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Web Log Teil 496: 2.4.2017 - 5.4.2017

30.3.2017: Nachlese SES 10 und die Orange Dragon

Bei SpaceX geht es Schlag auf Schlag. Vor einem Monat erst hat Elon Musk angekündigt, 2018 die ersten Menschen auf eine Mondumrundung zu schicken, nun der Start von sES 10 auf der ersten wiederverwendeten Falcon 9 Erststufe und die Ankündigung des nächsten, weitaus weiter gehenden Sprungs.

Zuerst eine Nachlese zur Landung der Stufe nach SES 10. Ich war nicht überrascht. Ich sehe auch keinen Grund zum Jubeln. Warum sollte ich überrascht sein? Man hat die Stufe nach der Landung vier Monate durchgecheckt darunter ein Betrieb über die volle Missionsdauer. Das ist mehr als man vor dem Erststart gemacht hat. Ich habe auch nie (auch wenn mir das sogenannte SpaceX-Fanboys gerne unterstellen) behauptet, das man die Stufe nicht bergen und wiederverwenden kann. Angesichts dessen das dies 134 mal beim Space Shuttle geklappt hat (mit den SRB), bei der Saturn V, Ariane 1 untersucht und bei der DC-X sogar experimentell erprobt wurde, wäre das ziemlich töricht. Man kann gerne den Blog durchsuchen, man wird keine derartige Aussage finden. Ich habe nur gesagt, dass ich die finanzielle Rechnung von SpaceX doch sehr bezweifele und daran hat sich nichts geändert. Auch wenn Musk erneut von einer Kostenreduktion um den Faktor 100 spricht (allerdings ohne genaue Angabe wann und mit welchem Vehikel). Meine Meinung gilt auch noch heute: Ich kam damals auf eine Kostenreduktion der Startkosten und nicht nur der Hardware um etwa 30% und das korrespondiert mit einer Nutzlastabnahme von 15% bei der Landung auf dem Schiff und 30% auf dem Land, also nur geringen Einsparungen. SpaceX gab dies selbst zu, denn ein Start auf einer wiederverwendeten Falcon 9 kostet den Kunden nur 10% weniger.

Neuigkeiten von SpaceX

Aber es gibt tatsächlich Neuigkeiten von SpaceX. So soll die „endgültige“ Version der Falcon 9 10-mal fliegen können. Das ist eine schöne Zahl und korrespondiert in etwa mit der Sicherheitsspanne die Raketentriebwerke haben, die typischerweise die 10-.Fache Sollbetriebsdauer als Lebensdauer haben. Das Vulcain ist z.B. auf diesen Wert ausgelegt. De Fakto dürfte es bei den Startkosten nicht so viel ausmachen ob es nun 10 oder nur 5 Wiederverwendungen sind. Denn verwendet man die Stufe nur zweimal, so nimmt (wenn man die Einsparung gleichmäßig auf beide Kunden umlegt) die Kosten schon um 50% ab. Bei dreimal nur noch um ein weiteres Drittel. Die Einsparung wird also immer kleiner. Da Startdurchführung, Oberstufe, die verloren geht und Inspektion, Bergung immer kontante Kostenfaktoren sind, sinkt der Gesamtstartpreis weitaus weniger.

Eine weitere Information, die man aus der Bergung ziehen kann, ist, wo die Nutzlastgrenze für die Bergung ist. Sie unterblieb bei Echostar (5600 kg) und wurde nun bei SES 10 (5300 kg) durchgeführt. Ich vermute es sind die 5500 kg die auf der Webseite als Preisbeispiel (nicht Nutzlastbeispiel) angegeben werden. Da dies deutlich mehr als 15 % Nutzlasteinbuße zu den aktuellen „Website-Werten“ sind, bestärkt mich das in meiner Vermutung, dass dort immer die zukünftige Version angegeben wird und nicht die im Einsatz befindliche. SES 10 scheint an der Grenze für die Bergung zu sein, denn sein Orbit ist ungewöhnlich niedrig (218 x 35410 km, 26,2 Grad). Man würde bei Zusatzperformance eine Anhebung des Apogäums erwarten, um den Treibstoffverbrauch zu verringern. Doch dieses liegt sogar noch unter Standard-GEO.

Auch neu ist, dass man eine Hälfte der Nutzlasthülle geborgen hat. Die wird etwas später als die erste Stufe abgetrennt, und ich habe sie zumindest bei anderen Trägern für ein eher billiges Teil gehalten. Es ist im wesentlichen eine Leichtmetallstruktur in Honigwabenbauweise, überzogen mit CFK und einem dünnen Korkbezug als Hitzeschutzschild. Strukturen sind aber normalerweise relativ preisgünstig. Bei Stufen entfallen nach ULA Angaben 2/3 der Kosten auf den Antrieb und das restliche Drittel auf den ganzen Rest, vor allem Strukturen. Bei SpaceX soll die Nutzlasthülle 6 Millionen Dollar kosten. Die Nutzlasthülle einer Ariane 5 auch 5 Millionen, aber die Rakete selbst ist mit 160 Millionen etwa zweieinhalbmal teurer als eine Falcon 9. Vor allem wenn man die frühere Angabe, dass die Erststufe 80% der Herstellungskosten hinzunimmt, bleibt da nicht mehr viel für die Oberstufe und die Avionik. Ich vermute sie ist deswegen so teuer, weil es für die Bergung eben keine einfache Nutzastverkleidung ist: „The fairing has its own thruster control system and a steerable parachute,” he said. “It’s like its own little spacecraft.” so Musk. Er ist konsequent, das muss man ihm lassen. Die Oberstufe soll nun irgendwann auch geborgen werden. Angeblich wäre das nicht geplant gewesen, doch ich habe noch alte Dokumente von der Falcon 1, wo genau das auch beschrieben wird. Es hat schon Gründe, warum SpaceX so wenig veröffentlicht, man kann sie ja dann beim Wort nehmen. Ob es sich finanziell lohnt, muss sich noch zeigen. Die Einsparungen werden immer geringer, der Aufwand für die Bergung und die Nutzlastabnahme durch die zusätzlichen Systeme für die Bergung aber immer größer. Andererseits ohne die komplette Rakete wiederzuverwenden, wird er nie an das „100-Fach-Reduktionsziel“ herankommen. Zuerst will man aber dahin kommen, dass man die Stufe in einem Tag wiederverwenden kann, dies geschieht, indem es keine Änderungen zwischen den Flügen gibt. Das war hier nicht der Fall. Strukturen und Triebwerke wurden nicht verändert aber zahlreiche, nicht näher genannte Subsysteme wurden ausgetauscht.

Neues gibt es auch von der Falcon Heavy. Wie ich schon prognostizierte, ist es eben doch nicht einfach nur drei Erststufen oder um den Guru selbst zu zitieren:

“Falcon Heavy is one of those things that at first it sounded easy,” Musk said. “We’ll just take two first stages and use them as strap-on boosters. And like, actually no, this is crazy hard, and required a redesign of the center core, and a ton of additional hardware. It was actually shockingly difficult to go from a single core to a triple-core vehicle.”.

Dasselbe hat Russland schon bei der N-1 festgestellt und da waren die 30 Triebwerke wenigstens in einer Stufe. Der Jungfernflug gilt selbst für Musk als hochriskant und soll ohne kommerzielle Nutzlast erfolgen, dafür könnte man hier die Oberstufenbergung versuchen. Die Booster sollen schon einmal geflogene Stufen sein. Das senkt die Kosten. Insgesamt hofft SpaceX 6 Stufen erneut zu fliegen. Über zwei weitere gibt es Verhandlungen mit SES, fehlt dann noch ein weiterer Kunde. Die Investitionskosten beziffert SpaceX mit 1 Milliarde, womit die Google Finanzspritze von vor zwei Jahren schon weg sein dürfte.

Noch ne Wette

Dann gab es noch die optimistischen SpaceX Aussagen: Man werden dieses Jahr noch 20 Starts durchführen (habe ich so auch schon 2014 gehört und da waren es gerade mal 6 Starts) und nun strebe man eine Reduzierung der Überholzeit von vier Monaten auf 1 Tag an. Klar, passt auch zur Reduktion der Kosten um den Faktor 100. Erinnert mich irgendwie an Trump: „Alternative Fakten“ oder ander SpaceX-Versprechungen, die man nie einhalten wird. Aber ich halte dagegen:

Ich wette mit allen SpaceX Fanboys, das SpaceX bis zum 31.12.2017 um 23:59 nicht weitere 20 Starts durchfuhren wird. Wenn ich verliere, bekommt der Erste der mich darauf aufmerksam macht ein Buch von mir seiner Wahl für lau. Sollte ich gewinnen, so erwarte ich den von den SpaceX Fanboys schon lange angekündigten Pro-SpaceX Artikel.

Aber wie schon gesagt, großspurige Ankündigungen gab es auch in den letzten 10 Jahren zuhauf. Die wenigsten wurden eingehalten.

Betrachtet man es aus etwas größerer Entfernung, so ist die Wiederverwendung derzeit nur die SpaceX-Alternative zu Boostern. Bei anderen Trägern wird ein Basismodell um Booster erweitert, um die Nutzlast zu erhöhen und so den Preis zumindest teilweise der Nutzlastgröße anzupassen. Bei SpaceX verändert man das Basismodell nicht, birgt bei kleinen Nutzlasten aber die erste Stufe. Die Nutzlast sinkt, man kann den Start aber preiswerter anbieten, weil man die Stufe wiederverwenden kann. ILS geht bei der Proton derzeit einen dritten Weg und lässt die dritte Stufe weg um die Nutzlast von 6,4 auf 5 t zu verringern und auch die Kosten.

Die Orange Dragon

Die letzte Ankündigung ist wie immer etwas vage. Im Frühling 2020 soll eine Dragon mit einem kommerziellen Passagier zu einer Einjahresmission zur Venus aufbrechen. Mehr ist nicht bekannt, nur das die Dragon nun „orange Dragon“ heißt und ein Deep Space Manöver vorgesehen ist.

Die Verwendung von Farben als Unterscheidungsmerkmal scheint ja bei SpaceX gängig zu sein. Die Dragon die auf dem Mars landet ist die „Red Dragon“. Die Dragon zum Mond die „Gray Dragon“ und nun eine „Orange Dragon“, wahrscheinlich weil nach den Fotos von Venera 13 und 14 der Himmel der Venus orange ist. Nur die Dragon für ISS Missionen, also eigentlich die am häufigsten eingesetzte Version, hat noch keinen Farbcode. Ich wäre ja für eine „blue“ Dragon, schließlich ist die Erde aus dem All weitestgehend blau. Außer SpaceX plant auch Missionen zu Uranus und Neptun, die ja auch türkisblau bzw. blau sind, dann könnte man sie auch als „green Dragon“ benennen.

Doch forscht man etwas nach, so bekommt man doch einiges mehr an Informationen. Windsor Locks, gab in einer Presseerklärung bekannt, einen Auftrag von SpaceX über ein Environmental Control and Life Support System ECLSS bekommen zu haben. Die Firma fertigt diese Systeme für die ISS. Sie haben seit sie installiert wurden den Bedarf an Wasser um 3200 kg pro Jahr reduziert. Drei dieser Racks destillieren zuerst aus dem Brauchwasser, Urin und Kot das Wasser heraus, dann wird aus einem Teil des Wassers durch Elektrolyse Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen. In einem dritten Rack wird der Wasserstoff genutzt, um das Kohlendioxid zu Methan und Wasser zu reduzieren. Das Methan wird bei der ISS entlassen, wie es bei der orange Dragon ist, weiß man nicht. Die Stoffbilanz ist auf jeden Fall günstig:

2 H2O + CO2 → CH4 + 2 O2

Man gewinnt aus 36 g Wasser und 44 g Kohlendioxid das man sonst binden müsste 64 g Sauerstoff und hat nur 16 g Methan, das man nicht nutzen kann. 80% der Eingangsstoffe gelangen zurück in den Kreislauf. Wenn man nicht den hier beschriebenen Sabatier-Prozess nutzt, sondern den Bosch-Prozess dann ist der Verlust mit 12 g reinem Kohlenstoff sogar noch geringer.

Das NASA Ames Zenter gab eine Zusammenarbeit mit SpaceX für einen neuen PICA Hitzeschutzschild bekannt. PICA, das Ablatormaterial der Dragon wurde zuerst vom Ames entwickelt und wird auch zahlreichen Marssonden der NASA eingesetzt. Die neueste Version „PICA on the Edge“ wird für die Orion entwickelt und ist qualifiziert bis zu einer Eintrittsgeschwindigkeit von 11,5 km/s. Nun will man es für eine Geschwindigkeit von bis zu 13 km/s weiterentwickeln. Für Mondmissionen aber auch Marsmissionen braucht man eine so hohe Belastungsgrenze nicht, doch 13 km/s werden genannt, wenn man bei einer Marsmission einen Venus-Fly-By macht und dann in die Erdatmosphäre eintritt.

Zuletzt hat Bigelow angekündigt, man habe den Vertrag mit der NASA über das BEAM Modul verlängert und werde es nun bis März 2020 an der Station belassen. Im März 2020 öffnet sich ein Startfenster zur Venus. Der ideale Startzeitpunkt ist am 12.3.2020 mit einem Vorbeiflugdatum am 3.7.2020.

Das passt doch dann schon zusammen und man kann so einiges rekonstruieren. Fangen wir mal mit der Trajektorie an. Fliegt man zur Venus, so hat man zuerst eine Bahn mit einer Umlaufdauer von unter 365 Tagen. Typisch etwa 280-285 Tage Umlaufdauer in der Transferbahn. Die Venus muss die Bahn nun so umlenken, dass die Umlaufsdauer deutlich über 365 Tagen liegt, dass man, wenn man 1 Jahr vergangen ist, wieder beim Startzeitpunkt ist. Die Venus kann das auch, eine solche Bahn hätte dann ein Aphel von etwa 173 Millionen km Entfernung. Doch sie schneidet die Erdbahn nicht an dem Startpunkt. Das bedeutet, dass die Dragon nahe des Aphels eine Bahndrehung machen muss. Das zeigt die Abbildung. Die Bahn erreicht nach 365 Tagen wieder die Erdbahn, aber an einem anderen Punkt. In diesem Falle 56 Grad vor dem Startpunkt = em Punkt, wo die Erde nach 2565 Tagen wieder ist. Mit einem Deep Space Manöver, wie es schon einige Raumsonden durchführten, kommt man dann nach einem Jahr zurück zur Erde, dann aber nicht wie bei der Bahn in der Grafik in einem spitzen Winkel, sondern in einem relativ steilen Winkel, was die höhere Geschwindigkeit erklärt. Bis 2020 dürfte SpaceX die Methan-Technologie beherrschen, und wenn auch kein Raptor Triebwerk zum Einsatz kommt, (es ist zu schubstark) dann sicher ein kleineres, vielleicht ein Mikorraptor-Triebwerk? Das könnte dann auch das Methan nutzen, das bei der Sauerstoffregeneration frei wird. Die Mengen sind zwar nicht groß aber man kann sie mitnehmen: pro Tag etwa 300 g pro Person, das sind in 300 Tagen rund 100 kg.

Die wahrscheinliche Verwendung des BEAM Moduls ist ein weiterer kluger Schachzug von SpaceX. Zum einen ist es schon im Weltall, spart also Transportkosten. Zum anderen ist es schon von der NASA bezahlt worden und weltraumerprobt. Es dürfte klar sein, dass die Dragon selbst für nur einen Passagier zu beengt sein dürfte. Das BEAM bietet 16 m³ mehr Volumen, zumal ja auch noch die drei Racks für das ECLSS noch abgehen. Nur so wird auch das Manöver mit einer Falcon Heavy durchführbar. Die Nutzlast dürfte leicht über der zu Maes liegen bei etwa 14 t. Berücksichtigt man das ein Rack rund 700 kg wiegt, man trotzdem noch Vorräte und Wasser braucht und das Beam 1360 kg wiegt, so wird mit einem Start mit der Falcon heavy die Nutzlast knapp.

Rekonstruktion

So kann man das wahrscheinlichste Szenario rekonstruieren:

Eine Dragon 2 startet mit einem Passagier zur ISS, dort wird das BEAM angedockt. Wahrscheinlich schließt sich nun ein Umladen von Vorräten und den Racks in das BEAM an, beim Start dürfte die Kapsel ziemlich vollgestopft sein. Danach startet eine Falcon Heavy ohne jede Nutzlast. So gelangt die noch fast volle Oberstufe in den Orbit. Die Kombination dockt von der ISS ab und an die Oberstufe an. Diese bringt sie dann auf einen Kurs zur Venus. Meiner Berechnung nach könnten so etwa 18 t zur Venus befördert werden, vergleichen mit 14 t beim Nutzen der Falcon Heavy alleine. Basierend auf dem Verbrauch der ISS muss man mit 2,5 t Vorräten, Wasser und Gas für ein Jahr und eine Person rechnen. Dann die Racks mit dem Lebenserhaltungssystem von etwa 2.100 kg Gewicht und das BEAM mit 1.360 kg. Die Dragon 2 soll 6.400 kg ohne Treibstoff wiegen, das macht zusammen 12.360 kg. Das lässt ein komfortables Polster für weitere Ausrüstung (Inneneinrichtung) und Treibstoff für das Deep Space Manöver.

Ich gebe zu, dank SpaceX Schweigen in der Beziehung, ist das nur ein Szenario, natürlich könnte man auch mehrere Falcon Heavy einsetzen und eine deutlich größere Station starten. Die Vorgehensweise würde aber nicht nur die Kosten minimieren (ein Falcon Heavy Start wird durch eine Falcon 9 ersetzt, das BEAM ist schon von der NASA bezahlt) sondern wäre auch für den wohl reichen, aber sicher nicht mehr ganz jungen Passagier, besser: Bei einer Falcon Heavy treten bei Brennschluss der äußeren Booster eine Spitzenbeschleunigung von 5 g auf. Vom Cross-feeding ist ja nun nicht mehr die Rede und die Merlins de ersten Stufe sind nur auf 70% regelbar. Wird das zentrale Merlin nicht sofort nach, dem Start heruntergefahren so könnten es sogar noch deutlich mehr sein.

Aber so wie ich SpaceX einschätze, wird das sowieso nur eine weitere Luftnummer und mich würde wundern, wenn tatsächlich im März 2020 ein Passagier zur Venus aufbricht. Wenn, dann kann ich mir schon die Litanei von Musk Selbstlob vorstellen „The first Human who left the Earth-Moon System“, „the first man who rides in the inner solar system“, „the first private Exonaut“ …

3.4.2017: Raumfahrtagenturen haben zu viel Geld …

Letzte Woche habe ich den Artikel über OSIRIS-REx fertiggestellt. Obwohl die Raumsonde schon letzten Oktober startete, zog sich das hin. Zum einen, weil für mich die Webseite an Bedeutung verloren hat. Ich schreibe auch noch Bücher, blogge und programmieren tu ich auch noch. Allgemein trete ich mit der Arbeit in der letzten Zeit etwas kürzer. Aber es gibt auch einen zweiten Grund. Ich halte die Mission für überflüssig und da bin ich bei meinem heutigen Thema.

OSIRIS-REX: Die Vorgeschichte

Kommen wir zuerst mal zum Konkreten. OSIRIS-REx fliegt zum Erdbahnkreuzer Bennu. Den wird sie einige Monate lang umkreisen, dann Bodenproben beim Vorbeiflug nehmen und wieder zur Erde zurückführen. Schon bei dem Schreiben des Artikels kam ich drauf. Die Instrumente sind bemerkenswert leistungsschwach. Laseraltimeter, die bei einem nur 500 m großen Planetoiden nur Auflösungen von 5 m erreichen, Mulitispektralimager mit Auflösungen über 10 m – das ist bemerkenswert schlecht. Vor allem, wenn man schon bestehende Instrumente las, Vergleich nimmt. Der tiefere Sinn der Mission erschloss sich mir nicht. Schließlich gibt es unzählige Meteoritenfunde auf der Erde. Gut, die Probe von Bennu ist unverändertes Material, also vor allem Staub von der Oberfläche, aber was soll dies fundamental ändern? Klar, wenn man wie die NASA überall auf jede Mission den Stempel „Leben“ drauf packt, dann kann man das Laien weißmachen. Man hat in Meteoriten einfache organische Moleküle gefunden. Die hat man aber auch in interstellaren Gaswolken gefunden, bei denen gerade neue Sterne entstehen. Sie sind einfach chemisch stabile Moleküle, die spontan entstehen. Aber wie soll sich auf einem Meteoriten ohne Wasser, ohne Atmosphäre, Leben oder auch nur Vorstufen entwickeln?

Bemerkenswert ist, dass die Mission genehmigt wurde, obwohl sie ständig teurer wurde. Die Ursprünge von OSIRIS-REX gehen lang zurück. Zuerst wurde die Bodenprobengewinnung unter der Bezeichnung HERA eingereicht. Dieser Vorschlag kam schon nicht in die engere Wahl. Dann zwei Jahre später der Vorschlag etwas verbessert als OSIRIS. Dieser Vorschlag kam immerhin in die engere Wahl und bekam 1,2 Millionen Dollar für die Ausarbeitung des Konzepts. Es erhielt gute Werte für den wissenschaftlichen Nutzen und die Umsetzbarkeit. Doch befand man, es nicht mit dem Preisschild, das die Discoverymissionen damals hatten, (425 Millionen Dollar mit Start) durchgeführt werden könnte. Daraufhin hat man noch ein paar Instrumente hinzugenommen und es als OSIRIS-REx bei den New Frontier Programmen eingereicht und kam damit durch – nun kostet es 800 Millionen Dollar ohne Trägerrakete, das heißt, rund doppelt so viel wie OSIRIS kosten sollte.

Der Name von OSIRIS-REx

Schon der Name zeigt, wie man das der Öffentlichkeit verkauft, denn OSIRIS-REx ist eine Abkürzung:

Geld mit Buzzwords bekommen

Also diese Beschreibung enthält gleich mehrere „Buzz-Words“, die man braucht, um Geld von Politikern loszueisen:

Lebensentstehung: Wir klären auf, wie das Leben auf der Erde entstanden ist. Das funktioniert immer. Damit bekommt das Marsprogramm seit 20 Jahrzehnten stetige Geldflüsse und das selbst über Wechsel des grundsätzlichen NASA-Kurses hinweg. Das nutzt man nun auch für eine teure Europamission. Wie wahrscheinlich die Entstehung von leben auf Meteoriten und hier sogar konkret auf Bennu ist, juckt niemanden. (Bennu wird als Bruchstück eines größeren Planetoiden aus dem Hauptgürtel angesehen und soll bei einer Kollision entstanden sein, ob de kinetische Energie der Kollision nicht alle Spuren von organsicher Materie vernichtet hat, wurde nicht geklärt)

Armageddon: Wir verstehen die Bahnänderungen von Planetoiden und können so besser vorhersagen, ob sie nicht mal auf der Erde einschlagen. Damit sind „Rettungsmaßnahmen“ besser möglich. Man muss nur Spielfilme wie „Deep Impact“ oder eben Armageddon erwähnen und schon klingelt die Kasse. Das wird gerade auch bei einer Asteroideneinfangmission genutzt. Dabei fängt man dabei etwas ein, das so klein ist, das es beim Eintritt wahrscheinlich fast vollständig verglühen würde.

Ressourcen: Wenn uns hier die Rohstoffe ausgehen, weil wir nicht haushalten können, dann eben ab ins All und holen wir sie uns dort. Passt super zur neuen Trump-Regierung.

Diskussion

Wie schon gesagt: Wir haben schon Bodenproben von solchen Körpern. Die Erde wird dauernd mit Meteoriten bombardiert. Ob eine unverfälschte Probe so viel mehr bringt? Und vor allem ist uns das 1 Milliarde Dollar wert? Die restlichen Buzzwords machen auch wenig Sinn.

Das Planetoiden Leben hervorbringen können, glaubt keiner. Die gängige Lehrmeinung geht davon aus, das zumindest Kometen die Erde mit organischem Material angereichert haben. Doch das entstand bei der damaligen Uratmosphäre auch alleine durch Blitze und solare UV-Strahlung. Damit Planetoiden als Rohstoffquelle genutzt werden könnten, müsste die Raumfahrt eine ganz andere Art der Effizienz erreichen. Sowohl die Startkosten müssten radikal sinken und auch andere Technologien müssten billig umzusetzen sein. So muss man die Planetoiden ja auch zur Erde umlenken können. Die „kostbarsten“ Körper bestehen aus Eisen und Nickel. Heute sind alleine die Startkosten einer Nutzlast um den Faktor 10.000 größer als der Materialwert eines Körpers bei gleicher Masse.

Der letzte Punkt ist eine durchaus reale Gefahr. Planetoiden sind schon immer auf der Erde eingeschlagen. Die Gefahr ist relativ klein, weil sie selten sind, auch wenn ein Einschlag große Schäden verursacht. Aber Körper von >10 m und < 100 m treffen statistisch gesehen im Bereich eines Menschenlebens mehrfach auf die Erde und können, wenn sie das falsche Gebiet treffen, durchaus gefährlich sein. Man kann hier an das Tunguska Ereignis von 1910 verweisen wo ein Gebiet von mehreren tausende Quadratkilometern in Sibirien verwüstet wurde oder den Meteorit von Tscheljabinsk, der in Russland 2013 Jahren auch flämisch festgehalten wurde. Könnte man den Einschlag eines so kleinen Körpers vorhersagen, so könnte man die betroffene Gegend evakuieren. Das wäre preiswerter als eine Abwehrmaßnahme. Der Tscheljabinsk-Meteorit war rund 10 t schwer, der viel größere Körper bei Tunguska hatte einen Durchmesser von 30 bis 80 m.

Doch meiner Ansicht nach wäre die bessere Investitionsmöglichkeit für solche Mittel die Suchprogramme für Planetoiden zu intensivieren.

Planetoid oder Asteroid?

By the Way: es heißt Planetoiden das ist die korrekte deutsche Nomenklatur, von „kleiner Planet“. Die meisten Autoren übernehmen die US-Schreibweise, bei denen alles immer etwas größer ist: „Asteroiden“ (kleiner Stern) bei denen sind die Raumfahrer ja auch Astronauten, obwohl noch keiner zu den Sternen aufgebrochen ist. Darin zeigt sich die „Demokratie des Internets“, was man zigmal liest, muss ja richtig sein. (Das führt dann zu Kommentaren wie diesen zu meinen Büchern in denen der Autor sich über die Falsche, weil deutsche Schreibweise von russischen Namen beschwert). Vor dem Internet stand in allen Astronomiebüchern die ich habe die korrekte Bezeichnung „Planetoid“, inzwischen führt sogar die Wikipedia die falsche, aus dem englischen 1:1 übersetzte Bezeichnung Asteroid.

Sinnvoll investiertes Geld

Suchprogramme werden heute vor allem mit kleinen Teleskopen durchgeführt, das bekannteste LINEAR z.B. mit ausgemusterten Teleskopen der 1-2 m Klasse. Man ist mit diesen Programmen weit davon entfernt, alle relevanten Körper zu erfassen. Das grundsätzliche Problem: einen kleinen Planetoiden von unter 1 km Durchmesser kann man nur nahe der Erde erkennen. Das bedeutet, man erfasst ihn nur einige Tage lang, wenn er die Erde passiert. Danach ist er wieder zu lichtschwach. Die Aufgabe ist es daher, den ganzen Himmel möglichst in einer Nacht, besser noch, mehrmals pro Nacht zu erfassen. Dafür braucht man keine Riesenteleskope: Im Gegenteil: Ein doppelt so großes Teleskop vergrößert zwar die Entfernung, bei der man ein Objekt einer bestimmten Helligkeit wahrnimmt um das 1,4-fache, aber der Himmelsausschnitt, den es überwachen kann, sinkt um das 4-Fache. Ganz kleine Teleskope sind aber zu lichtunempfindlich. Als Optimum gelten heute Teleskope von 1-2 m Durchmesser und damit Kosten im einstelligen Millionenbereich pro Teleskop. Derzeit werden weltweit ein Dutzend dieser Instrumente zur Suche eingesetzt. Mit nur 10% der Mittel von OSIRIS-REx könnte man die Zahl auf das fünffache erhöhen und damit wahrscheinlich in weniger als einem Jahrzehnt alle Körper erfassen die eine Bedrohung darstellen. (Es dauert so lange, weil ein Körper erst mal nahe an der Erde vorbeifliegen muss, was nicht jedes Jahr der Fall ist). Für die Vorhersage wäre, wenn man eine Raumfahrtmission starten will, ein Teleskop in einer Umlaufbahn zwischen Erde und Venus besser als OSIRIS-REx, denn alle Körper die von der Sonnenseite kommen sehen wir erst, wenn sei die Erde passiert haben. Dann ist es bei einem Kollisionskurs aber schon zu spät. Für eine Kurzzeitvorhersage bei einem Kollisionskurs kleiner Körper wäre eine Raumsonde am L1-Punkt hilfreich. Sie schaut aus 1,5 Millionen km Entfernung auf die Erde und ihre Umgebung. Ein von der Sonne sich der Erde direkt nähernder Körper würde ins Blickfeld geraten, wenn er auf die Erde zu fliegt. Er passiert die Sonde mit typisch 5-7 km/s, was die Reaktionszeit auf unter 20.000 - 30.000 s reduziert. Nicht ausreichend für Abwehrmaßnahmen aber für eine Evakuierung, wenn es automatisierte Abläufe gibt. Das greift natürlich nur bei kleinen Körpern und setzt voraus, das man die größeren Brocken (so ab 100 m Durchmesser) entdeckt.

Auf die Bedeutung für Rohstoffgewinnung oder gar Abwehr brauche ich gar nicht erst eingehen, das ist heute noch Science Fiction. Die Charakterisierung des Jarkowski Effektes ist gut und schön, aber er ist nur ein Einfluss. (Es ist eine Bahnänderung durch eine ungleichmäßige Erwärmung eines unregelmäßig geformten Körpers). Diese kleinen Körper werden durch vieles gestört. Durch die Massen aller anderen Körper, durch den Sonnenwind etc. Ich glaube nicht, dass wir langfristige Prognosen für die Bahnen aller Körper machen können. Dazu sind diese auch zu wenig bekannt. Schon bei Bennu, der in einigen Jahrzehnten mehrmals die Erde nahe passiert, kann man nur ein Einschlagsrisiko (von etwa 1:2100) angeben. Sinnvoller ist es vielmehr, die bekannten Körper zu überwachen und die Bahn für einige Jahre in die Zukunft zu berechnen. Damit sinkt auch der Fehler durch Störeinflüsse. Kurzum: Die Mission ist in meinen Augen weitestgehend überflüssig. Die Asteroideneinfangmission wird nun auch gerade vom Kongress nicht so als dringlich angesehen.

Morgen gibt es einen Anschlussblog, der das Thema „Geld das man in der Raumfahrt besser anders investiert hätte“, etwas allgemeiner aufgreift.

Mit Geld haushalten – ein Problem für Raumfahrtagenturen

Ich bin für Raumfahrt, aber auch eine Raumfahrt der Vernunft. Das gilt nicht nur für die bemannte, sondern auch unbemannte Raumfahrt. Ein Großteil der heutigen Forschungssatelliten hat Zielsetzungen, die aus der Astronomie stammen. Zum einen die Planetensonden, die im Sonnensystem Planeten viel näher kommen und so mehr Details sehen, als jedes Teleskop. Zum anderen die zahlreichen Beobachtungssatelliten. Sie nutzen Wellenlängenbereiche, welche die Atmosphäre ausfiltert (IR, UV, Röntgen, Gamma) oder eine Sicht ohne Trübung (Sonnenobservationen, Weltraumteleskope). Fasst man beide Budgets zusammen so kommt man auf ziemliche Summen von der die irdische Astronomie nur träumen kann. Bei der NASA geht das sehr gut, weil sie als einzelne Posten ausgewiesen sind, dann kommt man selbst in schlechten Jahren auf über 2 Milliarden Dollar pro Jahr. Von solchen Budgets kann die erdgebundene Astronomie nur träumen. Ein Großteleskop kostet so viel wie ein billiger Forschungssatellit, Das Gran Telescopio Canrias z.B. 130 Millionen Euro. Es ist das zweitgrößte Teleskop weltweit. Selbst das EELT, ein Teleskopneubau von 39 m Durchmesser wird gerade mal die kosten von OSIRIS-REx erreichen (1,1 Milliarden Euro). Ich würde gerne mehr Mittel in der irdischen Astronomie sehen, anstatt in solchen relativ sinnlosen Raumfahrtprojekten. Die irdische Astronomie ist nicht nur billiger, sie ist auch langlebiger und braucht weniger Unterhalt. Teleskope die 100 Jahre alt sind kann man heute noch nutzen. Wenn sie nicht genutzt werden dann weil neuere viel größer sind oder man sie vor 100 Jahren nahe von Städten errichtet hat, die heute durch Lichtverschmutzung sie unbrauchbar machen. Man kann sie aber aktualisieren. Vor 30 Jahren nahm man den Himmel mit Fotoplatten auf, dann kamen als Ersatz für die Fotokathoden die ersten CCD, damals noch mit 320 x 512 Pixel. Heute gibt es an die Teleskope angeschlossen Kameras mit Pixelzahlen im Gigapixelbereich. Ein 30 Jahre alter Astronomiesatellit hätte immer noch seine 512 x 320 Pixel Kamera oder es würde 10 Milliarden Dollar kosten ihn laufend zu aktualisieren, so viel kostete das Hubble Weltraumteleskop während seiner Betriebszeit. Das ist ein Vielfaches der Summe, die man in der gleichen Zeit in alle neu gebauten Teleskope weltweit investiert hat, inklusive der neuen 8 bis 10 m Riesen wie Keck I+II oder das VLT.

Wirtschaften

Zu den Kosten der Raumfahrt gehört auch das verbesserungswürdige Wirtschaften mit dem Steuergeld. Fast immer sind Forschungssatelliten teurer als kommerzielle Satelliten. Früher dachte ich das ist normal. Schließlich werden kommerzielle Satelliten in Kleinserien gefertigt. Inzwischen bin ich schlauer. Bei beiden herrscht heute ein modulares System vor. Es gibt von den Firmen für verschiedene Gewichtsklassen / maximaler Leistungsbedarf Satellitenbusse. Die kann man modular variieren z.B. die Stromversorgung oder den Treibstoffbedarf anpassen. Das geht los bei 100 kg bis hin zu mehreren Tonnen Gewicht. Trotzdem kosten Raumsonden oder Forschungssatelliten (auch ohne die Experimente, die zusätzliche Kosten verursachen) meistens erheblich mehr als kommerzielle Satelliten. Es sind wohl die Extras die Raumfahrtagenturen haben wollen, aber auch der Zusatzaufwand den sie mit Bürokratie generieren. Nach ULA und SpaceX Angaben macht dies z.B. die Starts von US-Trägern zwischen 20 und 50 Millionen Dollar teurer. Dabei bekommen die Agenturen hier dieselben Träger, anders als bei Satelliten. Sicherer sind die Trägerraketen dadurch aber nicht. Bei der ESA scheint es keine solche Sonderbehandlung zu geben, zumindest bei den Starts. Bei den Satelliten wohl, wie man z. B. beim eklatanten Preisunterschied von Rosetta und Mars- / Venus Express sieht. Beide verwenden dieselben Kernkomponenten nur sind Venus und Mars Express reine Nachbauten eines eigens angepassten Designs und Rosetta das Original. Wie viel könnten Raumfahrtagenturen in der ganzen Welt sparen? Das Extrawurst-Haben-Wollen ist etwas zutiefst Menschliches. Ich bin ja Softwareentwickler und da kann man sehr viel selbst entwickeln. Und natürlich ist selbst gemacht besser. Das ist nicht nur bei Gutsle, selbst gezogenem Obst oder selbst gebauten Vogelhäuschen so, sondern auch bei Programmen. Aber es lohnt sich meistens nicht. So habe ich die Weiterentwicklung meines eigenen Mailprogrammes schon lange eingestellt und nutze Thunderbird. An meinem eigenen Editor mache ich ab und an etwas weil er Funktionen hat, die ich speziell brauche, so wenn ich diesen Artikel in LibreOffice schreibe, um die proprietären Tags zu entfernen. Ansonsten habe ich hinzugelernt und arbeite an Programmen, die es so nicht gibt oder die nur ich brauche. Bei Firmen denke ich schaut die Buchhaltung darauf, dass diesem Drang zur Extrawurst nicht zu stark nachgegeben wird. Bei staatlichen Stellen, in denen man wohl nur wenigen Stellen Rechenschaft über die Gelder ablegen muss, und dauernd neues Geld durch den Steuerzahler kommt, ohne das dieses erwirtschaftet werden muss, scheint die Kontrolle nicht ausreichend zu sein. Dies belegen auch öffentliche Projekte, die komplett aus dem Kostenrahmen laufen und bei denen vor allem dauernd umgeplant wird, Paradebeispiel ist ja der Flughafen BER, der inzwischen zur Lachnummer geworden ist. Vielleicht würde hier mehr Kontrolle helfen.

Minisatelliten – eine Chance für ein neues Modell

Ein Trend, der an den Raumfahrtagenturen komplett vorbei geht, ist der zu bezahlbaren, kleinen Satelliten. Zahlreiche Firmen bauen ein neues Geschäftsmodell auf kleine, relativ preiswerte Satelliten. Man muss nicht Oneweb mit Tausenden von Satelliten bemühen. Auch Planetlabs baut Erdbeobachtungssatelliten in Serien, nur eben Dutzenden anstatt Hunderte. Inzwischen bieten Firmen Komplettbusse für Klein- und Kleinstsatelliten zu attraktiven Preisen an. Nano Avioniks zahlreiche Komponenten, aber auch eine 3U Cubesat Plattform für 55.000 $. York Space systems hat schon 33 Satelliten seiner Kleinplattform (Startmasse 65 kg, dreiachsenstabilisiert, maximale Nutzlastzuladung 85 kg maximaler Strom für Nutzlast: 100 Watt) zu Preisen zwischen 675.000 und 1030.000 $ verkauft. Derartige Projekte scheinen für Raumfahrtagenturen zu klein zu sein. Die ESA stellt als innovative Projekte mit niedrigen Kosten die Proba-Serie mit Kosten von einigen Millionen Euro pro Satellit heraus. Mein Vorschlag: Da die ESA nun endlich einen Träger hat, mit dem man regelmäßig solche Kleinsatelliten als Sekundärnutzlast transportieren könnte, nämlich die Vega, sollte sie Unis in ganz Europa sponsern. Sie bezahlt für den eigentlichen Bus und Start und die Unis entwickeln pro Satellit eines oder mehrere innovative Projekte, z. B. um neue Technologien zu erproben oder Experimente einzusetzen. Wenn man so lediglich 10 Millionen pro Jahr einsetzt, ein winziger Bruchteil des ESA Budgets, könnte man sicher 5-10 Satelliten pro Jahr starten. Der Lohn: man hätte mehr Satelliten, die vielleicht auch nützliche Daten liefern. Gut und praxisnah ausgebildete Studenten und vielleicht wird auch die eine oder andere Technologie entwickelt die man in größeren Projekten einsetzen kann und spart hier wiederum Kosten ein.

4.4.2017: Die Sonntagsradler

Es ist Frühling, die Sonne scheint und es wird wieder warm. Die Natur erwacht und das sieht man auch beim Menschen, denn nun sind vermehrt die Sonntagsradler unterwegs. Sonntagsradler nenne ich so, weil sie vermehrt am Wochenende ausschwärmen, oft in kleinen Gruppen.

Neben der Häufung zum Wochenende hin gibt es einige Gemeinsamkeiten. Zum einen sind sie voll ausgerüstet: Zum Fahrradfahren reicht ja ein Fahrrad. Wer auf Nummer sicher gehen will, trägt noch einen Fahrradhelm. Aber die Sonntagsradler haben das volle Programm: Fahrradhandschuhe mit freien Fingerspitzen (Handschuhe trage ich nur im Winter und da werden gerade die Fingerspitzen am schnellsten kalt), Fahrradshirt und Fahrradhose. Die Fahrradjacke fehlt meistens, weil man die ja nur bei Regen braucht. Dafür die obligate Fahrradflasche, damit man nicht dehydriert. Besonders wichtig ist auch das Fahrrad. Es ist, sofern man das vom Hingucken beurteilen kann, hochpreisig und meist ein All Terrain Bike (ATB), der Nachfolger des Mountainbikes.

Ich habe mich schon mit anderen darüber unterhalten und viele geben mir recht. Ab einem bestimmten Alter wird das Fahrrad zum Statussymbol. Da kommt es auf jedes Kilo Gewicht an. (Beim Fahrrad, nicht beim Fahrer) Mein Credo ist ein anderes: ich kaufe in der Klasse, die ich gerne fahre, das sind Cityfahrräder, meist ein günstiges Modell. Es macht wenig Sinn Gewicht zu sparen, wenn ich das Fahrrad nutze, um einzukaufen und zum Schwimmen zu fahren und dann immer einige Kilo Gepäck an Bord sind. Dafür kann man, wenn das Fahrrad verschleißt, sich schneller ein neues kaufen.

Die ATB halte ich für das Modefahrrad von heute. Wenn ich in den Bikeshop komme, ist der voll mit den Dingern. Subjektiv würde ich sagen 2/3 der Verkaufsfläche ist nur mit den ATB zugepflastert. Es gibt ja so Wellen. Früher waren mal BMX-Fahrräder in Mode, dann kamen die Mountainbikes, dazwischen mal wieder die Rennfahrradwelle und nun wieder ATB. Klar, jedes Fahrrad hat seinen Einsatzzweck. Mit BMX macht man Kunststücke, ATB und Mountainbikes sind was fürs Gelände. Rennfahrräder, um auf Straßen schnell fortzukommen. Rennfahrräder würde ich für das was sie Sonntagsfahrer machen, nämlich Fahrradtouren als am geeignetsten halten – zumindest von den aufgezählten Typen. Da aber nicht nur der Zustand der Straßen, sondern auch der Radwege immer schlechter wird, und man mit einem Rennfahrrad jede Unebenheit des Bodens spürt, sind sie heute wohl nicht in. Das ATB ist für Sonntagsfahrer besonders gut geeignet, denn es ist ein Schönwetterfahrrad. Ohne Kettenschutz und Schutzbleche wird man, sobald der Boden feucht ist eingesaut von dem aufgenommen Dreck. Hier besonders, weil alle Wege neben landwirtschaftlichen Flächen liegen und die Maschinen der Bauern immer Boden auf die Wege mitschleifen. Ein Bauer in Kemnat scheint es nicht mal nötig zu haben, den auch wieder zu beseitigen. Ich glaube keiner kommt hier auf die Idee durch den Wald zu brettern. Ich kenne auch keine dafür ausgewiesenen Pisten bei uns. Für den Einsatzzweck Radtour wäre ein normales Fahrrad mit je nach Gelände 7 oder 20 Gangschaltung (Nabe/Kette) vollkommen ausreichend aber darum geht es nicht. Das ist wie bei den Autos, wo die Leute sich ein SUV oder Geländewagen kaufen, damit aber nur auf den Straßen fahren. Dazu passt auch das die Leute die mit den Rädern unterwegs sind meist auch in einem höheren Alter sind.

Beides ist ein Trend der in die gleiche Richtung geht: Es geht nicht mehr um elementare Bedürfnisse, sondern Luxus oder Status. So ist leider auch der steigende Trend von immer mehr verkauften Fahrrädern keine Trendwende, weg vom Auto, sondern nur ein weiteres Statussymbol. Das ist schade, denn mehr Leute auf dem Rad würden dann vielleicht auch was bei der Politik bewegen, denn Radfahrer sind noch immer das Stiefkind in der Verkehrspolitik. Es gibt zu wenige eigene Wege für Radfahrer. Bei uns gibt es in sechs Stadtteilen und 23 km² Fläche keinen einzigen exklusiven Fahrradweg. Es gibt nur Streifen an den Hauptstraßen die Autos nicht überfahren sollten (meiner Erfahrung nach halten sich die Hälfte der Autofahrer nicht dran) und eben mit Fußgängern gemeinsam genutzte Wege. Das Letztere funktioniert fast noch schlechter als die gemeinsame Nutzung von Straßen mit Autos. Autos sind zwar gefährlicher (zumindest für den Fahrradfahrer, wenn es zu einer Kollision kommt), aber die halten sich meist an die Straßenverkehrsverordnung. Fußgänger machen das selten. Sie laufen auf der falschen Seite, weil sie lieber auf der von der Straße abgewandten Seite laufen, oder in der Mitte, nebeneinander und blockieren den ganzen Weg oder sie stehen mitten auf dem Weg und tratschen. Kurzum ein Fußgänger vergisst die Welt um sich herum.

So sehe ich auch trotz Elektrotrend im Winter nicht mehr Fahrräder auf der Straße. Nachdem ich in einer Sendung gehört habe, dass man den Akku nicht bei Temperaturen unter 0 Grad betrieben soll, ist das für mich auch kein Wunder. Das ist dann nur ein weiteres Schönwetterfahrrad, nur erheblich teurer als ein normales. Meiner Ansicht nach muss die Politik die Weichen stellen. Nur sehe ich da, solange die CSU das entsprechende Ministerium besetzt, keine Chance denn dort hat die Automobilindustrie freie Hand. Auch im Kleinen wird nichts getan. In unserer Stadt baut selbige nun auf einem ehemaligen Schulgelände Wohnungen. Und weil sie die Stadt ist, setzt sie ihre eigenen Verordnungen außer Kraft: Sie müssen nur halb so viele Stellplätze ausweisen wie jeder andere Häuslebauer. Dabei reichen die ja nicht aus. Es ist einer pro Wohnung. Bei zwei Erwachsenen kann man aber mit zwei Fahrzeugen pro Wohnung rechnen. In einem anderen Neubaugebiet ist noch nicht alles bebaut, aber die Straße stellenweise schon beidseitig zugeparkt. Als kürzlich endlich eine Lösung für die Kronenstraße gesucht wurde, die besonders eng und zugeparkt ist, hat man die naheliegendste Lösung, nämlich sie zur Einbahnstraße auszuweisen, nicht genommen. Einbahnstraße ist sie nun nur noch im oberen, eigentlich unkritischeren Teil. Ab der Mitte endet das. Einfacher Grund: Unten sind Geschäfte. 50 m weiter gäbe es durch einen Straßenumbau ein unbebautes Grundstück der Stadt. Da könnte man Parkplätze ausweisen und das Problem wäre gelöst, aber dann könnte man es ja nicht verkaufen. Kurzum: Die Situation wird nicht besser, sondern schlimmer.

Immerhin: Etwas Gutes haben die Sonntagsradler, denn auch die wollen ordentliche Fahrradwege. Je mehr es davon gibt um so größer wird der Druck auf die Politik. Ansonsten neigen die Sonntagsradler zu den gleichen Fehlern wie die Fußgänger. Sie fahren meist nebeneinander und blockieren so den Weg. Sie wollen sich ja unterfalten. Sie sind daher meist auch ziemlich langsam unterwegs, weil das Unterhalten wichtig ist, sodass man sie kaum überholen kann. Kurzum: Ausrüstung und Verhalten stehen in diametralem Gegensatz. Für die meisten Sonntsagsradler würde ein altes Dreigangrad vollkommen ausreichen.

5.4.2017: „Grüne“ Treibstoffe

Die Bemerkungen, das SpassX den Umweltfaktor ihrer Raketen so herausheben würde (ist an mir komplett vorbeigegangen) bringt mich auf das heutige Thema: grüne Treibstoffe. Die Bezeichnung kennen wir ja schon Treibstoff für Autos. Da sind es Ester von Fettsäuren, die man aus Pflanzenölen gewinnt. Dieselfahrzeuge, zumindest nicht die hochgezüchteten, kommen auch mit Pflanzenöl aus. Mancher Besitzer klappert alte Imbissbuden ab und filtriert das Altfett. Zumindest war Pflanzenfett vom Supermarkt einige Zeit lang sogar billiger als das Diesel von der Tankstelle.

In der Raumfahrt versteht man unter „Green Propellants“ etwas anderes. Es haben sich zwei Interpretationen durchgesetzt:

Die beiden Deutungen sind nicht deckungsgleich, wie ich noch zeigen werde. So richtig ungefährlich ist von den heutigen Treibstoffen nur die Kombination Wasserstoff und Sauerstoff. Wird der Treibstoff freigesetzt so verdampft er. Wasserstoff ist zwar brennbar, aber nicht giftig. Das Verbrennungsprodukt ist Wasser mit Resten an Wasserstoff.

Heutige Treibstoffe im Toxizitätsvergleich

Schon Kerosin / Sauerstoff ist giftiger. Wird Kerosin freigesetzt, so sind die Folgen vergleichbar wie wenn jemand Erdöl freisetzt. Es ist nicht akut giftig, aber es verunreinigt das Wasser und Kerosin hat hohe Siedepunkte, ist also ziemlich persistent. Bei der Verbrennung entstehen neben den Hauptprodukten Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser auch alle Nebenprodukte von unvollständigen Verbrennungen, zumal diese immer mit Sauerstoffunterschuss erfolgt. Es entstehen also so „nette“ Moleküle wie Benzpyren, Naphtalin oder Dibenzodixoine und Dibenzofurane. Harmlos ist das nicht. Ach ja wegen des Sauerstoffunterschusses entsteht dabei auch noch jede Menge Feinstaub. An der schwarzen Rußfahne leicht zu erkennen.

Dann kommen die festen Treibstoffe. Sie bestehen aus Ammoniumnitrat (60-70%), Aluminium und Hydroxiterminiertem Polybutadien (HTPB). Die letzten beiden sind relativ harmlos. Aluminium sinkt im Wasser auf den Boden, an Land könnte man es zusammenfegen. HTPB dürfte im Wasser die gleichen Probleme wie anderer Plastikmüll machen. Ammoniumperchlorat ist ein starker Oxidator. So stark, dass es im Wasser sofort mit jeder organischen Substanz reagiert. Das hat einen kurzzeitigen starken negativen Effekt, aber es ist kein langfristig wirkendes Gift. Analog geschieht es an Land, doch ohne Wasser keine Reaktion, sodass man gute Chancen hat, den Großteil zusammenzutragen und zu entsorgen. Bei der Verbrennung entsteht Aluminiumoxid, Kohlendioxid, Wasser und Salzsäure. Letztere ist so reaktiv, dass sie in der Umwelt starke Kontaktschäden auslöst, aber sei ist nicht persistent. Problematischer ist das beim Passieren der Stratosphäre die Salzsäure fotochemisch gespalten wird und damit zum Atomabbau beiträgt. Vergleichen mit anderen Antropopgenen Chlorquellen ist der Eintrag aber durch die wenigen Starts gering. Die NASA hat das mal für die Space Shuttle Starts untersuchen lassen.

Die heute giftigsten Treibstoffe sind die lagerfähigen Treibstoffe. Als Oxydator wird Stickstofftetroxid (meist als NTO nach der englischen Abkürzung für Nitrogentetroxide abgekürzt) eingesetzt, als Reduktionsmittel Hydrazine. Stickstofftetroxid ist das gemischte Anhydrid der Salpetersäure und salpetrigen Säure. Es ist eigentlich ein Gas das bei nicht zu hohen Temperaturen verflüssigt werden kann. Bei Freisetzung wird ein Teil mit Wasser reagieren. Es entsteht dann wieder Salpetersäure und salpetrige Säure. Der Rest verdampft und wie alle Stickoxide ist es ein für den Menschen nicht gerade gesundes Gas. (Ursache für die Smog-Alarme) Es reizt die Atemwege und steht im Verdacht krebserregend zu sein. Es ist aber nicht sehr stabil. Solare UV-Strahlung zerlegt es innerhalb weniger Stunden in der Troposphäre in harmlose Bestandteile.

Die deutlich gefährlichere Substanz sind Hydrazine. Alle Hydrazine sind relativ starke Fischgifte. Im Wasser werden sie auch relativ langsam abgebaut. Auf dem Land geht das schneller, aber auch dort sind sie relativ langlebig. Vor allem, wenn der Startort wie in Kasachstan in einer Gegend liegt, wo es wenig regnet.

Akut giftig für Menschen sind auch Hydrazine nicht. Die letalen Dosen (LD50) liegen bei Hydrazin bei 76 mg/kg, bei UDMH bei 91 mg/kg und bei MMH bei nur 15 mg/kg. Man kommt dann schon an Grammengen, die man aufnehmen muss, um daran zu sterben. Zyankali als bekanntes Gift liegt bei 1 mg/kg und das ist schon relativ viel. Cuare oder Strychnin liegen bei 0,5 mg/kg. Einige tierische Gifte wie Saxitoxin in verdorbenen Muscheln wirken im niedrigen Mikrogrammmengen und das Gift von Chloristidium Botulinium, das zumindest meinem Kenntnisstand das giftigste überhaupt ist, hat eine LD50 von 0,00003 g/kg. Es wird trotzdem neuerdings häufig eingesetzt: genau das Gift steckt in Botox, und wie leicht man falsch dosieren kann, zeigen eingefrorene Mimiken bei Mickey Rouge oder Simone Thomalla. Selbst essenzielle Substanzen, wie Fluorid wären bei einer Aufnahme von 1 mg/kg Körpergewicht stark toxisch.

Die Giftigkeit der Raketentreibstoffe für den Menschen beruht schlicht und einfach darauf, dass man es gleich mit Hunderten oder Tausenden von Litern dieser Substanzen zu tun hat.

Grüne Treibstoffe

Wenn es um "grüne Treibstoffe" geht, dann ist man bestrebt, vor allem Hydrazin/NTO zu ersetzen. Bei den Trägern geschieht dies schon seit Jahrzehnten. Hydrazin und Stickstofftetroxid wurden nur Treibstoffe, weil sie bei Zimmertemperatur lagerfähig sind und damit wichtig für militärische Raketen war. Für zivile Träger spielte das aber nur eine untergeordnete Rolle. Trägerraketen nutzten die Treibstoffkombination nur, wenn sie oder ihre Triebwerke militärische Wurzeln hatten. Sie wird aber bis heute eingesetzt, und zwar in Satelliten die brauchen auch Treibstoff für Bahnänderungen oder zur Lageregelung. Manche nur wenig, aber Kommunikationssatelliten bestehen zu mehr als 50% aus Treibstoff. Hier verzichtet man auch manchmal auf den Oxidator und setzt nur Hydrazin ein, das chemisch instabil ist und leicht in Wasserstoff und Stickstoff gespalten werden kann. Auch dabei wird Energie frei.

Das grundlegende Problem ist der Oxidator. Er muss Sauerstoff liefern und er muss flüssig sein. Es gibt wenige Substanzen, die dies leisten. Hydrazin als Treibstoff kann leicht durch jede oxidierbare Substanz ersetzt werden z.B. Erdölprodukte, Pflanzenöle oder Alkohole. Man setzt es nicht wegen des Energiegehaltes ein, der ist z.B. kleiner, als wenn man Kerosin einsetzen würde, sondern weil sich die Mischung selbst entzündet. Bei anderen Treibstoffen braucht man ein Zündsystem.

Derzeit geht die Entwicklung dahin, das man kein Zweikomponentensystem nimmt, sondern eine Substanz, die im Molekül Sauerstoff und reduzierbare Substanzen enthält und nicht sehr stabil ist. Ameisensäure kann man z. B. mit einem Katalysator in Kohlendioxid und Wasserstoff spalten. Hydroxylamin zerfällt spontan in Ammoniak und Wasser.

Die NASA wird, wenn mal die Falcon Heavy startet, bei der zweiten Mission STP-2 einen Experimentalsatelliten starten, der den nur unter " AF-M315E" bekannten Treibstoff einsetzen soll. Auch dies ist ein Einkomponentensystem. Es besteht als Hydroxylammoniumnitrat, ein Salz aus Hydroxylammoniumion und Nitration. Es kann zum einen Bestandteil von Feststoffen eingesetzt werden, aber auch im Falle der „Green Propellant Infusion Mission“ in wässriger Lösung als Ersatz für Hydrazin/Stickstofftetroxid als flüssiger Treibstoff. Doch so richtig „grün“ ist es nicht. Es verbindet nur die negativen Eigenschaften beider Ausgangsstoffe: es ist giftig, ätzend und wenn, was beim Disproportionieren leicht passieren kann, Stickoxide freigesetzt werden auch noch krebserregend. Also unter „grün“ stelle ich mir was anderes vor.

Tests wurden auch mit Lachgas durchgeführt. Lachgas (Distickstoffmonoxid) wird in großen Mengen in der Natur freigesetzt und hat erhebliches Treibhauspotenzial, ist jedoch vergleichsweise ungiftig und lässt sich ohne Kühlung alleine durch Druck verflüssigen. Lachgas kann man schon alleine als Treibstoff nutzen da es oberhalb 577°C zu Stickstoff und Sauerstoff unter Energieabgabe zerfällt. Bei der Verwendung als Oxidator ist von Nachteil das nur 37 % der Masse Sauerstoff sind. Beim Stickstofftetroxid sind es 66 %.

Ein alternativer Oxidator wäre Wasserstoffperoxid. Doch es zersetzt sich leicht selbst und hochkonzentrierte Lösungen sind nicht über Monate oder Jahre stabil, wie es für Satelliten nötig ist. Immerhin wurde es schon ein einer Rakete eingesetzt. Die Black Arrow nutzte es in den ersten beiden Stufen. Das lag daran das die Briten damals das Expertenteam des Antriebs der ME 163 übernommen haben und das setzte diese Treibstoffkombination ein.

Zuletzt las ich noch in den aktuellen DLR Magazin, das die DLR zusammen mit Brasilien zwei Einspritzköpfe für Ethanol testet. Das wicht von obigen Kombinationen ab, da hier der Treibstoff und nicht der Oxydator ersetzt wird. Nach DLR Seite, weil Hydrazin in der EU verboten werden könnte. Nur macht das erstezn von Hydrazin durch Alkohol wenig Sinn. Dann könnte ich immer noch Erölderivate wie Diesel, Kerosin als Treibstoff nutzen. Den einzigen Sinn den ich sehe ist das man Alkohol gut mit Aminen mischen kann und die entzünden sich wie Hydrazin beim Kontakt mit Stickstofftetroxid. Alkohol ist der älteste Raketentreibstoff: schon die A-4 arbeitete damit. In den letzten Jahrzehnten fällt mir nur die Anwendung im Smart Dispenser der Kistler K-1 ein. Was mich besonders wundert ist das Ethanol als Treibstoff einer Rakete eingesetzt werden soll und dann wird es mit LOX verbrannt. Da kommt es also nicht auf die Lagerfähigkeit an und da würde ich LOX/Kerosin schon wegen der Energieausbeute einsetzen, auch wenn Brasilien den Treibstoff so direkt produzieren kann. Vergleichen mit dem Verbrauch von Erdöl an anderen Stellen ist der Bedarf für einige Raketenstarts pro Jahr zu vernachlässigen.

Nachteile „grüner“ Treibstoffe

Der grundsätzliche Nachteil aller Alternativen ist ihr geringer Spezifischer Impuls:

Zum Vergleich:

Da der spezifische Impuls linear in die Raketengleichung eingeht, die Strukturmasse aber über den Logarithmus bedeutet ein Viertel bis ein Drittel geringerer spezifischer Impuls eine deutliche Reduktion der Nutzlast.

Nicht grüne Treibstoffe sondern ungiftige Treibstoffe

Der einzige Vorteil der meisten Alternativen ist, das sie eine höhere Dichte als konventionelle Treibstoffe haben und so die Tanks kleiner und leichter sind. Hydroxylammoniumnitrat hat z. B. eine um 45 % höhere dichte als die Kombination Hydrazin mit Stickstofftetroxid.

Da die meisten Bestrebungen auf den Ersatz bei Satelliten ziehen hätte ich eine viel bessere Alternative: Ionentriebwerke. Elektrostatische Ionentriebwerke arbeiten heute mit Xenon. Das ist ein Edelgas und absolut ungiftig. Ungiftiger geht’s nicht, dagegen ist sogar Wasser gefährlich. Aber auch Wasser kann man als Treibstoff nutzen: In Plasmatriebwerken. Diese Ionentriebwerke sind im Westen unüblich, Russland setzte sie aber häufig ein. Dabei wird in einem Lichtbogen eine Substanz hoch erhitzt und das kann jede Substanz sein, auch Wasser. Damit erreicht man je nach Technologie immerhin noch Ausströmgeschwindigkeiten von 8.000 bis 15.000 m/s. Wenig im Vergleich zu elektrostatischen Triebwerken, aber dafür braucht man keine Hochdrucktanks. Ganz billig dürfte Xenon als Spurengas auch nicht sein.


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