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Web Log Teil 46 : 8.12.2007-13.12.2007

Samstag 8.12.2007: Galileo - wer braucht's?

Columbus Start lässt auf sich warten, mit etwas Glück rutscht er auf Montag, dann kommen vielleicht ein paar Mitarbeiter bei EADS in den Genuss einer Videoübertragung mit Wurstsemmeln. Zu den Space Shuttles hätte ich auch noch was zu sagen, doch das mal an anderer Stelle. Heute geht es mir um Galileo, Europas geplantes Satelliten Navigationssystem. Ich muss gestehen, Galileo ist etwas womit ich mich nicht im Detail beschäftigt habe. Doch schon als es vorgestellt wurde, hatte ich meine Zweifel ob es funktionieren könnte.

Die Idee: Europa startet ein eigenes Satelliten Navigationssystem, zusätzlich zum amerikanischen GPS (Navstar) und russischem System GLONASS: Dieses besteht aus 30 Satelliten und wird 4.9 Milliarden Euro kosten. Die Vorteile liegen zum einen darin, dass es als ziviles System nicht abgeschaltet wird, wie es beim GPS System zumindest regional bei Kriegen schon vorkam (Irak Krieg) und die Positionsgenauigkeit höher sein soll. Über Dienste, die diese zusätzliche bessere Genauigkeit ausnutzen will man dann Geld verdienen und damit das System wieder rückfinanzieren.

Nun sagt mir zum einen meine Erfahrung, dass nur wenige Menschen bereit sind für etwas Geld auszugeben, wenn sie eine kostenlose Alternative haben. Wir kennen das aus dem täglichen Leben: Den Netscape Navigator musste man anfangs kaufen, bis Microsoft seinen Internet Explorer verschenkte und Netscape nachziehen musste und dabei bankrott ging. Es wird sicher Anwendungen geben wo man bereit ist das zu bezahlen, doch ich habe meine Zweifel ob man damit ein Milliarden Euro teures System damit finanzieren kann. Dabei muss dies auch dauerhaft gewährleistet sein, denn nach 12 Jahren müssen die Satelliten ersetzt werden, so dass wiederum einige Milliarden Euro dann anfallen.

Es gibt Anwendungen wo man genauere Daten braucht als sie GPS liefet, doch in vielen diesen Anwendungen kann diese schon heute das Differentielle GPS liefern. Das ist vereinfacht gesagt eine Methode bei der man die ungenauen Signale von GPS kombiniert, mit den genau bekannten Daten eines Empfängers in der unmittelbaren Nähe und dem Fehler den dieser zu den GPS Daten meldet. Anders gesagt: Wenn die Empfangsstation 1 km von mir entfernt sagt, die X Position ist um 9 m und die Y Position um 5 m falsch, dann korrigiere ich meine Daten um diesen Betrag und erhalte meine genaue Position auf 1 m genau, anstatt 10 m bei GPS. Das braucht man beispielsweise in der Landwirtschaft wo man die Düngermenge nach dem Ergebnis von Satellitenbildern dosiert.

Zum anderen bleibt dieser technische Vorsprung ja nicht für immer. Die US Regierung hat ja schon angekündigt, dass die nächste GPS Navstar Generation genauere Daten auch für zivile Benutzer liefern wird (Militärs bekommen immer schon genauere Daten, nur ein Signal welches künstlich die Datenqualität verschlechterte, wurde schon vor Jahren abgeschaltet). Da sich Galileo um Jahre verzögert hat, ist der zeitliche Vorsprung weitgehend dahin. Man hat es ja noch nicht einmal fertig gebracht den zweiten Testsatelliten GIOVE-B zu starten.

Zum dritten scheint die Wirtschaft selbst nicht davon überzeugt zu sein, denn die ursprüngliche Konzeption sah eine höhere Selbstbeteiligung der Raumfahrtindustrie (70 % der Entwicklungskosten von Phase 2) vor und dies ist nun vom Tisch. Ein ziviles System das seine Kosten herein bringen muss wird sich schwer tun wenn es gegen zwei militärische Systeme antreten muss, die das nicht müssen.

Ich denke der Ansatz ist falsch. Es ist nichts falsches daran autonom zu sein. Das hat in Europa schon zu einigen Erfolgen geführt: Ariane entstand aus dem Wunsch nicht von US Starts abhängig zu sein. Airbus aus dem ziel nicht den Amis den Markt für große Passagierjets zu überlassen und derzeit baut Europa Aufklärungssatelliten - Vor einem Monat startet der dritte deutsche SARLupe Satellit weitgehend unbemerkt, Italien baut sein Cosmos/Skymed System und Frankreich sein Helios System auf. Ich denke mit diesen wird Galileo zu vergleichen sein: Man will einen autonomes GPS System haben und unabhängig von den Amis sein und man sollte nicht rechnen, dass man es vollständig refinanzieren kann. Doch auch wenn nicht - 5 Milliarden Euro über 12 Jahre, das ist für die EU ein Klacks, verglichen mit anderen Subventionen. Die Kosten für das System sollen nun ja auch durch Einsparungen im Agrarhaushalt kommen.

Weiterhin sichert es Arbeitsplätze in der Raumfahrtindustrie, lastet die Ariane 5 aus und bringt Europa Kompetenz in dem Navigationssektor - auch einige neue Arbeitsplätze im Anwendungsgebiet wo Software und Geräte gebaut werden dürften entstehen. Das alles sind auch gute Gründe für Galileo. Eventuell kann man es auch teilweise durch dienste refinanzieren, doch ich würde damit nicht rechnen.

Montag 10.122007: Das äußere Sonnensystem - Terra Icognita?

Im Jahre 1975 veröffentlichte ein Gremium der NASA folgende "Roadmap! für die zukünftige Erforschung der Planeten:

Betrachtet man diese Liste aus 30 Jahren Abstand, so fallen nicht nur die enormen Verzögerungen bei den angegangenen Projekten auf (Ausnahme Cassini/Huygens). Es ist vor allem die Ausrichtung auf das äußere Sonnensystem, welche auffällt. In der Tat erschien dieser Schritt logisch: Venus hat eine unwirtliche Umgebung, Landesonden sind hier nicht möglich und die Beobachtung der Oberfläche geht nur mit Radar. Merkur ist schwer zu erreichen. Man braucht zu ihm fast die Geschwindigkeit die man für einen Jupiterflug braucht, und er ist geologisch genauso tot wie der Mond. Der Mars ist gut bekannt gewesen und auf Basis der damaligen Technologie wäre eine Nachfolgemission von Viking recht teuer geworden. Dagegen kannte man wenig von den äußeren Planeten und hatte hier in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht: Den einfachen Pioneers waren die komplexeren Voyager Sonden gefolgt und Galileo als erster Orbiter um einen Gasplaneten stand am Horizont.

In der Tat sind die Gasplaneten sehr interessant. Um sie tummeln sich auch Monde die ein Planetensystem im kleinen darstellen. Aber sie sind auch schwer zu erreichen. Die Startenergien sind hoch und das macht die Sonden klein. Mehr noch: Am Ziel muss man die gleiche Geschwindigkeit wieder abbauen um in einen Orbit einzuschwenken.

Aerodynamische Abbremsung wäre eine Möglichkeit dies zu vermeiden, sie ist jedoch noch nie in diesem Maße erprobt worden. So verwundert es nicht, dass Uranus, Neptun und Pluto noch auf einen Orbiter warten müssen. doch bei Saturn und Jupiter sieht die Situation anders aus. Sie sind in 2 beziehungsweise 6 Jahren auf Bahnen erreichbar, bei denen man nur wenig Geschwindigkeit vernichten muss um in einen Orbit einzuschwenken. Trotzdem gab es, seitdem dieses Pamphlet veröffentlicht wurde, nur Galileo und Cassini, 2011 soll Juno folgen, um die Plasmaumgebung von Jupiter zu untersuchen. Das ist verglichen mit der Anzahl an Marssonden recht wenig: Zzu Mars starteten seit 1997 insgesamt 12 Sonden, davon 9 aus den USA. Woher das Desinteresse?

Nun ich meine es ist kein Desinteresse an den Planeten, es ist schlicht und einfach das Desinteresse an "Großunternehmen". Sonden zu den äußeren Planeten werden einfach erheblich teurer als andere Unternehmungen. Nehmen wir die kleine New Horizons Sonde. Sie wiegt nur 480 kg, hat nur wenige Experimente an Bord, trotzdem kostet sie 723 Millionen Dollar. Warum? Nun sie braucht:

Juno wird einen der Kostenfaktoren eliminieren: Die RTG. Sie benutzt 3 riesige Solarpanel um den Strom zu gewinnen. Doch dies klappt nur noch bei Jupiter und ist schon dort deutlich schwerer als ein RTG. Für Expeditionen weiter nach außen ins Sonnensystem ist dies nicht praktikabel.

Doch es gibt Entwicklungen, die es erlauben würde nicht nur Uranus und Neptun zu erreichen, sondern auch Pluto und andere KBO, und dabei nicht nur einen Vorbeiflug durchzuführen, sondern in einen Orbit einzuschwenken. Die drei Schlüsselelemente sind:

Neuartige RTG: Derzeit werden Sterling-Motoren als Wandler für die Wärme in elektrische Leistung erprobt. Diese haben einen höheren Wirkungsgrad von 25 %, gegenüber die etwa 6 % die derzeitige RTG aufweisen. Das erlaubt es diese leichter zu bauen und die Plutoniummenge zu reduzieren. Sie liefern den Strom für die Ionentriebwerke. Dawn setzt diese schon ein um Vesta und Ceres zu erreichen. Bei den Missionen wird man sie einsetzen um zuerst zu beschleunigen um die Reisezeit zu verkürzen und dann vor dem ziel wieder abzubremsen.

Trotzdem geht dies nur mit relativ kleinen Sonden. ein Technical Memorandum geht von 127-307 kg Sondenmasse aus (plus dem Antrieb und den RTG), je leichter desto schneller ist man am Ziel. Vor allem sind so aber auch so Missionen möglich die sonst ausgeschlossen sind, wie Orbiter um einen Uranusmond (zu wenig Masse für das Abbremsen durch Fly-Bys) oder ein Vorbeiflug an einem der äußeren KBO in Zeitskalen die erträglich sind.

Damit eine so kleine Sonde nennenswerte Datenmengen übertragen kann, braucht man dann wieder die 70 m Antennen und das macht es teuer. Trotzdem werden die Sendeantennen wegen der Masserestrinktionen klein sein und die Datenraten wie bei New Horizons bei einigen Kilobit/s liegen wenn man erst bei Neptun angekommen ist. Ein Ausweg wäre das K Band zu benutzen. Bei fast 4 mal höheren Sendefrequenzen kann man 14 mal mehr Daten übertragen. Es gibt zudem die Möglichkeit der optischen Datenübertragung die man nun im Erdorbit erprobt. (Meine Versuche hier mehr Informationen zu bekommen wurden zurückgewiesen, da diese der Geheimhaltung unterliegen - In Deutschland laufen die Versuche derzeit natürlich beim System SARLupe und TerraSAR und da ist die Anwendung recht offensichtlich...).

Richtig preiswert werden die Missionen nicht werden, eine Atlas 551 wird in den meisten Untersuchungen vorausgesetzt und auch die RTG werden Plutonium enthalten. Aber .... und das ist es was ich wichtig finde: Es gibt die reale Chance Orbiter zu jedem der äußeren Planeten zu senden. Selbst Pluto/Charon wäre möglich, auch wenn dann die Flugzeit mit 15.3 Jahren (bei einer 307 kg Sonde) recht lang wird. Das letzte wird man wohl deswegen nicht umsetzen, weil einfach der technische Fortschritt in 15 Jahren noch wesentlich leistungsfähigere Instrumente möglich macht.

Mehr dazu findet man in dem Artikel über RTG und Ionentriebwerke, da findet man auch unten eine Linkliste zu den NASA Technical Memorandons.

Dienstag 11.10.2007: Ungerechtigkeit

Kürzlich ging es in der Sonntagspredigt um eine Geschichte aus der Bibel: Ein Bauer braucht zur Bestellung seines Weinbergs Tagelöhner und er stellt welche morgens ein, doch die Arbeit ist zu viel, so heuert er den Tag über weitere an, die letzten kurz vor Feierabend. Dann ist die Arbeit beendet und die Tagelöhner bekommen ihren Lohn. Da regt sich dann Unmut, weil alle den gleichen Lohn bekommen, unabhängig von der Arbeitszeit. Der Bauer erwidert natürlich: "Was regt ihr euch auf - bekommt nicht jeder den Lohn, den wir ausgemacht haben? Ist es nicht meine Sache, ob ich großzügig bin?". Es schließt sich natürlich dann eine Predigt an die uns über das Reich Gottes und seine Großzügigkeit aufklärt.

Doch ich kann die Tagelöhner verstehen. Natürlich regt sich in uns etwas, wenn wir den ganzen Tag arbeiten und wir bekommen den gleichen Lohn wie jemand der nur eine Stunde gearbeitet hat. Das Gerechtigkeitsempfinden ist etwas, dass, wenn ich es verletzt ist, bei den meisten Menschen am stärksten nagt. so auch bei mir. Mir kommen da einige Dinge in den Sinn, die mir zu schaffen machten, und wenn ich darüber nachdenke ertrage ich Undank, Abneigung oder Missgunst eher als Ungerechtigkeit.

Wenn ich darüber nachdenke ist es nicht nur bei mir so. Viele geschichtliche Ereignisse beruhen letzten Endes darauf, dass das Gerechtigkeitsempfinden von Bevölkerungsgruppen verletzt wurde:

Warum ist dies so? Diese Frage kann ich nicht so recht beantworten, denn es gibt durchaus bedrohlichere Dinge die von Menschen lange Zeit geduldet werden wie Zensur, hohe Steuern, fehlende Meinungsfreiheit selbst Armut oder Hunger. Vielleicht weil dies alle trifft und nicht nur einige? Was meint Ihr, was die Ursache ist? Und reagiert ihr auch so empfindlich auf Ungerechtigkeit?

Mittwoch 12.12.2007: Die Shuttle Misere

Nachdem der Columbus Start verschoben wurde, ist das Space Shuttle wieder mal in die Schlagzeilen geraten, vielleicht zu Unrecht, denn die letzten Starts erfolgten ohne Verzögerung. Warum laufen die Space Shuttles aus? Warum will man nun zum Mond? Ich habe in Interview mit einem Raumfahrtexperten gehört, der Berater der US Regierung ist. Er meinte, man hätte dort abgewogen welches Risiko bei der bemannten Raumfahrt besteht - besonders dem Verlust der Besatzung - besteht und dem Nutzen. Man wäre zum Schluss gekommen, dass sich unter diesem Aspekt die Raumstation nicht lohnen würde, aber Expeditionen zum Mond.

Ich wäre ja fast bereit diese humanistischen Bestrebungen der US Regierung zu glauben, wenn es nicht jede Menge gefährliche Berufe gibt, bei denen man offensichtlich diese Abwägungen nicht macht. So gibt es in den USA "Firefighters" die bei großen Waldbränden hinter diesen per Fallschirm abspringen oder mit dem Hubschrauber abgesetzt werden und eine Schneise schlagen, damit sich der Brandt nicht ausbreitet. Wenn der Wind sich dreht, können immer wieder einige nicht rechtzeitig sich in Sicherheit bringen und sterben bei diesem Einsatz. Das könnte man durch eine Liste von anderen Berufen ergänzen, die gefährlich sind.

Natürlich ist der Start eines Shuttles gefährlich und er ist gefährlicher als der einer Kapsel. Aber die Astronauten kennen dieses Risiko und gehen es bewusst ein. Das Problem liegt in zwei anderen Punkten. Zum einen in der negativen Publicity die ein Verlust des Space Shuttles mit sich zieht. Ein Space Shuttle Start kommt einmal oder zweimal in den Nachrichten unter "sonstiges". Ein Verlust ist Thema von Sondersendungen, die Suche nach den Ursachen und die Behebung kommen dann noch monatelang in den Nachrichten, dann verzöget sich die Wiederaufnahme der Flüge - bei Challenger und Columbia standen die Shuttles jeweils 17 bzw. 20 Monate am Boden - das alles ist jede Menge negativer Publicity

Das zweite sind die explodierenden Shuttle Kosten. Es gibt zwar seit Jahren keine Auskünfte mehr zu den realen Startkosten, doch man kann sie indirekt ermitteln - indem man das Budget durch die Flüge pro Jahr teilt. Der Trend ist relativ eindeutig: Nach jedem Unglück stieg das Shuttle Budget an, aber die Fluganzahl sank. Macht man dies für die 3351 Millionen US-$ die das Space Shuttle Programm für 2007 kostet und teilt diese Summe durch die 5 geplanten Flüge, so kommt man auf 670.2 Millionen US-$ pro Start. Die beiliegende Grafik informiert über den Trend. Die beiden Ausreiser sind zum einen die Kostenreduktion in den späten neunziger Jahren durch Modernisierungen der Flotte und Übertragung der Wartung auf externe Firmen und zum anderen der Anstieg der Kosten direkt nach dem Verlust der Columbia.

Diese hohen Startkosten - 3 mal höhere als ein Start einer Verlustrakete für dieselbe Nutzlast - sind auch der Grund für das Einstellen des Shuttle Programmes. Man kann mir sicher nicht vorwerfen, ich wäre für die bemannte Raumfahrt, aber ich stehe noch kritischer zu dem neuen Programm, Bushs VSE. Tatsache ist, dass nun die ISS da ist, weitgehend fertig gebaut. Tatsache ist auch, dass sie nur einen Sinn macht, wenn man sie technisch auf dem Laufenden hält. Die meisten Forschungsmodule sind nicht umsonst so gebaut worden, dass sie standardisierte Racks aufnehmen können und diese einfach ausgewechselt werden können. Damit kann man Experimente austauschen, defekte durch funktionierende, veraltete durch neue Technik, Forschungsschwerpunkte verschieben, neue Dinge die man noch nicht kannte als man das Labor entwickelte, in Angriff nehmen. Doch diese empfindlichen und voluminösen Racks kann man nicht mit einem Progress Transporter befördern. Auch bei den ATV und HTV Beschreibungen habe ich nichts gefunden das darauf hindeutet, dass man Experimente damit befördert, sondern eher Nahrungsmittel, Gase, Wasser, Treibstoff. Selbst wenn, so war auch gedacht Proben zur Erde zurück zu bringen, ja eine Industrieforschung war einmal auf der ISS geplant, die Materialen produziert die dann auf der Erde zu Produkten weiterverarbeitet werden. Diese mit den Sojus Kapseln zurückzubringen ist nahezu unmöglich. Einige Kilogramm sind pro Flug möglich, doch das ist viel zu wenig.

So macht die ISS wenig Sinn. Ihre Technologie ist schon heute veraltet, weil der Aufbau so langsam vor sich ging (Start der Planung war 1994 ! Columbus hätte vor 5 Jahren gestartet werden sollen). Statt sich zu überlegen, wie man die ISS und die investierten Summen sinnvoll nutzt, stürzt man sich nun auf ein neues Ziel von dem man nicht weis ob man es erreichen wird oder es dann auch zu teuer wird.

Was wäre die Alternative? Ich halte das Raumgleiter Konzept für nicht grundsätzlich falsch. Aber ich halte das konkrete Space Shuttle Konzept für falsch. Sicherheitstechnisch sollte es bei einem bemannten Raumfahrzeug eine Möglichkeit geben den Shuttle abzusprengen mit kurz brennenden Feststoffraketen, analog dem Fluchtturm bei Kapseln. Dann wäre er auch auf der Rakete und herumfliegende Schaumstoffstücke wären kein Sicherheitsproblem. Vor allem aber wird ein Space Shuttle als bemanntes Gefährt immer teurer sein als eine einfache Rakete. Er sollte also nur Personen und kleinere Mengen empfindlicher Fracht transportieren und keine großen Nutzlasten. Dann aber reden wir nicht mehr von dem heutigen Space Shuttle, 78 t ohne Nutzlast schwer, mit einem 18.3 x 4.6 m großen Nutzlastraum. Dann reden wir von einem kleinen Shuttle, das gerade genug Platz hat für die Besatzung und etwas Fracht, so wie Hermes geplant war und Kliper gedacht ist. Das ist dann 15-20 t schwer und braucht eine Delta IV Heavy oder eine Atlas V als Träger. Ich glaube auch, wenn man moderate Anforderungen an Wiederverwendung stellt, und sich mit einigen Einsätzen zufrieden gibt, wird die Entwicklung finanzierbar und auch der Unterhalt. Nehmen wir an, ein Shuttle dieser Art kostet doppelt so viel wie eine Kapsel. Wenn er 5 mal fliegt verursacht er nur 40 % der Kosten und wenn er 10 mal fliegt 20 % der Kosten. Dazu kommt dann noch der fixe Preis der Trägerrakete, so das die Einsparung im Gesamtpreis immer geringer wird. Bei der Entwicklung ist es aber ein enormer Unterschied ob ich mich damit begnüge, etwas mehrmals zu verwenden oder gleich 100 mal wie das heutige Shuttle. Raketentriebwerke durchlaufen heute schon Tests mit der 10 fachen nominellen Brenndauer - ohne Probleme. Das ist einfach die normale Sicherheitsmarge. Doch für 100 Einsätze sind sie nicht qualifiziert, dann braucht man so teure Anfertigungen wie das SSME.

Ein sinnvoller Schritt wäre es gewesen, die X-38 Entwicklung für das CRV aufzunehmen, und ein Shuttle für die Versorgung der Station daraus zu bauen. Wenn dies funktioniert und die ISS läuft, dann hätte man sich über den nächsten Schritt zum Mond Gedanken machen können, oder ob es nicht gleich zum Mars gehen soll. Aber einfach die Shuttles auszumustern und keinen Ersatz zu planen. das eine Hasenfuss-Taktik.

Das ist das nächste Problem - die fehlende Langzeitperspektive bei der NASA - doch auch Thema eines eigenen Blogs.

Donnerstag 13.12.2007: Die fehlende NASA Vision

Heute vor 36 Jahren war Apollo 17 auf dem Mond, am 19.ten Dezember 2007 jährt sich zum 35.sten mal der Jahrestag an dem die letzte bemannte Mondlandung zu Ende ging. Dies bringt mich auf ein sehr wichtiges Thema: Die Langzeitvision der NASA. Wenn man es genauer betrachtet, so hatte die NASA bislang keine und viele sehen dies als einen der grundsätzlichen Probleme an.

Das bemannte NASA Programm begann mit Mercury und der Forderung einen Menschen in den Orbit zu bringen, mit einer Aufenthaltsdauer von 5 Orbits. Das ist eine konkrete Zielsetzung die übertroffen wurde und als man sie erreichte war Mercury abgeschlossen. Während dessen nahm Apollo Gestalt an mit der genauso konkreten Zielsetzung einen Menschen auf dem Mond vor Ablauf des Jahrzehnts (je nach Auslegung dem 1.1.1970 oder 1.1.1971) zu landen. Gemini kam als Zwischenprojekt um die Techniken für Apollo zu erproben und bis zu 14 Tage Aufenthalt im Orbit zu erreichen. Das alles waren konkrete Projekte mit definierten Zielen. Man kann es aber auch anders sehen - Es handelt sich um Unternehmen mit zunehmender Komplexizität, die den Menschen immer weiter in den Raum hinaus brachten und seine Rolle wandelte sich vom passiven Passagier zum aktiven Erforscher auf dem Mond.

So verwundert es nicht, wenn man nach dem Erreichen des Ziels Apollo einstellte, auch wenn dies aus heutiger Sicht sehr kurzsichtig erscheint - die Hardware dafür hatte man ja schon geordert und bezahlt. Man konnte nur die Kosten für den Flug einsparen. Noch weniger konnten die Beteiligten aber den Kurswechsel der NASA verstehen: Man hatte nun für Apollo Hardware entwickelt und diese wollte man nun nicht mehr nutzen. Wernher von Braun glaubte, dass man mit den Saturn V eine Raumstation aufbauen konnte - bei 90-130 t Nutzlast hätten einige Flüge genügt, um ein größeres Labor als die ISS aufzubauen. Sein eigenes Ziel war der Mars - auch dafür hätte man die Saturn V bei einem moderaten Ausbau nutzen können. Doch nun gab es als neues Ziel den Space Shuttle.

Das grundlegende Problem des Space Shuttles ist sein Einsatzzweck. Er war ursprünglich dazu gedacht eine Raumstation aufzubauen und zu versorgen. Diese Raumstation und den Space Shuttle konnte sich die NASA aber nicht gleichzeitig leisten. Also entwickelte man nun zuerst den Space Shuttle. Alleine macht dieser aber nur wenig Sinn, und sich selbst finanzieren durch kommerzielle Transporte konnte er sich auch nicht. 1984 gab Reagan der NASA den Auftrag eine Raumstation zu entwickeln - und alles schien nun dahin zu laufen wie man es 1972 schon plante: Das Space Shuttle dient zur Versorgung der Raumstation Freedom. Doch die Station war zu komplex und nach dem Verlust der Challenger mussten die Pläne, die viele Flüge mit vielen Arbeiten im Weltraum vorsahen geändert werden. Jahre vergingen in denen die NASA nicht das Geld bekam Freedom, aus der dann Alpha wurde zu bauen. Als es endlich mit der ISS gelang zeigte sich, dass das Space Shuttle damit überfordert war. 2002 sollte die ISS fertig gestellt werden, sie war noch nicht mal zur Hälfte fertig, als 2003 die Columbia verglühte.

Nun ist das Ende des Space Shuttles beschlossen und das Ende der ISS ebenso. Stattdessen gibt es wieder ein neues Ziel, zurück zum Mond, mit einer undefinierten Zielsetzung. Das ist zwar ein effektiver Weg Geld zu verpulvern, aber keine Vision für ein langfristiges Programm. Wie könnte dieses Aussehen?

Das setzt voraus, das es eine politische Unterstützung gibt, die länger ist als die 1-2 Legislaturperioden die ein Präsident regiert. Sollte man dazu nicht bereit sein, so ist es vielleicht sinnvoller gar keine bemannte Raumfahrt zu betreiben, anstatt das Geld in sinnlosen Projekten zu verprassen. Es gibt eine Reihe von großen Industriestaaten die keinerlei Ambitionen haben ein bemanntes Projekt durchzuführen: England, Italien oder Japan zum Beispiel.

Freitag 14.12.2007: Solarzellen auch im äußeren Sonnensystem?

Das war die Frage dich ich gestern in einem Kommentar fand. Heute gibt es einen Doppelblog, weil ich den gestrigen zwar in der Mittagspause geschrieben habe, aber dann nicht mehr Zeit hatte ihn aufzuspielen, da unsere Weihnachtsfeier anstand. Ich stelle auch an den Kommentaren fest, dass ich mich wohl immer mehr wiederhole und vielleicht weniger schreiben sollte oder den Blog wieder einstellen: Sooo viel über Raumfahrt gibt es nicht zu sagen, mein tägliches Leben halte ich für nicht besonders interessant und über Gebiete in denen ich mich nicht auskenne, vermeide ich es mich auszulassen, da artet dann meist in Schwadronieren aus.

Doch kommen wir zurück zum heutigen Thema: Kann man RTG (Radioisotopen Thermogeneratoren) durch Solarzellen im äußeren Sonnensystem ersetzen? Antwort on Radio Eriwan... Ja, aber...

Nun zuerst mal etwas Physik: Die Leistung von Sonnenzellen nimmt quadratisch mit steigender Entfernung ab. Bei Jupiter mit 5.2 facher Erdentfernung steht so nur noch 1/5.2² = 3.7 % der Leistung bei der Erde zur Verfügung. Bei Saturn sind es nur noch 1.1 % der Leistung bei der Erde.

Man braucht also enorm große Solarzellen für dieselbe Leistung. Gegenüber RTG gibt es auch noch einige andere Nachteile:

Was kann man dagegen tun? Nun zum einen den Wirkungsgrad steigern. Solarzellen für Satelliten bestehen aus Silizium oder Gallium-Arsenid. Silizium erreicht 16-19 % Wirkungsgrad, Galliumarsenid bis zu 24 %, dafür sind die Zellen aber 10 mal teurer, so dass es auch bei Satelliten nicht so häufig eingesetzt wird (bei den neuesten Intelsat !0 Satelliten z.B. nur auf einem Teil der fläche damit man mit vorgegebener Gesamtfläche eine bestimmte Leistung erreicht). Wenn man diese Zellen übereinander legt, und dann vielleicht noch ein drittes Material, wie Indium-Phosphid einsetzt, so bekommt man einen höheren Wirkungsgrad, da jedes Halbleitermaterial einen anderen Wellenlängenbereich ausnutzt. Es ist keine additivie Wirkung, da sich diese Bereiche überlappen und die Zellen natürlich auch so Licht schlucken, doch sogenannte "Multiple-Junction Zellen" sollen in 3 Jahren 30-33 % Wirkungsgrad erreichen. 35-40 % erscheinen nach der Studie,  auf die mich Klimper aufmerksam machte, möglich sein.

Man benötigt fürs äußere Sonnensystem spezielle Tieftemperaturzellen. Leider ist deren Wirkungsgrad kleiner als in Erdnähe, selbst wenn man berücksichtigt, dass sich Solarzellen in Erdnähe durch ihren geringen Reflexionsgrad stark aufheizen. Die Lösung ist es das Sonnenlicht zu konzentrieren. Entweder man bringt auf die Panels Linsen auf, und sammelt das Licht so (man bedeckt dann natürlich nicht die ganze Fläche sondern platziert nur eine Zelle im Brennpunkt der Linse). Die zweite Möglichkeit, etwas schwieriger mechanisch umzusetzen, aber erheblich leichter ist es neben die Panels dünne Spiegel zu platzieren und dann mit diesen das Licht auf die Solarzellen zu spiegeln. "Spiegel" ist ein vornehmer Ausdruck, denn die Fläche kann sehr dünn sein. Eine ESA Studie für einen Jupiter-Europa Orbiter geht z.B. nur von einem Flächengewicht von 0.15 kg/m² aus, also so schwer wie 2 Blatt Papier.

Immerhin soll mit diesem Trick die Leistung pro Kilogramm von 2.2 auf 4.7 Watt/kg ansteigen. Zum vergleich: Ein GPHS RTG erreicht  4.9 Watt/kg und die neueren RTG, mit Sterling Motoren, sollen bis zu 8.0 Watt/kg erreichen.

Die Studie zeigt deutlich wo man heute ist. Das derzeit leistungsfähigste erprobte leichtgewichtige Panel ist SLASR mit Massen von 179 kg für 211 m². Doch selbst damit bräuchte man 4 Panels mit 237 kg Masse um bei Saturn 335 W Strom zu bekommen (nach 15 Jahren). Entsprechend ist die Masse des Raumfahrzeugs kleiner. Anstatt 1000 kg wie bei RTG sind es nur 550 kg - Das Mehrgewicht bewirkt natürlich auch dass man mehr Treibstoff braucht um in einen Orbit einzuschwenken.

Die Studie meint, dass man bei Saturn mit Verbesserungen auf 420 Watt bei 233 kg Masse kommen kann - aber das ist immer noch 4 mal schlechter als RTG.

Warum untersucht man es trotzdem? Nun es gab ja eine Verbesserung in den letzten Jahren. Vor Rosetta hätte man nicht gedacht, dass man bis Jupiter mit Solarzellen kommt und Rosetta verwendet sie bis in diese Entfernung auf einer elliptischen Umlaufbahn. Juno und Dawn verwenden sie bis in 3 beziehungsweise 5 AE Entfernung  bei kreisförmigen Umlaufbahnen und bei Jupiter ist man heute schon fast so gut wie RTG.

Es gibt natürlich eine Reihe von Gründen die für Solarpanels sprechen. Gegen die RTG sprechen vor allem die hohen Kosten. Sie waren nie wirklich preiswert, doch in den letzten beiden Jahrzehnten sind sie richtig teuer geworden. Das Plutonium wird in Brutreaktoren erzeugt, die primär nicht der Stromerzeugung dienen, im Gegenteil, das Uran wird so kurz darin verwendet, dass man kaum Energie aus ihm zieht. Das wichtigste ist es, Spaltisotope zu erzeugen und diese aus den Brennstäben zu extrahieren. Diese Reaktoren wurden nicht für die Produktion von Pu-238 gebaut, sondern für die Produktion von Pu-239 für Atombomben. Das dabei auch entstehende Np-237 wird abgetrennt und dann in anderen Kernreaktoren durch Neutronenstrahlung zu Pu-238 umgewandelt. Die Abrüstungsverhandlungen haben dazu geführt, dass man die beiden Reaktoren welche die USA dafür haben nun nicht mehr in diesem Maße benötigt und so wird die Produktion von RTG recht teuer. Als Voyager 1977 startete, kosteten die RTG 17.736 Millionen Dollar. (Mit Entwicklungskosten 23.6 Millionen Dollar). Ein neuer GPHS RTG kostet dagegen heute 90 Millionen Dollar, obwohl man dafür nur ein Drittel des Plutoniums braucht. Pro Kilogramm Pu-238 sind die RTG also in 30 Jahren um den Faktor 15 teurer geworden - weitaus stärker als die Kosten von Raumsonden angestiegen sind.

Es ist daher nur eine Abwägung was billiger kommt: Eine schwerere Raumsonde mit einer stärkeren Trägerrakete zu starten, oder eine kleinere mit einer preiswerteren Trägerrakete und einem RTG. Darüber hinaus arbeitet man ja auch wie schon erwähnt an Sterling-RTG, die zwar nicht leichter sind, aber nur ein Viertel des Plutoniums eines Thermoelektrischen Wandlers brauchen, weil der Wirkungsgrad bei ihnen etwa 25 % beträgt, anstatt etwa 6 %.

Eventuell kann man aber noch einen weiteren Vorteil ausnutzen: Bedingt durch die große Fläche liefern Solarzellen in Erdnähe sehr hohe Leistungen. Ein Panel das 300 Watt bei Saturn liefet z.B. 33 kW in Erdentfernung. Dies kann man nutzen, um über einige Monate lang die Sonde mit Ionentriebwerken zu beschleunigen und so mit einer geringeren Energie zu starten. Das erlaubt dann wieder eine größere Sonde. Doch derartige Pläne habe ich noch nicht gesehen.

Vor allem aber: Es gibt keinerlei Pläne ins äußere Sonnensystem. Schon der Nachbau von New Horizons zu einem Uranus / KBO Kurs war zu teuer, obwohl man damit die Möglichkeit verpasste zur Tag/Nachtgleiche Uranus zu passieren und damit den einzigen Zeitpunkt in den nächsten 42 Jahren, in denen man die ganze Oberfläche der Monde fotografieren kann. Wenn es nicht mal reicht eine Sonde 1:1 nachzubauen, für eine einmalige Gelegenheit, wer glaubt dann an Saturn/Enceladus Orbiter?


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