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Web Log Teil 357: 12.11.2013 -

12.11.2013: Die Atommüllentsorgung im All

Kürzlich habe ich ein Interview gegeben. Nicht der Presse, Radio und Fernsehen, da bekomme ich zwar regelmäßig alle paar Wochen Anfragen, aber ich lehne die immer ab. Zum einen weil ich die Angst habe da kommen dann lauter "ähs" und "öhs" oder ich sage was falsches oder habe gerade keine Ahnung, vor allem aber weil man nicht weis, wie gekürzt oder zusammengeschnitten wird. Aber diesmal ging es um eine studentische Arbeit. Auch wenn mir nicht ganz wohl bei dem Thema war: Atommüllentsorgung im All, vor allem weil mich die Studentin als "Experte" titulierte. Dabei habe ich mich mit dem Thema nur wenig beschäftigt. Sie war glaub ich ganz zufrieden und hält mich immer noch für einen Experten, ich bin mal gespannt was rauskommt.

Es ist nicht das erste Mal, das ich mit dem Thema in Berührung komme. Vor vier Jahren traten zwei Geschäftsmänner an mich heran weil sie die Idee hatten den Atommüll in die Sonne zu schießen. Es gab sogar schon einen Namen dafür "Sun Shuttle". Es fehlte leider jegliche technische Vorbildung, denn der Sturz in die Sonne ist die energieaufwendigste Möglichkeit die es gibt und mit chemischen Antrieb heute nicht zu machen. zumindest bei einem der beiden hatte ich auch das Gefühl, das es nur um den Erhalt von EU-Fördergeldern geht und nicht um ein verwirklichbares Konzept. Ich glaube auch die EU wird keine Entsorgung mit Sealaunch finanzieren, dieser LSP schwebte den beiden vor. Da ich seit mehr als drei Jahren nix mehr davon gehört habe, wirds wohl nicht angegangen werden.

Aber ich dachte mir, das nutze ich doch mal mein Konzept zu entwickeln und habe mich übers Wochenende hingesetzt. Eigentlich hatte ich vor den Aufsatz in drei Teilen hier im Blog zu veröffentlichen, das schindet Zeit, aber ich lasse es mal und gebe ein Resümee. Ich habe zuerst mal überlegt welche Möglichkeiten es zur Entsorgung gibt (bahnmechanisch), dann das für mich interessanteste: wie man eine Rakete sicher macht. Üblicherweise durch Redundanzen. Die grundlegende Idee ist die der engine-out capability, aber richtig: von T=0 an und mit den entsprechenden Treibstoffreserven für höhere Gravitationsverluste. Natürlich muss dann auch eine Oberstufe zwei Triebwerke haben, auch wenn eines genügt. Als Folge sinkt die Nutzlast um etwa ein Drittel, der Träger ist um 50% teurer als eine Ariane 5 bei etwas kleinerer Nutzlast, aber wenn der Rest des Weges mit einem Ionenantrieb zurückgelegt wird, dann kann man relativ viel radioaktiven Müll transportieren. Netto etwa 25% der Startmasse in einen LEO-Orbit. Das ist nur weniger unter dem Nutzlastanteil eines ATV von rund 35%.

Noch erstaunlicher ist, das dies sogar zu finanzierbar ist. 1 ct/kWh von Preis des Atomstroms würde ausreichen bei 4,5 t hochradioaktivem Müll 420 Millionen Euro für die Entsorgung bereitzustellen. So viel kostet ein ATV, warum sollte also ein viel einfacherer Mülltransport nicht für diesen Preis möglich sein (zumal wir nicht von einem Flug pro Jahr reden, sondern wenn die deutschen AKW noch laufen würden mindestens 4 pro Jahr, dazu käme noch das Abtragen des schon aufgelaufenen Müllbergs).

Ich versuchte dann auch festzustellen was die konventionelle Endlagerung kostet. Außer dem dass man für Asse und Gorleben zusammen schon 3,6 Milliarden ausgegeben hat ohne einen Nutzen kam ich leider auf keine Zahlen. Mehr noch: ich stieß auf die Kernbrennstoffsteuer, Also besser kann man die Verflechtung der Atomwirtschaft mit der Politik nicht charakterisieren. Da wird jahrzehntelang Atomstrom billig produziert und teuer verkauft, und anstatt dass die Konzerne Rücklagen bilden, prozessieren sie wenn sie für die Entsorgung zahlen sollen.

Ich denke dass die Atommüllentsorgung im All nicht mal so teuer wird. Und es wären auch nicht Tausende von Flügen notwendig. In der Wikipedia steht ja wie üblich eine falsche Rechnung, da werden ausgebrannte Brennstäbe als Atommüll betrachtet, doch das sind sie nicht. Von 1000 kg sind gerade mal 46 kg neu entstandene Nuklide, der Rest kann wiederaufgearbeitet werden und wird auch wiederaufgearbeitet. Das reduziert die Startzahl um den Faktor 20 bis 25, man könnte noch weiter gehen. Von den 46 kg sind 35 kg Spaltprodukte (Kernmasse deutlich kleiner als 235 Da) die haben Halbwertszeiten von Stunden bis Jahren. Nach einigen Jahrhunderten ist deren Radioaktivität auf sichere Level gefallen und über Jahrhunderte sollte man sie heute lagern können. Übrig bleiben nur 8-10 kg Transurane mit langen Halbwertszeiten. Ich habe meine Rechnung nur mit 46 kg gemacht, würde man 8-10 kg ansetzen, dann dürfte ein Mülltransport (4,5 t netto) sogar 1,6 bis 2 Milliarden Euro kosten und 20 Flüge würden ausreichen den gesamten Atommüll Deutschlands zu entsorgen (den gesamten seit 1956 produzierten Müll an Transuranen!).

Die Crux an der Endlagerung zeigt sich schon im Wort "Endlagerung". Irgendwie versuchen zumindest wir Deutsche das Perfekt zu machen. Für die Ewigkeit. Daher sucht man seit über zwanzig Jahren nach einem Endlager und wird auch noch lange suchen. Meiner Ansicht nach wäre es besser nicht ein Konzept für die Ewigkeit zu entwickeln bei dem man einmal lagert und dann den Müll vergisst, sondern eines das auf Dauer tragfähig ist und Überwachung erfordert. Warum also nicht eine gut geschützte Halle bauen oder einen Stollen nutzen (wie beim Langzeitarchiv des Bundes) und die Fässer dort lagern in äußeren Schutzmanteln die man regelmäßig auswechselt (alle paar Jahrzehnte) unabhängig ob sie korrodiert sind oder nicht. Der Müll wird überwacht und bewacht. Das erfordert zwar laufende Kosten, aber ist vielleicht auf Dauer nicht mal teurer als einen Salzstock sicher für die Ewigkeit zu machen. Alleine für Gorleben wurden schon 1,6 Milliarden Euro ausgegeben ohne das was eingelagert wurde. Würde man das Geld anlegen und nur 1% Zinsen für den laufenden Betrieb des "Endlager" d. h. Löhne, neue Umhüllungen etc. ausgeben, man hätte 16 Millionen Euro pro Jahr dafür, damit kann man einiges bewegen, das ist mehr als der Etat der Fachhochschule an der ich arbeitete mit einigen Hundert angestellten.

Zuletzt noch die kurioseste Frage aus dem Interview. Angeregt durch einen Fil fragte mich die Studentin ob ich mir vorstellen könnte das jemand illegal Atommüll im All entsorgt, das fand ich doch seltsam und ich meinte das man wohl eher befürchten müsste, das jemand den Müll als schmutzige Bombe einsetzt. Aber wer weis ... Wenn man schon den Müll im Wald abkippt, warum dann nicht den Atommüll im All. Ich sehe schon die Filmszene vor mir: UN-Inspektoren durchkämen den Iran nach Atomwaffen, finden aber nicht mal Atommüll, der wurde illegal im All entsorgt....

13.11.2013: 30 Jahre Formel eins - ich werde alt und wen ich überlebt habe

Bei RTL Nitro kommt derzeit "30 Jahre Formel eins". Das ganze wurde ja schon im März auf dem WDR gefeiert, dort mit mehr Interviews mit den Beteiligten. Ich habe früher Formel Eins jede Woche angesehen, von der ersten Sendung an. Zugegeben nicht immer haben mir die Interpreten gefallen. Auch bei den Moderatoren habe ich Präferenzen. Mit Ingolf Lück konnte ich nie etwas anfangen. Er erinnerte mich an einen Kasper und wirkte deplatziert sollte wohl eher Kabarett machen anstatt zu moderieren, dagegen war Böcking eher so was wie ein Popper der sechs Jahre nach dem Ende der Popper auf dem Bildschirm erschient und insgesamt zu angepasst und brav. Mein Favorit war Peter Illmann, doch auch Stephanie Tücking hat es nicht schlecht gemacht. Heute findet man aktuelle Musik im normalen Programm gar nicht mehr, also nicht nur Formel Eins sondern auch die Hitparade als Gegenstück (begrenzt auf deutsche Interpreten) nicht mehr. Auch Stars findet man kaum noch im Fernsehen zu Formel Eins kamen alle, auch Superstars wie George Harrison, Annie Lennox. Es hat sich eben die Medienlandschaft geändert.

Die Umsetzung von RTL-Ntro ist angelehnt an die Chartshows. Es gibt eine Top 30 die runtergespielt wird. Also während auf einer Bluescreen der Clip läuft kommentieren im Vordergrund Prominente das ganze oder den Star. Es ist etwas besser gemacht ohne dämliche Überblendungen und es kommen mehr Stars von damals und zwei der damaligen Moderatoren zu Wort. Trotzdem könnte ich auf Sternchen von Gruppen, die ich nicht kenne oder Anti-Typen wie Jürgen Milski verzichten. Nervig ist die Hitliste die von Media Control erstellt wurde. Ich frage mich nur wie, wenn bei den deutschen Hits die Wildecker Herzbungen auf Platz 2 und Nena auf auf Platz 28 kommt, dann stimmt meiner Ansicht nach was nicht.

Was mir dabei erst auffiel ist wie lange das her ist. Es sind wirklich dreißig Jahre! Also gemessen an meinem Alter 11 Jahre mehr als ich damals alt war, als die erste Folge lief. komischerweise meine ich wenn ich die Musik höre, das es gar nicht so lange her sein kann. Das liegt wohl daran dass ich sie immer wieder höre. Mein Radiosender spielt viel aus den Achtzigern. Man sieht es auch an den Klamotten und vor allem den schrägen Frisuren. Okay, ich muss zugeben, ich habe auch in den späten Achtzigern eine Dauerwelle gehabt, aber nicht so schlimm wie die meisten Interpreten in der Formel Eins. Pikant ist wenn ein Sohn von Ochsenknecht die eigentlich zivilen Outfits von Level 42 (schwarze, etwas große Mäntel) kritisiert und selbst knalllila Haare hat....

Na ja und dann kann ich noch einem Hobby frönen. Im Geiste vergegenwärtige ich immer wenn ich schon überlebt habe. Ist etwas morbide, aber wenn der Moderator sagt das Laura Brennegan mit 47 starb, denke ich mir: "Wieder jemanden überlebt". Bald ist Whitney Houston dran und Michael Jackson ist auch nicht weit weg. Mein Ziel ist ja mal Rames der II zu schlagen. Kaum zu glauben wie alt der wurde, und das bei der medizinischen Versorgung 1300 v.Chr.

14.11.2013: Von der Osterinsel lernen

Ich habe einen Beitrag darüber auf der Website, aber ich denke man kann das Thema im blog aufgreifen. Wir haben ja einige Probleme, nun ja Probleme ist zu verharmlosend. Bei Überbevölkerung, Klimawandel, Zerstörung der Umwelt geht es um das Überleben. Seit Jahrzehnten kommt man bei der Lösung dieser "Probleme" nicht vorwärts. Es wird viel als Begründung angegeben. Die Kurzsichtigkeit von Politikern, oder die Verantwortung nur gegenüber den Wählern. Oft auch, das der Mensch nur etwas tut, wenn er direkt betroffen ist. Und von Klimaerwärmung ist man zwar betroffen, doch ist das schleichend und man kann vor allem nicht sehen, wenn man sein Verhalten ändert, das dies tatsächlich das Problem vermindert. Das ist sicher ein Aspekt. Ich habe aber eine andere Theorie. Der Mensch kann nicht im Einklang mit der Natur leben. Das zeigt sich, egal wohin man schaut, selbst bei primitiven Völkern. So rottete der Mensch, als er in Nord- und Südamerika kam die meisten Großsäuger aus, und die Prärie im Westen der USA ist nicht normal, sondern das Ergebnis dessen das die Indianer um die Büffel in ein Gebiet zu locken regelmäßig das Grasland abfackelten und so das Wachstum von Bäumen verhinderten. Am besten sieht man meine Theorie aber an der Osterinsel.

Die Osterinsel ist eine isolierte Insel. Die nächste Insel ist 2000 km entfernt, die nächsten größeren Landmassen Hawaii und Chile über 3200 km. Durch die isolierte Lage ist die Insel und das umgebende Meer die ganze Welt für die dort lebenden Insulaner. Das ist eine überschaubare Welt, rund 162 km² groß, so groß wie in Deutschland ein kleiner Landkreis. Wer dort wohnt, sollte also im Einklang mit der Natur leben, oder wie wir sagen "ressourcenschonend". Das sagt einem der gesunde Menschenverstand. Das war auch zuerst der Fall. Die ersten Siedler hielten sich nur an der Küste auf und betrieben ressourcenschonend Landwirtschaft. Das ist auf der Insel schwierig, denn es herrschen starke Passatwinde. Die Insel war aber mit Hongpalmen bedeckt. Ab 1010 n.Chr., stark ansteigend am dem 13-ten Jahrhundert wurde dieser Wald abgeholzt. Nur wuchs kein neuer mehr nach. Bis heute ist die Insel kahl, weil der Passat ein neues Wachstum schwer macht. Man versucht gerade mit Eukalyptus Wald nachzuziehen. Eukalyptus ist sehr anspruchsvoll, aber gilt auch mehr als Schadpflanze, da in Eukalyptuswäldern kein anderer Baum aufkommt. Anstatt die Ressource Wald zu schonen (die Nahrung stammte primär vom Fischfang aus dem Meer) nahm das abholzen noch zu, als man die heute noch sichtbaren riesigen Götterstatuen baute. Die wurden aus einem Steinbruch im Innern der Insel herausgebrochen, wahrscheinlich indem man mit Feuer einen Stein erhitzte und dann Wasser hinaufgoss, das abkühlen führt zu Hitzespannungen und sprengt ihn frei. Daneben brauchte man unzählige Stämme um die Kolossalstatuen über Rollen Kilometer zur Küste zu transportieren. Es sollen rund 10 Millionen Palmen abgeholzt worden sein. Was passierte? Irgendwann war der letzte Baum gefällt und damit auch kein Baumaterial mehr für Kanus für den Fischfang vorhanden. Die Kultur der Insulaner starb aus, es kam zuletzt noch zu Kämpfen der Stämme gegeneinander, die Statuen wurden gestürzt. Als James Cook die Insel 1774 "entdeckte" lebten noch 2000 Personen auf der Insel, etwa 100 Jahre zuvor waren es noch 10.000 gewesen. Die Bevölkerung nahm dann auf dem ungastlichen Eiland noch weiter ab und erreichte 1871 mit 111 Personen den Tiefpunkt.

Die Osterinsel war für die Insulaner ihre Welt. Sie war genauso beschränkt wie die Erde, denn realistischerweise sind die Chancen, von ihr zu entkommen klein gewesen sein. (Wenn man überhaupt weis in welcher Richtung die nächste Insel liegt). Sie ist aber nicht so groß wie die Erde. Mit einer maximalen Länge von 24 km ist sie in einigen Stunden zu durchqueren. Veränderungen des Ökosystems sieht jeder Einwohner sofort, genauso wie die Auswirkungen (das kein neuer Wald mehr wuchs, dürfte wohl auch aufgefallen sein). Da die Abholzung in rund 400 Jahren erfolgte muss jeder Einwohner während seiner Lebenszeit gesehen haben wie der Wald um 10% abnimmt und man kann sich leicht ausrechnen, wie lange das gehen kann. Doch was haben die Insulaner gemacht? "Businiess as Usual", bis die letzte Generation dann damit konfrontiert wurde, das der Wald weg ist und dann brachen Kriege aus.

Und genau das ist typisch für den Menschen. Selbst wenn die Folgen offensichtlich sind lebt jeder nach dem Motto "Nach mir die Sintflut" und daher klappt es nicht mit der Nachhaltigkeit, weder bei der Osterinsel, noch bei der Erde. Daher sehe ich schwarz für die Zukunft der Menschheit und ein katastrophales Ereignis wie am Ende der Maori-Kultur auf der Osterinsel sehe ich in nicht allzu ferner Zukunft. Ich habe ja noch die Hoffnung das ich das nicht mehr erleben, aber zu Kindern würde ich keinem raten....

15.11.2013: der ideale spezifische Impuls für Ionentriebwerke

Grafik 1Beim chemischen Antrieb ist es sehr einfach: je höher der spezifische Impuls also die Ausströmgeschwindigkeit der Gase ist, desto höher ist die Nutzlast. Warum sollte es beim Ionenantrieb anders sein? Nun ein gravierender Unterschied ist, dass die Energie beim chemischen Antrieb im Treibstoff gespeichert ist, beim Ionenantrieb aber von außen kommt. Damit wir auf demselben Level sind hier eine kurze Zusammenfassung die für alle Ionentriebwerke gilt:

Ein Ionenantrieb besteht aus einem Arbeitsmedium, einer Stromversorgung und einem Antrieb. Das Arbeitsmedium wird in einen gasförmigen Zustand gebracht. Es kommt zum Ionenantrieb. Dort wird es beschleunigt, das kann geschehen indem es hoch erhitzt wird (Plasma) oder ionisiert und dann werden die Ionen/Plasma durch ein elektrisches Feld oder Magnetisches Feld beschleunigt. Die verschiedenen Antriebe unterscheiden sich in Ionisationsmethode und Beschleunigungsmethode. In jedem Galle wird aber viel Strom benötigt denn die hohe Geschwindigkeit welche die Ionen haben wenn sie das Triebwerk verlassen entspricht ja auch Energie.

Das grundlegende ist einfache Physik. Die Energie eines Teilchens ist berechenbar nach:

E = ½ mv²

Grafik 2Das bedeutet verdoppelt sich die Geschwindigkeit der Ionen (=die Ausströmgeschwindigkeit = spezifischer Impuls) so vervierfacht sich die Energie des Teilchens. Und da die Energie nicht aus dem Nichts kommt muss sie von der Stromversorgung bereitgestellt werden.

Wenn nun die Stromversorgung gegeben ist, dann sinkt bei doppelt so hohem spezifischen Impuls der Massedurchsatz (m) auf ein Viertel ab. Der Schub des Triebwerks ist abgegeben durch folgenden Zusammenhang:

F = m*v

v wird doppelt so groß sein, der Massedurchsatz m sinkt aber auf ein Viertel ab, in der Folge ist der Schub nur halb so groß. Das wäre kein Problem wenn man beliebig lange Zeit hat. Doch das ist nicht der Fall. Entweder gibt es himmelsmechanische Randbedingungen, man will ja ein bestimmtes Ziel erreichen oder wenn man im Erdorbit ist möchte man den Van Allen Gürtel schnell durchqueren. In jedem Falle gibt es eine Missionsleitung die bezahlt werden muss. In der Regel ist also die Zeit die man für den Betrieb vorgesehen hat fest.

Schub und Beschleunigungszeit hängen nach folgender Beziehung zusammen:

v = F*t/M

v ist die vorgegebene Geschwindigkeit um die ich mein Raumfahrzeug beschleunigen oder abbremsen muss, F ist der Schub meines Triebwerks, M die Masse und t die Zeit in der das Triebwerk arbeitet.

Grafik 3Die Folge ist nun, das der Schub bei einer vorgegebenen Endgeschwindigkeit, Zeit und Masse umgekehrt proportional zur Verfügung stehenden Zeit ist. Die Masse ändert sich durch den verbrauchten Treibstoff, jedoch nicht viel bei Ionentriebwerken. Der Schub steht also bei einer vorgegebenen Zeit fest. Steigt nun mein spezifischer Impuls an, so muss ich bei konstantem Schub auch mehr Strom zur Verfügung stellen. Nun benötigt man aber für die Stromversorgung auch ein Subsystem. Heute Solarzellen, auch Kernreaktoren wurden als Alternative genannt in jedem Falle wiegt dieses System immer mehr wenn man mehr Strom braucht. Bei Solarzellen ist dies sogar linear. Also doppelte Leistung gleich doppeltes Gewicht. Das gleicht nicht nur einen Teil des eingesparten Treibstoffs aus, es kann sogar dazu führen, dass die Solarzellen so viel mehr wiegen, wie man gar nicht an Treibstoff einsparen kann.

Ich habe mal eine Simulation gemacht unter folgenden Randbedingungen

Grafik 4Dann erhält man je nach gewünschter Reisedauer und unterschiedlicher Ausströmgeschwindigkeit unterschiedliche Endmassen (Nutzlastmassen)

Zeit 10 km/s 20 km/s 30 km/s 40 km/s
3 Monate 2200 kg 3020 kg 3240 kg 3080 kg
6 Monate 2250 kg 3180 kg 3470 kg 3380 kg
9 Monate 2300 kg 3210 kg 3540 kg 3500 kg
12 Monate * 3240 kg 3600 kg 3560 kg

Nun deutlich ist zwar die Tendenz, dass in jeder spalte (Antrieb konstant, aber immer mehr Zeit um die Endgeschwindigkeit zu erreichen) die Nutzlast ansteigt. Anders sieht es aus wenn man die Nutzlast bei verschiedenen Endgeschwindigkeiten ansieht. Hier gibt es ein deutliches Optimum bei 30 km/s. Bei der kleinen Geschwindigkeit ist aber selbst 10 km/s nicht viel schlechter, auf jeden Fall nicht so viel schlechter wie man anhand der Ausströmgeschwindigkeit vermuten möchte. Von der Konzeption ist es sogar noch einfacher, das verrät der Stern (*) beim letzten Wert bei 10 km/s. Schon bei 270 Tagen wird mit einem einzigen Triebwerk (und nur 4 kW Leistung!) erreicht, da es nicht weniger als ein Triebwerk geben kann ist der Wert für 365 Tage also gar nicht vorhanden!

Schauen wir uns einen zweiten Fall an. Einen Start zum Jupiter (13 km/s). Startmasse erneut 5000 kg

Zeit 10 km/s 20 km/s 30 km/s 40 km/s 50 km/s
3 Monate 180 kg 1190 kg 1500 kg 1480 kg 1310 kg
6 Monate 300 kg 1490 kg 2040 kg 2220 kg 2300 kg
9 Monate 330 kg 1640 kg 2210 kg 2490 kg 2620 kg
12 Monate 355 kg 1680 kg 2310 kg 2620 kg 2780 kg

Sehr deutlich ist das es nun Maxima gibt. Bei 90 Tage Reisedauer liegt das bei 30 km/s, weil durch den geringen Schub man bei mehr Triebwerke braucht, einen größeren Solargenerator und das ist mehr als man beim Triebstoff einspart - bei 50 km/s braucht man nicht weniger als 66 Triebwerke mit je 4 kW Leistung! Bei allen anderen Reisedauern steigt die Nutzlast mit höherer Auströmgeschwindigkeit an, aber nicht so stark wie zu vermuten ist.

Dann regieren praktische Anforderungen. Nehmen wir 1 Jahr Reisedauer und 30 bzw. 50 km/s. Zwar ist bei 50 km/s die Nutzlast höher (um 470 kg), dafür benötigt man auch 17 Triebwerke mit 68 kW Leistung. Bei 30 km/s sind es nur 9 mit 36 kW Leistung. Der Nutzlastgewinn von 20% korrespondiert also mit einem erhöhten Aufwand von 89% beim Antriebsmodul.

Die Werte sind auch ziemlich von dem Solargenerator abhängig. Wenn man von den Ultraflex-Arrays auf die starren Solararrays von Dawn übergeht (80 W/m²) so zeigt die vierte Grafik den Effekt: Die Nutzlast sinkt hier rapide ab und wird bei >40 km/s negativ!

Das bedeutet auch, für jede Reisezeit und Geschwindigkeit gibt es eine optimale Lösung. Ionentriebwerke können darauf reagieren indem sie einen Bereich abdecken. Das RIT-22 z.B. einen spezifischen Impuls von 3000 bis 5500 s nominal und 2500 bis 6500 (demonstriert) ausgelegt. Der Vorteil ist, das man so den Schub variieren kann (siehe Abbildung links, RIT-XT). Tendenziell wird man je kleiner die Geschwindigkeitsänderung ist den spezifischen Impuls absenken, außer man hat sehr viel Zeit.  Bei 4 KW Leistung (70% Wirkungsgrad) hat man z.B. bei 10 km/s einen Schub von etwa 0,56 N, bei 40 km/s sind es nur noch 0,14 N. Entsprechend länger (oder mehr Triebwerke) braucht man.

In einigen Diagrammen habe ich dies erläutert. Das erste ist die Nutzlast in Abhängigkeit vom spezifischen Impuls bei 5000 m/s Gesamtgeschwindigkeit. Das Optimum liegt hier bei rund 40 km/s. Geht man auf 1 Jahr Reisedauer bei sonst identischen Bedingungen so verschiebt es sich auf 80 km/s. Bei höherer Geschwindigkeit (13 km/s) sinkt es auf 32 km/s und wenn man keinen so leichtgewichtigen Solargenerator hat (80 W/kg anstatt 175 W/kg wie in den obigen Beispiel), dann sinkt die Nutzlast bei hohen Impulsen sogar stark ab.

Die gezackten Linien kommen dadurch zustande, das man Triebwerke nur ganzzahlig betreiben kann, braucht man also ein Triebwerk mehr, so addiert dies zuerst weiteres Gewicht und die Nutzlast sinkt ab, um dann anzusteigen bei höherem spezifischen Impuls (weniger Treibstoff wird gebaucht) bis man wieder ein weiteres Triebwerk braucht. Die Zahlen in den Diagrammen sind exakt berechnet, in der Tabelle habe ich von Hand gerechnet und gestoppt, wenn ich nahe an einer Lösung war.

16.11.2013: Wie weit kommt man mit Solarzellen im Sonnensystem?

Da ich gerade beim Aufsatz über Juno arbeite und damit hoffentlich bald die aufholjagt bei den Raumsondenaufsätzen abschließen kann, kam ein Thema auf. Bekanntlicherweise ist dies die erste Raumsonde die zu Jupiter aufbricht und nur mit Solarzellen betrieben wird.

Vor einigen Wochen hat die NASA 10 Millionen Dollar bewilligt um die Produktion von Plutonium-238 wiederaufzunehmen. Seit 1988 haben die USA kein Pu-238 mehr produziert. Seit 1993 bezogen sie es aus Russland, doch Russland kann oder will nun keines mehr liefern. Seit 10 Jahren wird schon über die Wiederaufnahme der Produktion diskutiert. Wegen der hohen Kosten kam es nie dazu. Für die 10 Millionen Dollar pro Jahr wird man anfangs 1 bis 1,5 kg Pu-238 gewinnen. Bedenkt man das einer der GPHS RTG die Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons antreiben, rund 7,6 kg dieses Materials erfordert, dann weis man, das man zum einen eine solche Mission nicht jeden Tag starten kann, und zum anderen die Stromversorgung teuer ist. Bei New Horizons konnte ein schon hergestellter GPHS wiederaufgearbeitet werden. Das kostete 75 Millionen Dollar, ein neuer 90 Millionen Dollar. Das alles für eine Stromquelle die 285 Watt liefert.

Nun fliegt Juno mit Solarzellen. Die drei Arrays wiegen zusammen 340,2 kg. Sie liefern bei Jupiter etwas über 452 Watt Leistung. Ein GPHS mit 285 Watt Anfangsleistung dagegen nur 58 kg. Vom Gewicht her ist es also keine Verbesserung. Mehr noch: innerhalb eines Jahres nimmt die Leistung von 450 auf 411 Watt ab, entsprechend dem Leistungsverlust in 10 Jahren GEO Orbit. RTG verlierend dagegen nur rund 2% der Leistung pro Jahr, würden also erst nach 5 Jahren den Leistungsverlust von Solarzellen in Jupiters Strahlengürtel aufweisen.

So gesehen sind Solarzellen in fast allen Parametern schlechter als RTG. Allerdings in einem nicht: sie sind preiswerter. Das bedeutet, wenn man in der Summe Geld spart, weil man eine kleinere Trägerrakete braucht, dann lohnt es sich. Bei Juno war es so, dass die Raumsonde nicht direkt zu Jupiter starten konnte. Das hätte sie auch mit RTG nicht gekonnt, weil sie annähernd doppelt so schwer wie die Nutzlast der Atlas 551 zum Jupiter war. Mit RTG anstatt Solarzellen wäre sie 10% leichter und wenn man direkt zu Jupiter starten könnte um weitere 25%. Doch sie wäre immer noch zu schwer gewesen.

Allerdings gibt es bei den Solarzellen noch Verbesserungspotential. Die von Juno waren relativ schwer, auch weil sie wegen eines Magnetometerbooms sehr steif sein müssen. Von ATK gibt es aber die ultraflexarrays die bei der gleichen Leistung (18 kW bei der Erde) nicht 340 sondern 90 kg wiegen. Derartige Arrays sind auch schon von der NASA bei Phoenix eingesetzt worden. Damit wären sie vom Gewicht her ebenbürtig mit den RTG (85 kg). Selbst Dawn hatte bessere Arrays die wie bei Juno starr waren. Ihre Arrays hätten nur 225 kg bei gleicher Leistung gewogen. Die Abnahme der Leistung über die Zeit ist natürlich noch größer. Weiterhin sind die Arrays von Juno mit Glas belegt um die Strahlendosis zu verringern. Das erhöht natürlich das Gewicht.

In der Summe denke ich, ist die Zeit reif für den Einsatz von Solar Arrays bis zur Jupiterentfernung. Das betrifft nicht nur Missionen zu Jupiter, sondern auch zu den Trojanern in Jupiters Bahn oder andere Missionen die soweit ins äußere Sonnensystem müssen. Darüber hinaus wird es schwieriger. Saturn ist nochmals fast doppelt so weit entfernt. Für die gleiche Leistung braucht man mindestens das 3,5-fache Gewicht. Des weitren sinkt die Effizienz ab, je weiter man sich von der Sonne entfernt. So haben die Solarzellen von Juno bei der Erde eine Leistung von über 18 KW, rechnet man die 450 Watt bei Jupiter dagegen auf Erdentfernung um, dann wären es nur 13 kW. Der Grund: sie sind dort -132°C kalt.

Auf der anderen Seite gibt es Untersuchungen das man mit der Kombination von ultradünnen Arrays und Solarkonzentratoren 300 W/kg in nächster Zeit, 500 W/kg in einigen Jahren erreichen könnte. Der Satellit Millennium ST-6 sollet das erproben wurde aber leider gestrichen, so bleibt es bei dem Projekt. Mit 500 W/kg würde man bei Saturn auch mit Solar Arrays auskommen. Da dort kein Strahlungsgürtel vorhanden ist, ist die Abnahme geringer und durch die Konzentratoren wäre die Temperatur höher. Man müsste eben nur die Technologie entwickeln, vielleicht ist da das Geld besser investiert als in RTG.

Als Nebeneffekt gewinnt man mehr Möglichkeiten bei der Mission. Schon die 18 kW Leistung bei Juno hätten ausgereicht, um die beim Erdvorbeiflug gewonnenen 3,2 km/s in weniger als einem Jahr mit einem Ionentriebwerk zu gewinnen. Man hätte also die Mission um ein Jahr verkürzt. Das Mehrgewicht ist etwas geringer als der Treibstoff den Juno für zwei Deep Space Manöver braucht. Bei Missionen zu Saturn ist die Anfangsleistung noch höher.

Trotzdem wird man nicht auf Plutonium verzichten, denn von den 405 Watt die Juno mindestens braucht, entfallen 155 W auf die Heizung der Sonde. Dafür gibt es aber eine andere Lösung: kleine Pellets aus Pu-238 in einem Mantel die nur Wärme abgeben. Dafür braucht man relativ wenig Plutonium, weil ein Kilogramm fast 600 Watt an Wärme abgibt. Das bedeutet für die 150 Watt Wärmeleistung braucht man weniger als 200 g Plutonium. Dagegen wären es 3,8 kg gewesen wenn man die Wärme erst in Strom umwandelt. Zudem eignen sich dafür auch andere Radioisotope mit Halbwertszeiten im Bereich von einigen Jahrzehnten bis wenigen Jahrhunderten. Das Problem ist nur, dass ie meisten keine Alphastrahler sind und daher stark abgeschirmt werden müssen. Lediglich Am-241 scheint eine Alternative zu sein. Allerdings ist seine spezifische Leistung fünfmal kleiner als bei Pu-238. Es ist allerdings deutlich billiger und kostet nur 1500 $/g

Zumindest für die Heizung würde ich also Radioisotope einsetzen. Eine Technologie die auch den Einsatz als Stromquelle wieder attraktiv machen könnte wäre ein effizienter Stromwandler. die RTG sind in ihrer Technologie seit den siebziger Jahren verbessert worden, aber nicht grundlegend verändert. Sie nutzen den thermoelektrischen Effekt aus und wandeln weniger als 7% der Wärme in Strom um. Seit Jahren erprobt die NASA Stirling Motoren. Zum Einsatz kam es nicht obwohl jahrelange Operation demonstriert wurde. Das Problem scheinen die beweglichen Teile zu sein. Man versucht diese wo es nur geht zu vermeiden, Der Vorteil ist das ein Stirling Motor erheblich effizienter ist. Er spart kein Gewicht ein aber er benötigt 3,5-mal weniger spaltbares Material, was in einer entsprechenden Kostenersparnis niederschlagen sollte. Nimmt man die Kosten für die Wiederaufnahme der Produktion und teilt man dies durch den erwarteten Ertrag, dann kommt man auf 10 Millionen Dollar pro Kilogramm. Ein SRTG würde daher ohne den Sterling Motor rund 187.000 Dollar pro Watt Leistung sparen. Das sind bei den 250 Watt die Juno braucht rund 47 Millionen Dollar.

Zumindest jenseits von Jupiter ist man heute noch auf Radioisotope angewiesen, die Grenze mag sich herausschieben, aber zu Uranus, Neptun oder den Kuiper Gürtel Objekten wird man immer RTG brauchen. Daher ist es das sinnvollste, in beide Technologien zu investieren: effizientere Umwandlung der Wärme in Strom bei Radioisotopen und effizientere Solarzellen.


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