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Web Log Teil 376: 16.3.2014 - 20.3.2014

16.3.2014: All Electric Satellites - rechnen wir es durch

Inzwischen gibt es einige Details mehr zu den "all Electric Satellites", von denen vier von SpaceX gestartet werden, weitere sind von der US-Regierung geordert worden. Die Daten sind jedoch spärlich, aber ich fasse sie mal zusammen:

So, nun zu weiteren bekannten Informationen. Das sind folgende:

So, nun zu einigen Berechnungen. Basierend auf einem Gesamt-dV von 2550 m/s (1500 m/s+20% + 750 m/s), acht Monate Betrieb über 50% der Zeit und 1814 kg Startmasse kann man einen Schub von 0,446 N annehmen wenn sich die Masse nicht ändert. Bei etwas längerer Betriebsdauer und Berücksichtigung, dass die Masse abnimmt, könnte man das Manöver also nur mit den beiden schon vorhandenen Triebwerken durchführen. (0,33 N Schub). Der Strombedarf läge dann bei 9 kW. Der Bus ist für Satelliten von 6-12 kW ausgelegt, das passt also.

Der Treibstoffbedarf inklusive 15 Jahre Station Keeping mit 50 m/s) kann man auf 171 kg berechnen. Das macht Tanks von 35 kg Gewicht nötig. Mit Triebwerken kommt man dann auf eine Masse von 250 kg bis 300 kg. Rund 1500 kg sind also reine Nettomasse des Satelliten ohne Antriebssystem.

Bei m kleinsten konventionellen System (4700 kg Startmasse, 2950 kg Orbitmasse) braucht man für 15 Jahre Station Keeping 534 kg Treibstoff, was den Gesamttreibstoff auf 2320 kg anhebt, das sind mit Tanks, Druckgas und Triebwerken mindestens 2800 kg für das Antriebssystem - die Bruttomasse beträgt dann 1900 kg.

Also der neue HS-702SP ist nicht vergleichbar mit dem 702, er ist trotz Ionenantrieb leichter als die erste Generation des 702(, von der aktuellen mit 6100 bis 6700 kg Startmasse ganz zu schweigen).

Was aber interessant ist: es reichen die schon vorgesehenen Triebwerke für das Station Keeping für das Anheben aus, genauso wie die normale Stromversorgung die sonst die Sender speist, man muss sich nur genügend Zeit lassen. Was offen ist ist die Bahn. Chemische Triebwerke zünden mehrmals kurz im Apogäum und heben nur das Perigäum an. Ionentreibwerke arbeiten viel länger und daher auch näher bei der Erde, wo sie Perigäum und Apogäum anheben. Den Defekt kann man leicht auf dieser Abbildung sehen, welche die Bahn von Smart zeigt. Auch er wurde in einem GTO entlassen. Aus technischer Sicht wäre es daher besser die Satelliten nicht in den GTO zu entlassen, sondern einer subsynchronen Umlaufbahn, da die Bahn sowieso angehoben wird.

Freuen wird die All-Electric Plattform SpaceX und ILS. Die rund 750 m/s für Inklinationsänderungen fallen kaum ins Gewicht bei einem so effizienten Treibstoff.  Der geografische Vorteil vom CSG oder einem Sealaunch Start ist damit nicht mehr so relevant. Bei der normalen Falcon 9 kostet er diese z.B. ein Drittel der Nutzlast. Bei der Proton sieht es ähnlich aus.

Der nächste Schritt dürfte es sein die Satelliten gar nicht erst in den GEO auszusetzen. schließlich nimmt bei den meisten Trägern die Nutzlast auf die Hälfte bis 40% der LEO-Nutzlast ab. Da man im GTO sowieso die beiden Van Allen Gürtel durchquert fällt schon mal dieses lange benutzte Argument gegen Ionentriebwerke weg. Sinnvoll wird man sie in einer stabilen Umlaufbahn (> 400 km Höhe, besser > 500 km) aussetzen und von dieser dann hochspiralen. Dann braucht man nicht 2550 m/s sondern bis zu 6000 m/s Differenz (mit Inklinationsänderung), aber das kann man mit 5 anstatt 2 Triebwerken und einer Leistung von 22,5 kW kompensieren. Das bedeutet nur ein Zusatzgewicht von 150 kg. Ein etwa 2 t schwerer Satellit im LEO wäre dann mit einem 3,4 t schweren Exemplar im GTO vergleichbar, der bei gängigen Trägern einem Start von 8 t in den LEO entspricht. Technisch spricht nur eines dagegen: Da der Satellit nun nahe der erde ist benötigt man viel mehr Empfangsstationen für die Telemetrie wenn man eine 100%-Abdeckung haben will. Die Lösung wäre es entweder darauf zu verzichten z.B. nur einmal pro Orbit Daten zu übertragen oder die Nutzung der TDRS-Satelliten für kommerzielle Satelliten. Als Vorteil hat der Satellit eine Stromversorgung die viel mehr Leistung als heutige haben, dann fallen auch Verluste durch das Durchqueren der Strahlungsgürtel nicht ins Gewicht und man könnte mit etwas mehr Treibstoff die Lebensdauer auf weitaus mehr als die heute üblichen 12-15 Jahre verlängern, wenn nicht andere Systeme die Grenze setzen oder man dann sowieso einen neuen Satelliten starten will.

Vom Gewicht her also eine enorme Verbesserung. Es gibt nur ein kleines Aber ... Die Satelliten sind nun zu leicht! Derzeit sind nur zwei Starts geplant. SpaceX wird je zwei dieser Satelliten auf einmal starten. Einzeln kann eine Falcon 9 gerade mal 3-3,5 t in den GTO bringen. Das ist ein heute eher leichter Satellit. Das bedeutet dass man schon nnur beim Übergang GTO in GEO bei kleinen Trägern Doppelstarts durchführen muss (mit dem Problem der Paarung) und bei Proton oder Ariane man schon zu dreifach oder gar vierfach-Starts übergehen müsste, Selbst die neu entwickelte Ariane 6 wäre zu groß. Stattdessen bräuchte man wieder Träger wie die alte Delta II oder die Antares wäre hier sinnvoll einzusetzen, doch diese sind recht teuer und damit wäre die Einsparung bei den Startkosten wieder zunichte gemacht. Würde man vom LEO direkt in den GEO gehen, so würde es für die ESA reichen die Vega leicht in der Nutzlast zu steigern und sie bräuchte keine Ariane 6, selbst die Sojus würde dann Nutzlaste iner Ariane 5 transportieren können.

17.3.2014: Foodwatch

Vor zwei Wochen bekam ich eine Anfrage eines Foodwatch Mitarbeiters. Ob ich den Informationen über Separatorenfleisch hätte. Diesbezügliche Anfragen bei Herstellern würden nämlich nicht beantwortet. Das habe auch ich vorgezogen, denn ich halte von dem Verein nichts und deswegen greife ich ihn mal auf. Fangen wir mal an mit dem Separatorenfleisch. Ich kann gut verstehen, warum die Hersteller da keine Auskünfte vergeben. Zum einen ist das Thema schlecht besetzt, früher war Separatorenfleisch durch die Herstellungsweise von der Qualität minderwertig. Das ist heute nicht mehr der Fall und es gibt selbst für die Lebensmittelüberwachung keine Möglichkeit es nachzuweisen, wenn erst mal das Produkt erhitzt ist. Vorher hat man noch eine Chance bei mikroskopischer Untersuchung.

Da der Verein, so die Aussage von Aigner "skandalisiert" kann ich mir gut denken, dass man darauf nicht antwortet. Ich halte nichts von Fr. Aigner. Sie war eine miserable Verbraucherministerin, aber sie hat ausnahmsweise mal recht, denn das trifft es genau. Es geht dem Verein nicht primär um den Verbraucher oder bessere Lebensmittel. Es geht um Skandale, um wie es dort heißt, "Kampagnen". Es geht darum im Rampenlicht zu erscheinen. Wenn das nicht möglich ist, wird man sogar angerufen, so habe ich mal im Blog geschrieben dass ich eine Mail von TerraXPress bekommen hatte in der ich mitarbeiten sollten und wo sie auch schrieben das sie mit Foodwatch zusammenarbeiten. Keine drei Stunden später hatte einen Anruf eines Mitarbeiters dieses Vereins. Dabei wurde mir auch klar warum es geht, nämlich nicht um Verbraucheraufklärung viel mehr geht es darum von dem Verein, wahrscheinlich aber einer kleinen Vereinsspitze, festgelegte Ziele politisch durchzusetzen. Sie sehen es vielleicht als Gegenstück zur Industrielobby, ich es als einen weiteren Mitwirken der mir vorschrieben will was ich zu essen habe oder die Verpackungen mit noch mehr Hinweise zupflastern wollen.

Am deutlichsten ist es wenn der Vereinsvorsitzende Thilo Bohde im fernsehen auftritt. Da hat er nämlich meist denselben Gegenpart einen norddeutschen Wursthersteller, der die Industrie vertritt. Er "brandmarkt" dann immer das diese Firma unter anderem auch Schwarzwälder Schinken vertreibt, die Schinken aber aus Norddeutschland stammen. Das ist seiner Ansicht nach Täuschung und muss geändert werden. Das steht sogar bei den Zielen "Dass Verbraucher beim Essen das Sagen haben und wissen, was in Lebensmitteln drin ist. ". Wobei Foodwatch in Anspruch nimmt für alle Verbraucher zu sprechen. Gerade das Beispiel dieses Produktes zeigt aber, das dem nicht so ist. Schwarzwälder Schinken steht für eine bestimmte Herstellungsweise und nicht für eine bestimmte Region. Das wäre bei Parmaschinken der Fall. Es gibt im Schutz von Bezeichnungen verschiedene Abstufungen und da hat Schwarzwälder Schinken die zeithöchste und Parmaschinken die höchste. Das ist auch nicht neu, schon immer gab es Schwarzwälder Schinken der nicht aus dem Schwarzwald stammt. Was Thilo Bohde will, ist das der Schinken nur aus dem Schwarzwald stammt, also die komplette Erzeugung in dieser Region liegt.

Das verbessert zwar nicht das Produkt, aber es verknappt es enorm. Anders als Parma gibt es im Schwarzwald kaum Schweinezucht. Der Schinken würde dann extrem teuer werden, wahrscheinlich teurer als Parmaschinken der schon bis zu 50 Euro/kg kostet. Das ist für das 5.800 Euro Gehalt, das Thilo Bohde einstreicht, sicher kein Problem, aber für andere schon. wer sich beim "Team" umschaut wird dort bei den Beschreibungen was die Leute machen, nur Medienjobs finden, am häufigsten Kampagnen aber kein Fachresort wie "wissenschaftliche Beratung" etc. Wenn man sich dann die Ausbildung der Personen ansieht, sofern sie nicht ein "soziales Jahr" absolvieren, findet man dann Abschlüsse im Bereich Geisteswissenschaften oder Medien wie Theaterwissenschaft, Medientechnik, Politologie. Ich habe nun mal die dumme Vorstellung das man von dem was man bewirken will auch eine Ahnung haben muss. Natürlich wird man in einem Verein nicht nur Fachpersonen finden, aber ein paar sollten es schon sein. So läuft es drauf hinaus das das Team sich was raussucht was ihnen nicht gefällt und sie eine Kampagne dagegen machen. Die mangelnde Fachkenntnis zeigt sich auch in den Fernsehauftritten., So hat in einer WDR Sendung eine ausgebildete Kulturwissenschaftlerin gemeint, sie könne auf einer Packung Cornflakes nicht erkennen wie viel Zucker drin ist, weil neben Zucker es Glucosesirup enthält. Offensichtlich ist sie auch unfähig die Nährstoffkennzeichnung zu lesen, dort stand der Zucker nämlich in Gramm. Nach Ansicht von ihr sollte wohl ganz dick auf der Verpackung stehen "enthält x g Zucker", noch besser aber keiner enthalten sein. Das es auch Cornflakes mit weniger Zucker gibt oder ungesüßtes Müsli ist ihr egal, es geht nur darum bestimmte Dinge die sie nicht möchten, müssen verschwinden. Das ist noch schlimmer als die Industrie, da kann ich wenigstens wechseln wenn es mir nicht gefällt, doch wenn einem von oben vorgeschrieben wird was in Lebensmitteln drin sein soll und was nicht, dann hat man keine Auswahl mehr. Dann gibt es nur noch Cornflakes ohne Zucker und Schwarzwälder Schinken für Premiumpreisen.

Nun ist unbestritten, das ein Verein der nach eigenen Aussagen Druck ausüben will Leute hat die von Medien und Werbung etwas verstehen, aber wenn die gesamte Führungsetage nur aus solchen Leuten besteht dann kommt die Kultur der "Möcht i" raus. Also das gefällt mir nicht, das möcht i haben und das auch und selbiges natürlich auch noch. Es gibt ja niemanden der die Grenzen aufzeigt, Sachverstand einbringt oder nur mal die Grundgedanken des Lebensmittelrechtes verstanden hat. Ich brauche nur auf die aktuelle Homepage schauen und schon sieht man das - derzeit haben sie etwas gegen Genhonig. Nur bezweifele ich dass es keinen Honig ohne Gene gibt, außer vielleicht Kunsthonig, doch wie der Name sagt ist das kein echter Honig. Das mag noch ein Sprachschnitzer sein, der Politologen und Kulturwissenschaftlern nicht auffällt, aber es gibt keinen Honig bei dem man 100% ausschließen kann das keine Bestandteile aus gentechnisch veränderten Pflanzen enthalten sind (das ist wohl gemeint). denn dazu müsste man jeder einzelnen Biene vorschreiben welche Pflanzen sie besuchen darf und welche nicht, etwas was kaum möglich ist.

Was passiert wenn so was um sich greift? Dann machen bald Köche Sendungen über gesunde Ernährung, schreiben Betriebswirtschaftler Bücher über Raumfahrt oder regieren Physiker Länder. Man wagt nicht vorzustellen zu welchen Katastrophen das alles noch führen kann....

18.3.2014: Erinnerung an ein Pleiten-Pech und Pannenprogramm

Ich will heute mal, und vielleicht öfters, an Programme erinnern. Heute geht es um das erste Raumsondenprojekt des JPL: das Ranger Programm. Ranger entstand noch vor dem Apolloprogramm und sollte an drei Programme anschließen, die alle nicht so erfolgreich waren. Die Pioneer 0-2 Sonden gestartet mit der Thor Able erreichten nicht den Mond. Bei Pioneer 3+4 erreichte man mit der zweiten Sonde immerhin den Mond , aber in zu großer Distanz. Zu einem Sondennamen kam es bei den Pioneer Sonden die mit einer Atlas Able gestartet wurden schon nicht mehr, weil keine auch nur einen Orbit erreichte. Die USA hatten 8 Raumsonden zum Mond gestartet, eine weitere am Boden verloren und konnten nur einen Vorbeiflug als Erfolg vorweisen.

Ranger sollte das ändern. Das JPL ging systematisch an das Programm heran. Es waren zuerst zwei Serien vorgesehen. Block I waren Testexemplare, welche die Raumsonde in einem langgestreckten Erdorbit erproben sollten. Block II sollten auf dem Mond aufschlagen und kurz vorher sollte eine Flüssigkeitsgefüllte Kapsel abgebremst werden und dann hart aufschlagen. Sie sollte die Temperatur des Mondbodens bestimmen und nach Mondbeben suchen.

Das JPL hatte zwar schon Amerikas ersten Satelliten, Explorer 1 konstruiert, aber noch keine Mondsonden. Man verfolgte einen an sich intelligenten Ansatz. Anstatt eine Sonde zu konzipieren die zum Mond fliegt dachte man weiter und baute eine Planetensonde. Schließlich wurde schon über Venus- und Marsmissionen diskutiert, und warum das Rad neu erfinden?

Die Trägerrakete war die Atlas Agena B. Erste Angaben von Lockheed über die Performance der Agena B Stufe zeigten, dass die Sonden 34 kg zu schwer waren. Das JPL begann mit einer Schlankheitskur und reduzierte die Strukturmasse, entfernte aber auch redundante Systeme.

Ranger 1+2 waren Block I Sonden. Die Atlas Agena B sollte sie nur in eine langgestreckte Erdumlaufbahn bringen. Anstatt der schweren Kapsel hatten sie einige wissenschaftliche Experimente an Bord. Mit ihnen wollte man die Raumsonden im Flug testen, aber auch Erfahrung bekommen, so mussten die Sonden ja gesteuert werden, es sollte Kurskorrekturmanöver geben etc. Aufgrund von Fehlfunktionen der Agena B verblieben beide Raumsonden in einem niedrigen Erdorbit und verglühten nach wenigen Tagen. Ein Test war daher nicht möglich. Konsequenterweise hätte man nun einen weiteren Flug ansetzen müssen, doch ging man gleich zu den Block II Sonden über.

Als die erste Ranger Block II Sonde im Januar 1962 zum Start anstand, war schon Block III genehmigt, denn nun war das Apolloprogramm beschlossen und man erweiterte das Rangerprogramm um Ranger Sonden die mit Kameras Aufnahmen der Mondoberfläche machen sollten. Das versprach schnelle Erfolge, während die auch beschlossenen Surveyor und Lunar Orbiter Sonden erst noch entwickelt werden mussten.

Ranger 3 gelangte zwar auf eine Mondbahn, doch die Atlas verlor beim Start den Funkkontakt zur Bodenkontrolle, wo die Bahn vermessen und der Brennschluss ausgelöst wurde. Mit dem Autopiloten war die Genauigkeit geringer und die Raumsonde wurde zu schnell. Das konnte der Vorrat an Treibstoff für die Kurskorrektur nicht kompensieren und so verfehlte die Sonde den Mond um 37.000 km. Da die Kurskorrektur auch schieflief war die Distanz sogar noch größer als ohne das Manöver. Vor Erreichen des Mondes fiel zudem die Steuereinheit aus. Es gab keine Daten von der Sonde.

Ranger 4 gelangte auf die korrekte Umlaufbahn, doch nach dem Start machte die Raumsonde keines der vorgesehenen Manöver, fuhr die Solarzellen nicht aus und schlug stumm auf dem Mond auf. Wieder war der Timer/Sequenzer ausgefallen.

Ranger 5 war das letzte der Block I Geräte. Doch beim Ausfahren der Solarzellen gab es einen Kurzschluss und die Batterie alleine reichte nicht bis zum Mond. Noch während des Kurskorrekturmanövers fiel die Batterie aus, die Sonde überkompensierte und verfehlte den Mond um 720 km - wieder stumm, nur den kleinen Sender an Bord der Kapsel konnte man noch verfolgen.

Nach 5 Raumsonden hatte es keinen einzigen Erfolg gegeben. Es gab eine Untersuchung in der zahlreiche Dinge ans Licht kamen. Die Auslegung der Raumsonden wurde kritisiert. Sie waren dadurch unnötig komplex. So brauchte man um zum Mond zu kommen keine Solarzellen, eine Batterie hätte für die 3-4 Tage dauernde Mission gereicht. Anstatt ein automatisches Programm einzusetzen hätte man die Sonde durch Funkkommandos steuern können. Durch die fehlende Redundanz erhöhte man das Ausfallrisiko weiter. Als weitere Störgröße entpuppte sich die von einigen Wissenschaftlern lautstark geforderte Sterilisation der Sonde. Schon bei Tests auf der Erde zeigte eine sterilisierte Kapsel eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit. die Sonde wurde auf 125°C erhitzt und dann in einer Ethylenoxydatmosphäre gestartet. Das Ethylenoxyd konnte zur Brüchigkeit der Isolation von Drähten führten. Für Block III sollte die Sterilisation entfallen.

Block III erhielt die Solarpaneele von Mariner 1+2, welche aus den Ringer Sonden entwickelt wurden, eine größere Batterie, mehr redundante Systeme und die Kapsel entfiel ganz. Stattdessen gab es zwei Größen von Fernsehkameras in zwei Ketten. Eine Kette machte Vollformataufnahmen, die andere tasteten nur die zentralen 7% der Röhre ab, dafür jedoch viel häufiger, dreimal pro Sekunde.

Zwei Jahre nach dem letzten Ranger Block II stand dann der erste Start von Ranger 6, dem ersten Block III Gerät an. Alles klappte bis 18 Minuten vor dem Aufschlag die Kameras aktiviert werden sollten - doch es gab kein Bild. Wie sich zeigte konnte bei der Stufentrennung der Atlas ionisiertes Gas in eine Öffnung in der Nutzlasthülle eindringen und einen Kurzschluss verursachen, auch weil die Raumsonde schon aktiv war. Für die folgenden Flüge dichtete man nun jede Öffnung in der Hülle ab.

Die letzten drei Ranger Block III Geräte Nummer 7-9 (niemals mehr würden die USA so viele Raumsonden eines Typs bauen) erfüllten ihre Mission und übertrugen in weniger als einer halben Stunde mehrere Tausend Aufnahmen zur erde. Bei der letzten Mission war sich die NASA so sicher, dass sie klappen würde, dass man die Aufnahmen life zur Ausstrahlung ins Fernsehen anbot.

Das JPL hatte viel Lehrgeld bezahlt, das Ranger Programm kostet 260 Millionen Dollar, das war damals eine Menge Geld, das bemannte Mercury Programm war z.B. nur doppelt so teuer. Doch die Erfahrungen zahlten sich aus. Das JPL festigte in den nächsten Jahrzehnten seinen Ruf als führende Organisation im Raumsondenbau. Angesichts der limitierten Fähigkeiten von Ranger verzichtete man auf eine weitere Serie: Block IV sollte wissenschaftliche Instrumente mitführen und Block V wieder eine, nun verbesserte Landekapsel.

19.3.3014: Das wichtigste Hindernis für die Marsexpedition

... kann man fast jeden tag sehen, heute z.B. um 3:51 und 5:24. Es ist die ISS. Doch fangen wir mal an mit den Grundlagen. Was kann man bei einer bemannten Marsexpedition vorbereiten um sie sicherer zu machen und wie kann uns hierbei die ISS nützen? Skizzieren wir zuerst den Ablauf einer Expedition. Nachdem man schon schweres Gerät auf den weg gebracht hat, eventuell auch Treibstoff und Rückehrstufen wird als letztes die Besatzung zum Mars aufbrechen. Die Reise dorthin dauert je nach Geschwindigkeit und Planetenkonstellation 6-10 Monate, je schneller, desto mehr Treibstoff braucht man. Beim Mars angekommen wird man auf dem Mars landen und dann etwa eineinhalb Jahre Lang ein Forschungsprogramm absolvieren. Danach steigt man wieder in einen Orbit auf und fliegt zur Erde zurück. Die gesamte Tour dauert dann fast drei Jahre.

Klar ist das man sicher den gesamten Bodenaufenthalt besser auf der Erde trainieren kann, z.B. in der Antarktis. Die geringere Schwerkraft kann man durch leichterer Ausrüstung kompensieren und den geringen Gegendruck durch einen höheren Innendruck im Anzug. Dafür nutzt die ISS nichts. Was man an Bord der ISS simulieren kann ist der Aufenthalt jenseits der Erde, auch den Flug zum Mars der ja auch in einer Miniraumstation erfolgen muss.

Doch es gibt einige Unterscheide. So muss man heute die Astronauten aus ihren Sojus hieven, so viel Muskel- und Knochenmasse haben sie im All verloren. Das sie danach sofort arbeiten könnten wie dies auf dem Mars nötig wäre, oder nur für sich selbst sorgen könnten, ist heute nicht möglich. Bisher gibt es keine Möglichkeit die Besatzung an Bord der ISS adäquat zu trainieren um die "irdische" Fitness zu erhalten. Eine vorgeschlagene Zentrifuge (die für einige stunden pro Tag Schwerkraft simuliert und so den Abbau verringert) wurde nie installiert.

Auch sonst gibt es einige Unterscheide. so ist die ISS sehr geräumig. Man wird, weil die Behausung für den interplanetaren Teil der Reise zum Mars und zurück gebracht werden muss, dieses auf das elementarste zu reduzieren. BWenn man einen Vergleich mit den U-Booten zieht, auf denen die Besatzung auch monatelang zusammen lebte, dann hatte ein U-VIIC, der meistgebaute deutsche Typ eine Verdrängung von 1040 t bei 44-52 Mann Besatzung bei der ISS sind es 915 m³ bei nur 6 Mann Besatzung und es geht weniger ab für Maschinen, Torpedos etc. Auch nach NASA Richtlinien braucht jemand für einen längeren Aufenthalt im All nur rund 15 m³ Raum. Mehr wird es sicher für die Marsfahrer nicht geben. Dabei hilft die ISS auch nicht. Denn bei wenig Platz nehmen meist die persönlichen Probleme zu, schließlich kann man sich nur schlecht aus dem weg gehen. Bei der ISS entfällt pro Besatzungsmitglied rein rechnerisch ein ganzes Modul da, gibt es diese Probleme nicht in dem Maße.

Was man erproben könnte, wären zwei wichtige Dinge einer Marsexpedition: es gibt keine laufende Versorgung mit Essen und Verbrauchsgütern oder Ersatzteilen. Würde man die Kreisläufe an Bord der ISS mehr schließen, sodass man weniger Versorgungsgüter braucht und mal probieren wirklich drei Jahre ohne neue Versorgung auszukommen und so einmal diesen Aspekt durchspielen, so wäre dies sehr nützlich und man würde sicher eine Menge Erfahrungen sammeln die man für den Marsflug dringend braucht. Doch die ISS wird im Jahr von einem Dutzend Versorgern besucht - das genaue Gegenteil ist also der Fall.

Das zweite ist das Problem der steigenden Entfernung. Heute sitzen in zwei großen und drei kleinen Kontrollzentren dutzende von Missionsspezialisten die die ISS betreuen. das wird auch bei einer Marsexpedition so sein, doch sie können nicht sofort reagieren, weil die Besatzung sich nicht in einer Erdumlaufbahn, sondern beim Mars befindet. Das sind Signallaufzeiten von bis zu 20 Minuten. Auch dies wäre über eine einfache Schaltung, die jede Nachricht und jedes Videosignal um eine definierte Zeit verzögert zur Bodenkontrolle oder ISS weiterleitet, sehr einfach simulierbar, doch auch dies macht man nicht.

Der Nutzen der ISS bei der Verbreitung einer Marsexpedition ist also, seien wir genau und schauen noch mal nach ... ist gleich Null. Dafür leistet sie einen Beitrag, das es keine Marsexpedition gibt, denn sie kostet Geld. Im nächsten NASA-Finanzjahr sind zusammen mit CCDev, das programmatisch zur ISS gehört 3,9 Milliarden Dollar vorgesehen. Dazu kommen noch Aufwendungen bei den anderen Raumfahrtagenturen. Dieses Geld fehlt für eine Marsexpedition, die sehr kostspielig sein wird und die es nicht erlauben wird noch ein zweites bemanntes Programm parallel zu betreiben. Es ist nur folgerichtig dass Griffin als Bush eine Mondexpedition ankündigte, beschloss Shuttle und ISS ausmustern. Constellation sollte erst richtig beginnen wenn die ISS Geschichte ist. Auch so reichten die Mittel nicht, aber mit ISS würden die Amis noch in 100 Jahren an der Mondlandung 2.0 planen

Da der Betrieb der Station bis 2024 von US-Seite aus weitergehen wird, kann man getrost annehmen das Expeditionen außerhalb der Erdeinflusssphäre wohl erst nach 2024 finanzierbar sind und dann vergehen auch noch ein paar Jahre bis sie erfolgen weil ja erst alles entwickelt werden muss. Wahrscheinlich sind die ersten Geborenen die noch keine Mondlandung erleben konnten, schon Rentner bevor dem so ist.

 

20.3.2014: Wie kann man den Mond um 60.000 km verfehlen?

Da ich gerade mal das Ranger Programm ausgegraben habe, einige Erinnerungen an einige Mondvorbeiflüge bzw. geplante Aufschläge auf dem Mond zu Beginn der Raumfahrt:

Nun ist der Mond in etwa 376.000 km von der Erdoberfläche entfernt und hat einen Durchmesser von 3476 km. Vergleicht man Größe und Distanz so ist das wie wenn ein Schütze oder Jäger ein 1,5 m bis 2 großes Objekt in weniger als 200 m Distanz nicht nur verfehlt, sondern bis zu 20 m daneben schießt. Für einen Jäger wäre das ein erbärmliches Resultat, warum kann das bei einem technischen Apparat der Millionen kostet und in Jahren vorbereitet wurde passieren?

Nun auch wenn solche Vergleiche gerne von der NASA benutzt werden "A hole in one over 300 yards...." sind sie doch falsch, denn das Geschoss des Jägers braucht nicht zwei bis drei Tage um den Hirsch zu treffen und dieser bewegt sich nicht mit einem Kilometer pro Sekunde. Wäre dem so, es würde vor Wild in unseren Wäldern nur so wimmeln.

Das ganze ist das Paradebeispiel eines kleinen Effektes mit großer Wirkung. Rechnen wir es mal nach. Nehmen wir zuerst einmal an, eine Raumsonde sollte auf eine Bahn zum Mond geschickt werden. Die energieärmste, die man sich denken kann wäre eine die bis in die Mondeinflusssphäre führt, doch damals bevorzugte man etwas schnellere Bahnen, die nur wenig mehr Geschwindigkeit erfordern. Doch für die Berechnung eigenen sich solche Ellipsenbahnen sehr gut. Eine Bahn von 200 x 400.000 km Entfernung würde den Mondorbit sicher schneiden. Eine solche erfordert einen Geschwindigkeitsaufwand von 10.921.2 m/s. Für eine 200 km Bahn beträgt die Fluchtgeschwindigkeit 11.009,3 m/s, das zeigt, das die Bahn schon nahe an dieser ist, das bedeutet auch, relativ kleine Geschwindigkeitsänderungen führen zu einer Verschiebung des Apogäums, denn das liegt bei einer Fluchtbahn im Unendlichen.

Die Abweichungen kamen dadurch zustande das die Raumsonden zu schnell waren. Heute ist die Einhaltung der Geschwindigkeit auf etwa 5 m/s kein großes Problem, das korrespondiert in erdnahen Umlaufbahnen mit einer Abweichung der Bahnhöhe von 8-9 km. Viele Launch Service Provider erreichen die Bahn sogar auf weniger als 1 km genau. Doch 5 m/s addiert zu 10921,2 m/s ergibt eine Bahn mit einem Apogäum in 425.000 km Entfernung, wenn sich das Perigäum nicht ändert. Also ganzen 25.000 km mehr. Das entscheidende ist aber das sich die Flugzeit geändert hat.

Die alte Bahn hat eine Umlaufszeit von 10 Tagen 19 Stunden und 21 Minuten, etwas weniger als die Hälfte davon ist die Flugzeit zum Mond.  Die neue Bahn erreicht eine Distanz von 400.000 km schon nach 4 Tagen und 3 Stunden, also 30,5 Stunden früher. Das ist der wesentliche Effekt. Wenn man auf einen bestimmten Punkt im All "gezielt" hat, dann natürlich unter Annahme das der Mond bei der Ankunft dort ist. Es macht keinen Sinn dorthin zu zielen, wo der Mond gerade ist, denn bis man an diesem Punkt ist ist der Mond schon weitergezogen. Das bedeutet, bei dem Einschuss muss man schon die Reisezeit kennen. Wenn diese aber um 30,5 Stunden abweicht, dann hat das Folgen.

Der Mond umkreist die Erde mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,023 km/s. Er bewegt sich auf einer Kreisbahn, doch wenn wir nur mal als grobe Näherung annehmen, es wäre eine lineare Bewegung so wird er sich in 30,5 Stunden um rund 31.200 km weiterbewegen. Das bedeutet wenn die Raumsonde um so viel früher ankommt ist der Mond noch 31.200 km von ihr entfernt und man verpasst ihn um diese Distanz.

In der Praxis wird es noch etwas komplizierter, weil die Bewegung eine Kreisbewegung ist und so die Distanz geringer, auf der anderen Seite ist die Ellipsenform bei der exzentrischeren Umlaufbahn schmäler und der Schnittpunkt mit der Mondbahn ein anderer, was ebenfalls die Distanz verkleinert. Trotzdem sieht man den Effekt - eine kleine Abweichung bei der Startgeschwindigkeit ergibt eine große bei der Ankunft.

Die Lösung ist es die Bahn zu korrigieren, was die Ranger Raumsonden auch konnten, leider reichte der Treibstoff nicht immer aus, oder es gab andere Probleme, so verlief die Kurskorrektur bei Ranger 3 z.B. in die Falsche Richtung - anstatt die Distanz zu verkleinern vergrößerte sie den Abstand um 5.500 km. Bei Apollo stand nicht nur eines sondern sogar mehrere Kurskorrekturmanöver auf dem Plan. Da man um so mehr korrigieren muss je näher man dem Mond ist, wird man erst grpb die Bahn anpassen und dann wenn man näher ist feiner, das die Düsen nur einen bestimmten festgelegten Minimalimpuls haben. Zudem hat man mehr Meßwerte von der Bahn, kennt sie also besser.

Analog geht man heute bei Planetensonden vor. Nach dem Start meistens wenige Wochen danach gibt es ein größeres Korrekturmanöver das die Bahn grob festlegt. Erst kurz vor der Ankunft folgen dann weitere, mit immer kleineren Geschwindigkeitsänderungen welche den Zielpunkt immer genauer festlegen. Die folgende Tabelle enthält die für Curiosity vorgesehenen TCM:

TCM Nomineller Zeitpunkt Zweck
TCM-1 Start + 15 Tagen Korrektur von Einschussfehlern. Beseitigen der Verschiebung der Bahn für den Schutz des Mars vor Verunreinigung mit irdischen Organismen
TCM-2 Start + 120 Tagen Korrektur von TCM-1 Fehlern. Beseitigen der Verschiebung der Bahn für den Schutz des Mars vor Verunreinigung mit irdischen Organismen
TCM-3 Eintritt – 60 Tage Korrektur von TCM-2 Fehlern. Verschieben des Eintrittspunktes auf das Zielgebiet
TCM-4 Eintritt – 8 Tage Korrektur von TCM-3 Fehlern.
TCM-5 Eintritt – 2 Tage Korrektur von TCM-4 Fehlern.
TCM-5x Eintritt – 1 Tag Ausweichmanöver, wenn TCM-5 scheitert.
TCM-6 Eintritt – 9 Stunden Ausweichmanöver, wenn TCM-5x scheitert. Letzte Gelegenheit zur Feineinstellung des Landortes.

und dies waren die tatsächlich durchgeführten:

Manöver Datum Geschwindigkeitsänderung Kursänderung
TCM-1 12.01.12 7,5 m/s 40.000 km
TCM-2 26.03.12 1 m/s 5000 km
TCM-3 27.06.12 0,05 m/s 200 km
TCM-4 29.07.12 0,01 m/s 21 km


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