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Web Log Teil 495: 24.3.2017- 31.3.2017

24.3.2017: Drogen im Vergleich

Gestern sah ich mir einen Tatort mit Borowski an, es ging dabei um einen rätselhaften Leichenfund bei dem man zuerst nur den Kopf hatte. Sehr bald stellte sich heraus, das der Tote Drogenabhängiger war und Crystal-Meth konsumierte. Am Ende kam dann raus, das er im Rausch eine weitere Frau getötet hatte und als er einen anderen strangulieren wurde, von ihm erschlagen wurde. Das erinnert mich an Geschichten die ich über die Droge gehört habe und auch an Spots der USA, die vor Verhaltensveränderungen warnen und brachte mich auf den heutigen Blog:

Wie gefährlich sind die unterschiedlichen Drogen wirklich? Klar ist die Frage schwer zu beantworten. Als Wissenschaftler nehme ich den Ansatz der zumindest einigermaßen zufriedenstellend beantwortbar ist. Es ist relativ schwer das Suchtpotential in Zahlen zu fassen, also ab welche Menge wird man von einer Substanz abhängig. Selbst wenn man Populationsdaten nimmt, gibt es da große Schwankungen und im Endeffekt nützt der Wert nichts bei individueller Vorprägung. Auch schwer zu quantisieren, aber immerhin abschätzbar sind die gesundheitlichen Risiken bei Langzeitexposition. Am besten Greifbar sind die experimentell abgesicherten Daten. Das sind zum einen LD50 Werte einiger Substanzen die im Tierversuch bestimmt wurden. Zum anderen bei ungeklärten Todesfällen durch Überdosis, die bei der Obduktion, bestimmten Mengen. Man kann dann diese in Verhältnis zu dem "normalen" Konsum setzen, wobei ich "normal" in Klammern setze, weil wie jeder weiß die Menge individuell sehr unterschiedlich ist, das sieht man schon bei normalen Drogen. Einer raucht 3 oder 4 Zigaretten am Tag, ein anderer eine ganze Schachtel. Der eine trinkt nicht jeden Tag und dann vielleicht ein Glas Wein zum Abendausklang, der andere bei jeder Hauptmahlzeit eine Flasche Bier.

Als ich an den Blog ging, hatte ich schon eine ungefähre Vorstellung wie die Reihenfolge aussieht. THC stufe ich relativ weit unten ein, schließlich gab es noch nie einen belegten Todesfall durch Cannabis obwohl es weltweit die Droge Nummer 3 nach Alkohol und Nikotin ist. Alkohol relativ hoch, weil ich als Lebensmittelchemiker weiß das schon etwas über 1 l Wodka auf einmal konsumiert tödlich sein können, also nur wenig über der Dosis die für manche "normal" ist. Ebenso hört man immer wieder von Toten die sich bei Heroin den "goldenen Schuss" gesetzt haben. Doch wie viele der heutigen synthetischen Drogen wie Ecstasy einzustufen - keine Ahnung.

Wie ich feststellte hat das schon jemand gemacht.

Die Autoren haben wo dies ging die MOE (Margin of Expose) dem Verhältnis der Dosen wo man im Tierversuch Schäden feststellt zu den vermuteten typischen Aufnahmemengen bestimmt. Wo dies nicht ging, weil nicht genügend Daten vorliegen hat man dies auf Basis von bekannten Daten Des Konsums und den aufgetretenen Fällen von Schädigungen oder Tod gemacht. Da es einen Bereich ging, gibt man immer die kleinste wie auch größte Dosis an.

Die Tabelle ist wie folgt zu lesen: Zuerst gibt es die Spalten Minimum, Maximum und Mittelwert. Dies gibt den Bereich der Unsicherheit an, sowohl was die bekannten LD50 Daten wie auch den Konsum angeht. Minimum heißt: Minimaler Unterschied zwischen maximal denkbarer Aufnahmedosis und bekannten minimaler LD50 Rate. Maximum entsprechend maximaler Unterschied zwischen minimaler Aufnahmemenge und maximal bekannter LD50 und der Mittelwert dann das Mittel dazu. Liegt der Wert von Minimum unter 1 so kann man damit rechnen das einige Personen in der Population eine Überdosis von der Droge zu sich nehmen, die Aufnahmemenge also größer als die LD50 ist. Das ist der Fall bei Heroin, Alkohol, Kokain. Entsprechend hört man dann auch immer wieder von Drogentoten bei diesen Substanzen durch Überdosis. Der Mittelwert wäre dann ein geeigneter Indikator um die Gefährlichkeit einer Droge einzustufen.

Die folgenden Prozentangaben zeigen dann welcher MOE bei mindestens x % der Bevölkerung vorliegt. Nehmen wir Alkohol als individuelles Risiko: 5% der Bevölkerung nehmen so viel Alkohol zu sich, dass die Menge die tolerierbare Menge um 100 % überschreitet (MOE 0,5), erst bei 50% ist es im Mittel so, das die meisten gerade mal so viel Alkohol trinken wie nach Stand der Wissenschaft noch ungefährlich ist, das heißt aber auch: knapp 50% trinken mehr als ungefährlich ist.

Bei den aus Poplationsdaten bestimmten MOE muss man vorsichtig sein, denn dann nimmt man auch alle Nichtkonsumenten mit hinzu, welche die Droge nur passiv aufnehmen (Passivrauch oder als Rückstand im Wasser), sodass man zu extrem hohen Werten für das Maximum kommt. Ich würde aus ihnen keine Schätzung abgeben. Die relativ niedrigen Werte für Alkohol kommen durch Passivrauch und Alkohol in Lebensmitteln zustande: Alkohol wird vielem zugesetzt, ist Trägerstoff für Aromen und selbst in Fruchtsaft zu 0,5% zulässig. Man sollte sich also auf die individuellen Risiken beschränken.

Der meiner Ansicht nach statistisch sicherste Wert ist der, den 50% der Bevölkerung erreichen und da gibt es dann folgende Reihenfolge:

Substanz

50% der Bevölkerung erreichen MOE von X oder kleiner

Heroin

1.1

Alcohol

1.2

Kokain

2.0

MDMA

6.3

Nicotin

6.8

Methamphetamin

7.7

Amphetamine

19

Methadon

23

Diazepam

89

THC

119

Wie beurteilt man dies nun? Als Lebensmittelchemiker gibt es sofort eine Parallele zum MOE das ist der ADI Wert. ADI (Acceptable Daily Intake) bezieht sich auch auf eine tägliche Aufnahmemenge im Verhältnis zu der Dosis bei der im Tierversuch es keine Effekte (weder positiv noch negativ) gab, dem Sogenannten NOEL-Wert (No Effect level). Ein ADI Wert ist mit einem Sicherheitszuschlag versehen und der beträgt in der Regel für Lebensmittelzusatzstoffe der Faktor 100. solche Sicherheitsfaktoren gibt es nur bei den vom Verbraucher so ungeliebten Zusatzstoffen, auch wenn ich mich damit unbeliebt mache: nichts ist im Lebenstitelbereich so sicher wie Zusatzstoffe, da hervorragend untersucht und reglementiert in der Anwendung. Lebensmittel sind viel unsicherer. Nur mal ein Beispiel: Schon bei den Makronährstoffen gibt es den Faktor 100 nicht. Bei den GDA-Empfehlungen legt man einen Energieverbrauch von 8400 kJ zugrunde die sich in 55% Kohlenhydrate, 30 % Fett und 15 % Eiweiß aufteilen, oder 268 g Kohlenhydrate, 65 g Fett und 73 g Eiweiß. Die 100 fache Menge, bei Kohlenhydraten z. B. in 26,8 kg Zucker entgalten kann kein Mensch essen. Übergewicht dürfte es schon geben, wenn man die Menge dauerhaft um 10% überschreitet, also Lebensmittel sind in etwa so gefährlich wie Heroin. Manche sogar noch gefährlicher denn wie wir wissen, sollen wie keine Wurst oder rotes Fleisch essen. Da ist dann schon ein Steak zu viel!

Doch auch bei Stoffen, die man leicht in der Menge konsumieren kann, gibt es solche tollen Sicherheitsfaktoren nicht. Als Beispiel sei mal das Salz genannt. 550 mg Natrium, das sind 1.380 mg Salz, sind lebensnotwendig, die DGE empfiehlt 1,500 mg Natrium als tägliche Zufuhr. Maximal sollten es 6.000 mg Salz, das sind 2.360 mg Natrium sein. Es werden aber im Mittel 8,4 g Salz pro Tag konsumiert. In der Gruppe der 30 bis 39-Jährigen sogar 10,6 g Salz. Rund 70 % der Frauen und 80 % der Männer konsumieren also zu viel. Nehme ich das Verhältnis von Empfehlung zu maximalem Konsum, so hat Salz auch nur einen MOE von knapp 1,6.

Selbst Vitamine, die man weil man nur Milligramm davon braucht problemlos in der 100-fachen benötigten Dosis schlucken kann sind bei zu hoher Dosierung nicht harmlos. Eine Untersuchung zeigte, das alle antioxidativ wirkenden Vitamine und Spurenelemente mit Ausnahme von Vitamin C in hoher Dosis die Sterblichkeit erhöhen.

Was schließen wir daraus?

Geht man nach wissenschaftlichen Argumenten, so müsste man Alkohol genauso verbieten wie Heroin und Kokain - alle die sind Drogen mit einer geringen Sicherheitsspanne. Wie hoch man sie für "legale Drogen" ansetzt, ist schwer zu sagen. Ich würde 10 als untere Grenze setzen. Gerade bei Pillen die man leicht schlucken kann ist das noch fast zu wenig. Bei etwas, was man nicht so schnell konsumieren kann, wie Alkohol oder auch Zigaretten reicht dann vielleicht auch 5, womit Zigaretten gerade noch erlaubt wären.

Damit wären Amphetamine und Methadon noch Drogen mit geringem Risiko, das Methamphetaim (Crystal Meth) aber nicht. In einer anderen Liga spielen Diazepam und THC. Diazepam hat nicht umsonst die früher üblichen Barbiturate weitestgehend verdrängt. Mit denen konnte man sich leicht durch Überdosierung umbringen, das geht bei einem MOE von 89 nur schwer. Und wenn es auch Politiker und vielleicht einige Blogleser nicht hören wollen: THC ist sicherer als Salz, Rauch, alle Lebensmittel und die meisten Zusatzstoffe. Mit einem MOE zwischen normaler Dosis und LD50 liegt es in einem Bereich der Sicherheitsschwelle von Lebensmittelzusatzstoffen. Zwar ist dort die Basis nicht die LD50, sondern der No Effekt Level Wert, aber wenn nun die psychogene Wirkung ausblendet und nur auf die körperlichen Folgen schaut, so dürfte THC sicher auch eine Sicherheitsschwelle von 10 haben. Und diese geringe Sicherheitsschwelle weisen auch einige alte Zusatzstoffe auf die ein begrenztes Einsatzspektrum haben.

Substanz

Minimum

Maximum

Mittelwert

Standard­abweichung

5%

25%

50%

75%

90%

95%

Bestimmbare MOE











Heroin

0.2

43

2.2

3.6

0.5

0.7

1.1

2.0

4.7

8.2

Kokain

0.5

10

2.4

1.3

1.1

1.5

2.0

3.0

4.3

5.1

THC

28

697

149

87

64

87

119

185

278

336

Nicotin

1.1

27

7.5

3.7

2.7

4.6

6.8

9.6

12

14

Alkohol

0.2

5.0

1.3

0.6

0.6

0.9

1.2

1.7

2.3

2.7

Methadon

5.6

87

26

12

13

17

23

32

44

50

Amphetamine

1.8

242

27

25

6

12

19

32

57

78

Methamphetamine

1.7

166

14

17

3.8

5.2

7.7

14

30

48

MDMA

1.1

68

9.6

8.4

3.2

4.4

6.3

11

21

29

Diazepam

5.3

914

119

100

25

56

89

147

246

327

MOE Aus Poplationsdaten berechnet











Opiate

41

1090.117

2.325

11.992

133

250

505

1.327

3.873

7.661

Kokain

77

219.044

1.688

5.827

181

315

552

1.123

2794

5.442

Cannabis

615

2.431.803

15738

549.76

1.623

2.861

5.100

10.674

26.116

50.406

Zigaretten rauchen

2.8

177

26

14

9

15

23

33

44

53

Alkohol

0.3

14.3

2.0

1.1

1.0

1.4

1.8

2.4

3.2

4.1

Amphetamine ohne Ecstasy

853

5.454.089

30.619

117268

2.544

4.768

9.119

20.647

50.880

99.383

Ecstasy

293

1.977.266

8.622

35.067

696

1.270

2.458

5.765

14.365

28.183

Benzodiazepine

127

21.752

2.843

2.374

594

1.322

2.111

3.508

5.861

7.779

25.3.2017: Der Jupiter Kommunication-Orbiter

Das Nachdenken über "Galileo 2" brachte mich auf den heutigen Blog. Damals war einer der Vorschläge als man die Hauptantenne nicht ausfalten konnte einen Kommunikationssatelliten hinterher zu schicken. Man hat es nicht weiter verfolgt. Aus naheliegenden Gründen. Wenn der Kommunikationsorbiter die Fähigkeiten von Galileo haben, sollte dann käme nur ein Satellit mit derselben Hauptantenne infrage also ein TDRS. Doch der wiegt genauso viel wie Galileo selbst. Die Sonde bräuchte also wiederum 7 Jahre, um Jupiter zu erreichen - wenn man ein geeignetes Startfenster findet. Galileo hatte schließlich auch noch drei Vorbeiflüge zu absolvieren. Zudem setzt er auch denselben Antennentyp ein, das Entfalten hätte also auch da nicht klappen können.

Nun sind zwei Missionen zu Jupiter geplant. Brauchen die einen Kommunikationsorbiter? Eigentlich nicht. Beide Missionen haben ihr eigenes Kommunikationssystem. Aber wenn man es genauer anschaut, dann schon. Der wichtigste Grund: JUICE und Europa Clipper werden viele Manöver im Jupitersystem durchführen. Das ist ein Unterschied zu Galileo, wo es nur kleine Kurskorrekturen gab. JUICE will schließlich in eine Umlaufbahn um Ganymed einschwenken und Europa Clipper 45 Vorbeiflüge an Europa durchführen. Damit die in einer tolerierbaren Zeit möglich sind, muss auch hier der Kurs massiv geändert werden. Der Preis: Die Raumsonden bestehen größtenteils aus Treibstoff. Bei JUICE beträgt die Trockenmasse 1800 kg, die Startmasse 5.264 kg. Bei Europa Clipper sieht es günstiger aus: 3.254 kg Start und 2.072 kg Trockenmasse. Doch beide Raumsonden haben nur kleine Sendeantennen. Es gibt dazu Gründe. Zum einen erhöhen große Antennen natürlich das Gewicht. Beide haben massive Antennen. Das Zweite sind die Sender. Sie haben einen hohen Stromverbrauch. Bei einem Wirkungsgrad von 30-40 % braucht ein 30-Watt-Sender eine Eingangsleistung von 80 - 90 Watt, was bei Juno schon ein Fünftel der Gesamtenergie ist.

Die Idee: Man strippt die Sendesysteme der beiden Sonden herunter und spart so Gewicht. Stattdessen baut man einen (relativ) einfach gebauten Satelliten, der immer in sicherer Entfernung von Jupiter bleibt. Er empfängt die Signale und hat eine große Sendeantenne und kann sie dann zur Erde übertragen. In sicherer Entfernung (jenseits von 17 Jupiterradien = 1213600 km) ist die Strahlenbelastung so klein, dass man dort lange einen Satelliten betreiben kann. Wahrscheinlich länger als die beiden Raumsonden, sodass er auch für zukünftige Missionen zur Verfügung steht.

Design

Ich zäume das Pferd mal von hinten auf und beginne mit dem Orbiter und untersuche erst dann die Auswirkungen auf die beiden Missionen. Fangen wir mit der Masse an. Ein erster Ansatzpunkt wäre Galileo ohne Stromversorgung, Experimente, Antriebssystem und Hauptantenne, weil dieses alles missionsspezifisch festgelegt wird. Das sind, wenn man die konkreten Werte nimmt, dann 477 kg, in etwa das was Ende der Siebziger/Anfang der Achtziger komplette Kommunikationssatelliten wogen, wie immerhin 4-6 Transponder hatten. Es geht durchaus kleiner: es gibt kleine Satellitenbusse und der Mars Orbiter MCO wog 338 kg trocken, ohne Antriebssystem dann um die 270 kg.

Dazu kommt zuerst eine solare Stromversorgung, die 600 Watt bei Jupiter liefern soll (vergleichbar Galileo mit 570 Watt zu Missionsbeginn), um auch etwas stärkere Sender anzutreiben. Das entspricht mit 10% Reserve für die Abnahme durch Strahlung 18 kW in Erdnähe, die bei ATK-Flexwings rund 90 kg wiegen. Dazu kommt ein Strahlenschutz. Wird der gleiche wie bei Juno gewählt so addiert das weitere 30 kg.

Die Antenne wird man als entfaltbare Antenne auslegen. In zivilen Programmen wird so etwas seit Galileo nicht mehr eingesetzt, doch letztes Jahr startete der fünfte militärische MUOS-Satellit mit einer 14 m großen entfaltbaren Hauptantenne. Harris, der Hersteller, hat solche Antennen bis zu einer Größe 22 m und ausgelegt auch für das Ka-Band. Das bietet mehrere Vorteile. Zum einen erlaubt das Ka-Band bei 30-32 GHz einen hohen Datentransfer zwischen den beiden Satelliten. Im Einsatz für den Downlink nutzt man es wegen der Wetterabhängig bisher noch kaum. Dabei kann es theoretisch bei gleicher Sendestärke in etwa die 13-fache Datenrate gegenüber dem X-Band bei 8,4 GHz übertragen. Zum Zweiten liefert eine so große Antenne sowohl eine große Datenrate zur Erde wie auch von / zur Sonde.

Ich habe mich bei der Größe auf 12-14 m beschränkt, da eine solche Antenne schon im Weltraumeinsatz ist. Die Daten habe ich von einem Programm der ESA übernommen, dort wiegt eine 12 m Antenne 220 kg. Dies schließt auch die Entfaltungsmechanismen ein, ohne diese erreichen "Mesh-Antennen" ein Gewicht von 0,37 kg/m², würden bei 113 m² also nur 42 kg wiegn.

Damit hätte man eine Masse von 787 kg für den Satelliten ohne Antriebssystem.

Das Antriebssystem ist der nächste Punkt. Der Kommunikationsorbiter landet in einem hochelliptischen Anfangsorbit wie alle Raumsonden. Um die Strahlungsbelastung zu minimieren, sollte dieser relativ hoch liegen. Galileo bekam ein Drittel der Gesamtdosis beim Einschenken in den Orbit ab, als es sich bis auf 285.000 km dem Planeten näherte. Neben dem dV Budget spielt dabei auch die Annäherungsgeschwindigkeit eine rolle. Bei einem klassischen Hohmann Transfer sind es 5,7 km/s relativ zu Jupiter. Je höher das Perihel ist desto kleiner ist die Annäherungsgeschwindigkeit. Ist das Perijovium hoch genug, so kann auch eine Anhebung der Perijoviums entfallen. Wenn ich als Kriterium ansetze, das die Strahlenbelastung nicht höher als beim GEO sein sollte und die Abschirmung durch die Struktur zu 2 mm Aluminium ansetze, so sollte nach der zweiten Abbildung die Belastung kleiner als 6 krad sein (entspricht bei einer Strahlentoleranz von 100 krad, wie es heute bei Prozessoren Standard ist einer Betriebsdauer von 20 Jahren). Nach der Grafik und ebenfalls 2 mm Anschirmung entspricht das einer Entfernung von 16 Jupiterradien, wobei die Sonde im Mittel weiter entfernt wäre. Ich lege es zuerst nicht fest, sondern werde es als Restmasse der Differenz der Startmasse und des bekannten Orbiters mit 787 kg und dem folgenden Ionenantriebssystem festlegen.

Das Ionenantriebssystem

Ich habe das Pferd rechentechnisch rückwärts aufgezäumt, das heißt, ich gehe von einem gegebenen Startgewicht aus und rechne dann, aus was noch beim Jupiter ankommt. Ich habe im ersten Ansatz ein hypothetisches Ionentriebwerk mit einem spezifischen Impuls von 30.000 m/s und 2,5 kW Leistung und einem elektrischen Wirkungsgrad von 70% zugrunde gelegt (116,7 mN Schub, 3,89 mg/s Treibstoffverbrauch). Die Sonde wird von einer Sojus in einen GTO transportiert. Die Nutzlast der Sojus in den GTO beträgt 3.240 kg. Nach 164 Tagen wird die Fluchtgeschwindigkeit überschritten. Die Sonde wiegt nun noch 2.854 kg. Nach 1 Jahr 29 Tagen hat die Sonde dann auch die Übergangsbahn zu Jupiter erreicht: 241 x 780 Mill. km. Restmasse 1.927 kg. Nimmt man 30 kg Restxenon für folgende Korrekturen und ein Masseverhältnis von 6:1 für die Xenondruckgastanks, so wiegen die Tanks 223 kg. 100 kg sollen die Ionenentriebwerke und Stromkonverter wiegen. Die Ionentriebwerke werden im Satelliten integriert, um Gewicht zu sparen, und nutzen dessen Stromversorgung.

Nun muss in den Jupiter Orbit eingebremst werden. Bei 787 kg Trockenmasse des Orbiters ohne Antriebssystem und 323 kg für die Restmasse des Ionenantriebssystems, darf das mit chemischen Treibstofen arbeitende Antriebssystem dann 767 kg wiegen. Beim Start/Trockenmasseverhältnis von Galileo (6.12) wiegt das dann ohne Treibstoffe 125 kg. Bei einem spezifischen Impuls des aktuellen 400 N Triebwerks von Airbus von 3148 m/s kann man dann um 1275 m/s abbremsen. Bei einem Zielorbit von >1,2 Millionen x 18 Millionen km und einer Annäherung mit 4,1 km/s muss man sich dem Planeten nicht mehr stark nähern. Wenn man in 1,22 Millionen km um 1037 m/s abbremst, erreicht man die Zielbahn. Danach wird auch bei Jupiter elektrisch die Bahn geändert. Wenn man nur 100 Watt dafür zur Verfügung hat und kleine Ionentriebwerke (zusätzlich) dafür nutzt, kann man bei einem Betrieb über einem Drittel der Zeit pro Jahr die Geschwindigkeit um 26 m/s ändern. Das ist ausreichend für die Lagereglung. In dieser komfortablen Distanz kann der Orbiter sehr lange betrieben werden. Sinnvollerweise wird man durch Vorbeiflüge an Kallisto den Orbit auf Kallistos Orbit anheben und dann mit Ionenantrieb noch etwas weiter anheben, sodass Kallisto die Bahn nicht mehr verändert. Mit dem chemischen Treibstoff wäre auch direkt in eine 1,9 x 18 Millionen km Bahn einschwenkbar.

Nutzen:

Nimmt man an das eine Raumsonde ebenfalls maximal 18 Millionen km sich von Jupiter entfernt (entspricht einem 180 Tage Orbit, dem ersten Orbit von Galileo) so beträgt die Distanz maximal 36 Mill. km. Zur Erde sind es dagegen maximal 930 Mill km. Vergleichen mit einer 70-m-Antenne würde also eine 12-m-Antenne im Satelliten die 19,6-fache Datenrate empfangen können oder eine Sendeantenne wäre entsprechend kleiner, eine 1 m große Antenne wäre also so effizient wie eine 4,4 m Antenne zur Erde. Beim Vergleich mit Europas (kleineren) 35 m Antennen wird es noch drastischer. JUICE hat z.B. eine 3,1 m große HGA die sollte 50 kbit/s zur Erde übertragen. Eine nur 1 m große Antenne würde bei derselben Empfangsstärke mindestens die 5,1-fache Datenrate übertragen. Sinkt die Distanz auf maximal 20 Millionen km, wie es im Endorbit um Ganymed der Fall ist, so ist es sogar die 16,5 fache Datenmenge. Der Vorteil: JUICE kann so viel Leistung bei den Sendern sparen und die Antenne kann auch leichter sein. JUICE hat einen 52 Watt TWTA für das X-Band. Bei rund 40% Effizienz belastet der das Strombudget mit 130 Watt bei 900 Watt Gesamtleistung. Ein 10 Watt Sender würde zum Kommunikationsorbiter ausreichen - 100 Watt oder ein Neuntel der Stromversorgung könnten eingespart werden (beim Gewicht der Arrays von Juno (340 kg für 450 Watt bei Jupiter) sind das 75 kg, dazu kommen noch 20 kg für die kleinere Hauptantenne und auch noch ein unbestimmbarer Anteil am Gewicht der Verstärker die bei 10 Watt auch weniger Wiegen als 57 Watt Sender. Man könnte die X-Band Sender sogar ganz weglassen und nur das Ka-Band nutzen - es wird im freien Raum ja nicht im Empfang beeinträchtigt und die Datenrate würde nochmals um den Faktor 15 ansteigen. Die rund 100 kg klingen nach wenig, doch da ohne Antriebssystem nur 1100 kg der Sonde nichts mit Antrieb zu tun haben bedeuten diese 100 kg eine Reduktion der Startmasse um ein Neuntel - damit könnte man die Reisezeit mit fünf fly-Bys deutlich verkürzen.

Sinnvollerweise wird man, weil der Kommunikationsorbiter auch ausfallen kann, die Architektur der Sonde nicht verändern, aber die größere Sendeantenne des Orbiters nutzen. Sie ist viermal größer als die von JUICE, was die 16-Fache Datenrate bei gleicher Sendestärke bedeutet das die Sonde mit 800 anstatt 50 kbit senden kann, was da sie Sonde abbildendes SAR und hochauflösende Kameras mit hohen Datenraten hat nicht unwillkommen ist. Trotzdem gibt es einen Nutzen, da man zum Kommunikationsorbiter im Ka-Band senden kann und so weniger Strom benötigt (Sonde kann länger arbeiten oder hat mehr Strom für Experimente zur Verfügung) und der Anteil der Sendezeit an der Gesamtzeit kleiner ist, also mehr Zeit für Experimente zur Verfügung steht. Zusammen mit der größeren Datenrate erhält man so mehr Resultate.

Da man etwas mehr chemischen Treibstoff als benötigt hat (rund 87 kg sind als "Rest" verfügbar, wäre es am besten, wenn man dieses auf den Bedarf auslegt (1100 m/s Korrekturkapazität reichen bei 1037 m/s nomineller Abbremsung aus) und die 87 kg anders nutzt. Ich würde für 37 kg für drei Experimente nehmen die keine räumliche Ausrichtung benötigen, da die Sonde sich dauernd nach den Raumsonden / zur Erde drehen muss) das wären Teilchendetektoren, Plasmaantennen und Magnetfeldsensoren. 50 kg würde ich in die Solarpaneele stecken, damit man schneller zu Jupiter kommt, denn das dauert 9 Jahre, 213 Tage. Bei 50 kg mehr für die Solarzellen sind es nur 6 Jahre 266 Tage und auch die Erde verlässt man schneller. Auf höher spezifische Impulse habe ich zugunsten der Reisezeit verzichtet, die jetzt schon mit Verlassen der Erde bei > 8 Jahren liegt.

Zusammenfassung

Hier die Daten des Orbiters:

Parameter

Wert

Orbiter Trockenmasse ohne Antenne und Antriebssystem und Solarzellen

477 kg

12 m Antenne

220 kg

Solarzellen für 25,5 kW bei der Erde

170 kg

Strom bei Jupiter

940 Watt

Experimente

37 kg

Chemisches Antriebssystem

679 kg mit, 112 kg ohne Treibstoff

Ionenantriebssystem

1.657 kg mit, 333 kg ohne Treibstoff

Gesamtmasse:

3.240 kg

Ein Kommunikationsorbiter brächte eine deutliche Erhöhung der Datenrate und damit auch des wissenschaftlichen Nutzens der beiden geplanten Sonden. In dem Orbit ist die Strahlenbelastung gering und er könnte genauso lange wie geostationäre Satelliten betrieben werden (bei 5 krad/Jahr etwa 20 Jahre). Damit stände er auch zukünftigen Programmen zur Verfügung.

Die Kostenabschätzung ist schwierig, doch der erste Kommunikationssatellit den die Falcon 9 startete kostete 200 Millionen Dollar. 100 Millionen für einen Sojus Start und die Ionenantriebe und weitere 100 Millionen für Modifikationen wie Antenne, Solararrays und die Missionsdurchführung halte ich für angemessen. Das wäre die Hälfte der Projektkosten von JUICE, und würde für einen moderaten Preis dessen Nutzen deutlich erhöhen.

28.3.2017: Zum wiederholten Male: die Ionenantriebsstufe

Wer meinen Blog liest, weiß das Ich ein Fan von Ionentriebwerken bin. Das heutige Thema hatte ich auch schon mal, doch ich greife es erneut auf, weil ich inzwischen mehr Daten und Möglichkeiten für eine genaue Simulation habe.

Warum geht es? Es geht darum mit einer Ionenantriebsstufe (analog zu einer Raketenstufe) Satelliten vom LEO in den GEO zu bringen. Die Ionenantriebsstufe unterschiedet sich von einer konventionellen Stufe dadurch, dass der Treibstoff nicht den größten Teil der Masse ausmacht. Die Stromversorgung erfolgt durch Solarpanels. Kernreaktoren sind zumindest in der benötigten Leistung noch Utopie und die mir bekannten Typen aus Russland sind auch viel zu schwer.

Für nur einen Satelliten ist es natürlich besser, die Stufe gleich in den Satelliten zu integrieren. Das grundsätzliche Problem: Will man schnell vom LEO in den GEO, damit auch schnell den inneren Van Allen Gürtel passieren, so braucht man sehr viel mehr Strom für die Ionentriebwerke, als später der Satellit im regulären Betrieb benötigt. Die "All Electric" Satelliten, die daher jetzt kommen, werden auf Standard GTO-Bahnen oder Super-GTO Bahnen entlassen. Sie müssen nur etwa 1500 m/s abbauen anstatt 4700 m/s und sie durchlaufen auf der elliptischen Bahn den Van Allen Gürtel schnell. Schon mit einer Geschwindigkeitsänderung von 500 m/s liegt das Perigäum oberhalb der Kernzone des inneren Van Allen Gürtels. Der Nachteil: Gegenüber den 20 bis 25 t LEO Nutzlast, die die größten Träger heute haben, sinkt die GTO-Nutzlast auf 7 bis 11 t je nach Typ ab. Durchschnittlich 40% der LEO Nutzlast kann man in den GTO transportieren. Und im GEO kommt dann nochmals weniger an.

Es bietet sich daher an, eine eigene Stufe für diesen Zweck zu konstruieren und diese dann mehrmals zu verwenden also wieder in den LEO-Orbit zu bringen und einen weiteren Satelliten zu transportieren. Da man nun angefangen von der Strommenge, dem spezifischen Impuls der Triebwerke, Treibstoffzuladung und Reisedauer sehr viele Parameter verändern kann, habe ich mich für die Festlegung von Kenngrößen entschlossen:

Die spezifischen Impulse entsprechen derzeit den Untergrenzen bzw. Obergrenzen von größeren Ionentriebwerken (es gibt auch kleinere mit niedrigeren spezifischen Impulsen, doch die sind nicht als Haupantrieb geeignet. Das NSTAR hat z.B. einen von 3.120 s, das RIT 2X einen von 4.140 s. Der Trend geht nach oben. Es sind einige mit einem spezifischen Impuls von 5000 und besser im Test. Der spezifische Impuls wirkt sich stark auf Transferdauer aber auch Treibstoffverbrauch aus.

Fangen wir zuerst einmal mit dem Satelliten an. Die 4,5 t entsprechen einem typischem, mittelgroßen, Kommunikationssatelliten. Doch diese Masse enthält auch den chemischen Treibstoff und das Antriebssystem. Als Beispiel habe ich Sicral 2 genommen, der wiegt voll 4.400 kg und leer 1.910 kg. Unter der Annahme, dass der Satellit chemisch seine Lage regelt, würde man bei einem spezifischen Impuls von 3100 m/s noch 2.712 kg Restmasse annehmen. Der Rest ist für die Lageregelung reserviert. Davon geht dann noch die Trockenmasse des Antriebssystems ab. Bei Cassini wiegt das Antriebssystem trocken 496 kg bei 2.132 kg Treibstoffzuladung. Denselben Koeffizienten angesetzt, würde man bei 1.688 kg Treibstoff für den Transfer GTO → GEO eine Trockenmasse von 267 kg annehmen. Diese Trockenmasse geht vom Restgewicht von 2.712 kg auch noch ab, sodass ein Satellit nur mit dem chemischen Treibstoff für den späteren Betrieb im GEO noch 2.445 kg wiegen. Das ist etwas mehr als die Hälfte der Ursprungsmasse. Die Annahme geht wie schon geschrieben davon aus, das die Stufe nur den Transfer durchführt und Standard ist heute noch bei Satelliten für die spätere Lageregelung die chemische Lageregelung.

Hinsichtlich Trockenmasse des Moduls beziehe ich mich auf die Werte, die man für eine Demomission gefunden hat. Bei Dawn wog der Ionenantriebsteil 702 kg bei zusätzlich 471 kg Treibstoff. Dies ist jedoch eine komplette Sonde. Davon kann man in jedem Falle noch die Lageregelung mit Hydrazin abziehen. Das sind 96 kg. Die 105 kg für Avionik und 26 kg sind konstant, egal ob die Stufe groß oder klein ist. Das abgezogen erhält man eine Trockenmasse von 474 kg bei 471 kg Treibstoff. Weiter muss man noch die Solararrays abziehen, weil wir diese auf unsere Mission maßschneidern müssen. Die SLA von Dawn hatten eine Masse von 126 kg. Ohne diese kommt man also auf einen Strukturmassekoeffizienten von 2,41. Für die Vega hat man die VENuS Oberstufe modelliert, die bei einem Tank trocken 681 kg wiegt bei maximal 551 kg Treibstoff. Hier wiegen die Solararrays 60 kg. Ohne diese kommt man also auf einen Strukturkoeffizienten von 1,89. Mit zwei Tanks steigt er auf 2,52.

Die Solarpaneele zu berechnen, ist schwieriger. Es ist am einfachsten eine Mission mit vorhandenen Triebwerken zu berechnen und anhand der Dauer dann die Solararrays zu dimensionieren. Beim RIT-2X (Spezifischer Impuls >40000) komme ich auf 275 kW für die 135 Tage und beim NSTAR auf 190 kW. Die Massen sind bei ATK-Flex mit 106 W/kg wiegen dann 2.595 und 1.793 kg. Startgewicht sind 20.000 kg.

Dazu braucht man noch einen Adpater um einen Satelliten andocken zu können. Ich setze hier 253 kg an, das entspricht dem Gewichts des Kopplungsadapoter des ATV.

So kommt man zu einer Gesamtaufstellung

System

Masse RIT10

Masse NSTAR

Satellit:

2.440 kg


Koppeladapter

253 kg


Kommunikation:

26 kg


Avionik

105 kg


Ionenantriebsstufe ohne SLA

14.581 kg

15.384 kg

SLA

2.595 kg

1.792 kg

Treibstoff:

8.530 kg

9.000 kg

Als Trägerrakete habe ich die Falcon 9 ausgesucht. Startorbit ist ein 400 km hoher LEO. Es ginge bei der Startmasse aber auch mit einer Ariane 5 oder Proton.

IM GEO angekommen wurde ein Teil des Treibstoffs verbraucht, doch das meiste ist noch da. Nun wird der Satellit abgetrennt und es beginnt die Rückreise. Im Leo wird erneut ein Satellit angekoppelt und so fort. Dies geht solange, bis der Treibstoff ganz verbraucht ist:

System

NSTAR Simulation

RIT Simulation

Startmasse

20.000 kg

20.000 kg

LEO → GEO

17.253 kg davon 2.240 kg Satellit

17.839 kg

GEO → LEO

12.750 kg (152 Tage)

13.734 kg (137 Tage)

LEO → GEO

10.650 kg (222 Tage)

11.980 kg (177 Tage)

GEO → LEO

9.164 kg (197 Tage)

10.086 kg (166 Tage)

Resttreibstoff:

604 kg

1056 kg


Die Bilanz ist ernüchternd: zwei Transfers sind möglich, dann ist der Treibstoff am Ende. Es gibt eine Reihe von Gründen. Der erste Grund ist einmal die relativ hohe Strukturmasse von rund 40%. Diese rund 9 t sind viel verglichen mit der nur 2,44 t schweren Nutzlast. Für die gewünschte kurze Reisedauer müssen dann auch die Solarzellen sehr groß sein - größere Flexarrays als 30 kW Gesamtleistung gibt es z.B. derzeit noch nicht. Trotzdem nimmt bei 10% Leistungseinbuße pro Passage des Van Allen Gürtels die Reisezeit zu, weil die Masse weniger stark absinkt als die elektrische Leistung. Kann man an beiden Systemen etwas Gewicht einsparen so wäre noch ein dritter Transport möglich, wieder angekommen ist die Stufe ja schon im LEO. Beim RIT müsste man etwa 300 kg Gewicht einsparen, beim NSTAR schon deutlich größere 1080 kg.

In der Praxis würde man daher wahrscheinlich eine Stufe nur einmal nutzen bzw. sie gleich in den Satelliten integrieren, was noch mehr Gewicht spart. Eine Alternative wäre, dass man sie nur mit so viel Treibstoff belädt, wie sie bei einer Runde verbraucht. Das macht sie leichter bzw. bei gegebener Startmasse könnte sie mehr Solararrays mitführen. Dann müsste man mit jedem folgenden Start Treibstoff transferieren z.B. von einem Vorratsbehälter im Satelliten (was natürlich ideal bei einem Satelliten wäre, der selbst mit Ionenantrieben arbeitet aber die nur für die Lageregelung (deutlich kleinerer Stromverbrauch) einsetzt.

Ich sehe aber bei den derzeitigen Konzepten die maximal einen Strukturfaktor von 2,6 haben (VENuS für die Vega) das grundsätzliche Problem, das die Trockenmasse für mehrfache Transfers zu hoch ist. Dazu kommt die Abnahme der Solarzellenleistung, die sich in den Tabellen in steigenden Reisezeiten bemerkbar macht. Ich habe 10% angesetzt, es gibt aber auch Annahmen von 30% Abnahme,

Gerade bei den Nachtransporten mit Treibstofftransfer hat man aber nun das Problem, das die Nutzlast viel kleiner ist. Ist es nur der Satellit, so wiegt er nur noch 2.440 kg anstatt 20.000. Das wäre noch mit einer Vega zu machen. Doch die Einsparung wäre gering. Beim Mitführen von Treibstoff ist man mit Tank dann in der Gegend von 8000 kg, was noch eine Sojus wuppen würde. Doch selbst wenn ich nicht mit einer Falcon 9 starte, ist die Einsargung gering: Zwei Satelliten der Größe transportiert mit einer Ariane 5 bei Kosten von 170 Mill. Euro, also jeder 85. Ein Sojusstart kostet 70 und eine Vega 32 Millionen. Das bedeutet, dass man beim Nachfüllen noch 15 Millionen Euro spart, ohne Nachfüllen dann schon 52 Mill., allerdings müsste man diese Einsparungen mit den Kosten der Stufe gegenrechnen. Diese scheinen sehr weit gefächerter zu sein, als ich dachte, für VENuS hat man 10 % der Vega Startkosten anvisiert. Die Kosten für eine reine Transportstufe (EM-L2) wurden auf 300 Millionen $ geschätzt. Bei dieser hohen Summe lohnt es sich nicht.

Gegenrechnung: All-Electric Satellit im LEO

Als optimalste Möglichkeit sehe ich (wenn man den Zeitaspekt ausblendet) einen Kommunikationssatelliten mit integrierten Ionentriebwerken. Das spart die Kosten für Avionik, Kommunikation, Solarpaneele und einen Teil des Antriebssystems (er braucht ja auch im Orbit eines) ein und zudem dessen Gewicht. Ich habe daher mal eine Gegenrechnung aufgemacht mit folgenden Eckdaten:

Das sind konservative Werte, von gängigen Solarzellen, Tanks und Ionentriebwerken

Wenn der Satellit normal 8 kW Leistung hat, (7 kW bei EOL) so beträgt die Stromversorgung nun 12 kW, das addiert 50 kg Gewicht.

3 Triebwerke für 9 kW Stromverbrauch addieren weitere 60 kg

Durch Rückrechnen kommt man auf folgende Tankmassen bei gegebenem spezifischen Impuls:

Spezifischer Impuls

20.000 m/s

25.000 m/s

30.000 m/s

35.000 m/s

40.000 m/s

Tankmasse

952 kg

725 kg

585 kg

490 kg

422 kg

Davon Treibstoff:

166 kg

126,3 kg

102 kg

85 kg

74 kg

Gesamtstartmasse

3.034 kg

2.807 m/s

2.667 kg

2.572 kg

2.504 kg

In der Startmasse macht der geringere spezifische Impuls nicht viel aus, jedoch bei der Reisezeit wird es deutlich. Bei 65 % Effizienz kommt man auf folgende Reisezeiten:

Spezifischer Impuls

20.000 m/s

25.000 m/s

30.000 m/s

35.000 m/s

40.000 m/s

Dauer

261 Tage

338 Tage

411 Tage

484 Tage

556 Tage

Es könnte sich also durchaus lohnen, hier auf hohe spezifische Impulse zu verzichten. Mit 10 km/s, einem relativ niedrigen spezifischen Impuls für Ionentriebwerke, kommt man auf etwa 120 Tage Reisezeit bei etwa 4,6 t Gesamtstartmasse. Elektrostatische Ionentriebwerke haben aber meist deutlich höhere spezifische Impulse. So niedrige erreichen nur Arcjets, die haben jedoch eine wesentlich generiere Energieausnützung von nur 20 bis 40 % Wirkungsgrad bezogen auf den Strom. Praktisch würbe ich wohl Ionentriebwerke nehmen, deren spezifischer Impuls regelbar ist und während des Transfers Leo → Geo einen hohen Schub mit niedrigem Impuls wählen. Das XR-12 ist z.B. zwischen 1400 und 2300 s regelbar. Das spart dann wieder etwas Gewicht bei den Tanks ein (bei obigem Triebwerk und 4,7 km/s Geschwindigkeitsänderung bei 1400 s spez. Impuls und 1,3 km/s bei 2300 s sind es z.B. dann 1.427 kg für Tanks+Treibstoff anstatt 1.600 kg. (Gesamtmasse: 3.339 kg). Die Transferzeit beträgt dann 168 Tage. Das ist ein einem Bereich, den heute auch die "All Electric" Satelliten hatten als sie vom GTO in den GEO kamen.

Zum Glück für die Raumfahrtindustrie plant keiner solche "LEO → Geo Satelliten", denn selbst die Lösung mit nur 10 km/s würde bedeuten, das alle derzeitigen Träger zu groß sind. Eine Proton, Ariane oder Falcon könnten gleich vier dieser Satelliten auf einmal transportieren. Arianespace geht nun bei der Ariane 6 ja schon zu Einzelstarts über, weil es schwer wird, zwei Nutzlasten zusammen zu kombinieren und auch termingerecht geliefert zu bekommen. Bei hohen spezifischen Impulsen könnte sogar eine Vega, mit Sicherheit eine Vega C die Satelliten starten. Bei kürzerer Transferzeit zumindest Satelliten, die heute in der 3 t Klasse liegen.

Wenn ein 4,5 t Satellit-Äquivalent so, je nach Ionenantrieb, 2,5 bis 3,4 t wiegt, dann liegen die meisten heute gestarteten Satelliten (3 - 7 t) bei 1,7 bis 5,3 t Startmasse in den LEO je nach spezifischem Impuls und Masse. Für Einzelstarts von "All-Electric" Satelliten mit einem Transfer von LEO in den GEO wäre also ein Träger von 4-5 t Nutzlast ideal. Das ist vielleicht auch ein Grund, der gegen das Konzept spricht. Denn einen solchen Träger gibt es derzeit nicht. Die Dnepr liegt in der richtigen Größenordnung, aber sie ist "gegrounded", weil einige Teile aus der Ukraine stammen. Kunden haben jetzt schon auf die Falcon 9 gewechselt. Die Delta 2 war auch in der richtigen Größenordnung aber bei 85 Millionen Dollar Startkosten wurde sie zu Recht ausgemustert. Besserung ist nicht in Sicht: Die Angara legt den Fokus auf höhere Nutzlasten die Angara 7 wird bis zu knapp 12 t in den GTO erreichen. Die Angara 1 wäre zwar eine Alternative aber durch den Start weit nördlich muss die Geschwindigkeitsänderung deutlich höher sein, weil man nicht von dem Bonus profitieren kann, kann, dass man bei größeren Schubmanövern gleichzeitig Inklination und Geschwindigkeit ändert. Alle anderen neuen Träger haben hohe GEO Nutzlasten: die Langer Marsch 10-13 t, Ariane 6 rund 11 , wahrscheinlich bald mehr, New Glenn 13 t und Falcon heavy 22 t. Ohne Startmöglichkeit wird man aber wohl Satelliten nicht entwickeln die vom Leo aus sich langsam hochspiralen.

31.3.217: Der gefährlichste Zusatzstoff

Mein letzter Artikel zum Speiseeis brachte mich auf meinen heutigen Blog. Man kann ja viele Gründe haben, selbst Eis zu machen. Bei mir war es, dass ich gerne Eis esse, aber das gerne bewusster tue. Ich wollte auf Zucker und Sahne verzichten und mehr Früchte einsetzen als im Industrieeis.

Ein Grund für andere kann sein, auf Zusatzstoffe zu verzichten. Die finden sich in Speiseeis. Werden pürierte Früchte mit Milch vermischt, so verlieren sie drastisch an Farbe, am stärksten ist der Effekt bei Erdbeeren, wie vielleicht der eine oder andere schon festgestellt hat, wenn er selbst Erdbeerjoghurt hergestellt hat. Man erhält keinen angenehmen roten Farbton, sondern eine graue, leicht rosa angefärbte Masse. Daher werden Farbstoffe zugesetzt. Heute meist natürliche färbende Extrakte, die man nicht als Zusatzstoffe deklarieren muss. Ist Fett vorhanden, so kommen noch Emulgatoren dazu. Sie verhindern ein Entmischen, wenn das Eis antaut, was leicht beim Transport auch nach Hause passieren kann. Berüchtigt ist aber Industrieeis nicht für Emulgatoren, sondern Dickungsmittel, auch wenn das gerne verwechselt wird. Ich habe schon Eissorten mit vier Dickungsmitteln gesehen. Zwei sind (fast) immer drin und die große Masse hat drei Dickungsmittel.

Wer nun meint, dass handwerklich hergestelltes Eis von der Eisdiele keine Dickungsmittel enthält, der irrt. Auch dort findet man mindestens ein Dickungsmittel. Das liegt auf der Hand. Das Eis schmilzt beim Auftauen und ohne Dickungsmittel würde es sofort in einen dünnflüssigen Zustand übergehen. Das ist aber nicht erwünscht, Eis sollte schmelzen, aber dann dickflüssig viskos sein. Also setzten selbst Herstelelr von "handwerklich" hergestelltem Eis ein Verdickungsmittel ein, meist das preiswerteste Guarkernmehl.

Guarkernmehl ist zwar als Zusatzstoff, aber man sollte nicht den Fehler machen den Begriff Zusatzstoff mit "Künstlich" oder "Chemie" gleichzusetzen. Guarkernmehl ist natürlicher als die sonst so "natürlich" angesehene Speisestärke. Diese wird durch Extraktion aus Mehl vor allem von Mais gewonnen, bei Guarkernmehl handelt es sich einfach um gemahlene Guarbohnen. Es ist also nichts anderes als Bohnenmehl und damit in etwa genauso natürlich wie Vollkornmehl. Das Mehl enthält etwas Protein und Fett, vor allem aber ein Kohlenhydrat aus der Klasse der Galactomannane. Es ist hochgradig verzweigt und kann daher sehr gut Substanzen binden. Für den Menschen ist es unverdaulich, sodass man sogar noch den Ballaststoffanteil erhöht. Guarkernmehl ist beim Erhöhen der Viskosität ungefähr achtmal effektiver als Stärke. Man benötigt also kleine Mengen. Sahne mit einem Teelöffel Guarkernmehl aufgeschlagen, wird fast so fest als wie wenn man Gelatine untergerührt hätte. Zudem behält es diese guten Eigenschaften, auch wenn es erhitzt oder stark abgekühlt wird - im Gegensatz zu Stärke. Ich empfehle daher auch bei selbst gemachtem Eis Guarkernmehl einzusetzen. Es ist wenn man größere Mengen kauft relativ billig, 1 Kilogramm kosten 6,90 €. Kleinere Mengen sind meist nicht viel günstiger und bei 1-2 Teelöffel pro 1000 ml Eis reicht das für Jahre, wenn nicht Jahrzehnte (es verdirbt nicht, ich setze immer noch Guarkernmehl aus meinem Studium ein und das ist 20 Jahre her …). Mein Eindruck: Eis wird cremiger auch im gefrorenen Zustand und hat etwas höheres Volumen. Die drei bis vier Dickungsmittel bei Industriegleis haben vor allem die Funktion die Luft im Eis zu stabilisieren, das können allerdings andere Zusatzstoffe besser. Handwerklich hergestelltes Eis hat einen typischen "Aufschlag" von 20%, Industrieeis einen von bis zu 100%. Die Prozentangabe beschriebt dem Volumenzuwachs. Das heißt industrieeis kann das doppelte Volumen der Ausgangsflüssigkeit erreichen, bei selbst gemachten sind es nur 20 % mehr Volumen. Ähnliche technologische Eigenschaften hat Johannisbrotkernmehl, es ist besteht ebenfalls nur aus gemahlenen Samen, ist jedoch etwas teurer.

Warum ich aber auf die Substanz komme, ist, dass ich an eine Dokumentation über den Koreakrieg erinnert wurde. Da erwähnte ein Historiker, dass dort erstmals flächendeckend Napalm eingesetzt wurde, in den grausigen Details, weil man das Benzin nicht löschen kann und den Brandwunden, die es anrichtet. Hergestellt wurde es nach der Dokumentation, indem man Das Benzin mit Guarkernmehl gebunden hat. Wikipedia gibt bei Napalm andere Bindemittel an, aber es bezieht sich auf die aktuelle Mischung. So kann es durchaus sein, das man damals Guarkernmehl für Napalm einsetzt hat. Es wird heute auch für Dispersionsfarben genutzt, bindet also nicht nur hydrophile Substanzen und auch bei Lebensmitteln z.B. bei Sprühsahne, die auch mehr lipophil ist. Es kann auch sein, das man Guarkernmehl nur zum Gelieren nahm, damit dies mit dem unpolaren Benzin geht, hat man dann Fettsäuren als Emulgatoren zugesetzt. Aber wenn es stimmt, dann ist Guarkernmehl der wohl gefährlichste Zusatzstoff - zumindest in dieser Anwendung.

30.4.2017: Der Frühling und das Eis

Das heutige Thema liegt auf der Hand, ich kam aber durch zwei Dinge drauf. Das eine ist eine Radioreportage und das zweite mein letzter Kauf. Fangen wir mal mit dem ersten Punkt an. Am Montag, als es so schönes Wetter gab, kam im Radio, das nun der Run auf die Eisbuden einsetzt und ein Eisbudenbesitzer meint auch "Frühling und Eis, das gehört zusammen, sobald es warm wird, geht der Umsatz in die Höhe". Es stimmt schon, was wir so an Süßigkeiten konsumieren, ist jahreszeitlich bedingt. Im Winter ist nicht Eissaison. Nicht mal bei dem Supermarkt-Eis, das man ja daheim konsumiert und daher nicht nur weil man gerade im Freien Lust auf Eis hat, sondern eher als Nachtisch. Daran haben auch Wintereissorten wie das traditionelle Schoko-, Walnuss- und Haselnusseis oder neuere wie Zimt-Apfel nichts ändern können.

Doch der Wehmutstropfen kam auch gleich: Nach der Reportage haben die Preise erneut aufgeschlagen. Wer die Kugel noch für 1,10 Euro bekommt, hat noch Glück gehabt, 1,30 Euro sind die Regel und 1,50 Euro wurden schon gesichtet. Gut es klingt abgedroschen, aber ich kann mich noch an 3 Kugeln für eine Mark erinnern. Klar alles wird teurer. Vor allem handwerklich Gefertigtes. Die Laugenbrezel kostet beim Bäcker nun auch 55 ct anstatt 25 Pfennig und die Packung Zigaretten 5 Euro anstatt 2 Mark. Bei Zigaretten hält aber vor allem der Staat die Hand auf. Aber 1,30 Euro pro Kugel sind eine Preissteigerung vergleichen zu meiner Erinnerung, die wohl 40 Jahre alt ist, um den Faktor 7,8. Was dann doch deutlich über der Inflationsrate liegt. (5,3 % pro Jahr).

Der befragte Eisbudenbesitzer (der noch die Kugel für 1,10 Euro anbietet) begründet das, das er sich das leisten könne, weil eine Schule in der Nähe wäre. Aber wenn der Trend anhalte könne, auch er sich dem nicht entziehen und "Die Rohstoffe werden immer teurer. Schauen Sie mal in die Kataloge, da steigen die Preise um 5 bis 8 Prozent und der Zucker wird auch teurer". Also die Begründung finde ich unverschämt. Denn wie immer in der Gastronomie ist die Arbeit das Teuerste und nicht die Rohstoffe. Von Rach habe ich gelernt, dass man als Faustregel für das Festsetzen der Preise von Mahlzeiten in Restaurants die Kosten für die Zutaten mal drei nimmt. Da ist die Verdienstspanne bei Eis erheblich höher, denn die Rohstoffe sind billig. Zudem ist der Arbeitseinsatz gering. Man muss nur die Zutaten vermischen und die Maschine einschalten. Selbst das Herstellen von Brot, das nun wirklich billiger angeboten wird, ist da komplizierter, denn da muss ja noch der Laib geformt werden. Zudem ist der Energieverbrauch höher. Gegenüber der Gastronomie punktet man mit geringem Flächenbedarf und man braucht keine Bedienungen. Kurzum: Die Verdienstspannen bei Eis müssen riesig sein.

Doch wie immer bin ich neugierig und habe es mal durchgerechnet, und zwar bewusst mit einem teuren und hochwertigen Eis: Erdbeersahneeis. Ich kombiniere mal zwei Angaben aus den Leitsätzen. Demnach muss es 20 % Erdbeeren und 18 % Milchfett enthalten. Das führt, wenn man den üblichen Zuckerzusatz von 10% berücksichtigt, zu folgender Rezeptur:

20 % Erdbeeren

10 % Zucker

57 % Sahne

13 % Milch

Erdbeeren kosten bei Metro tiefgefroren 29,95 € / 10 kg, 5 l Sahne kosten 10,45 €, 10 kg Zucker 6,45 €. Milch kostet im Supermarkt 89 ct/l.

So errechne ich für 10 kg Eis folgende Kosten:

5,99 € Erdbeeren

11,92 € Sahne

65 ct Zucker

1,16 € Milch

Summe: 19,72 €

Nach Wikipedia rechnet man bei üblichen 49 mm Eisportionierern mit 60 Kugeln pro Liter. Wenn ich nun 10 kg Eis mit 10 l gleich setze, (in der Realität steigt das Volumen bei handgefertigtem Eis um rund 20%) so bekommt man aus den obigen 10 kg Eis rund 600 Kugeln, die dann heute für 660 Euro verkauft werden. Das bedeutet, dass man eine Verdienstspanne von über 3300 % hat! Da ist der Gewinn von 281 % bei "Coffee to Go" doch nur ein Rinnsal. Da zu sagen, man müsse nachziehen, wenn die Konkurrenz teurer wird, ist unverschämt. Bedenkt man das eine Kugel Eis unter 60 g hat, so kostet das Kilo im Verkauf über 18 Euro. Selbst eine Torte mit erheblich höherem Arbeitsaufwand ist da billiger.

Also mein Tipp an alle, die derzeit mit illegalen Verkäufen wie von Drogen, Hehlerware etc. ihr Geld verdienen: werdet ehrlich, verkauft Eis. Die Gewinnspannen sind viel höher als bei jeder illegalen Tätigkeit. Ich sehe schon das Bild vor mir, wenn alle Prostituierten die Innenstädte mit Eisständen zupflastern ….

Der zweite Punkt, der mich auf das Thema Eis brachte ist, das ich mir eine Eismaschine gekauft habe. Ich habe lange damit geliebäugelt. Lange Zeit hat der Verstand gesiegt: Finanziell lohnt es sich nicht. Fertigeis im Supermarkt ist kaum im Preis zu schlagen und es dauert, bis das Eis genussfertig ist. Man bekommt auch nicht Kreationen aus verschiedenen Geschmacksrichtungen oder verteilte Schokoladensoße im Eis hin, wie bei käuflicher Eiscreme. Sondern eben klassisches Eis, mit homogener Struktur.

Aber ich achte auf meine Gesundheit und mich ärgerte, dass ich kein Eis kaufen kann, das Süßstoff anstatt Zucker enthält oder das fettarm ist. Als mich meine Nichte von dem Nutzen eines Pizzasteins überzeugte, habe ich gleich bei Lidl noch eine Eismaschine hinzubestellt, die runtergesetzt war. Inzwischen, vier Eisversuche weiter, bin ich schlauer. Einen ausführlichen Bericht gibt es auf der Website. Die Versuche mit der Maschine Eis zu produzieren verliefen unterschiedlich. Zuerst kämpfte ich mit den zu kleinen Einfüllöffnungen, dann mit meinem Ansatz Zucker einzusparen. Die Maschine produziert Eis, wie andere billige Maschinen auch: Sie kühlt nicht aktiv das Eis ab, sondern ein dickwandiger Behälter mit einer Flüssigkeit wird für einen Tag ins Tiefkühlfach gestellt. Dann kommen die Zutaten rein und durch das Rühren bekommt man dann eine feste Eismasse. Wenn die Masse zu fest wird, wenn sie abkühlt, dann friert das Eis schon beim Kontakt mit der kalten Wand und wird zu einer festen Schicht an der Wand und die Rührer stecken dann fest.

Mein Ansatz, so Zucker zu sparen scheiterte. Nur mit Süßstoff wird die Masse bei -18°C steinhart und die Maschine wird ihrer nicht Herr. Selbst wenn sie Sahne enthält. Die kann man aber getrost einsparen, sie macht sich nicht mal geschmacklich bemerkbar. Mein bisher gelungenster Versuch - Aprikoseneis enthält nur 250 ml Aprikosenmarmelade mit 75% Frucht und 400 ml Magermilch. Cremig, lecker und trotzdem mit nur 406 kj/100 g also deutlich weniger als bei käuflichem Eis.


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