche Details, wie die komischen Cowboy Hüten bei Ölbaronen (angeblich sollte das Stück auf einer Ranch spielen, doch der Sender fand das damals zu langweilig, also verfrachtete man die ganze Story ins Ölbusiness änderte aber die Details nicht). Oder das Frauen mit Sex verführt werden (wohl gerade andersrum würde es wohl funktionieren, um so unglaubwürdiger war das in der Originalserie bei J.R, der ja damals schon über 50 war).

Das ganze läuft schon seit Jahresanfang, aber da es ursprünglich auf einem Sendeplatz lief, bei dem ich immer Schwimmen gehe, habe ich zuerst mal nur alles auf der Festplatte deponiert und den Umzug von RTL zu Super RTL habe ich auch verschlafen. Nun habe ich nach und nach alles angesehen und zumindest für mich ist eines klar: obwohl die alten von Dallas Stars (Linda Gray, Patrick McDuffy und Larry Hagman) nur Nebenrollen haben, spielen sie die junge Garde an die Wand. Bei denen wirkt alles so gekünstelt, einfach nicht real. Da Larry Hagman gestorben ist (in Wirklichkeit und folgerichtig auch als J.R. in der Serie) wird's nun aber wohl nicht mehr ganz so gut sein.

Dann macht das Bad, in das ich regelmäßig Schwimmen gehe, vier Wochen lang zu. Zwei Wochen sind schon um. Da ich so lange nicht aufs Schwimmen verzichten will, bin ich ins nächste Freibad gegangen. Da es etwas teurer ist (3,90 Euro zu 2,50 Euro) bin ich dann drei anstatt zwei Stunden schwimmen gegangen und nur zweimal anstatt dreimal in der Woche. Dabei ist es absolut nicht teuer. Dabei fiel mir auf, dass wir bei Dingen die man aktiv macht, weniger ausgibt als für Dinge die man passiv konsumiert. Teuer als ein Schwimmbadbesuch ist ein Kinobesuch. Teuer als ein Buch ist eine CD - zumindest sofern man die Zeit berücksichtigt. Ich habe heute mal gestoppt, wie lange ich brauche um eine Seite meines aktuellen Buchs zu lesen: Es sind 4 Minuten. Das Buch hat 420 Seiten, das sind also 28 Stunden. Regulär kostet es so viel wie zwei CD's. Okay, die kann man auch mehrmals hören, doch man kann auch Bücher mehrmals lesen. ein Extrembeispiel sind Lehrbücher im Uni-Niveau. Die sind meist so konzentriert geschrieben, dass man schon zum Lesen lange braucht, man sie oft lesen muss und sie sind auch noch dick. Selbst wenn sie nicht gerade billig sind (als ich studierte so zwischen 80 und 128 DM, heute wohl das gleiche in Euro) sind sie pro Stunde recht preiswert. Am Standardwerk über Lebensmittelchemie dem "Belitz Grosch" (eine komische Tradition bei allen Lehrbüchern die ich kenne ist es nicht den Titel zu nennen, sondern die Autoren) habe ich mindestens 6 Monate lang jeden Tag mehrere Stunden vor der Prüfung gelesen und auch heute schlage ich es immer noch auf, wenn ich was nachschlagen muss. Da kommt man auf eine Stundenzahl die fast an den vierstelligen Bereich herankommt und Kosten von weniger als 10 ct pro Stunde.

Täusche ich mich oder ist dem immer so? Klar, wird man immer Gegenbeispiele finden, also z.B. als billige Passivbeschäftigung das Unfall-Spannen oder als teure Aktivbeschäftigung das Autofahren mit dem Porsche 911 (doch wer Geschwindigkeit liebt kann auch ein Rennrad oder Laufschuhe benutzen...) aber tendenziell habe ich d as Gefühl das wir mehr für Freizeitbeschäftigungen ausgeben, die wenig Anstrengung erfordern und umgekehrt, vielleicht weil wir uns anstrengen müssen, da denken wir müssen wir nicht auch noch viel zahlen. Man müsste sich bei den Damen im horizontalen Gewerbe mal erkundigen ob es da auch nach Stellung gestaffelte Tarife gibt, wenn nicht wäre es vielleicht eine Überlegung wert sie einzuführen....

Auf das letzte Thema kam ich durch eine Verlinkung, wo mir der Autor das mitteilte, also folgte ich dem. Es ist eine Website für Personen die unter zu viel Jodhaltigen Salzen in der Nahrung leiden. Verlinkt wurde auf meinen Artikel über Nitrat, Nitrit und Nitrosamine. Gleich darunter ein Kommentar, dass Jod angeblich das Risiko für die Nitrosaminbildung um das sechsfache erhöht.

Nun kam mir das spanisch, vor. Zugesetzt wird Iodat, Iodat kann nicht oxidiert werden, wie also sollte es eine Reduktion von Nitrat zu Nitrit oder Nitrosaminen unterstützen? Nun ja, dass kann man nachschlagen. Doch weder ein Blick in mein Lehrbuch über anorganische Chemie noch Lebensmittelchemie brachte einen Aufschluss. Also suchte ich bei Google Books und bei Google Schoolar nach Artikeln. Es gab aber nur welche über Synthesen wo diese Verbindungen verwendet wurden. Auch Varianten mit Verbindungen oder "J" / "I" Schreibweise und Mischen von Deutsch und englisch brachte kein Ergebnis.

Damit war die Sache für mich erledigt, wieder eines dieser "Internet-Gerüchte", die sich so schnell verbreiten. Das ist ganz einfach: jeder schreibt vom anderen ab, und wenn man dann bei Google einige Dutzend Fundstellen für eine Behauptung findet, dann muss es ja auch wahr sein. Da lobe ich mir Dienste die Bücher oder wissenschaftliche Artikel erfassen. Zwar kann jeder im Selbstverlag ein Buch veröffentlichen, doch ist die Hürde höher als beim Posten in einem Forum. Selbst wenn, beeindruckt dies die Fachwelt nicht und man findet eben eine Fundstelle und nicht mehr. Bei wissenschaftlichen Artikeln kommen Laien gar nicht zum Zuge, und auch wenn da nicht alles stimmt, so ist die Zuverlässigkeit doch erheblich höher, weil zumindest in wissenschaftlichen Zeitschriften es ein Review gibt. So hoffe ich, dass Bücher und Zeitschriften noch lange das wichtigste Publikationsmedium bleiben, oder wenn die Zeitschriften auf Internet umstellen, das Reviewsystem erhalten bleibt.

The Big Dump Booster

Eine Idee, die regelmäßig, mindestens einmal pro Jahrzehnt durch die US-Raumfahrtindustrie geistert ist die des "Big Dump Boosters". Die Idee ist ganz einfach: die bisherigen Raketen sind zu teuer und zu komplex. eine einfache "dumme" Booster macht alles billiger. Ich kann mich noch an eine Newsweek-Ausgabe aus den Achtzigern erinnern, als man da eine unförmige Rakete mit einem Triebwerk neben einem Space Shuttle sah und die Ausgabe vorrechnete, das eine komplette Sojus so viel kostet wie nur ein Shuttle Haupttriebwerk. Das wäre dann noch einen eigenen Blogbeitrag zum Thema Vergleiche wert.

Es ist eigentlich immer das gleiche: Die USA (nirgendwo sonst gibt es die Ideen) produzieren zu komplizierte Raketen. Sie sind nicht nur teuer, sie sind auch zu fehleranfällig. Ein einfacheres Konzept wäre besser. Einfacher bedeutet immer Verzicht auf Wasserstoff, wenn von flüssigen Wasserstoffen die Rede ist, dann meist LOX/Kerosin. Natürlich auch keine Hochdrucktriebwerke sondern Gasgeneratorförderung. Manchmal wird auch Pumpenförderung vorgeschlagen. In jedem Falle sollen mehr "normale" Werkstoffe wie Edelstahl anstatt spezieller Aluminiumlegierungen und normale Verfahrensweise z.B. bei den Schweißverfahren eingesetzt werden. Auch die Triebwerke sollten möglichst einfach aufgebaut sein, z.B. bei Düsen ablative Kühlung anstatt regenerative Kühlung verwenden.

Fast immer gibt es dann den Hinweis auf Russland, wo als die USA schon immer weniger Raketen produzierten, die Startzahlen unverändert hoch blieben um in den frühen Achtzigern über 30 Sojus Starts pro Jahr zu erreichen. Immer postuliert wurde, dass Russland gerade das tut - Big Dump Booster zu bauen. Dazu passte dass sie keine einzige Stufe mit Wasserstoff hatten. Was man damals nicht wusste, war das Russland schon Mitte der sechziger Jahre die ersten Triebwerke mit geschlossenem Kreislauf einführte und diese seitdem alle russischen Träger antreiben. Nur das ist nicht "low Tech".

Interessanterweise kommen in diesem Big Dump Booster meistens nicht Feststofftriebwerke vor, obwohl sie vom Aufbau doch am ehesten in das Konzept passen. Die einfachsten, wie die Castor, haben nicht mal schwenkbare Düsen, ihr Gehäuse besteht aus Stahl und ist unsegmentiert. Auch findet man selten das Konzept der Clusterung, also der Serienfertigung vieler identischer Module und zusammenfassen derer um je nach geforderter Nutzlast die richtige Rakete zu haben, anstatt eine kleine, mittelgroße und große Raketen

Ich wurde an das Konzept erinnert, als ich für die Ergänzung meines Programms nach Daten von größeren druckgeförderten Triebwerken suchte. Das leistungsstärkste jemals eingesetzte ist meines Wissen nach das AJ10-138, oder für nicht ganz so Raumfahrtkundige, das Triebwerk des Apollo Servicemoduls mit 91 kN Schub. Ansonsten haben die meisten Triebwerke mit Druckförderung weniger als 40 kN Schub. Das hat einige Gründe:

Bei kleinen Triebwerken addiert eine Turbopumpe viel Masse zum System. Da sie typischerweise nur im Vakuum arbeiten kann man den geringeren spezifischen Impuls partiell durch eine größere Expansionsdüse ausgleichen und bei Oberstufen (wo man sie oft findet) zählt oft die Fähigkeit zur Wiederzündung, die einfach zu bewerkstelligen ist, da man nicht erst einen Gasgenerator anwerfen muss. Es reicht die Ventile zu öffnen und wenn die Triebstoffe sich nicht selbst entzünden noch einen Zündfunken zu erzeugen. Dazu kommt dass jedes Triebwerk intensiv getestet muss um alle Fehlermöglichkeiten auszuschließen. Das schließt sowohl Komponententests wie auch ganze Triebwerke ein. Ohne Turbopumpe fallen die meisten beweglichen Teile weg. Es gibt keinen Gasgenerator, keine Turbine, keine Pumpe. Damit sind auch die Entwicklungskoten geringer. Das Triebstoffförderungssystem ist das in der Entwicklung aufwendigste und mit den Verbrennungsinstabilitäten Quelle der meisten Probleme. Die Geräte zur Treibstoffförderung des Shuttles (Vorbrenner, Turbine, Turbopumpe) ist 1,20 m lang und 60 x 60 cm groß. Die Leistung der Turbine übertrifft die aller Maschinen der Titanic und die Turbopumpe läuft beim Start in 0,1 s von 0 auf eine Drehzahl nahe der Zerstörung der Turbinenblätter. Klar ist, dass so die Komponenten gezielt nacheinander gestartet werden müssen. Beim Space Shuttle startete z.B. der Sauerstoffvorbrenner genau 0,1 s nach dem Wasserstoffvorbrenner und gleichzeitig zündete das Triebwerk. Etwas später und sie hätte sich zerlegt weil die Drehzahl ohne den Gegendruck der Verbrennungskammer über die nominelle Drehzahl von 37.000 U/Min angestiegen wäre. Schon an diesen wenigen Zahlen sieht man, dass der Wegfall dieses Systems eine Fehlerquelle und einen Kostenfaktor eliminiert.

Die Frage ist, warum dehnt man das nicht auf größere Triebwerke aus? Natürlich gibt es Nachteile. Offensichtlich ist, dass die Strukturmasse höher ist. Die Tanks müssen anstatt 1-3 Druck 10-30 Bar aushalten. Dazu braucht man natürlich auch zehnmal mehr Druckgas und entsprechend große Druckgasflaschen. Je höher die mittlere Dichte des Treibstoffs ist, desto geringer ist das Mehrgewicht. Man kann noch etwas Gewicht sparen, wenn man in Kauf nimmt, dass der Tankdruck zum Ende der Brennzeit abnimmt. Nimmt man einen Tank der z.b. vom Start an mit 30 Bar beaufschlagt wird. Das Helium reicht aber nur um die Hälfte des Tanks auf diesen Druck zu setzen. Das ist anfangs kein Problem, weil der Tank fast voll mit Treibstoff ist, doch wenn er halb leer ist ist das Helium verbraucht und bis zum Brennschluss sinkt dann der Tankdruck und damit der Brennkammerdruck und der Schub auf die Hälfte ab. so vermeidet man aber auch unangenehme Spitzenbeschleunigungen vor allem bei den unteren Stufen. Denkbar und noch mehr Gewicht einsparen, ist es die Tans schon am Boden unter Druck zu setzen und dann nur zum Teil zu befüllen und eine Druckabnahme in Kauf zu nehmen. Da bei einem Tankdruck von 30 Bar bei LOX/RP-1 die Druckgasflaschen schon 50% der Tankmasse ausmachen kann man ohne Problem die Tanks um 50% vergrößern und dann eben eine Halbierung des Brennkammerdrucks in Kauf nehmen. Genau dieses Konzept setzte übrigens die OTRAG Rakete in ihren Modulen ein.

Die Triebwerke sind auch größer. Ein doppelt so hoher Brennkammerdruck korrespondiert mit einer 41% kleineren Brennkammer. Umgekehrt sind dann druckgeförderte Triebwerke relativ groß, verglichen mit Triebwerken die mit hohen Brennkammerdrücken arbeiten. Entsprechend schwerer sind sie. Bei den ersten Stufen kann man durch Rechnung leicht nachweisen, ist durch den hohen Schub ein hoher Tankdruck nötig, sonst beschränkt sich das Expansionsverhältnis auf Werte um die 2. Ich habe mal die Rechnung mit der Titan II Erststufe durchgeführt. eine druckgeförderte Version mit einem Brennkammerdruck von 32 Bar (LR-87: 54 bar) würde 9100 kg wiegen, die Stufe wog mit Pumpenförderung nur 5050 kg, also erheblich weniger. Doch das ist bei den unteren Stufen nicht so von Bedeutung, da zu der Brennschlussmasse ja noch die Oberstufen und Nutzlast kommen, die bei der Titan bis zu 45 t wiegen konnten. Bei der zweiten Stufe mit geringeren Anforderungen an den Schub ist der Unterschied nicht so groß: 2750 zu 2.270 kg. In der Summe würde bei einer Titan II so die Nutzlast um etwa 30% absinken.

Lohnen würde sich dieses Konzept - und deswegen wurde es auch öfters vorgeschlagen - bei Schwerlastraketen. Sie haben zwei Nachteile. Durch ihre Größe ist die Entwicklung sehr teuer und sie werden nur wenig eingesetzt. Die ersten beiden SLS Starts finden zum Beispiel im Zweijahresabstand. Mit druckgeförderten Triebwerken würde man eine Menge Geld sparen können. Die projektierte Sea Dragon sollte bis 550 t Nutzlast zu einem Preis von 59 bis 200 Dollar pro Pfund starten können, also nur 40% der Startkosten einer Saturn V. Dafür wog sie 18000 t anstatt 2800 t, also mehr als sechsmal so viel obwohl die Nutzlast nur viermal höher war. Dieses Konzept wurde sogar von der ASA begutachtet und sie bestätigte zumindest, dass die Kosten korrekt berechnet waren.

Super Konzeption und ein Rätsel

Tja nun ist ja die Konzeption der Ariane 6 raus. und Überraschung, sie transportiert nur 6,5 t Nutzlast. Na ja so sehr verwundert es mich nicht, denn eine Rakete die nur mit Boostern von 3 bis 8 t skalierbar sein soll wie es mal geplant war ist scher umzusetzen. Und dann dieses ausgeklügelte Design: An der ersten Stufe nicht einige Booster sondern die Booster sind zusammen in einem Gehäuse die erste Stufe.

Das wurde schon kritisiert, aber ich will es mal zusammenfassen:

Die Ariane 6 hat zu wenig Nutzlast. ESA & CNES bauen ganz auf eine Prognose dass Kommunikationssatelliten leichter werden. Denn die Ariane 6 könnte bei dieser Nutzlast nicht einmal den jüngsten ESA-Kommunikationssatellit Alphasat starten, der gerade auf den Start vorbereitet wird und zusammen mit einem Insat ins all gelangt. Nun wurde das schon kritisiert. Die Antwort: Man kann die Booster ja dann verlängern... Ach ja, also wir entwickeln eine Rakete die zu wenig Nutzlast hat und dann verlängern wie die Stufen mit weiteren Kosten damit sei die Nutzlast hat, die man braucht und dafür gibt man eine Rakete auf, die die Nutzlast schon seit 2005 hat? Ja das klingt überzeugend.

Dann noch diese überragende Konzeption: Mit Feststoffboostern in erster und zweiter Stufe. Wir vernehmen: eine Untersuchung ergab das eine kryogene Stufe oder zwei aus Feststoffen gleich teuer gewesen waren, sowohl in Entwicklung wie Produktion, doch falls die Rakete weniger oft fliegt wären Feststoffbooster wegen ihrer höheren Stückzahl billiger. Wie soll den das vorkommen, wo man doch nun doppelt so viele Starts hat und man nicht mehr das Problem hat zwei Satelliten paaren zu müssen?

Das ist natürlich eine super tolle Entscheidung, denn in Europa gibt es für die gewählten CFK-Booster die Fertigungsanlagen in Italien die sich bei der Ariane 5 bisher kaum beteiligt haben und aus der Ariane 5 sogar aussteigen wollen, als die ESA sich nicht für die Vega erwärmen wollte um mehr Gelder für die Vega zu haben. Wenn zwei von drei Stufen aus Feststoffen bestehen wird sich Italien sehr stark an dem Projekt beteiligen müssen. Hat man bisher von Italien was in der Richtung gehört? Nein, bisher gab es nur eine Auseinandersetzung zwischen CNES und DLR. Na ja Deutschland ist dann ziemlich draußen. Was bleibt sind noch Strukturen für die Oberstufe. Eine Doppelstartvorrichtung wird es auch keine geben. Kurzum: der zweitgrößte Partner wird kaum noch eine Rolle spiele. Ein Juniorpartner mit einer Beteiligung von 5% an dem Ariane 5 Evolution Programm wird seinen Anteil vervielfachen müssen, wenn das Land dafür das Geld hat....

Was man dafür aufgibt ist die Ariane 5. Sie ist durchaus nicht am Ende. Schon 2202 untersuchte die ESA im Rahmen ihrer "Ariane 2010" Initiative die Möglichkeiten des Ausbaues. Möglich sind noch drei::Ein neues Haupttriebwerk. bei 1500 bis 1800 kN Schub scheint ein Optimum zu liegen das 700 bis 1000 kg mehr Nutzlast bringt. Gleichzeitig soll ein einfacheres Triebwerk auch billiger zu produzieren werden.

Dann kann man noch die Booster durch welche mit CFK-Werkstoffen ersetzen - etwas mehr Treibstoff, eine um Drittel niedrigere Leermasse und ein höherer spezifischer Impuls bringen mindestens 1000 kg mehr, je nach Aufstiegsbahn sogar noch mehr.

Und man kann den Schub des Vinci moderat auf 200 kN anheben und mit unterkühlten Treibstoffen befüllen, das bringt auch noch einige Hundert Kilo Nutzlast.

Alles zusammen hebt die Nutzlast auf mindestens 14 t an und kostet sicher nicht die 4 Milliarden der Ariane 6. Aber diese Ariane 5 transportiert die doppelte Nutzlast einer Ariane 6.

So, nun noch ein Rätsel. Welches ist der Satellit mit dem höchsten Perigäum, der bisher wieder eingetreten ist? Ihr werdet erstaunt sein.

17.7.2013: Kohlensäure und Karbonate

Hans hat ja gefragt, warum man Kohlensäure Erfrischungsgetränken zusetzt. In der Literatur findet man nur, warum man Kohlensäure in Sekt oder Bier einsetzt. Bei Sekt bewirkt es eine anregende und spritzige Wirkung. Die Geschmacksstoffe und der Alkohol gehen zum Teil in die Gasphase über und werden so intensiver aufgenommen. das könnte auch so bei Erfrischungstränken sein. Bei reinem Wasser, das eigentlich nach fast nichts schmeckt, kann man das wohl kaum als Argument nehmen. Bei Bier ist die Haltbarkeit vom Kohlensäuregehalt abhängig. Biersorten die viel Kohlensäure einschließen sind länger haltbar.

Aber die Kohlensäure ist interessant genug um sie und ihre Salze mal genauer anzusehen.

Die Kohlensäure entsteht wie einige andere Säuren durch einleiten ihres Anhydrids (das ist das Säuremolekül, wenn man das Wasser entzieht) in Wasser. So stellt man auch Salpetersäure, schwefelige Säure und Schwefelsäure her. Ein Unterschied ist, dass bei der Kohlensäure nicht wie bei anderen so hergestellten Säuren das Gleichgewicht rechts liegt, es also wieder zum Zerfall kommt:

H2O + CO2 ↔ H2CO3

Bei der Herstellung von Schwefelsäure über dieselbe Reaktion gibt es keine Rückreaktion, die wieder Schwefeltrioxid freisetzt:

H2O + SO3 → H2SO4

Der Grund dafür ist das die Kohlensäure eine sehr schwache Säure ist, Eine Säure gibt im Wasser Protonen ab:

H2CO3 → H+ +HCO3-

HCO3- → H+ + CO32-

Wäre die Kohlensäure die Schwefelsäure, die auch zwei Protonen abgeben kann, dann würden fast 100% aller Moleküle das erste Proton abgeben und 1,3% auch das zweite. Doch die Kohlensäure ist eine sehr schwache Säure, Hier liegt weniger als 1 Promille als HCO3- vor und nur 10-9% als CO32-. Daher sind Getränke mit zu gesetzter Kohlensäure auch nicht besonders sauer. Der Druck beträgt etwa 5-7 Bar. Durch den Überdruck verliert das Getränk auch Kohlensäure, wenn man es öffnet.

Der Ausdruck Kohlensäure ist zwar gängig, aber chemisch total falsch. Denn die Säure ist in reiner Form nicht beständig. Zugesetzt wird Kohlendioxid und es entwicht auch wieder Kohlendioxid, das zum größten Teil als Gas gelöst, so wie Wasser auch Sauerstoff oder Stickstoff löst. Außerhalb des Wassers zerfällt die Kohlensäure in Kohlendioxid und Wasser.

Die wenige gelöste Säure kann aber mit gelösten Ionen reagieren oder mit Basen. Sie bildet Salze und zwar zwei Sorten: Hydrogencarbonate mit dem Anion HCO3 und Carbonate mit dem Anion CO3. Beide Formen gehen ineinander über: Beim erhitzen gehen Hydrogencarbonate in Carbonate über:

2 MHCO3 → H2O + M2CO3 + CO2

M ist ein beliebiges einwertiges Metall oder ein Ammoniumion. Umgekehrt kann man durch Einleiten von Kohlendioxid in Carbonatlösung Hydrogenkarbonate erhalten:

In der Natur findet man fast nur Carbonate, da die meisten Hydrogenkarbonate (mit Ausnahme des Natriumhydrogencarbonats) leicht wasserlöslich und die Carbonate schwer löslich sind. So fallen in einer eindampfenden Wasserlösung immer Karbonate aus, die aus dem Gleichgewicht entzogen werden. Nur in saurem Milieu wo die Säure die Carbonate protoniert sind Hydrogencarbonate stabil:

H+ + CO32- → HCO3--

Dieses Gleichgewicht spielt eine rolle sowohl im Haushalt wie auch in der Natur. Im Haushalt, weil wenn man karbonathaltiges Wasser erhitzt die Karbonate ausfallen, das passiert auch mit den Hydrogencarbonaten, da diese sich mit diesen im Gleichgewicht befinden, hier am Beispiel des Calciumcarbonates:

CaCO3 + H2O → CaHCO3 + OH-

so bilden sich Überzüge aus Calciumcarbonat an Heißwasserleitungen oder Heizwendeln. Mit Seife oder Fettsäuren aus dem Hautfett reagiert das Calcium zu den noch unangenehmeren Calciumsalzen von Fettsäuren sie als schmieriger Belag sich an Waschbecken und Badewannen ablagern.

Da die Uratmosphäre viel Kohlendioxid enthält und auch Organismen durch die Atmung Kohlendioxid bilden wurden im Laufe de Erdgeschickte enorme Mengen von Carbonaten ausgefällt. Dazu trugen auch Organismen bei, die aus gelöstem Calcium und Kohlendioxyd Kalkskelette bauten wie Korallen aber vor allem auch bestimmte Algen. Die Schwäbische Alb und die Kreidefelsen von Dover sind so entstanden, doch die im Archaikum entstandenen gebänderten Eisenerze entstanden nur durch Karbonatausfällung aus dem Wasser.

Alle Hydrogenkarbonate und Carbonate sind als Salze schwacher Säuren, wenn sie in Waser gelöst werden selbst basisch, da sie die H+ Ionen aufnehmen und so Hydrogencarbonate (Carbonate) oder Kohlensäure (Hydrogencarbonate) zurückbilden. Diese Eigenschaft nutzt unser Körper aus, um den pH Wert des Blutes auf 7,4 einzustellen. Hier ist es ein Puffer aus Hydrogencarbonaten und Kohlendioxyd das bei den Stoffwechselvorgängen anfällt.

Bekannter ist im Alltag sicherlich eine andere Eigenschaft. Alle Karbonate geben sowohl in Lösung wie auch als Salz Kohlendioxyd ab, wenn sie mit Säure in Kontakt kommen. Da die Kohlensäure eine schwache Säure ist, wird sie von starken Säuren aus ihren Salzen vertrieben. Dazu braucht man keine Mineralsäuren auch organische Säuren wie Zitronensäure, Apfelsäure oder Weinsäure reichen dazu vollkommen aus. Gibt man also Salzsäure auf Marmor, so sprudelt es und es entsteht Kaliumchlorid. Es entsteht zwar Kohlensäure, doch da diese instabil ist zerfällt sie in Kohlendioxid und Wasser. Karbonate sind daher Bestandteil von Backpulver oder Hirschhornsalz. Dazu kommt meist noch eine ogranische Säue oder ein sauer reagierendes Salz, da Säure die Reaktion auch ohne Hitze ermöglicht.

 Auf demselben Mechanismus beruht auch das Aufschäumen wenn man kohlensäurereiches Wasser in einen sauren Saft oder Wein gießt. Umgekehrt kann Wasser einen massiven Kalkstein auflösen, wenn es nur lange Zeit hat und Kohlendioxyd (z.b. von den aeroben Abbauvorgängen im Erdboden) enthält, dann bildet sich lösliches Hydrogencarbonat, das im Wasser gelöst wird:

CaCO3 + H2O + CO2→ 2 CaHCO3

Kommt das Wasser zur ruhe oder kann sogar verdampfen, so findet die Umkehrreaktion statt und es wird erneut Kalkstein abgeschieden:

2 CaHCO3 → CaCO3 + H2O + CO2

Da beide Reaktionen in räumlicher Nähe ablaufen können kann man so relativ leicht die Entstehung von Karsten und Höhlen (Kalkauflösung) oder Tropfsteinhöhlen (Kalkausscheidung) auf der schwäbischen Alb erklären.

Praktisch genutzt wird das in Backpulver wo Carbonate durch Wärme oder Säuren die Kohlensäure freisetzen. analog wirken Brausepulver.

Bei hohen Temperaturen geben alle Karbonatgesteine Kohlendioxid ab. Praktisch wird das beim Kalkbrennen ausgenützt, erhitzt man Calciumcarbonat, wie man es in Marmor oder Kalk findet, auf 800 Grad, so erhält man Calciumoxid "gebrannter Kalk". Manche Wissenschaftler meinen, dass die dickte Kohlendioxidatmosphäre der Venus auf einem Treibhauseffekt beruht, der die Oberfläche bis auf 800 Grad Celsius erhitzte, also nochmals 320 Grad Celsius heißer als heute. Dann würden die Oberflächengesteine der Venus auch zu Kohlendioxyd und gebranntem Kalk zerfallen (Calciumcarbonat ist das häufigste Karbonat, danach kommt Magnesiumcarbonat (Magnesit) und Dolomit (eine Mischung aus Calcium und Magnesium mit der Formel MgCA(CO3)2)


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