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Web Log Teil 406: 3.12.2014 - 8.12.2014

3.12.2014: Klappt's mit der Firefly Alpha?

Das war die Frage die es kürzlich im Blog gab. Die Antwort: Ja, so nun können alle weitersurfen die nicht an Details interessiert sind.

Details - die gibt es auch kaum, denn in dem vierseitigem Bericht steht viel drin, nur wenig zur Technik, wie dies heute üblich ist SpaceX hat ja vorgemacht wie man mit wenigen Informationen, dagegen vielen Ankündigungen sich in den Medien platziert. Da der nächste SpaceX Start am 16.ten ansteht sieht es gut aus für meine persönliche Einschätzung von 6 Starts der Firma dieses Jahr. Wenn dieser erfolgt, bin ich mit 7 nur um einen daneben und damit behalte ich meine Position als SpaceX-Hellseher, denn ihr eigener CEO sagte ja zu Jahresanfang (zu den ersten Kommentaren runterscrollen) dass sie 10 Starts durchführen könnten und ihr Launchmanifest wirs damals sogar 14 aus. Irgendwie traurig wenn man trotz bruchstückhafter Informationen geschweige denn von Geschäftsinterne als Außenstehender Nutzlastkapazitäten und Startfrequenzen besser abschätzen kann als der eigene Firmenchef. Passend zu dieser Firmenpolitik der Informationsverknappung ist das Launchmanifest ja nun nicht mehr mit Angaben über das Startjahr, sondern nur noch alphabetisch geordnet.

Aber zurück zur Firefly Alpha. Die Rakete hat folgende Technologie:

Warum soll das nicht klappen? Das ist alles erprobt. Tanks aus CFK-Werkstoffen werden bei der SLS entwickelt, übrigens zusammen mit MT Aerospace, vielleicht mal eine Überlegung für die Ariane 6. Der schon von NASA/Boeing gebaute Tank mit 28.000 Gallonen (über 80.000 l Volumen) fasst mehr Treibstoff als die Rakete pro Komponente braucht, denn bei 1100 kg Nutzlast wird man ihre Masse bei etwa 60 t einsortieren können.

CFK Werkstoffe sind sehr leicht und auch belastbar. Der P80FW Motor der rund 85 t festen Treibstoff fasst wiegt nur 3,5 t und hat einen Betriebsdruck von 65 Bar. Damit kann man dann auch die Druckförderung realisieren. Das leitet zum zweiten Punkt über: Der Druckförderung. Sie ist ja nicht neu und wird heute schon in Oberstufen eingesetzt. Der Nachteil der Druckförderung ist, dass die Tanks schwerer sind. Das wird kompensiert durch den CFK-Werkstoff. Bei dem NASA-Tank wiegt dieser 30% weniger als eine konventionelle Konstruktion. Druckgeförderte Triebwerke haben bisher schon 137 kN Schub erreicht (Apollo-Servicemodul) 10 Triebwerke bei einer 60 t Rakete brauchen nur rund 75 kN Schub pro Stück, das ist also kein Problem, zudem gab es schon in den Sechzigern den Plan für riesige druckgeförderte Raketen. Man kann die Triebwerke hochskalieren wie andere auch. Bei größeren Raketen steigt man auf aktive Förderung um, weil die Zusatzkosten geringer werden aber die Nutzlast doch ansteigt.

Die Triebwerke werden aktiv gekühlt, unterscheiden sich also nicht von normalen, mit Ausnahme der Aerospike düse. Diese ist auch nicht neu, getestet und erprobt wurde sie zahlreiche Male in den USA. Ihr Vorteil ist dass sie für jeden Außendruck das optimale Expansionsverhältnis aufweist: Bei herkömmlichen Düsen ist die Expansion festgelegt durch die Düsenlänge, damit hat man bei hoher Expansion wenig Startschub, riskiert eventuell sogar den turbulenten Betrieb. Bei niedriger Expansion verschenkt man bei niedrigem Außendruck Energie. Ein Nebeneffekt der Druckgasförderung der angenehm ist: durch die Entleerung der Tanks nimmt der Schub ab und so sinkt die Spitzenbeschleunigung ab. Die Rakete soll auch 500 km Orbithöhe erreichen, nicht mehr, das spricht für einen direkten Aufstieg ohne Freiflugphase - dafür sind die etwas längeren Brennzeiten der Stufen dann ideal.

Also zusammengefasst: das ist nichts anderes als eine Rakete die den aktuellen Stand der Technik einsetzt (Unterschied zu SpaceX oder Ariane 6). Die Nutzlast ist gering und damit auch die Investitionskosten. Allerdings wird sie wie die Falcon 1 wohl nur ein Erprobungsmodell sein, denn viele Nutzlasten gibt es nicht in dem Segment. Die Pegasus hat 2013 und 2017 gerade mal zwei Starts und in etwa die halbe Nutzlast. Die Rockot hat einige Starts mehr mit vergleichbarer Nutzlast, aber mit mehr als einem, maximal zwei Start rechne ich nicht pro Jahr.

4.12.2014: Der einzig vernünftige Beschluss

... beim letzten ESA Konzil, das diesmal - dank Vorberatungen - in zwei Tagen erledigt war, war der indirekt beschlossene Ausstieg aus der ISS. Das kann man dem SpaceNews Artikel entnehmen. Ansonsten nur teure - und meiner Meinung nach unnötige - Entscheidungen:

Italien wird zu seiner 19% Finanzierung zurückkehren, netterweise gerade dann wenn eine italienische Astronautin an Bord der ISS ist. Allerdings wird nach drei Jahren die Finanzierung der Station heruntergefahren und dann 2020 eingestellt werden.

Das ist die einzige gute Nachricht, denn die ISS hat keinen echten Nutzen, noch weniger als Exomars und eine Ariane 5 Reloaded, die vielleicht nicht das 45% Ziel erreicht aber ich traue der Industrie zu zumindest etwas billiger zu werden. Aber mit der Ariane 6 wird es nur was, wenn die europäischen Weltraumbehörden auch 5 Starts pro Jahr abnehmen, wonach ich nach der Startzahl in den letzten zwei Jahrzehnten meine ernsten Zweifel habe. Vor allem wenn privat-Gouvernement Projekte die gemeinsam finanziert werden, ihre Starts auf Proton und Falcon 9 buchen. So gerade in der Diskussion bei EDRS-C. Dabei zahl nach dem Artikel die ESA 625 Millionen Dollar, bekommt vom privaten Sektor aber nur 282 Millionen für dessen Beteiligung, das Projekt ist also zu über 50% Regierungsfinanziert. Besonderes Detail am Rand. Knapp die Hälfte dieser privaten Mittel stammen von Airbus die ja auch an einem Start auf der Ariane 5 (vorgesehen für EDRS-B) verdienen würden.

Besonders in Deutschland ist der Spargedanke ja besonders vertreten, wie die Buchung des Starts von SARaH auf einer Falcon 9 zeigt. Aber was soll man von einer Raumfahrtbehörde erwarten die ihre Ariane 5 ME Ausbaupläne fallen lässt und eine Ariane 5 Reloaded zustimmt, die dreimal mehr kostet? Irgendwo müssen die armen Bürokraten von dem DLR ja das Geld wieder einsparen....

P.S. Falls jemand mal den zweiten Link besucht: habe nur ich den Eindruck, dass das Bild von Gerd Gruppe etwas unvorteilhaft ist? Ich kann mich nicht entscheiden ob ich dies eher einem Killer aus US-Spielfilm oder einem Gebrauchtwagenhändler zuordnen soll...

5.12.2014: Trau keiner Statistik, die Du nicht selbst gefälscht hast

Eigentlich habe ich, nachdem ich in wenigen Wochen drei Dokumentationen über Hanf / Cannabis (zuletzt am Dienstag in Quarks & Caspars) gesehen, habe mal vor was über das Thema zu schreiben, aber beim Suchen nach der Zahl der Konsumenten und des Umsatzes bin ich auf offizielles Dokument der Bundesregierung gestoßen. Dabei fiel mir ein Absatz über die Gewinnmöglichkeiten durch Marihuana Verkauf auf.

Gewinn durch den Verkauf von Marihuana
Nach Erkenntnissen des Kriminaltechnischen Institutes beim Landeskriminalamt Nordrhein-
Westfalen in Düsseldorf können bei sachgerechter Zucht aus einer ausgewachsenen
Cannabispflanze mindestens 25 g konsumfähiges Marihuana gewonnen werden. Der
Durchschnittswert aus etwa 50 Cannabisplantagen mit erntereifen bzw. geernteten Pflanzen
liegt seit etwa fünf Jahren in Nordrhein-Westfalen bei etwas über 40 g an konsumfähigem
getrocknetem Marihuana. Bei professionellen Anlagen werden auch über 50 g erreicht. Der
für die Ertragserrechnung angenommene Durchschnittswert ist auf 40 g abgerundet. Bei den
Berechnungen zum Ertrag einer Cannabisindoorplantage wird der Mindest- und der
Durchschnittswert ermittelt, indem die Anzahl der Pflanzen mit der Mindest- (25 g) bzw. der
Durchschnittsmenge (40 g) an möglichem konsumfähigen Marihuana multipliziert werden.
Das errechnete Gewicht wird dann mit dem aktuellen Straßenverkaufspreis (2012: 9,10 €/g)
bzw. mit dem Großhandelspreis (2012: 3.500 €/kg) multipliziert. Von diesen Werten werden
dann die Kosten für die Pflanze (ein Steckling kostet z. B. in den Niederlanden 2,50 €) und
anteilig für das eingesetzte, wieder verwendbare technische Equipment in Höhe von
insgesamt 10 € pro Pflanze abgerechnet. Kosten für die Energieversorgung werden hier
nicht angeführt, da in der überwiegenden Zahl der Fälle von sichergestellten
Cannabisindoorplantagen der für den Betrieb erforderliche Strom illegal abgezweigt wurde.
Im Ergebnis können mit 1.000 Cannabispflanzen Gewinne beim Straßenverkauf zwischen
217.500 € und 354.000 €, beim Großhandel zwischen 77.500 € und 130.000 € erzielt
werden.
Für das Jahr 2012 bedeutet das bei 97.829 sichergestellten Pflanzen einen nicht erzielten
Profit von 7,6 Mio. € bis 12,7 Mio. € im Großhandel und zwischen 21,3 Mio. € und
34,6 Mio. € im Straßenhandel (Bundeskriminalamt, SO 22, und eigene Berechnungen).

Quelle Retox Report 2013 Deutschland

Na ja wenn ich das hochprofitabel rechnen will, dann kann ich das so machen. Nur hat das nichts mit der Wirklichkeit zu tun. Da kommen erst mal, da man nur weibliche Pflanzen für die Gewinnung nimmt, nochmal 2,50 Euro für die männlichen Stecklinge drauf die es rein statistisch auch geben muss. Sicherer wäre es, da jede männliche Pflanze weitere Kosten verursacht, rein weibliche Samen zu kaufen. Die gibt es, das erreicht man durch eine chemische Behandlung der Pflanzen. Nur kosten die meist ab 5 Euro aufwärts. Dazu kommen die Kosten für Gartenerde und Dünger, die kann man auch bei 3 Euro pro Pflanze anstzen.

Dann muss man die Pflänzchen gießen. 5 l pro Tag über 100 Tage Vegetationszeit sind zwar nur ein halber Kubikmeter, der kostet bei uns aber auch schon 2 Euro. Ob man mit 10 Euro Abschreibung für das Equipment hinkommt wage ich auch zu bezweifeln. Eine Growbox kostet um die 240 Euro, zumindest die Filter werden erneuert werden müssen und ob man damit 24 Ernten hat, bis eine Lampe ausfällt oder der Kunststoff alter? Der Filter auf jeden Fall kostet schon mal 40 Euro. Daher würde ich 40 Euro (Filterwechsel alle zwei Ernten und Verschleiß) als Minimum an Equipmentkosten ansetzen.

Das der Strom nur illegal beschafft wurde wage ich zu bezweifeln. Also eine GrowBox hat eine Anschlussleistung von 250 W, während der Aufzucht Phase läuft die 18 Stunden am Tag, das sind 4,5 KWh pro Tag, eine Summe die bald auffällt, erst recht wenn wie oben davon ausgegangen wird, dass man 1000 Cannabispflanzen so aufziehen kann, ohne das jemand merkt, das 250 KW Leistung dauernd fehlen. Ich vermute die meisten werden, schon um nicht aufzufallen und neugierige Prüfer vom Stromversorger im Haus zu haben, fein den Strom bezahlen.

Nach dieser Webseite braucht man mindestens 1 Monat (besser länger) 18 h lang Licht, dann 8 Wochen 12 Stunden. Nehmen wir mal 6 Wochen Vorblütezeit um auf die hohe Ernte von 40 g zu kommen, dann sind das 18 x 7 x 6 x 0,25 + 8 x 7 x 12 x 0,25 = 357 KWh, beim aktuellen Strompreis von 0,3 €/KWh sind das Stromkosten von 107,10 Euro.

Doch das wichtigste hat man vergessen: Macht sich das alles von alleine? Schön wäre es wenn man nur einen Sack Getreide kaufen würde, denn lässt man dann neben dem Acker und einem Sack Dünger liegen und 4 Monate später hat man dann einen Riesenberg Weizenkörner. Ja genau so ist das oben vorgerechnet. Die Pflanzen müssen mindestens einmal, eher zweimal umgetopft werden (ca. 30 Minuten pro Pflanze), an den rund 100 Tagen Wachstumszeit muss man sie düngen, gießen, auf Pflanzenschädlinge, Hitzeschäden etc. kontrollieren und etwas dagegen tun, wenn das nur 1 Minute pro Tag und Pflanze sind, dann kommt man so auf weitere 100 Minuten.

Das zeitaufwendigste scheint nach dem anschauen einiger Videos bei Youtube aber die Ernte selbst zu sein. Die Blütenstände sind nicht wie bei einer Rose abstehende Blüten, sondern mitten in den Blättern angelegt, da muss man erst große Blätter mit einer Gartenschere entfernen, dann viele kleine Blätter sehr sauber von Hand mit einer Bastelschere abschneiden oder auszupfen. In Foren liest man öfters von Krämpfen in den Fingern, das scheint also längere Zeit zu dauern. Es soll auch einen elektrischen "Bartschneider" als Zubehör für einen Staubsauger geben, trotzdem würde ich bei der Methode den Zeitaufwand für die Ernte pro Pflanze auf 90 Minuten schätzen.

Damit haben wir folgende Rechnung:

5 Euro Pflanzen

3 Euro Erde + Dünger

2 Euro Wasser

40 Euro Abschreibung Equipment

107,10 Euro Stromkosten

220 Minuten Arbeitszeit

Ja illegale Leute verlangen nichts für ihre Arbeitszeit, auch alle die ihnen helfen arbeiten für umsonst (bei 1 Minuten Minimum nur das Durchsehen und Gießen, kann man leicht ausrechnen dass bei der oben angegeben Plantage von 1000 Pflanzen der Tag nicht ausreicht um nur die Pflanzen zu gießen und zu überprüfen, von der Ernte oder Umtopfen unter Zeitdruck mal ganz zu schweigen).

Wenn er das alleine macht kann er nicht arbeiten gehen, hat also einen Verdienstausfall, Sonst muss er Leute bezahlen (bei 1000 Pflanzen unumgänglich) so wird das auch nicht billig, denn die begehen ja auch ein Verbrechen und werden sicher einen kräftigen Aufschlag zu einem normalen Stundenlohn nehmen. Sagen wir mal 25 Euro pro Stunde, dann kommen noch 91,66 Lohnkosten drauf.

Dann sind wir bei Kosten von 247,76 Euro und einnahmen von 40 x 9,10 Euro = 364 Euro, bleibt ein Gewinn von 116,24 Euro beim Straßenverkauf - wenn man es selbst verkauft, ansonsten wird der Dealer auch was haben wollen. Das zeigt auch der Großhandelspreis von 3,5 Euro pro Gramm. Bei dem Preis würde man sogar Verluste machen.

Bei der obigen Plantage mit 1000 Pflanzen wird sicher auch eine Menge Platz benötigt, zudem hat man ein kleines Kühlungsproblem, denn wenn man sagen wir mal 200 m² Fläche nimmt (5 Pflanzen pro m², dann noch Gänge zum Laufen), die dann mit 1,25 KW/m² beheizt wird es sehr warm, das ist die Sonneneinstrahlung in der Sahara, zumindest im Sommer fast unmöglich durchzuführen. Auf jeden Fall bedeutet das neue Kosten und das Gebäude kostet ja auch was und wenn es nur ein Mietausfall von zwei bis drei Wohnungen ist. Auch das fehlt in der Rechnung.

Lohnt es sich? Klar, wenn ich Konsument bin und die Zeit nebenher habe, denn meine Arbeitszeit kostet nichts und wenige Pflanzen wachsen auch sehr gut im Zimmer erst auf der Fensterbank, dann dahinter. Dann stehen wirklich nur 10 Euro Kosten pro Pflanze eingesparten Ausgaben in Höhe von 364 Euro entgegen, selbst wenn man selbst indoor anbaut und dann das mit Beleuchtung macht kommt man auf weniger als die Hälfte der Kosten für gekauftes Gras.

Aber der enorme Umsatz und Gewinn dürfte ein Märchen sein, zumindest beim illegalen Anbau in Deutschland. Wenn man das im Freiland in Marokko oder Afghanistan tun kann, kaum gießen muss und es dort billige Arbeitskräfte gibt, dann kommt man auf die Verdienste. Das dürfte aber auch ein Grund sein, warum der Großhandelspreis um den Faktor 3 niedriger ist.

Für die hohen Kosten spricht auch, dass in Colorado wo der Cannabiskonsum nun legalisiert ist, die Preise gleich blieben. Im Normalfall müsste bei einem legalen Anbau durch viel mehr Leute die das betreiben (es ist ja nun ungefährlich) und sinkende Lohnkosten (kein Aufschlag für illegale Arbeit) die Preise sinken. Zudem würde es mehr Abnehmer geben (ist nicht illegal, Cannabistourismus aus anderen Bundesstaaten) durch mehr Konsumenten eine höhere Nachfrage und damit effizientere Produktion = niedrigere Preise geben. Eine Unze kostet mit 400 Dollar in Colorado sogar noch mehr als die obigen 9,10 Euro pro Gramm (entsprechen 305,5 Dollar pro Unze). Würde man so enorm viel dran verdienen, also praktisch 12500 Euro Investitionen für 1000 Pflanzen über das zwanzigfache verdienen, dann wäre ein Rabatt leicht möglich.

Was bleibt ist ein ungutes Gefühl. Ich erwarte von einem offiziellen Bericht eine wertneutrale Darstellung der Situation. Hier werden die Verdienstmöglichkeiten künstlich übertrieben um aus kleinen Dealern gleich enorm reiche Cannabisbarone zu machen. Wenn man diesem Dokument glauben soll, dann würden bei 4 Ernte zu je 40 g pro Jahr 35 Pflanzen reichen um 50.000 Euro im Jahr netto zu verdienen. Dann muss man nicht mehr arbeiten gehen, hat trotzdem das doppelte Nettogehalt, an den meisten Tagen nicht mal eine Stunde Arbeit. Bei nur 35 Pflanzen kann man bei den Abmessungen einer Growbox in einem kleinen Zimmer auf diesen Umsatz kommen. Glaubt das wirklich der Autor der Studie? Schade. so nimmt sich die Bundesregierung selbst die Glaubwürdigkeit weg.

6.12.2014: Meine Ariane 6

Weil heute Nikolaustag ist, schenke ich mal der ESA was - eine billige Alternative zu ihren Ariane 6 Plänen. Den für diese Ariane 5 Reloaded (so nenne ich die Ariane 6) finde ich sie extrem teuer. Ich will mal meine alternative skizzieren mit demselben Basiskonzept. Das ist:

Fangen wir mit der EPC an. Die derzeitige Ariane 5 EPC ist auf die beiden EAP ausgelegt. Das ermöglicht es, diese sehr leicht zu bauen, denn die Kräfte der Booster werden an zwei Stellen übertragen: unten am Schubrahmen, der strukturell verstärkt ist und auch die Kräfte des Vulcain 2 überträgt und oben am Zwischenstufenadapter, der ebenfalls massiv ist. Diese Auslegung bedeutet dass der integrale Treibstofftank sehr dünn sein kann, die EPC bekommt auch nicht die vollen Vibrationen der EAP mit, dafür wird die Oberstufe sehr stark durchgeschüttelt, was bei der kleinen und massiven EPS kein Problem war, aber bei den kryogenen Oberstufen das Trockengewicht sehr stark erhöht.

Bei viel kürzeren Boostern sieht es anders aus. Die Booster sind kürzer und übertragen ihre Kräfte so auf die Tankstruktur. Sinnvollerweise sollte das auf strukturverstärkte Teile geschehen. Es bietet sich an, dazu die Tanks neu aufzuteilen. Die EPC besteht derzeit aus einem oberen Sauerstofftank und einem unteren Wasserstofftank. Tauscht man beide Tanks um, so hat man unten einen 6 m langen Sauerstofftank. Der P80 FW den ich als Booster nehme (Erststufe der Vega) hat ein Motorgehäuse von etwa 9,5 m Länge. Berücksichtigt man dass unterhalb des Tanks noch das Schubgerüst sitzt so sollte man die Booster an der Zwischentanksektion anbringen können. Damit hat man wieder eine Befestigung an einem strukturell stärkeren Teil als an den vergleichsweise dünnen Wänden.

Trotzdem wird die EPC schwerer werden, denn nun wird auch der vorher leichte Wasserstofftank gut durchgeschüttelt, als Vorteil wird dafür die Oberstufe leichter. Ich nehme hier mal einfach an, dass die neue EPC dasselbe Voll-Leermassenverhältnis wie die Delta 4 Erststufe erreicht. Beide sind in der Masse vergleichbar. Sie müsste wegen dem viel leichteren Triebwerk und der Sauerstoffreichenmischung sogar noch etwas besser liegen. So erhält man 20 t Leermasse bei 175 t Treibstoffzuladung. (Bisher nur 14 t).

Die Booster sind Standard P80 FW. Ich sehe 2,4,6 und 8 Booster vor, wobei man ab 6 Boostern zwei bzw. vier später zündet. Ein P80 FW hat einen Startschub von 2296 kN. Bei einer Masse von 250 t für die Restrakete (195 t EPC, 55 t Oberstufe, Nutzlast und  Nutzlasthülle) und einem Schub von 960 kN des Vulcain 2 hat man bei zwei Boostern einen Startschub von 5552 kN bei 440 t Startmasse. Das reicht für dass Abheben (12,6 m/s, also 1,28 g über dem 1,25 G Minimumkriterium das man meist ansetzt). Das Problem ist nur, dass die Booster auch nach 107 s ausgebrannt sind. Die EAP brennen 132 s lang.

Das hat Folgen. Ariane 5 hat ein Triebwerk dessen Schub zu gering für das Abheben ist, er ist auch noch bei Abtrennung der EAP kleiner als um die Rakete mit 1 g zu beschleunigen. Die EAP bringen einen Großteil der vertikalen Beschleunigung auf. Das können zwei kleine Booster nicht. Die Lösung ist bei zwei oder vier Boostern Treibstoff in der EPC wegzulassen. Das ist auch ein Grund warum die ESA nur 150 t anstatt derzeit 175 t zuladen will. Überträgt man das auf die Ariane 5 Reloaded so würde ich die gleiche Restbeschleunigung bei den zwei Booster Konfigurationen wie bei den EAP ansetzen. In diesem Falle müsste man wie bei den kleinen Ariane 4 Versionen Treibstoff weglassen, und bei den zwei 2-Booster Konfigurationen die Zuladung auf 144,5 t beschränken. Bei vier ist es auch etwas weniger aber nur rund 4 t weniger Treibstoff.

Bei mehr als vier Booster wird man nur vier am Boden zünden, die anderen vier dann während des Flugs. Für diese beiden Konfigurationen habe ich geringere Aufstiegsverluste angesetzt, die sich ansonsten am Wert für Ariane 5 orientieren. Besser wären 9 Booster, doch wird es dann geometrisch eng, diese um die 5,40 m breite EPC unterzubringen. Damit wären die Kombinationen 2,3,4,5,4+2,5+4 möglich. Wichtigster Nebeneffekt ist das so auch die Startkosten für die Vega sinken, denn die Booster werden auch bei ihr verwendet. Anders als die Entwürfe der ESA sind es aber dieselben wie bei der Vega, genauso wie die EPC dieselbe ist.

Bei der kryogenen Oberstufe habe ich dagegen nicht die ESC-B angesetzt. Diese ist unnötig schwer, weil sie zum einen von den Boostern durchgeschüttelt wird, die direkt unter ihr die Kräfte übertragen und zum zweiten ein ungünstiges Oberflächenverhältnis hat, dadurch dass der Durchmesser von 5,40 m zu groß für eine Stufe mit weniger als 30 t Treibstoff ist. Die ESA plante für die Ariane 6 mit Feststoffboostern eine Stufe mit 4-4,4 m Durchmesser und 32 bis 36 t Treibstoff. Das Tankgewicht dürfte mit Isolation und Druckgas maximal 2 t wiegen - zum Vergleich, der heutige LH2 Tank der ESC-A alleine wiegt genauso viel, nur fasst er weniger als die Hälfte des Treibstoffs. Nimmt man dies und Erfahrungswerte von anderen Stufen der Größenordnung wie der DCSS als Maßstab so wird eine Stufe mit 36 t Treibstoff wohl ein Trockengewicht um die 4 t haben. Dazu habe ich noch 500 kg für die VEB/Nutzlastadapter addiert.

Die Nutzlastverkleidung wird schwerer sein als bei der Ariane 5, weil sie nun länger ist und die letzte Stufe mitumhüllt (das ist die einfachste Vorgehensweise, wenn auch nicht die leichteste). Die Masse habe ich daher mit 3,5 t angesetzt, rund 1 r schwerer als heute. Hier die Angaben der Raketen, die Nutzlasten sind berechnet wie wenn die Stufen nacheinander zünden, das ist eine Vereinfachung, doch meist weicht das reale Ergebnis nicht stark davon ab. Die Nutzlast liegt etwas besser als bei der projektierten Ariane 6, vor allem wenn man bedenkt dass der ESA-Vorschlag etwas größere Booster hat. Das lässt darauf schließen, dass die Oberstufe bei der ESA wieder so massiv sein wird wie bei der Ariane 5 (würde man die ESC-B einsetzen, so kann man rund 2 t bei jeder Nutzlast abziehen). Meiner Ansicht nach muss das nicht sein, arbeitet doch MT-Aerospace auch an Composite Tanks die nach NASA-Angaben 30% leichter bei 25% höherem Innendruck sind. Wenn man dazu noch eine günstigere Form nimmt müsste man auf die Werte hier kommen (die DCSS die nun ja völlig konventionelle Technik hat (keine leichten Legierungen, getrennte Tanks für LOX und LH2) kommt bei einer Rakete mit ähnlichem Aufbau auf 3,5 Trockenmasse bei 30,7 t Startmasse). Ich vermute mal die geringere Nutzlast dürfte daher kommen, das Astrium Bremen, die Weltrekordhalter im schlechtesten Voll/Leermasseverhältnis wieder mit der Oberstufe betraut sind, irgend etwas muss man ja für die 22% Beteiligung von Deutschland an der Ariane 6 finden - und die können einfach nicht leicht bauen.

Rakete: Ariane 5-2-0

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
412544 7452 3500 10250 2250
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 2 95796 7287 2746
2 1 169500 25000 4248
3 1 40500 4500 4550

Rakete: Ariane 5-4-0

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
634988 11804 3500 10250 2250
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 95796 7287 2746
2 1 196000 25000 4248
3 1 40500 4500 4550

Rakete: Ariane 5-4-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
835413 16637 3500 10250 2000
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 4 95796 7287 2746
2 2 95796 7287 2746
3 1 200000 25000 4248
4 1 40500 4500 4550

Rakete: Ariane 5-6-2

Startmasse
[kg]
Nutzlast
[kg]
Verkleidung
[kg]
Geschwindigkeit
[m/s]
Verluste
[m/s]
1029945 19577 3500 10250 2000
Stufe Anzahl Name Vollmasse
[kg]
Leermasse
[kg]
Spez.Impuls (Vakuum)
[m/s]
1 6 95796 7287 2746
2 2 95796 7287 2746
3 1 200000 25000 4248
4 1 40500 4500 4550

Was die Rakete nicht einlöst ist das sie immer noch zu leistungsfähig ist. Die Nutzlast rangiert nun zwischen 7,4 und 19,5 t eigentlich braucht die ESA eher eine Rakete, die den Bereich von 3 bis 12 t abdeckt. Doch das ist auch die Ariane 6 der ESA nicht. Dazu müsste man eine sehr kleine Zentralstufe konstruieren die dann auch ohne Booster abheben könnte, mit einer kleineren Oberstufe (für die dann das Vinci eigentlich überdimensioniert wäre). Aber nur durch Weglassen der Booster wird man auch den Preis nicht groß drücken können, sodass diese Rakete zwar technisch denkbar aber unwirtschaftlich wird.

8.12.2014 VLIW und SIMD

Heute wieder ein Thema aus dem Bereich Computer. Ich habe meinen Artikel über SIMD und VLIW aktualisiert (in dem noch mehr drin steht, für alle die der Blog nicht reicht). Fangen wir mit der Begriffsdefinition an:

Fangen wir mit SIMD an. Eine klassische Assembleranweisung eines Prozessors bearbeitet einen oder zwei Werte die in einem Register stehen. Bei SIMD sind es mehr als maximal zwei Werte, die entweder in Registern stehen, die viele Werte fassen oder in überlangen Registern, in denen einzelne Teilbereiche jeweils für einzelne Werte stehen. Es gibt dann noch SISD (Single Instruction Single Data, das sind entspricht den meisten Prozessorbefehlen eines x86-Prozessors und MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data), das liegt bei einem Mehrkernprozessor oder einem Rechner mit mehreren CPUs vor.

Das Paradebeispiel für die erste Architektur ist der Vektorrechner, so die Rechner von Seymour Cray, das zweite ist die Umsetzung in der x86 Architektur die SSE oder AVX heißt. Die Rechner von Cray hatten Register die 64 Werte fassten. AVX hat derzeit 256 Bit breite Register (ab nächstem Jahr 512 Bit), die maximal acht einfach genaue oder vier doppelt genaue Zahlen fassen.

Das wichtigste ist: Mit einem Befehl wird nun die Berechnung vieler Werte "angestoßen". Bei der Cray gab es drei funktionelle Einheiten für diese Operationen, in die pro Takt eine Zahl reingesteckt wurde und Nach einer gewissen Latenz ein Ergebnis pro Takt herauspurzelte. Man konnte sie miteinander verketten und so die relativ häufige Kombination von Multiplikation gefolgt von einer Addition beschleunigen. Während eine Cray für eine einfache Berechnung (eines Wertes) 7-10 Takte brauchte, fiel diese Zeitdauer bei den SIMD Anweisungen nur für die erste Rechnung an, die folgenden brauchten nur einen Takt bzw. Bei Kombination mehrerer Rechenwerke waren sogar zwei Operationen pro Takt möglich.

Intel nutzt mehrere Rechenwerke, die jeweils einen Teilbereich des überbreiten Registers als Eingang und Ausgang nutzen und so parallel arbeiten. Beschleunigt werden die Operationen auch durch den unten angesprochenen Burstzugriff - das Laden von 4 Zahlen auf einen Rutsch geht schneller als das einzelne Laden von einer Zahl.

SIMD nutzt vor allem dann etwas, wenn in einer Schleife in einem Feld immer dieselben Anweisungen durchlaufen werden, dann kann man n Schleifendurchläufe durch eine einzelne SIMD Instruktion ersetzen die N Werte verarbeitet.

Intel verweist immer dann, wenn es um die Performance ihrer Prozessoren geht, auf die Steigerungen durch SIMD Anweisungen die bei Intel in den Befehlserweiterungen AVX und SSE stecken. Damit lenken sie den Blick davon weg, dass bei Nichtnutzung der Befehle die Anwender bei dem Kauf eines neuen Prozessors seit einigen Jahren nur noch eine leichte Beschleunigung ihrer Software wahrnehmen. Kann man die Software optimieren, wie dies bei Supercomputern, wo Zehntausende dieser Prozessoren abreiten und die Rechner zweistellige Millionenbeträge kosten, dann lohnen sich SIMD Anweisungen, zumal die dortigen Probleme auch sehr gut für SIMD Anweisungen geeignet sind. Bei  dem was der Benutzer mit seinem PC tut, ist dies eher nicht der Fall. Der früher von Intel als Hauptzweck angeführte Einsatz für die Beschleunigung von Multimediainhalten wird heute von den GPU besser erledigt. Selbst eine im Prozessor integrierte GPU wie die Intel HD 4X00 Grafik ist da effizienter als die AVX Anweisungen des Prozessors.

VLIW hat einen anderen Ansatz:

Heute haben die meisten Prozessoren mehr als eine ALU oder FPU, können also mehr als einen Ganzzahlen- und einen Fleißkommabefehl pro Takt durchführen. Doch folgen diese im Befehlsstrom linear aufeinander. Will man vermeiden dass der größte Teil des Prozessors Däumchen dreht muss man zwei Dinge tun:

Das letztere ist nicht ganz einfach. Es gibt hier sehr viele Wechselwirkungen. So können sich Befehle bei der Ausführung überholen und ein späterer Befehl kann das Ergebnis eines früheren Befehles überschreiben. Es kann Abhängigkeiten geben, das man das Ergebnis einer Rechnung als Ausgangswert für eine zweite braucht oder ein Ladevorgang kann ein Ergebnis überschrieben bevor es genutzt wird. Das Umsortieren der Befehle Fachwort "Out of Order Execution" ist heute Standard, macht aber auch sehr komplexe Chips nötig. Intel hat dieses Feature bei der ersten Atom-Generation eingespart - Der Atom hatte mit 42 Millionen Trasnsistorfunktionen nur ein Zehntel der Elemente eines iCore Prozessors, aber er war auch entsprechend langsam

Beim Itanium Prozessor ging man mit VLIW einen anderen Weg. In einem Befehlsbündel, dem VLIW wurden mehrere Befehle so gruppiert, das sie möglichst parallel durchgeführt werden. Einige Statusbits informieren über die Abhängigkeiten. Die eigentlich geniale Idee dahinter: der Compiler, der den Quelltext hat und daher die Abhängigkeiten viel besser kennt, soll den Code so erzeugen das möglichst viel parallel abgearbeitet werden kann. Doch das klappte nicht so wie gewünscht. Das war ein Grund für den fehlenden kommerziellen Erfolg des Itaniums.

Das ist eine Form von VLIW, es gibt weitere, so kann man Befehle die zusammenhängen, z.B. in einer Schleife ausgeführt werden bündeln. Man kann auch VLIW mit SIMD kombinieren, wie dies bei der Verarbeitung von Signalen der Fall ist.

Es gibt für SIMD wie auch VLIW Architekturen einen zweiten wichtigen Grund, der liegt in der Funktionsweise von DDR Speicher. Nach einer Latenz, die von der Langsamkeit des Speichers abhängt und viele Taktzyklen des 200 MHz Basistaktes beträgt, liefert der Speicher das erste Datenwort aus, danach bei jeder Taktflanke ein weiteres Wort, insgesamt achtmal. Er greift dazu parallel auf verschiedene Bänke zu, sodass die langsame Zugriffszeit als Latenz nur beim ersten Zugriff erfolgt. der Prozessor muss dann acht mal 64 Bit entgegennehmen. Bei DDR-3 Speicher und einem mit 3,2 GHZ getakteten Prozessor der Nehalem Architektur braucht man für die 64 übertragenen Byte 109 Takte, davon entfallen 45 für den ersten Zugriff und die Wartezeit nach dem letzten Zugriff bis ein neuer erfolgen darf und 64 Takte auf den Transfer.

Würde man die Befehlsworte immer 64 Byte breit machen, so kann man pro Transfer eines transferieren das dann mehrere elementare Befehle enthält. Mehr noch: das nächste steht direkt dahinter, das erleichtert das vorrauschschauende Lesen und erhöht die Systemgeschwindigkeit weiter, denn normalerweise sind Befehlsworte unterschiedlich lang, in der X86 Architektur zwischen einem und 17 Bytes. Intern kann dann ein 64 Byte Wort, das mehrere Befehle enthält parallel dekodiert werden, also gleichzeitig mehrere Befehle ausgeführt und an die Funktionseinheiten verteilt werden.

Trotzdem ist VLIW noch nicht so verbreitet in der Hardware, was vielleicht auch daran liegt das einige VLIW Architekturen ihr Performanceversprechen nicht einlösen konnten, so z. B. der I860 Prozessor der VLIW einsetzte.

So, nun noch ein Rätsel: Welcher Rechner setzte VLIW und SIND ein? Mir persönlich fällt spontan einer ein, aber sicher gibt es mehrere richtige Antworten)


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