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Web Log Teil 552: 26.4.2019 - 29.4.2019

26.4.2019: Die Energiewende – jenseits des Stroms

So, der heutige Beitrag ist etwas lang geworden. In Libreoffice sind es 5 Seiten. Ich teile ihn daher in zwei Aufsätze auf und bitte euch Kommentare, erst nach dem zweiten Teil, der morgen erscheint zu verfassen.

Im ersten Beitrag habe ich mich nur mit der Energiewende beim Strom beschäftigt. Wenn es auf das Thema kommt ist meist auch nur vom Strom die Rede. Klar, hier ist Versorgungssicherheit wichtig und es ist mehr oder weniger eine staatliche Aufgabe. An den meisten Stromkonzernen wie EOn, EnBW, RWE ist auch noch der Staat beteiligt. Aber es ist nur ein Teil des Energieverbrauchs. Während nach Angaben des Bundesumweltamtes zwischen 2014 und 2018 beim Strom der Anteil erneuerbare Energien von 27,8 auf 38,6 % gestiegen ist, sank er bei der Wärmeproduktion von 14,2 auf 13,9 und beim Verkehr blieb er mit 5,6 % gleich hoch.

Gemessen an absoluter Energie ist Strom aber nur ein Teil der Gesamteinenergie. Aufgeteilt nach Energiequellen sieht es 2017 so aus:

Klar ist, dass die Wende beim Strom nur eine Säule sein kann. Er macht gerade mal 20 % der Energie aus. Was mich bei der Recherche am meisten verwunderte ist das Kraftstoff, also Verkehr den größten Anteil an den Energieträgern hat. Ich bin von meiner eigenen Erfahrung (ich habe kein Auto) vom Heizen ausgegangen. Gut, wenn man beiden Kohlearten, Gas und Heizöl noch dazu zählt ist es mehr, aber ein Teil dieser Energieträger wird auch für industrielle Prozesse benötigt.

Gerade in diesen Bereichen ist der Anteil an erneuerbaren Energien aber noch klein.

Verkehr

Ebenso wird man niemals mit Raps und Sonnenblumen genügend Kraftstoff für die verbleibenden Kraftfahrzeuge gewinnen können. (selbst wenn man es hinbekommt einen Großteil des Individualverkehrs auf Elektroautos umzustellen). Sowohl Berufskraftfahrer wie auch Transportwesen werden mit Elektroautos und ihrer kurzen Reichweite nicht glücklich werden. Im Transportwesen ist meiner Ansicht nach die beste Lösung, dass man wegkommt vom Individualverkehr, bei denen jeder mit seinem Auto zur Arbeit fährt, und Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel, ebenso beim Transport – man hat in den letzten Jahren und dies politisch gewollt immer mehr Warenverkehr von der Schiene auf die Straße verlegt. Das kann man aber wieder ändern. Dazu gehört, dass der Staat etwas Selbstverständliches tut: alle Verkehrsteilnehmer gleich zu behandeln. Das tut er derzeit nicht. Fahrradfahrer müssen sich mit Autos oder Fußgängern einen Weg teilen. Beides ist nicht optimal. Während die Gefahr bei Autos und Radfahrern auf demselben Weg für jeden einsichtig ist, hat man bei Fußgängern ein anderes Problem: Fußgänger halten sich nur zu einem kleinen Teil an Verkehrsregeln – laufen auf der falschen Seite oder nebeneinander oder halten ein Schätzchen. Kein Problem solange es nur Fußgänger gibt. Daher sollte man Fahrradfahrer von Fußgängern trennen. Zu der Gleichberechtigung aller Verkehrsteilnehmer gehört auch, das Autos das einzige Verkehrsmittel sind, die die Straße zum Parken, also als Stellplatz nutzen dürfen. Manchen reicht das ja nicht mal und sie brauchen auch noch den Bürgersteig oder Fahrradweg. Meiner Ansicht nach würde sich die Situation sogar sofort verbessern, wenn man einfach bundesweit das Parken auf der Straße verbietet und den freiwerdenden Platz als Fahrradweg nutzt. Der Staat legt die Rahmenbedingungen fest, damit auch, ob es für den einzelnen attraktiv ist anstatt mit einem Auto (egal ob kraftstoffbetrieben oder ,mit Strom) zur Arbeit zu fahren oder mit einem Pedelec oder einem E-Mofa (die es ja auch schneller als E-Bikes mit bis zu 45 km/h gibt). Ich denke, wenn man damit genauso schnell oder schneller ans Ziel kommt, wird das Auto für die kurze Strecke weitestgehend überflüssig. Dazu gehört natürlich auch ein ausgebautes Angebot an Alternativen für die längere Strecke, sprich öffentlicher Verkehr, aber auch Carsharing, wenn ich mal was Sperriges transportieren muss. Dazu gehört natürlich auch eine Rahmenregelung bei der Geschwindigkeit. Mit autonomen Fahrzeugen wird die sogar noch wichtiger. Die können sich nämlich synchronisieren, also in Kolonne fahren und gleichzeitig beschleunigen und abbremsen. Das spart Sprit, da der Luftwiderstand für die hinteren Fahrzeuge geringer ist und vermeidet Spontan-Staus (also ohne Unfall als Ursache) die vor allem durch unterschiedliche Geschwindigkeiten entstehen.

Irgendwie sind ja die Deutschen besonders geschwindigkeits- verrückt. Unter den Industrienationen sind wie das einzige Land ohne Geschwindigkeitsbegrenzung auf Autobahnen und das scheint ein Sakrileg zu sein. Ganz alleine erklärt das aber nicht alles. Denn auch wenn man praktisch nie die Spitzengeschwindigkeit erreicht, verkaufen sich die Autos mit hoher Motorisierung doch gut und das nicht nur in Deutschland.

Elektroautos haben noch einen weiteren Vorteil: man kann sie als Speicher nutzen. Vor allem kann man so den Stromsektor so weiter umgestalten ohne den Automobilsektor zu regulieren und das scheint ja zu klappen. Man sollte sich aber nicht täuschen lassen. Wenn es dann wirklich viele E-Autos sind benötigt man auch viel mehr Strom:

Nehme ich nur mal den Verbrauch an Benzin – damit habe ich sicher das Transportwesen für Waren und öffentlichen Nahverkehr ausgeklammert – dann sind das 2017 25.309 Millionen Liter. Rechne ich mal mit 6 l/100 km pro PKW so sind das 422 Mrd. Kilometer. Ein Tesla Model 3 in der Basisaustattung hat eine Batterie von 50 kWh für 350 km Fahrtstrecke. Der Benzinverbrauch entspricht also 60 Millionen kWh. Derzeit werden 654 Mrd kWh erzeugt. Das wäre also zusätzlich zu wuppen. Wobei das natürlich nur eine Schätzung sein kann, da es vom mittleren Treibstoffverbrauch der Flotte abhängt. Man müsste auch noch einen Teil des Diesels dazurechnen, der ja auch von PKW verbraucht wird. Was mich erstaunt ist, das E-Autos dasselbe Paradigma haben wie normale Autos. Der erwähnte Tesla hat schon in der kleinsten Variante einen 191 kW Motor mit 209 km/h Spitze. Wozu? Ich schreibe diesen Aufsatz gerade in meinem Ferienhaus. Das existiert seit ich lebe. Früher sind wir in einem Opel dahin gefahren, mit 140 km/h Spitze und haben 2 Stunden gebraucht. Vorletztes Jahr war ich mit meinem Bruder und seinem BMW mit 280 km/h Spitze und es dauerte 1 h 45 min. Doppelte Spitzengeschwindigkeit und nur 1/8 schneller – das lohnt sich nicht. Liebe Autobauer entwickelt wieder Autos die nur 140 bis 160 km/h Spitze haben. Das ist immer noch schneller als die Richtgeschwindigkeit auf Autobahnen mit etwas Luft zum Überholen. Sicher sind Elektromotoren nicht so schwer wie Benzinmotoren, aber es senkt das Gewicht und das ist bei Elektrofahrzeugen ja entscheidend, denn die Batterie wiegt schon viel.

Offen bleibt woher der Biotreibstoff für die restlichen Fahrzeuge kommt. Dazu noch im nächsten Kapitel mehr.

Wärmeproduktion

Es muss auch geheizt werden. Da verwendet man heute Holz als erneuerbare Energie, doch das ist kaum ausbaufähig, ich denke ein Großteil des Holzes was wir heute verbrennen, stammt nicht aus Deutschland.

Bei der Heizung kann man die Abwärme der Gaskraftwerke für die Stromerzeugung sinnvoll nutzen, die dafür natürlich dezentral sein müssen. Man muss sie nicht neben der Biogasanlage bauen, sondern kann Methan leicht durch das Erdgasnetz oder als Flüssiggas transportieren. Rein theoretisch kann man aus Methan auch höhere Kohlenwasserstoffe gewinnen, indem man es in einem Reaktor unter geeigneten Bedingungen erhitzt. Doch das ist eigentlich nicht nötig. Erdgas kann man unter Druck leicht verflüssigen. Es gibt schon Fahrzeuge die mit Flüssiggas betrieben werden. Selbst mit einem Druckgastank wiegt es noch weniger als eine Batterie mit derselben Nutzenergie. Für die Heizung muss man nur jeden an das Gasnetz anschließen, was bei einem Großteil der Bevölkerung nur ein Anschluss vom Keller bis zur Straße ist. Biogas ist daher zu wichtig um es nur zur Stromerzeugung zu nutzen. Es ist die einzige Alternative die wir heute haben, wenn wir heizen wollen oder für den Verkehr einen Energiespeicher mit hoher Reichweite brauchen.

Immerhin, das Biogas so zu nutzen ist effizienter als aus Wasser Wasserstoff zu bilden. Da man ihn verflüssigen muss und Brennstoffzellen nur einen Wirkungsgrad von 40 bis 60 % haben kommt nur 22 % der Primärenergie in Form von Antriebsenergie an, wenn er für Fahrzeuge genutzt wird. Bei Strom in Batterien sind es 73 %. Der Verkehr dürfte bei einer Energiewende ein Problem sein. Immerhin: alleine das ungenutzte Stroh reicht für Biogas für 4 Millionen PKW aus. Nach der Heute-Show von gestern sogar für 7 Millionen (wobei diese Quelle natürlich nicht die zuverlässigste ist). Das dürfte vielleicht für die reichen die wirklich viel fahren und das täglich, aber wohl kaum für alle Lastwagen.

Bei der Heizung gibt es schon heute Alternativen – neben den Gaskraftwerken, die man neben der Stromerzeugung auch nur zur Beheizung nutzen kann ist es natürlich die Wärmeverluste zu begrenzen – ein langfristiges Ziel, man kann ja schlecht alle Besitzer von alten oder schlecht gedämmten Häusern zur Aufrüstung (nur bedingt wirksam) oder Neubau (kaum finanzierbar) bringen. Wärmepumpen sind, wo man den Platz hat (nicht in Hochhauswüsten wo viele Leute wohnen) eine Alternative, aber es ist sehr teuer damit zu heizen: Typisch bekommt man aus 1 kWh Strom für die Pumpe 2,5 kWh an Wärme – klingt zuerst toll, allerdings nur so lange bis man weiß, das 1 l Heizöl rund 8,6 kWh Wärmeenergie entsprechen – der Strom kostet heute, wenn man ihn nicht selbst produziert dann für 1 l Heizöl rund 97 ct. Selbst produzieren scheidet aber bei den meisten aus, denn Heizen muss man im Winter und da liefert eine PV-Anlage (ein Windrad kann man sich ja nicht in den Garten stellen) zu wenig Strom. An meinem Wohnort liefert eine 10 kwP PV-Anlage unter optimaler Ausrichtung (Süden) im Dezember 11,2 kWh/Tag durchschnittlich. Das würde dann beim Faktor 2,5 für 28 kWh Wärme bedeuten, entsprechend 3,25 l Heizöl. Wenn ich von einer Kernheizperiode (an der die Heizung dauernd laufen muss) von 120 Tagen ausgehe, dann sind dies lediglich 390 l Heizöl – und das ist wenig, vor allem wenn man weiß das man für eine 10 kWp Anlage rund 50 m² unbeschattete Dachfläche braucht und bei Ausrichtung nach Osten oder Westen der Ertrag abnimmt. Auch Solarkollektoren, die Wasser erhitzen, können nur eine Ergänzung sein. Sie haben das gleiche Problem: sie liefern warmes Wasser im Überfluss, wenn man es nicht braucht – im Sommer und im Winter, wenn der Himmel meist bedeckt ist, sind liefern sie kaum Warmwasser. Immerhin sind sie preiswerter als Solarzellen und nutzen die Wärme direkt.

Auch sie können daher nur eine Ergänzung sein.

Bei der Heizung wird wirklich die wichtigste Möglichkeit sein, energetisch optimierte Häuser zu bauen. Und auch hier ist der Staat gefragt. Bauen ist immer teurer geworden. Nicht nur wegen der Nachfrage, steigende Grundstückspreisen. Sondern auch, weil es immer mehr Bauvorschriften gibt, die man einhalten muss. Mein Haus ist von 1948, 1982 durch einen Anbau ergänzt. Ich halte es nicht für wesentlich unsicherer als einen Neubau. Der kommt durch zahlreiche Vorschriften aber um einiges teurer. Mein Vorschlag: volkswirtschaftlichen Kosten/Nutzen abwägen. In der Schweiz hat man sich gegen eine Verpflichtung für den Einbau von Rauchmeldern entschieden. Dort hat man untersucht wie viele Personen mehr durch Brände dann sterben und was es kostet. Auch wenn es makaber gibt: man kann ein Menschenleben in Geld fassen, dahingehend, wie viel der Volkswirtschaft verlorengeht. Es kam raus, das Rauchmelder dreimal so viel kosten wie der Schaden durch mehr Tote. Ich habe das Beispiel aus Quarks und Co und ich fand auch wichtig, das Yogeshwar dazu gesagt hat – würde man dieselbe Summe, die man in Deutschland in Rauchmelder investiert hat, in die Hygiene in Krankenhäuser investieren, dann würde man nicht 250 sondern 2.000 Tote pro Jahr verhindern. Entsprechend sollte man alle Vorschriften abklopfen auf volkswirtschaftliche Sinnhaftigkeit.

Dazu gehört auch ein Wechsel bei den Leuten. Bei uns wird dauerhaft gebaut, aus Stein und Beton. Das ist teuer. Würde man wie es in anderen Ländern der Fall ist, mit Holz und Lehm bauen, da kann man auch leicht eine Dämmschicht aus Stroh zwischen die Wände einbringen. Holz alleine isoliert ja schon. Dann wären Häuser viel billiger und würden energetisch gut dastehen. Sie würden vielleicht nicht Jahrhunderte überdauern, aber sich ein Menschenleben – und wer weiß schon, wo seine Kinder ihre Arbeit finden?

Dazu gehört auch eine neue Politik. Wir beklagen, dass es zu wenig Wohnungen gibt. Komisch. Seit ich denken kann werden bei uns immer neue Neubaugebiete ausgewiesen, die Bevölkerung ist seit Jahrzehnten konstant, trotzdem ist Wohnraum knapp. Er ist auch nicht knapp. Er ist nur ungleichmäßig verteilt. Es ist an der Politik das Land attraktiver zu machen, auch dort Industrie anzusiedeln und damit die Landflucht zu stoppen. Das kommt nicht in die Gänge, weil dafür die Bundesländer und Kommunen zuständig sind, es aber ein bundesdeutsches Problem ist: wer aus Görlitz wegzieht, tut das ja in der Regel nicht nach Dresden, sondern in ein (süd)westliches Bundesland.

Wenn wir wirklich die Energiewende auch bei der Wärmerzeugung/Vermeidung und Verkehr haben wollen, dann ist der Staat gefragt. Er setzt die Rahmenbedingungen. Derzeit eher zum Nachteil. Eine Komplettumstellung auf regenerative Energien halte ich mit dem Stand von heute kaum für möglich. Die Angabe „Tonne CO2“ pro Person ist so abstrakt, das man damit nichts anfangen kann. Aber man kann es umrechnen. Ein Festmeter Holz speichert 1 t CO2. Eine 100-Jährige Buche hat der Atmosphäre gerade mal 1 bis 1,8 t CO2 entzogen. Jede Person in Deutschland müsste also um ihren Energiebedarf zu decken (Mittel: 11,76 t CO2/Jahr) rund 10 Bäume pro Jahr fällen bzw. neu pflanzen. In Bayern gibt es 980 Millionen Festmeter Holz. Das reicht für die 13 Millionen Bayern nicht mal für sieben Jahre aus, und es wächst erst in Jahrzehnten nach – der Zuwachs liegt bei 33 Millionen Festmeter pro Jahr, das reicht also nur für 3 Millionen Einwohner.

Die Lösung? Man muss wie bisher Energie von außen beziehen, nur anders als heute regenerativ. Man könnte wie schon vorgeschlagen in Wüstengebieten riesige Anlagen zu bauen, die die Sonne nutzen. Entweder indirekt als Photovoltaikanlage oder direkt als Wärme. Ich würde aber damit keinen Strom erzeugen – die Stromerzeugung aus regenerativen Energien bekommen wir hin, schon heute hat dieser Sektor den höchsten Anteil an regenerativer Energie. Nein ich würde die Energie nutzen, um Biotreibstoffe zu gewinnen. Mit dem Strom kann man Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff trennen. (Wirkungsgrad 70 %) Die Kraftwerke, die durch Spiegel hohe Temperaturen in einem Brennpunkt erzeugen nutzen dann diese Prozesswärme um aus Kohlendioxid und Wasserstoff Methan und Wasser zu gewinnen (Wirkungsgrad 60 %). Das Methan kann man durch Pipielines transportieren, verflüssigen oder direkt vor Ort zu höheren Kohlenwasserstoffen als Erdölersatz zu verarbeiten. Die Prozesse wie die Fischer-Tropsch Synthese sind bekannt. Es gibt nur ein Problem: sie gehen von weitestgehend reinem Kohlendioxid und Kohlenmonoxid aus, das man z. B. durch Verbrennung von Kohle erzeugt hat. Man müsste, da man das Biogas ja direkt nutzen kann und Kohlekraftwerke dann nicht mehr existieren es erst aus der Luft gewinnen. Klar ist, das diese Prozesse, da sie hintereinander geschaltet sind einen niedrigen Wirkungsgrad haben und man entsprechend viel investieren muss und Anlagen riesig sind. Biogas so erzeugt wird nicht billig sein.

Das zweite ist ein Ausgleich. Wenn wir mehr Kohlendioxid emittieren als wir wollen oder dürfen, dann müssen wir woanders ausgleichen. Zum Beispiel, indem wir in Aufforstung investieren, oder für mich viel sinnvoller: indem wir Regenwald, bevor er abgeholzt wird, aufkaufen und vor der Abholzung schützen. Aber das geht auch nur bedingt. Die Sahara und Wüste Gobi kann man nicht aufforsten und überall auf der Welt braucht man immer mehr landwirtschaftliche Fläche.

Das leitet über zum globalen Kernproblem: wir sind einfach zu viele. Wenn wir jedes Jahr die Ressourcen von 1,7 Erden verbrauchen, dann müssen wir die Bevölkerung um den Faktor 1,7 reduzieren. Wenn wir der Natur noch 50 % der Oberfläche zugestehen, sogar um den Faktor 3,4.

Die Erkenntnis ist nicht neu. Aber eine andere Erkenntnis ist es auch: Nur in Staaten in denen die Leute in guten oder sehr guten wirtschaftlichen Verhältnissen leben, stagniert die Geburtenrate oder geht sogar zurück. Wenn aber alle Menschen der Erde – und die meisten leben eben in Entwicklungsländern – den Standard haben wollen den wir heute haben, dann reichen aber auch 1,7 Erden nicht. Es sind für die Industrieländer schon 2,5 Erden.

Zuletzt noch eine Bemerkung zum Zertifikathandel. Der wird ja von der FDP als ihre Position zur Klimapolitik angepriesen. Sie bestätigt in meinen Augen damit ihre Position als reine Wirtschaftspartei. Andere bezeichnen es als „Partei der sozialen Kälte“, da sich das gesamte Parteiprogramm nur darum dreht möglichst wenig Abgaben und Steuern zu haben, was vor allem Reichen nützt, denn die Armen bekommen ja Sozailleistungen und müssen kaum Steuern zahlen. Ich bezeichne sie als „Onkel Scrooge“ oder „Onkel Dagobert“-Partei, das passt wie die Faust aufs Auge. Auf CO2-emissionszertifikate bin ich durch den CO2-Rechner des Umweltbundesamtes gekommen, da taucht eine Eingabe dafür auf. Und in der Tat man kann die als Privatperson handeln, wie z. B. das Zertifkat DR1WBM der Commerzbank. Aber was ist das? Wie kann man eine fehlende Tonne Kohlendioxid handeln? Nun man kann sie nicht handeln. Es ist ein typisches Instrument der Wirtschaft, die schon lange vor der Computertechnik mit „virtuellen“ Dingen handelt. Jeder Staat hat nach den Klimaabkommen eine Vorgabe, wie viel Kohlendioxid er emittieren soll. Liegt ein Staat darunter, so kann er diese Emission verkaufen. Doch ist es das, was wir wollen? Wie wollen ja Kohlendioxid vermeiden. Das tun auch PV-Anlagen und Windkraftanlagen. Sie ersetzen Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen. Ebenso Biogas das man aus Abfall erzeugt, das Kohleendoxid würde auch bei der Verrottung frei werden. Immerhin Klimaneutral wäre das Verbrennen von Holz, sofern man in gleichem Maße aufforstet (allerdings nur über einen Vegetationszyklus eines Baums, also 80 bis 100 Jahre, nicht kurzfristig). So wird mit Zertifikaten kein Kohlendioxid vermieden, man verschiebt nur den Emitter. Für das Klima nutzt es also nichts. Das gerade die FDP dafür ist, wundert mich nicht. Hat es doch mit Wirtschaft zu tun und vor allem ist es billig und Reiche können sich so kostengünstig „freikaufen“. Auch wenn das obige Zertifikat in drei Jahren seinen Wert von 5 Euro vervierfacht hat, kostet es derzeit um die 20 Euro. Für die knapp 12 t CO2 eines Bundesbürgers müsste man also nur 240 Euro pro Jahr zahlen. Zum Vergleich: Meine 6,9 kwP Anlage (nach Planungsberechnung bei 5.833 kWh/Jahr) vermeidet nach dem CO2-Rechner 2,69 t CO2 pro Jahr. Das sind in 20 Jahren (EEG-Abschreibung) bei 90 % mittlerer Leistung 48,42 t CO2. Das würde als Zertifikat 969 Euro kosten, die Anlage war 11.305 € teuer. Zertifikate sind also derzeit noch um den Faktor 11 billiger, das wird sich ändern, doch es wird immer billiger sein. Aber es ist keine Lösung, es ist ein Buchmachertrick. Typisch FDP. Wie sagte Lindner doch: Das mit der Klimapolitik sollte man den Profis überlassen. Richtig FDP, dann haltet mal am besten die Klappe. Ich glaube die Schüler die bei FridayforFuture demonstrieren verstehen davon mehr als die FDP, die ja auch der Meinung ist, es wäre besser nicht zu regieren, als falsch zu regieren. Mensch was wäre uns erspart geblieben, wäre die FDP der Regierung ferngeblieben: keine Partei war so lange in der Regierung wie die FDP, 48 von 70 Jahren der BRD war sie in der Regierung.

28.4.2019: Finanzierbare und verfügbare Schwerlastraketen

Ich habe ja schon auf meiner Website den Artikel über Schwerlastraketen in dem ich einige mögliche Exemplare vorstelle. An dieser Stelle eine Modernisierung des Artikels. Die Idee ist ganz einfach: Man clustert die größten verfügbaren Raketen. Wenn man Ariane 6 und Falcon 9 / Heavy ausklammert, zu denen es keine oder zu wenige verfügbare Daten gibt, bleiben übrig:

Die Proton scheidet aus, weil sie durch das Außenblockkonzept nicht gebündelt werden kann. Die Langer Marsch 5 Familie ist zu schubschwach, zudem arbeitet China ja an der eigenen Schwerlastrakete der Langen Marsch 9.

Die Idee ist nun ganz einfach: um die bisherige Rakete als Zentralstufe herum, nimmt man noch weitere erste Stufen als Booster. Aus geometrischen Gründen sind dies maximal 6. Die Zentralstufe mit Oberstufe wird dann als zweite Stufe gezündet – allerdings nicht bei der Delta IV und Atlas V, da reicht der Schub der sechs Außenblocks nicht aus. Wie bei der Delta IV Heavy muss die zentrale Stufe von Anfang an mitarbeiten. Dann aber mit 70 % des normalen Schubs. Die Delta IV und Atlas V sind noch Spezialfälle. So ist die Brennzeit bei beiden zu kurz für einen stabilen Orbit. Ich habe bei den beiden Trägern noch die Oberstufen DCSS bzw. Centaur hinzugenommen, die eigentlich zu klein für diese Raketen sind. Bei der Zenit kann man die letzte Stufe übernehmen, sie wiegt immerhin 80 t, bei der Ariane 5 habe ich die ESC-A/B weggelassen. Ariane 5 kann zudem nicht ohne Feststoffbooster abheben. Ich habe einen pro Außenstufe angesetzt. Das reicht aus und die Nutzlast ist schon beachtlich. Mit zwei Ariane 6 Boostern wäre sie noch höher. Die zentrale Stufe der Ariane 5 kann hier später oder zeitgleich gezündet werden. Vor allem bei Fluchtkursmissionen macht das einen Unterschied in der Nutzlast aus.

Hier die Ergebnisse

Rakete

Startmasse

Stufen (+ für nacheinander / für gleichzeitigen Betrieb)

Nutzlast 200 km Erdorbit

Nutzlast Fluchtbahn

Ariane 5 Super

4.862 t

6 / 6 + 1

160 t

64 t

Ariane 5 Super

4.857 t

6 / 6 / 1

165 t

19 t

Atlas V Super

2.190 t

6 / 1 + 1

49 t

10 t

Delta IV Super

1.685 t

6 / 1 + 1

64 t

18 t

Zenit Super

2.692 t

6 + 1 + 1

116 t

33 t

Zwei Raketen stechen heraus: Die Ariane 5 und Zenit. Bei Atlas und Delta ist die Nutzlast klein, vor allem weil sie ohne Feststoffbooster kaum Schubüberschuss haben. Sie brauchen eine Zweitstufe, doch die vorhandenen sind dazu nicht geeignet. Sie sind zu schubschwach und haben dadurch eine zu lange Brennzeit.

Für direkte Fluchtbahnen (z.B. Mondmissionen) habe ich alle Träger daher um eine hypothetische Oberstufe erweitert. Sie wiegt 80 t voll, 8 t leer und hat 4 Vinci Triebwerke. Mit 5 m Durchmesser würde diese Oberstufe zudem direkt auf die Ariane 5 oder Delta IV passen.

Rakete mit 80 t Oberstufe

Nutzlast Fluchtbahn

Ariane 5 Super (drei Stufen)

73 t

Ariane 5 Super (zwei Stufen)

19 t

Atlas V Super

24 t

Delta IV Super

30 t

Zenit Super

47 t

Wie man sieht erhöht diese Oberstufe die Nutzlast aller Träger bis auf die erste Version der Ariane 5 (zentrale Stufe später gezündet) deutlich. Mit der Zenit und Ariane 5 gebe es zwei Träger mit genug Nutzlast für direkte Mondmissionen. Mit Delta und Atlas zumindest bei EOR oder LOR-Kopplung von zwei Starts.

Atlas V und Delta profitieren auch bei LEO-Missionen von der Stufe. Die Nutzlast der Delta steigt von 64 auf 77 t und bei der Atlas von 49 auf 72 t.

Damit stände zumindest für mein Konzept der stufenweisen Bahnanhebung für Marsmissionen ein Trägersortiment mit 72 bis 165 t LEO-Nutzlast zur Verfügung. Die Ariane 5 Super könnte auch direkte Marsmissionen durchführen.

Vor allem sind es vier Träger aus drei Nationen. Ein Marsprogramm, das ja international angelegt sein wird, kann so viel besser auf mehrere Schultern verteilt abgewickelt werden – es könnten so problemlos nahezu zeitgleich vier Träger von vier Startrampen starten. Die USA haben mit Vandenberg und Cape Canaveral zwei Startplätze, was dann sechs Starts mit 580 t Gesamtkapazität ergibt – das wäre auch ohne Anhebentaktik genug für den Teil einer Marsexpedition, der pro Startfenster auf den Weg gebracht wird.

Sicher wird es nicht ohne Investitionen gehen. Die zentralen Stufen müssten modifiziert werden, sie nehmen mehr Schub auf der seitwärts einwirkt. Die Startkomplexe müssten umgebaut werden. Doch vergleichen mit den Investitionen für die SLS wären es überschaubare Summen. Ariane und Zenit haben zudem genügend Schub als dass man noch kleinere Versionen mit 2,3 oder 4 Boostern bauen kann. Bei Ariane 5 dann auch noch mit der Option die Feststoffbooster zu variieren. So könnte man sie an die benötigte Nutzlast individuell anpassen.

29.4.2019: Ionentriebwerke für eine bemannte Marsmission

Wer mich kennt, weiß, ich bin ein Fan von Ionentriebwerken. Einfach weil sie viel effizienter als chemische Antriebe sind. Aber sie haben auch Nachteile. Der offensichtlichste für eine bemannte Marsmission ist der Faktor Zeit.

Ionenantriebe haben sehr niedrige Schübe, trotz hohem spezifischen Impuls. Beide Größen sind sogar gekoppelt: je höher der Impuls, desto kleiner der Schub. Da aber die Zeit die man braucht, um eine bestimmte Geschwindigkeitsdifferenz zu erreichen, von dem Schub abhängt, dauert so die Reise immer länger. Hier mal die Daten des NSTAR-Triebwerks, das die Raumsonde Dawn antrieb:

Um die 425 kg Xenon zu verbrauchen, die Dawn an Bord hatte hätten drei Triebwerke bei voller Leistung 506 Tage gebraucht. Es waren in der Praxis sogar 5,87 Jahre, da die Triebwerke nicht alle liefen, sondern bei abnehmender Entfernung immer weniger und schließlich auch mit reduzierter Leistung. Die Geschwindigkeitsänderung von 11,5 km/s entspricht der, die man auch bei einer Marsmission braucht zumindest mit einem Ionenantrieb.

Bei einer bemannten Mission hat man diese Zeit nicht. Das ist der Hauptnachteil.

Referenz chemischer Antrieb

Damit wir einen Vergleich haben, habe ich mal eine Mission skizziert, die für Ionentriebwerke die optimale ist:

Wenn ich für das Verlassen der Erde einen LOX/LH2-Antrieb einsetze und beim Mars lagerfähigen Treibstoff (spezifische Impulse 4400 und 3100 m/s) und Strukturfaktoren von jeweils 12, dann ergibt sich folgende Bilanz:

Bei den anderen Teilen einer Marsexpedition ist die Bilanz besser. Für eine direkte Landung zählt nur die Nutzlast in eine Marstransferbahn. Das sind die Elemente, die man direkt auf dem Mars landet, ohne in eine Umlaufbahn einzutreten wie das Habitat, Vorräte, schweres Geräte, Treibstofffabrik. Dazu gehört zum Teil auch der Landeapparat der Besatzung. Der muss zwar in eine Umlaufbahn eintreten, weil er mit dem Modul verbunden ist, welche die Besatzung auf dem Weg zum Mars aufnimmt, aber dann landet er und er kann nur mit chemischen Antrieb wieder in den Orbit kommen.

Wenn man einen Plan wie Mars-direkt verfolgt, also ohne Eintreten in die Umlaufbahn, dann entfällt natürlich die beiden letzten Schritte.

Ionentriebwerke – Bestandteile

Ein Antriebsmodul für Ionentriebwerke besteht aus folgenden Teilen:

Die Triebwerke sind zwar schwerer als chemische Triebwerke mit demselben Schub aber sie stellen keinen großen Gewichtsfaktor dar: bei Dawn waren es 27 von 561 kg des Antriebssystems

Der Treibstoffanteil ist zwar nicht so groß wie beim chemischen Antrieb, aber die heutigen Triebwerke setzen Xenon ein, das ist ein Gas. Die Druckgastanks sind daher relativ schwer. Sie machen 10 bis 20 % der Treibstoffmasse aus.

Die Energieversorgung macht den Hauptteil des Gewichts aus. Dawn hatte eine Leistung von 10 kW und die Solarpaneele wogen 126 kg. Dazu kommen noch Wandler für die von den Triebwerken benötigte Hochspannung. Diese wogen weitere 30 kg. Immerhin benötigen die Ionentriebwerke so viel Energie, das man sich eine eigene Stromversorgung für andere Systeme sparen kann.

Problem Energieversorgung

Wenn ich schnell zum Mars kommen will, brauche ich mehr Schub, dann auch mehr oder stärkere Ionentriebwerke und die brauchen mehr Strom. Heutige Spitzen-Solarpaneele von ATK die schirmartig aufgespannt werden erreichen 120 W/kg. Fanz große sollen 150 bis 170 W/kfg erreichen. Rechteck-Flächige Paneele wie Dawn sie einsetzte 85 W/kg. Sie sind aber universeller, denn die ATK-Flexarrays sind kreisförmig, das begrenzt die Größe, ein rechteckiges Array kann man dagegen in die Länge ziehen. Es gab auch schon in der Erprobung aufrollbare rechteckige Arrays, die man dann für den Start sehr kompakt zusammenrollen kann.

Wenn ich schnell zum Mars kommen will, dann wird schnell klar, dass ich viel Energie benötige und damit wird die Energieversorgung zum Hauptgewichtspunkt des Antriebs. Eine Lösung wären Reaktoren im Weltraum. Doch diese sind eben noch kaum erprobt und die sowjetischen Rektoren haben Leistungswerte die viel schlechter als Solargeneratoren sind. Sie haben auch den Vorteil das sie beim Mars genauso so viel Energie wie nahe der Erde liefern. Denn sonst sind es aufgrund der höheren Entfernung nur 36 bis 52 %, je nach Distanz von der Sonne. Ich denke aber wenn man wirklich mal Ionentriebwerke in Betracht zieht, dann sind Kernreaktoren die beste Lösung, denn das Gewischt der Abschirmung wird im Verhältnis zum Gesamtgewicht um so kleiner. Der SAFE-Reaktor liefert immerhin 100 kw bei 512 kg Masse, also 200 W/kg und bei den benötigten Leistungen im Megawattbereich dürfte das Verhältnis Leistung/Gewicht noch besser sein.

Ich habe errechnet das für 190 t Startmasse, (10 t weniger als beim chemischen Antrieb, weil ich von einem 400 km hohen Startorbit ausgehe) um in unter 120 Tagen die Erde zu verlassen man bei einem spezifischen Impuls von 30.000 m/s man eine Leistung von 3 MW braucht. Das sind bei 100 W/kg 30.000 kg nur für die Solarzellen.

Durchgerechnet

Wenn ich die Zeit ausspare, so wäre eine Lösung für den Round-Trip:

Dafür habe ich 320 Tage zusätzliche Betriebsdauer. Bei einer typischen Aufenthaltsdauer auf dem Mars von 500 bis 550 Tagen reduziert dies also diese auf 200 Tage. Dafür habe ich 54 anstatt 39 t Nutzlast bei der Rückkehr zur Erde.

Wenn ich nur die Nutzlast zum Mars entsende, dann sind es 104 t Nutzlast bei 160 Tagen mehr. Dies ist aber unkritisch, da diese Elemente meist unbemannt sind. Für sie würde es sich also wirklich lohnen (104 zu 74,7 t).

Ich sage bewusst: eine Lösung, denn bei Ionentriebwerken ist alles voneinander abhängig. Wenn ich z. B. den spezifischen Impuls erhöhe, brauche ich zwar weniger Treibstoff, aber dafür mehr Leistung und schwerere Triebwerke für denselben Schub.

Dafür bin ich aber bei den Leistungsdaten sehr weit von dem weg was ich sowoehl für die Energieversorgung wie auch Antriebe derzeit im Einsatz habe. Das sind Triebwerke mit 1-5 kW Strombedarf, davon bräuchte ich rund 1000 Stück bei 3 MW Leistung. Ebenso hat die ISS zwar Solarzellen für 220 kW Leistung, doch die wiegen rund 30 t, sind also pro kw-Leistung zehnmal schwerer.

Die NASA hat Ionentriebwerke daher nur als Hilfsantrieb vorgesehen. Mit ihnen kann man:

Bei einer bemannten Landemission ist es dagegen zu überlegen, ob man die Station nachdem sie vom Mars in einer elliptischen Umlaufbahn eingefangen wird, absenkt. Der Grund: Das Herunterspiralen geht noch ohne Zeitverlust, kann erfolgen, während die Besatzung auf dem Mars ist. Das Herausspiralen aber erst, wenn die Besatzung an Bord ist. Das sind rund 3 km/s zusätzlich, dann noch weitere 3 km/s um das Perihel auf Erdentfernung abszusenken. Diese 6 km/s in Marsentfernung abzubauen, dauert wegen der geringen Stromversorgung genauso lange wie 12-14 km/s bei der Erde, weitaus mehr als man beim Start benötigt (etwa 10,5 km/s).

Auf der anderen Seite startete vom Mars nur eine leichte Kapsel, keine schwere Station. Sie muss nur etwa 1 km/s zusätzlich aufwenden um an eine Station in einem Synchronorbit (erlaubt einen Startversuch pro Tag) anzukoppeln (gegenüber einem marsnahen Kreisorbit) und von dort aus in die Erdtransferbahn sind es nur 1 km/s anstatt 6 km/s mit Ionentriebwerken. Das benötigt dann in etwa genauso viel Treibstoff, aber man hat keinen Zeitverlust. Es bietet sich auch an wegen der geringen Leistung bei Marsnähe das Einbremsen in einen ersten Orbit und das Verlassen dessen deswegen chemisch durchzuführen.

Daher geht die NASA bei 88 t Masse (also etwas weniger als die Hälfte dieses Ansatzes) von lediglich 500 kW Leistung aus und einem Bündel von 24 x 13,3 kW Triebwerken. Sie stuft das technologische Risiko immerhin hoch ein. Dabei setzt sie noch 12 t chemischen Treibstoff ein, eben dafür diese Einbrems / Verlassenmanöver.

Immerhin: würde man die 88 t mit 500 kW Leistung aus einer erdnahen Bahn zum Mars entsenden, so wären in 520 Tagen die Transfbahn erreicht bei 63,8 t Restgewicht. (NASA-Lösung: 46,8 t) Das wäre eine Lösung für unbemannte Bestandteile, die man sowieso ein Startfenster vorher startet, bzw. wenn man die Zeit (26 Monate, also 732 Tage) für den Ionenantrieb nutzt, so kommen sie immer noch früher als die Besatzung an, aber man hat geringere Anforderungen an die Ionentriebwerke.

Zusatznutzen

Ein für ein Lebenserhaltungssystem möglicher Zyklus ist die Reduzierung von Kohlendioxid mit Wasser zu Sauerstoff und Methan. Methan kann man bei chemischen Antrieben nutzen, man kann damit aber auch eine Subklasse von Ionentriebwerken antreiben. Die Plasmatriebwerke. Bei Satelliten werden sie wegen ihrer beschränkten Lebensdauer und niedrigem Wirkungsgrad selten genutzt. Aber man kann auf der interplanetaren Reise das Methan nutzen für kleine Kurskorrekturen, Lageänderungen, das sonst Abfall ist. Jedes Besatzungsmitglied atmet rund 0,8 bis 1 kg Kohlendioxid pro Tag aus. Bei 6 Personen sind das 6 kg und über die 1.100 Tage rund 6.600 kg. Bei einem spezifischen Impuls von 5500 m/s (Aerojet-Plasmatriebwerke) und 88 t Masse wie bei dem erwähnten DST-Habitat sind das 400 m/s - genügend für kleine Kursänderungen oder Lageänderungen.

Unbemannt

Wenn man Ionentriebwerke einsetzen will, dann ist sinnvoll, so viel wie möglich unbemannt zu starten. Das ist in jedem Falle die Wohnung/Labor, das auf dem Mars landet, es können auch mehrere sein. Dazu benötigt man mindestens einen Start für das schwere Gerät, Vorräte oder Energieversorgung, eventuell auch hier mehr, z. B. wenn man an die Treibstoffproduktion auf dem Mars denkt. Man kann auch die Kapsel, mit der man vom Mars wieder startet mitsamt des benötigten Treibstoffs unbemannt vorher starten und in einer Marsumlaufbahn parken, ebenso müsste man den Treibstoff für den Rückstart nicht mitführen, sondern könnte auch ihn dort parken. Das würde die Masse für das bemannte Modul deutlich senken. Es benötigt für den Fall das man nicht in eine Marsumlaufbahn eintritt aber eine weitere zusätzliche Kapsel.

Ich habe hier mal errechnet was an Nutzlast übrig bleibt, wenn man mit 190 t startet und stufenweise mehr Leistung zur Verfügung stellt: (spezifischer Impuls 30 km/s)

Leistung

Dauer

Bruttonutzlast

Tanks

Triebwerke

Solarzellen [100 W/kg]

Nettonutzlast

700 kW

648 Tage

132,5 t

10,2 t

1,7 t

7 t

113,6 t

1 MW

452 Tage

132,8 t

10,1 t

2,4 t

10 t

110,2 t

1,5 MW

300 Tage

133,0 t

10,1 t

3,5 t

15 t

104,4 t

2 MW

223 Tage

133,1 t

10,1 t

4,7 t

20 t

98,3 t

2,5 MW

178 Tage

133,1 t

10,1 t

5,9 t

25 t

92,3 t

3 MW

148 Tage

133,2 t

10 t

7 t

30 t

86,2 t

Rein chemisch

0 Tage





74,7 t

Man sieht, man kann hier die Nutzlast erhöhen, allerdings gravierend nur bei längerer Dauer. Bei 40 km/s steigt bei 3 MW (letzter Tabellenwert) die Nutzlast wieder auf 100,9 t, dann aber bei 204 Tagen Reisedauer. Das ist nahe am Wert für 2 MW.

Die unterschiedlichen Reisedauern/Nutzlasten machen trotzdem einen Sinn. Sie haben nämlich zwei Nutzen:

Fazit

Nur mit Ionenantrieben geht es bei den zeitkritischen Teilen, das sind die mit Besatzung nicht. Aber bei den unbemannten Teilen ist es eine Alternative zum chemischen Antrieb. Es entzerrt aber auch den Zeitplan.

 


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