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Web Log Teil 359: 23.11.2013 - 5.12.2013

22.11.2013: Wie man Geschwindigkeit aufnimmt

Ich habe es schon mal bei einer hypothetischen Raumsonde erklärt, aber nun heute mal allgemein. Die Möglichkeiten die man heute hat, wenn man eine möglichst hohe Geschwindigkeit im Sonnensystem erreichen will. Das betrifft vor allem Missionen ins äußere Sonnensystem. Vorbeiflüge an Uranus, Neptun und Transneptunen.

Möglichkeit 1: Fly-Bys

Jeder Vorbeiflug an einem Planeten ermöglicht es einem Geschwindigkeit aufzunehmen. Venus und Erde sind für 3-4 km/s Geschwindigkeitsgewinn unter optimalen Bedingungen gut, Mars für 1 km/s. Am meisten gewinnt man durch einen Vorbeiflug an Jupiter, der eine Raumsonde über die Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem (Geschwindigkeit dann im unendlichen 12-14 km/s) beschleunigen kann.

Das Problem ist nur das die Geometrie stimmen muss. Bei einem Vorbeiflug ist das kein Problem. Doch je mehr man durchführen muss, desto seltener sind die Himmelskonstellationen. Wenn man nicht eine einmalige Gelegenheit wie bei der Grand Tour, die sich aber nur alle 176 Jahre wiederholt hat, dann wird die Raumsonde zwischen den Vorbeiflügen Anpassungen der Bahn durchführen. Das taten bisher Galileo und auch Cassini. Selbst Juno, die nur einen Vorbeiflug durchführte ist da keine Ausnahme. Mehr als ein Drittel des Treibstoffs ging alleine dafür drauf. Alternativ kann man sich Zeit lassen. So kann man eine Sonde zuerst in eine 1 Jahres Erdumlaufbahn schicken. Sie passiert die Erde nach 1 Jahr. Der Vorbeiflug lenkt sie auf eine Umlaufbahn mit 2 Jahren Dauer, dann passiert sie nach weiteren zwei Jahren die Erde erneut und erreicht so die Geschwindigkeit um Jupiter zu erreichen. So dauert die Reise 3 Jahre länger. Nimmt man Umlaufbahnen die ein Vielfaches der Planetenumlaufbahn sind so ist die Planung einfach, aber es dauert lang.

Vorbeiflüge an Venus und Erde sind am effizienteste. Unter optimalen Bedingungen kann man mit zweien Jupiter erreichen (Cassini) startete man mit höherer Geschwindigkeit (Juno) so reicht auch einer. In jedem Falle wären Vorbeiflug an Erde und Venus nur Mittel um Jupiter zu erreichen ohne mit einer hohen Startgeschwindigkeit von der Erde aus zu starten. Er ist als massereichster Planet das eigentliche Sprungbrett. Alle anderen bieten weniger Geschwindigkeitszuwachs und erfordern eine höhere Energie um sie zu erreichen.

Möglichkeit 2: Ionenantriebe im inneren Sonnensystem

Solange eine Raumsonde sich nahe der Sonne befindet, kann sie mit Solarzellen bei der heutigen Technologie sehr viel Strom gewinnen und mit einem Ionenantrieb beschleunigen. Leider nimmt das quadratisch mit der Entfernung ab und bedeutsamer noch: wenn man schon eine hohe Geschwindigkeit hat, bewegt man sich viel schneller von der Sonne weg, als die langsamen Sonden zum Mars. New Horizons kreuzte in 76 Tagen den Orbit des Mars Juno in 104 Tagen. Dagegen brauchen Marssonden die mit geringerer Geschwindigkeit starten, 200-240 Tage um den Mars zu erreichen.

Die beste Strategie ist es daher zuerst die Bahn in Richtung Sonne abzuändern, d.h. gegenüber der Erde zu verlangsamen. Mit einer solaren Geschwindigkeitsänderung von 3 km/s erreicht man z.b. ein Perihel von 100 Millionen km und ist rund 8 Monate innerhalb der Erdumlaufbahn. Danach dreht man die Sonde und erweitert das Apohel. Das setzt sich auch noch fort wenn man die Erdumlaufbahn verlasen hat. Da man in der Regel nicht eines sondern mehrere Ionentriebwerke einsetzen wird, kann man mit zunehmenden abstand welche abschalten. Was passiert, wenn der Strom nicht mehr für eines reicht ist dann davon abhängig ob man den noch verfügbaren Strom noch für die Raumsonde braucht oder nicht (kein Widerspruch: Ionentriebwerke sind wesentlich stromhungriger als Raumfahrzeuge). Ansonsten wäre es gut den Ionenantrieb als abtrennbares Modul auszulegen, dass man dann zur Gewichtsreduktion abstößt.

Möglichkeit 3: Nutzung des Energieerhaltungssatzes

Die Physik erlaubt noch eine weitere Möglichkeit. Wenn man bei 200 km/h um 10 km/h beschleunigt, so steigt die Geschwindigkeit auf 210 km/h. Geschwindigkeit addiert sich. Die Energie jedoch steigt deutlich an, da sie im Quadrat zur Geschwindigkeit ansteigt. Denselben Effekt hat man auch, wenn man bei einem Planeten Swing-By Geschwindigkeit addiert. Vom Planeten aus gesehen ist es so, dass die Raumsonde dabei zuerst schneller wird, den planetennächsten Punkt passiert und ihn wieder verlässt. Sie hat dann die gleiche Geschwindigkeit wie sie hatte, als sie vor der Einflussphäre des Planeten sich ihm näherte. Das sieht anders aus wenn die Raumsonde einen Antrieb zündet und schneller wird. Eine Raumsonde die mit 5 km/s Jupiter erreicht hat in 5000 km Entfernung von den Wolken eine Geschwindigkeit von 57.810 m/s. Mit einem Antrieb 1 km/s addiert ist die Geschwindigkeit 58.810 m/s. Beim Verlassen wird sie im unendlichen aber keine 5 km/s haben sondern 11.911 m/s. Das beruht auf dem Energieerhaltungssatz. Bei der Ankunft gilt: 5²+Fluschtgeschwindigkeit in 5000 km Höhe]² = Ankunftsenergie. Das entspricht einer Geschwindigkeit von 57810 m/s. Beim verlassen gilt dann: 58810²-Fluschtgeschwindigkeit in 5000 km Höhe]² = Abflugsenergie. Da 1000 m/s zu 58 km/s addiert wurden ist diese im Quadrat um einiges höher und so wurde die Sonde um fast 7 km/s anstatt 1 km/s beschleunigt.

Sinnvollerweise macht man das bei den Riesenplaneten also am Jupiter, denn der Effekt ist um so höher je größer die Gravitation ist. Theoretisch denkbar ist auch dass man von Jupiter aus die Sonde in eine Umlaufbahn nahe über die Oberfläche der Sonne schickt. In 1 Million km Entfernung von derer Oberfläche würde sie 514 km/s schnell sein. 1 km/s addiert wären ein Geschwindigkeitsgewinn von 27,8 km/s. Allerdings müsste die Sonde dann gut verpackt sein.

Möglichkeit 4: Niedrigschubionentriebwerke

Während eine Raumsonde ins äußere Sonnensystem unterwegs ist wird sie nicht die ganze Zeit aktiv sein. Sender und Instrumente sind nur zu bestimmten Zeiten aktiv. Daneben wird die Stromversorgung so ausgelegt sein, dass sie genügend Strom bei der Ankunft liefern. Bei RTG sinkt die Strommenge aufgrund des radioaktiven Zerfalls aber ab. Wenn man den Strom den man so übirg hat, über Jahre nutzt um eine Raumsonde mit einem kleinen Ionentriebwerk zu beschleunigen, so verändert das die Geschwindigkeit nicht großartig, aber über Jahre hinweg schon 100 W die einen Ionenantrieb mit 70% Wirkungsgrad und 25 km/s Ausströmgeschwindigkeit speisen würden ein 500 kg schwere Sonde um 353 m/s pro Jahr beschleunigen. Über 10 Jahre kommen so 3,53 km/s zusammen. Bei einer niedrigeren Ausströmgeschwindigkeit sind es sogar noch mehr.

All together Now

Man kann das natürlich kombinieren. Das habe ich schon mal skizziert und sieht so aus:

25.11.2013: Die GTO-Performance der Falcon 9

Nun steht ja mit einwöchiger Verspätung der Start von SES 8 an. An dieser Stelle daher zuerst noch eine Nachlese zu dem letzten Start. Genaueres von der Erststufe und ob man was geborgen hat und wenn ja wie viel und wie ganz gibt es nicht, geschweige den Bilder. Die gibt es nur im Erfolgsfall. Immerhin hat SpaceX nun eine Erklärung für das ausbleibende Zünden des Merlin im Vakuum präsentiert worden. Der Treibstoff (Kerosin) sei in den Leitungen zumindest teilweise festgefroren und das hat das Abschalten verursacht. Die Ursache ist der kalte Sauerstoff der zum Unterkühlen der Leitungen geführt hat. Das wäre am Boden durch die wärmende Atmosphäre nicht vorgekommen. Nun wolle man isolieren.

Andere Raumfahrtfirmen isolieren immer ihre Leitungen, auch für am Boden gezündete Stufen, schließlich müssen die Leitungen an der Außenseite oder durch einen Tank geführt werden und die Flüssigkeit darin ist dann immer zu kalt oder zu warm je nachdem wie man die Tanks angeordnet hat.

Etwas mysteriös bleiben auch die 12 Objekte neben der Stufe in der Umlaufbahn. Das soll Isolationsmaterial sein. Die Frage ist, warum Isolationsmaterial erst im Orbit freigesetzt wird (gibt es bei keiner anderen mir bekannten Stufe) und ob das freigesetzte Isolationsmaterial nicht ursächlich mit einer nicht wiederzündenden Stufe, die nicht isoliert ist, zusammenhängt. Da einige Teile schon wieder verglüht sind müssen sie ein relativ hohes Flächen/Gewichtsverhältnis haben. Von den freigesetzten Nutzlasten, besonders von Cassiope hat man seitdem nichts mehr gehört.

Nett ist auch das im aktuellen Launchkit die Brennzeiten nur in Minuten angegeben sind. Ach das erinnert mich doch an CRS-2. Nachdem im Launchkit von CRS-1 die Brennzeit auf die Sekunde genau war ein ein Triebwerk ausfiel, hat man beim CRS-2 einfach die Brennzeit nur noch in Minuten angegeben. Egal wie man zu SpaceX steht, sie haben definitiv den höchsten Unterhaltungsfaktor in der Raumfahrtindustrie.

Doch kommen wir zum heutigen Hauptthema, der GTO-Nutzlast der Falcon 9, und zwar diesmal auf Basis der offiziellen Werte. Sie nach der Website beträgt 4.850 kg. Doch das ist die Nutzlast in einen Standard GTO mit einer Bahnneigung von 28,8 Grad. Relevant ist aber heute die GTO-Nutzlast mit 0 Grad Inklination. Diese bieten Arianespace und Sealaunch aufgrund geographischer Vorteile, ILS gibt sich mit komplizierten Korrekturen Mühe diesen "Ariane-kompatiblen" GTO zu erreichen. Für einen Satellitenbetreiber ist das nicht unwichtig, denn der Geschwindigkeitsunterschied zu einem GTO mit einer Bahnneigung von 28,8 Grad (Cape Canaveral ohne Inklinationsabbau) beträgt über 370 m/s, was bei einem Typischen Energieaufwand für das Station-Keeping, also Beibehaltung der Orbit-Position von 50 m/s rund 7 Jahren Betriebsdauer entspricht.

SES-8 wiegt nach dem offiziellen Launchkit  3.138 kg, also weitaus weniger als die maximale Nutzlast von 4.850 kg. Trotzdem hat sich SES alle Reserven zusichern lassen, einen Bergungsversuch wird es also nicht geben. Das verwundert doch, ist die Nutzlast nicht mal 2/3 der angegebenen Maximalnutzlast. Nun der Orbit liefert einen Aufschluss: Es wird ein 295 x 80.000 x 20,75 Grad GTO sein. Die Falcon 9 wird erst mal eine Parkbahn einschlagen und nach 26 Minuten wird bei einer zweiten Zündung dann das Apogäum angehoben und die Inklination abgesenkt. Etwas verwirrt hat mich das relativ hohe Perigäum. Energetisch sinnvoll ist ein niedriges Perigäum. Manche Träger erreichen nur hohe Perigäen, vor allem wenn die Stufen lange Brennzeiten haben wie dies bei der Ariane 5 ES der Fall war, aber auch bei der Delta 2. Die Falcon 9 hätte ich da nicht einsortiert. Aber das könnte eine Erklärung sein. Ein zweite Grund kann das Anheben des Perigäums durch eine lange Betriebszeit der Oberstufe sein, doch angesichts deren hohen Schubs sollte auch das nicht vorkommen.

Energetisch hat ein Satellit auf diesem Orbit eine Geschwindigkeit von 10.531,3 m/s. Die Inklinationsänderung, die parallel durchgeführt wird, addiert weitere Geschwindigkeit. Ausgehend von einer 295 km Kreisbahn sind dies 3056 m/s. Ein GTO-Orbit ohne Inklinationsabbau hat nur ein ”V von 2427,3 m/s. Das sind also 628 m/s mehr. Er ist mit einem Geschwindigkeitsbedarf für den Satelliten um den GEO zu erreichen von 1511,1 m/s, vergleichbar mit dem Energiebedarf denn ein Satellit mit einer Inklination von 9,3 Grad haben würde. Bei der bisherigen Rekordnutzlast der Ariane 5 V212 mit 10317 kg lag er mit 1490,5 m/s Differenz nochmals etwas niedriger. Die meisten Ariane 5 Orbits sind bei kleinerer Nutzlast sogar noch besser (kleinere Inklination).

Die Frage ist: hat die Falcon 9 noch Reserven zusätzlich zu SES-8? Da man nun Schub, spezifischen Impuls und Brennzeit der Oberstufe (801 kN,375 s 342s*g) kennt kann man deren Treibstoff zu 89.530 kg berechnen. Setzt man eine realistische Trockenmasse von 5 t an, so bedeuten die 628,7 m/s mehr eine Reduktion der Nutzlast von 4,85 auf 3.167 t, sofern die Leistung nur von der Oberstufe aufgebracht wird (eine bei nur 1,5 t geringerer Startmasse, nicht mal 0,3%, realistische Annahme). Das ist verdammt nah an den 3,138 t von SES-8.

Warum die starke Abnahme? Nun es ist die Kombination eines mittelenergetischen Treibstoffes (Nutzlast nimmt bei höheren Geschwindigkeiten schneller ab, als bei einer hochenergetischen Kombination) und einer nur zweistufigen Rakete. Da die Gesamtnutzlast für den Orbit aus der Leermasse und dem Satelliten besteht und nur der letztere leichter werden kann, nimmt die Nutzlast für SSGTO rasch ab. Hier machen 628 m/s eine Reduktion von 9.850 auf 8.167 Gesamtnutzlast also 17%. Der Satellit wird aber um 24,3% leichter. Rechnet man extrem leichte 4 t als Leermasse, so wird's etwas besser (3.39 t),

Was folgt daraus? Nun primär das in der derzeitigen Version die Falcon 9 nicht die große Konkurrenz ist, als die sie SpaceX anpreist. Sie kann nur leichte Satelliten starten und inzwischen kann auch die Proton zwei 3 t Satelliten zusammen starten. Dann fällt der Preisvorteil weg (für die Proton wurden bei den letzten Starts 104 bis 120 Millionen Dollar genannt, halbiert ist das genauso viel wie die Falcon 9 kostet). Die zweite Möglichkeit ist das ein Anbieter sich darauf einlasst. Das er freiwillig die Lebensdauer seines Satelliten halbiert wird wohl nicht vorkommen, also wird er wohl die Treibstofftanks vergrößern. Das wäre auch der technisch bessere Weg. Wenn der Satellit im Apogäum die Inklination abbaut, so kostet ihn das weitaus weniger Treibstoff als die Rakete. Damit könnte man 4,4+ t in einen Ariane 5 kompatiblen Orbit bringen.

Eine Nachlese zum Starts wird es erst in einigen Tagen geben. Ich habe ab Mittwoch wieder bei einem Kunden zu tun, und da der Termin schon längere Zeit grob feststand (hat sich nochmals um zwei Tage verschoben) füllen den Michael K und Niels, die wie ich sehe schon Blogs für die ganze Woche online gestellt haben. So könnte das dauernd sein....

3.12.2013: Das wird teuer

Bevor ich mit dem heutigen Blog beginne, erst mal einen herzlichen Dank an meine Gastautoren, die die letzte Woche gefüllt haben. Es ist eine ganz tolle Erfahrung, jeden Tag mal im eigenen Blog vorbeizuschauen und einen Beitrag zu sehen den man nicht kennt. Von der eingesparten Zeit mal ganz zu schweigen. Ich habe ja die stille Hoffnung das das mal ein Dauerzustand wird und ich nicht mehr als die Hälfte aller Beiträge schreibe. Meiner Ansicht nach müsste das spielend klappen, wenn nur jeder, den ich hier häufig beim Kommentieren sehen einen bis zwei Beiträge pro Monat schreibt. Außerdem warte ich immer noch auf den ersten Pro-SpaceX Artikel, aber deren "Jünger" wie das nun ja heißt (ich benutze angesichts der Informationspolitik, die mich an kommunistische Zustände erinnert, ja eher den Ausdruck "Genossen") tummeln sich ja nur in Foren.

So nun zum heutigen Thema. Es geht - wenn auch etwas verspätet um den Koalitionsvertrag. Der wird teuer und das habe ich schon vor den ersten Gesprächen gewusst. Denn wie verlaufen Koalitionsgespräche? Man einigt sich über die Dinge, die man in den nächsten 4 Jahren machen will. Da jede Partei (mit Ausnahme der Grünen) im Wahlkampf nur Vorhaben angekündigt hat, die Geld kosten ist doch klar, dass wenn drei Parteien ihre Vorhaben abklären müssen es teurer wird als bei einer Partei.

Das wiesen wir schon vor der letzten großen Koalition. Da sage ich nur "Mehrwertsteuer". Die CDU wollte 2% mehr, die SPD 1% mehr. Wie einigt man sich? Man zählt beides zusammen und erhöht um 3%....

Bei den Koalitionen von großer Partei und kleiner Partei ist klar, das die Kleine nicht viel durchsetzen kann. Die FDP war da ein toller Koalitionspartner, denn sie vertritt nur einen kleinen elitären Kreis von Reichen und Besserverdienenden. Deren Forderungen nach Steuererleichterungen für Hoteliers oder der Praxisgebühr für die Ärzte konnte man leicht zustimmen, und wenn die Industrie keine Ökozulage zahlen wollte, dann legte man sie auf die Bürger um, der sieht ja nicht wie die aufgeschlüsselt ist und er doppelt so viel zahlt wie er ohne die "Reformen" der FDP müsste. Aber es waren eben keine teuren Vorhaben wie Rentenreform oder Gesundheitsreform.

Umgekehrt ist die Linke als Koalitionspartner untragbar, weil ihr bedingungsloses Grundeinkommen unfinanzierbar ist und sie davon nicht abrücken. Das ist ein anderes Thema ich habe mal das Papier studiert und mit sträubten sich die Haare, vielleicht greife ich es mal auf.

Schwer wird es für alle Parteien, weil die meisten von ihnen "Flügel" haben, die selten nachgiebig sind. In der CDU sind das die konservativen, rechtsgerichteten, in der SPD die Linken und bei den Grünenhaben sie sogar eigene Namen: dort heißen sie Fundis und Realos. Welche Folgen es hat, wenn ein Flügel seine Forderungen nicht umgesetzt bekommt sieht man ja an der Koalition Grüne/SPD. Noch heute hört man vom Fundiflügel, das man das grüne Programm aufgegeben habe. Und wenn wie in BW der grüne Ministerpräsident sogar bei CDU-Anhängern beliebt ist, dann ist das schon sehr verdächtig.

Dabei ist es nur natürlich das man als kleiner Koalitionspartner mit einem Viertel bis Drittel der Stimmen der größeren Partei, nicht alle Punkte durchbringt und wenn man den Anspruch hat die ganze Republik auf eine ökologische Wende zu trimmen, dann schafft man das nur wenn so etwas wie Fukoshima passiert und sich die allgemeine Stimmung ändert.  Daher achten alle drei Partien in den Koalitionssprächen drauf ihre radikalen Außenflügel zu bedienen.

Nun haben wir drei Parteien die 255, 56 und 193 Stimmen haben, also zwei fast gleich großen und einem Juniorpartner (CSU). Erstaunlicherweise hat gerade dieser alle seine teilweise absurden Wahlversprechen durchgeboxt, wie die Maut für Ausländer, Pardon, da Merkel ja öffentlich geragt hat, die käme nicht, heißt das jetzt "Mitbelastung der ausländischen Kraftfahrzeughalter". Nun ja die CSU ist die moderne FDP, sie vertritt die Interessen einer kleinen Splittergruppe, der Bajuwaren, das sind in einem eigenen Freistaat unterbrachten Ureinwohner Bayerns. In anderen Bundesländern erreichte die Partei daher auch 0% der Wählerstimmen.

Bei den anderen beiden ist es nun so, wie man es erwarten kann, wenn man einen Monat verhandelt hat und nicht vorwärts gekommen. Die Spitze geht die Programme durch nach dem Motto: "Einen Punkt von mir", einen Punkt von Dir". Und da in keinem der beiden Wahlprogrammen etwas von Steuererhöhungen und Rückzahlung der Schulden steht kommt dann so was raus. Nun darf nun in den nächsten 4 Jahren keine Krise kommen. Denn erinnern wir uns an die letzte woe die große Koalition an der Macht war: da hat man das Geld rausgehauen wo es nur ging. Abwrackprämie für Autos, Geld für die Banken. Die USA haben wenigsten die faulen Papiere bekommen und sie nun nach einigen Jahren mit Gewinn verkauft. Aber unsere Politiker sind eben nicht blöd, nee die sind strunzdoof und vor allem völlig abhängig von der Lobby.

Ändern wird sich nichts, denn eines haben alle Parteien gelernt: Wenn man wie bei den Grünen nicht Geschenke verspricht, dann verliert man die Wahl. Und nur darum geht es, nicht darum das es Deutschland besser geht.

4.12.2013: Ich kotz ab

Eigentlich war ich gerade beim Schreiben des nächsten Blogeintrags über die ISS und Marsmissionen, da schaue ich nebenbei "Quarks und Caspars" an. Schon nach wenigen Minuten habe ich aufgehört zu schreiben. So viel Unsinn wie in den ersten Minuten kam, habe ich in vielen Jahren nicht gehört und das bei einer Sendung die bisher noch zu den besseren des immer schlechter werdenden Wissenschaftsfernsehens zählte, Es ging in der Sendung, wie der Name schon sagt um "Kalorien". aber wie wird das Wort benutzt. Schon am Anfang geht die Sprachschluderei los. "Mandeln enthalten 585 Kalorien". Interessant. Ein Lebensmittel enthält also eine Maßeinheit. Okay, dann müssen wir in Zukunft vieles anders bezeichnen wie z.B. "Der Swimming Pool enthält 26 Grad Celsius" oder "Ute enthält 1,65 Meter". Das man in den Medien Kalorien sagt und Energie meint, bin ich ja gewohnt, aber selbst Energie kann ein Lebensmittel nicht enthalten, sondern es hat einen Brennwert von .... Kalorien. Wie der erste Beitrag schon erläutert (Unterschied zwischen physikalischem und physiologischem Brennwert) kann man nicht die Energie nehmen, denn die ist fest, während der Brennwert von der Meßmethode abhängt. In jedem Falle enthalten Lebensmittel aber keine Energie, sondern Nährstoffe und die setzen bei der Verdauung Energie frei. Energie enthält vielleicht noch eine Batterie, wo man sie wirklich direkt gewinnen kann.

Nach dem ersten Beitrag hoffte ich auf eine Besserung, als der Moderator sagte "Wenn wir von Kalorien reden, dann ist das nicht ganz richtig". Doch die Enttäuschung kam im nächsten Satz "Gemeint sind immer Kilokalorien". So so, also nicht mal die Höhe richtig angeben. Er hat sich dann noch kurz darüber ausgelassen, das die offizielle Einheit das Joule ist. "Das hat sich aber im Alltag nicht durchgesetzt, weil es so einen krummen Umrechnungsfaktor hat". Falsch. Andersrum wird ein Schuh draus. Ich habe in der Schule 5 Jahre Ernährungslehre und Biochemie gehabt und bin mit Joule aufgewachsen, rechne immer nur in Joule, komme aber auch mit den Kalorien zurecht. Nur weil die Medien sich beharrlich weigern, die offizielle Einheit, die ja in Lehre und Wissenschaft seit einigen Jahrzehnten verwendet wird zu übernehmen hält sich die Kalorie so lange. Eine Einheit setzt sich dann nicht durch wenn man so tut als wäre sie die falsche Einheit. Es geht ja nur um eine Energieeinheit. Der Bezug zu jeder Person ist sowieso individuell. Eine Frau wird wenn sie klein und schlank ist und einen Bürojob hat weniger als 8000 kJ pro Tag benötigen. Bei einem Mann der schwer arbeitet können es leicht 15.000 sein. Das unterscheidet die Kalorie vom Celsius, die durch zwei physikalische Fixpunkte festgelegt wurde, nämlich dem Gefrier- und Siedepunkt von Wasser. Daher können wir sofort jede Temperatur zuordnen und wissen, das 25°C angenehm warm sind und -10°C saukalt. Aber ob eine Mahlzeit mit 3000 kJ viel meines Tagebedarfs deckt oder wenig, das hängt von mir als Person ab.

Es ist auch nicht so, dass die Kalorie irgendwie besonders mit den Nahrungsmitteln zusammenhängt, danach definiert wurde, also einen direkten Bezug zu ihrem Gehalt an Nährstoffen hat. So haben Kohlenhydrate und Eiweiß einen Brennwert von 4,1 kcal/g. Fett einen von 9,3 g. Wenn man es so festgelegt hätte, das 1 g Eiweiß/Kohlenhydrate 1 kcal als Brennwert hätten, dann hätte ich das Festhalten an der Einheit noch einen nachvollziehbaren Grund.

Die Sendung wurde dann etwas besser und es ging mehr um den unterschiedlichen Brennwert im Alter, dass man von Fast-Food nicht satt wird etc. Ich könnte es jetzt so machen, wie die Mitglieder eines Forums wo es heißt "auf Seite x ist bei Bernd Leitenberger ein Fehler, deswegen taugt das ganze nichts". Vor allem, wenn Caspars als Moderator dran war wurde es schlimm, da wurde sogar als Erkenntnis verkauft "Kalorien alleine machen nicht satt". Ich bin versucht, ihn mal als Aufgabe zu geben, 100 Kalorien zu kaufen/besorgen etc. Vielleicht erkennt er ja dann den Irrtum.

Ich würde wenn ich in der Redaktion dieser Sendung säße oder gar der Moderator wäre, den Anspruch haben, es richtig zu machen und als Vorbild fungieren. Das bedeutet, man verwendet Kilojoule und erklärt nur am Anfang, das viele noch in Kalorien rechnen. Dazu gehört auch, dass man nicht Einheit mit Messgröße verwechselt. Also man spricht von Energie, bzw. wenn man davon reden will, das Nahrung etwas "enthält" dann sollte man sagen, das dies eine Sprachschluderei ist, die aber leider gängig ist. Ich halte es in meinen Büchern so, da findet man Kilojoule und wird von Energie gesprochen.

Schlimm ist, das diese Schluderei offiziell abgesegnet ist. Die EU hat die Verwendung der Kalorie als Angabe auf Verpackungen mehrmals verlängert, zuletzt mit der Begründung man wolle den Export in Drittländern nicht behindern. Ich habe sechs Bücher über Ernährungslehre, in fünfen wird primär von Kilojoule gesprochen, Kalorien als zweite Einheit genannt, eines verwendet nur Kilojoule. Mein Wunsch wäre, das man diese Doppelverwendung endlich aufgibt, sowohl seitens der Verpackungen wie auch Lehrbüchern.

Woran man wohl nichts ändern kann ist, das wenn von Ernährung heute im Fernsehen die Rede ist, das von Köchen kommt. Alleine schon wegen der inflationär sich vermehrenden Kochshows. Und da Köche ja immer betonen müssen, wie gesund ihr Essen (angeblich) ist, wird da mit Kalorien nur um sich geworfen. Dabei haben Köche von Ernährungslehre und Lebensmittelkunde in etwa so viel Ahnung wie Metzger von der Artgerechten Haltung von Schlachtvieh.

Zurück zum Moderator: Wie ernst es ihm ist, zeigt sich in seinem "Selbstversuch". Es gibt das Konzept "5+2" oder für die die nicht so viel anstreben "6+1". Die Idee: an einem oder zwei Tagen in der Woche fasten, d.h. wenig essen. In den anderen Tagen isst man normal. In einer Studie nahmen Teilnehmer netto ab, weil sie zwar an den anderen Tagen mehr aßen, aber insgesamt über die Woche die Gesamtenergiezufuhr geringer war und zahlreiche Stoffwechselparameter, die man im Blut bestimmte wie HDL/LDL Quotient, verbesserten sich. Caspars machte das genau 1 Woche lang. Bei einer so kurzen Dauer ist jeder messbare Effekt jedoch Zufall, das ganze wird auch als dauerhafte Ernährung prognostiziert. Das wäre wie wenn ich ein Diätkonzept zum Abnahmen nach einer Woche validieren und dann meine Schlüsse draus ziehen würde. Da der Körper Wochen braucht um sich an stark veränderte (nicht kurzfristige) Änderungen der Nährstoffzufuhr anzupassen kann man nach einer Woche rein gar nichts gesichertes sagen.

Mein Tipp: Ändert den Titel der Sendung in "Quarks und Kasperle".

5.12.2013: Wie nützlich ist die ISS für Marsmissionen?

Lange ist es her, da wurde die ISS als der erste Schritt für weitere Expeditionen angepriesen, so nach dem Motto: "Wir investieren jetzt in die ISS und sparen später Kosten bei einer Marsmission". Nun preist das heute keiner mehr, doch da die ISS nun ja schon 15 Jahre im Orbit ist und es der eine oder andere schon vergessen hat mal der Faktencheck. Also in wieweit könnte die ISS hilfreich sein für eine Marsexpedition?

Aufenthaltsdauer: Also was fällt da mal spontan ein. Was die ISS mit einer Marsmission verbindet ist, dass die Besatzung lange im Weltall bleiben kann. Eine Marsmission dauert fast drei Jahre. Man könnte sich also langsam in einer Erdumlaufbahn sich dieser Dauer annähern und anders als bei einer Marsmission die Astronauten schnell wieder zurück zur Erde bringen, wenn sich der Gesundheitszustand drastisch verschlechtert, von einer nötigen Operation mal ganz zu schweigen. Doch davon ist nicht die Rede. Geplant waren Aufenthalte von 90 Tagen. Durch den Wegfall des Space Shuttle als Transportmedium sind nun 180 Tage die Regeldauer. Doch das ist kurz gegenüber den Rekorden, die die russische Raumfahrt schon in den Achtzigern und frühen Neunzigern aufstellte. Damals allerdings nicht nur aus Rekordsucht, sondern weil man Geld sparen wollte. Einen Rekord gab es z.B. als nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion man nicht das Geld hatte, eine Sojus zur Mir zu schicken um die Besatzung abzulösen. Es ist nicht vorgesehen die Aufenthaltsdauer auf der ISS langsam zu steigern und sich den drei Jahren zu nähern. In Diskussion sind seitens der Russen 1 Jahr, doch auch wieder um Geld zu sparen und wieder mehr Touristen zu befördern.  Es fehlt auch eine adäquate Umgebung. Stand der heutigen Erkenntnis, würden die Astronauten 3 Jahre nicht überstehen. Sie würden sich beim Wiedereintritt alle Knochen brechen und hätten zu wenig Muskeln um aufzustehen. Als bestes Mittel dagegen sieht man heute eine künstliche Schwerkraft an. Eine riesige Zentrifuge bräuchte man dazu. Doch so etwas war für die ISS nie geplant und ist nicht geplant. Selbst das Zentrifugenmodul, mit einer kleinen Zentrifuge für Versuche an Tieren und Pflanzen, hat man gestrichen. So werden die Erkenntnisse die man für einen Marsflug aus medizinischer Sicht gewinnen kann, gleich 0 sein.

Autarkie: Eine Marsexpedition muss drei Jahre ohne Versorgung auskommen. Das bedeutet man sollte das mal vorher erproben, vor allem Systeme die Ressourcen zurückgewinnen wie Wasser oder Sauerstoff. Von den schon an Bord der Mir gemachten Versuchen etwas anzupflanzen mal ganz zu schweigen. Die ISS ist hinsichtlich Aufbereitung von Luft und Wasser weiter entwickelt als die Mir. Sie gewinnt mehr Wasser zurück, doch bei den Gasen ist man noch nicht so viel weiter gekommen. Da ist noch einiges zu tun um z.b. aus Wasser und Kohlendioxid wieder Sauerstoff und Methan zu gewinnen. Das Methan kann man als Treibstoff nutzen. Das gilt aber auch für andere Dinge. So transportieren die Transporter jede Menge Ersatzteile und neue Hardware zur Station. Solange die Station so versorgt wird wie heute, wird das nichts. 2012 legten vier Progress-Transporter, zwei Dragon und je ein HTV, ATV an. Bei 2,5 t für jeden Progress, 5,5 t für das HTV, 7 t für das ATV und 1 t für die Dragon sind 24,5 t Versorgungsgüter pro Jahr. Das wären bei drei Jahren rund 72 t. um die zum Mars zu transportieren müsste man etwa 250 t in eine Erdumlaufbahn befördern. da einiges davon noch gelandet und für den Flug zur Erde weiteren Treibstoff braucht ist es in Wirklichkeit noch mehr. Die ISS kommt ja heute nicht mal einige Monate ohne einen Transport aus. So wird es nichts mit einer Marslandung.

Räumliche Beengtheit: Die ISS ist riesig und zwar nicht nur in den Ausmaßen, sondern auch im internen Volumen. Sie ist nicht so gebaut wie Skylab, das man tolle Kunststücke machen kann, aber die Besatzung hat mehr Raum als in jeder Raumstation vorher. Diesen Luxus wird man sich nicht bei einer Marsexpedition leisten können. Nach NASA-Angaben braucht eine Besatzung, damit ihre Arbeitskraft nicht leidet weitaus weniger als 20 m³ Volumen pro Person, das ist so wenig, das selbst die Saljuts geräumiger waren. Das deckt sich übrigens mit dem Raum den U-Bootbesatzungen im zweiten Weltkrieg zur Verfügung hatten. Beim Langstrecken U-Boot Typ IX gab es bei rund 1200 t Wasserverdrängung 48 bis 60 Mann Besatzung und von dem Raum ging jede Menge für Torpedos, Ballastwassertanks, Diesel und Batterien ab. Die waren auch 3 Monate auf See. So gesehen sind heutige Astronauten echte Warmduscher. Da die räumliche Enge aber auch psychische Probleme mit sich bringt sollte man unter den Bedingungen trainieren, die auch tatsächlich in einem Marsraumschiff vorherrschen. Auf der Erde gab es bei den simulierten Marsmissionen der ESA auf jeden Fall bei mehr Enge ziemliche Probleme zwischen den Besatzungsmitgliedern und auch der "Missionsleotung".

Zusammenbau: Ein Argument war ja, dass man im Erdorbit größere Strukturen zusammenbauen kann. Wenn wir z.B. eine Wohnung auf dem Mars landen wollen, so wäre wünschenswert, dass diese möglichst groß und flach ist. so kann man sie wirkungsvoll von einem Hitzeschutzschild abbremsen. Da setzen heute Trägerraketen mit ihren Nutzlasthüllen Grenzen. Im Orbit zusammengebaut wäre es einfacher. Doch das wird bei der ISS nicht trainiert. Die einzigen Einsätze die es gibt, ist das Verbinden von Kabeln an der Außenseite nach Ankunft eines neuen Moduls und kleinere Reparaturen, aber keine Fertigung wie Zusammenschweißen oder das Zusammensetzen großer Module mit zahlreichen Verbindungen und Sperrigkeit oder ähnliches. Wenn man auf das verzichtet, so wird man die einzelnen Module wohl so koppeln wie heute schon ein ATV mit der ISS verbunden wird - automatisch. Dazu wird man keine ISS brauchen.

Kosten: Es gibt sogar einen Punkt der gegen die ISS spricht: sie kostet Geld. im Finanzjahr 2013 nach den Schätzungen der NASA 3007,6 Millionen Dollar und dazu 829,7 Millionen für Commercial Spaceflight der ja nur für die ISS benötigt wird. So sind wir bei 3,83 Milliarden Dollar. Diese Summe fehlt natürlich im Budget. Man könnte sicher nicht damit eine Marsexpedition finanzieren, aber sie beschleunigen. Für die Exploration Systems, so heißen bei der NASA SLS und MPCV (Orion) gibt sie mit 2,77 Milliarden Dollar weniger aus. Das bleibt auch in Zukunft so.

Konstruktion: Von der Konstruktion her gibt es kaum Gemeinsamkeiten zu einer Marsexpedition. Die ISS wurde in vielen Modulen im Erdorbit zusammengebaut und ist eine reine Raumstation. Für dei Marsexpedition wird man nur eine kleine Station haben um Gewicht zu sparen, vielleicht von der Größe eines Moduls. Die Herausforderungen liegen hier auf dem Habitat auf der Oberfläche, der Mobilität auf dem Mars, der Landung und des Rückstarts. Eine Orbitalstation ist so einfach, das die USA eine aus den Ersatzteilen des Apolloprogramms entwickelten (Skylab) und selbst die Chinesen haben schon eine eigene Raumstation.

Kurzum : Für eine Marsexpedition ist die ISS weder nützlich noch die Erfahrungen die man an Bord macht. Stattdessen verschiebt ihre Existenz eine Marsmission weiter in die Zukunft.


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