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Web Log Teil 580: 19.1.2020 - 26.1.2020

19.1.2020: Der Solarradweg von Erftstadt

Auf das folgende wurde ich durch die Satire „Der reale Irrsinn der Woche“ von Extra 3 aufmerksam. In Erftstadt hat man 90 m eines Radweges mit speziellen Solarmodulen belegt. Dieser Weg ist nun wieder außer Betrieb, lieferte aber nur 148 kWh Strom bei Kosten von 150.000 €.

Ich fand schon die Idee blödsinnig, Solarmodule in die Farbbahn zu legen. Das ist zum einen viel teurer, weil man sie schützen muss und der Schutz kostet nicht nur Geld, sondern senkt auch die Effizienz ab. Vor allem aber gehen sie natürlich so schneller kaputt.

Trotzdem waren die Lobeshymnen vor Inbetriebnahme groß:

Das gipfelt dann sogar in einem Vergleich mit dem ersten Schritt auf dem Mond.

Die Geschichte des Wegs ist dann schnell umrissen. Eröffnet im November 2018 durch die Forschungsministerin Svenja Schulze, wurde die Anlage nach einem Schwellbrand im April 2019 abgeschaltet. Solmove die Firma, die diese Technologie im obigen Beitrag durch ihren Gründer so eloquent anpries, sollte dann reparieren, tat dies aber nicht und so wurde der Radweg erst gesperrt und dann wieder abgebaut.

Okay, das ist eine typische Story eines Unternehmens das nach dem Verkauf nichts mehr für den Kunden tut, ihm aber viel Geld abgeluxt hat. Wobei ich das für nicht besonders ratsam halte, wenn man wie der Gründer erst vor Fernsehkameras Interviews gibt und dann die Kunden im Regen stehen lässt. Kann man sich als neu gegründetes Unternehmen eigentlich nicht leisten. Ich wage zu prophezeien, dass dies der einzige Auftrag für Solmove von seitens der öffentlichen Hand bleiben wird.

Was mich viel mehr beschäftigt ist, dass ich das ganze Unternehmen so sinnlos finde.

Klar wir haben enorm viel Fläche auf den Straßen. Nimmt man nur die Straßen außerorts, so sind es 231.000 km. Bei einer Regelbreite von 4,0 m pro Spur und mindestens zwei Spuren pro Straße sind das 1.848 km². Dazu kämen nochmal 413.000 km in den Gemeinden. In der Nutzung dieser Fläche für Solarzellen liegt meienr Ansicht ein enormes Potenzial. Aber warum muss man die Module in die Fahrbahn verlegen? Das hat doch gleich mehrere Nachteile:

Stattdessen würde ich über der Straße eine Konstruktion wie einen Carport bauen, also ein Dach auf Stützen, auf denen man dann die Module montieren kann. Das ist dann die gleiche Situation wie bei einem Flachdach, man braucht keinen speziellen Schutz, die Module sind leicht zugänglich für Servicearbeiten und man muss nicht wie beim Solarradweg in Erftstadt bei einem Defekt den ganzen Weg sperren.

Meine Gegenrechnung

Ich möchte mal eine Gegenrechnung für den Fahrradweg von Erftstadt machen. Hier die bekannten Daten dieses Fahrradwegs;

Fangen wir mal an mit dem Vergleich mit meiner Solaranlage. Die kostete mit 23 Modulen 11.500 €, hochgerechnet auf 200 Module wären das also 100.000 €. Die Montage als Weg ist also deutlich teurer. Demgegenüber ist der Ertrag deutlich geringer. Der Langzeitertrag meiner Anlage sollte 5.600 kWh/Jahr betragen (Mittel über 20 Jahre), im ersten Jahr liegt er deutlich höher, 3 Monate vor dem Jahresdatum schon bei über 5.300 kWh. Auf 200 Module hochgerechnet, kommt man so auf 48.000 kWh nicht nur 6.000 oder 16.000 – es sind also durch die Bodenmontage deutliche Verluste von 66-80 % zu erwarten. Die 148 kWh im Winter sind sogar noch deutlich weniger. Klar im Winter liefert eine Anlage weniger Strom. Aber in 4 Monaten sollten es mehr als 148 kWh sein, selbst meine achtmal kleinere Anlage liefet in einem der schlechten Monate wie November oder Dezember mindestens 200 kWh.

Nun die Gegenrechnung: Wir montieren über die Anlage einfach einen Carport. Einen einfachen bekommt man bei Lidl für 499.- bei einer Länge von 5 m, Durchfahrtsbreite von 3,5 m und 2,23 m Höhe. Auf dem Dach kann man dann die Solarzellen montieren. Für 90 m Weglänge benötigt man 18 dieser Carports.

Jeder hat eine Dachfläche von 17,5 m², alle zusammen eine von 315 m². Bei einer Flächennutzung von 50 % und 30 Grad Winkel hat man eine Fläche von 202 m² für Solarmodule, das sind wegen des Abstands zur Verhinderung der gegenseitigen Abschattung nur 126 Module. Wenn der Winkel flacher wird, sinkt zwar der Ertrag pro Modul, aber man kann sie näher zusammenrücken. Im Extremfall kommt man wie beim Weg dann auf 0 Grad Winkel (horizontal) dann muss man aber keinen Abstand lassen.

Für den konkreten Weg sehe ich Google Maps eine fast korrekte Ost-West Ausrichtung. Die optimale Aufstellung (Ertrag pro Modul) sehe ich da in zwei Reihen montiert mit der langen Seite zum Wegrand. Zu dicht (drei reihen wären geometrisch möglich) sollte es nicht sein, dann kommt man für Montagen nur schwer an die Module heran. (Allerdings ist diese Montage auf Giebeldächern auch Standard). Ich habe nun zwei Szenarien untersucht:

Die Berechnung erfolgte für eine Ausrichtung von 15 Grad in Ost-West Richtung wie beim echten Weg mit PVGIS. Das errechnet bei 15 Grad Neigung 1025 kWh/kwP Jahr und bei 0 Grad Neigung 916 kWh/kwP. Daraus ergeben sich folgende Eckdaten:

Dazu käme noch der Carport (ohne Montage) von 9.000 €. Rechnet man für die Carportmontage und Verankerung im Boden weitere 9.000 Euro so komme ich auf folgende Eckdaten:


Zwei Reihen, 112 Module

Drei Reihen, 168 Module

Solarmove Lösung, 200 Module

Gesamtkosten:

74.000 €

102.000 €

150.000 €

Jahresleistung (Jahr 1)

36.736 kWh

49.244 kWh

16.000 (9.000) kWh

Leistung nach 20 Jahren

632.750 kWh

985.860 kWh

320.000 (180.000 kWh)

Kosten pro kWh

11,7 ct

10,4 ct

46,9 / 83,3 ct

Eine Abnahme der Leistung wurde nicht berücksichtigt, sie sollte den Langzeitertrag um 10 % mindern. Ich tat dies bewusst, da ich diese für die Solmove Lösung durch das Verkratzen des Glases, als deutlich höher ansehe und sie Lösung so schlechter aussieht. Vielleicht sind die 12.000 kWh Ertrag, die neben 16.000 genannt werde,n auch dann der gemittelte Langzeitertrag (Verlust von 25 % Leistung).

Klar wird, das die Solarmove Lösung bezogen auf die Module gar nicht mal so viel teurer ist, aber extrem ineffizient.

Ich sehe aber eine Chance darin, und zwar das man daraus lernt und die öffentliche Hand sich mal überlegt ob man nicht Straßen generell außerorts, wo sich niemand an der Beschattung stört, mit Solarzellen zu überziehen. Bei genormten Straßenbreiten könnte man ein System entwickeln, passend für die Breite von zwei Spuren, bei denn man dann einfach die Straßen aus vielen dieser genormten Tunnel überzieht und darauf die Solarzellen montiert. Für verschiedene Straßenbreiten kann man ja dann einige Standardbreiten vorsehen. In das System kann man gleich die späteren Montagevorrichtungen integrieren also Befestigungen für die Paneele (am besten in verschiedenen Winkeln, je nach Verlauf der Straße) sowie Durchbrüche im Dach mit Leitungen, wenn man diese nicht gleich integriert. Dann müsste eine solche Konstruktion doch eigentlich relativ preisgünstig umsetzbar sein, denn ein Kostenfaktor bei einer Solaranlage ist eben auch die Montage. Wie schon gesagt: Fläche haben wir genug. Alleine die 1.848 km“ Fläche würden im Worstcase (Flächennutzung 1:2, 45 Grad Winkel Ausrichtung der Module nach Süden, 15 Grad zur Horizontale) 991 kWh/kwP bringen, das wären bei der Fläche 183 Mrd. kWh/Jahr. Zum Vergleich: Die Gesamtstromerzeugung beträgt zur Zeit 639 Mrd Kwh.

Kleiner Nebeneffekt: Die Abdeckung sorgt dafür, das die Straßen weitestgehend regenfrei und schneefrei sind. Aquaplaning und gefrierende Nässe wären so stark reduziert, ähnlich wie die Blendung der Autofahrer durch die tief stehende Sonne reduziert ist.

In den Gemeinden wäre das prinzipiell auch möglich, die Frage ist, ob es dort gewünscht ist (Abschattung, bei Bäumen auch Verlust von Niederschlagswasser) und daneben senken die Gebäude die ja dicht am Straßenrand sinkt den Ertrag deutlich ab. Ich würde also drauf tippen, das es eher etwas für die Straßen jenseits einer Bebauung ist.

21.1.2020: Die einfache und preiswerte Feststoffrakete

Derzeit gibt es ja eine Flut an neuen Kleinträgern, die meisten in China entwickelt. Ich habe mir überlegt, wie man wohl wirtschaftlich eine solche Trägerrakete entwickeln könnte, die für kleine Nutzlasten, etwa im Bereich der Elektron (maximal 200 kg) liegt.

Feststoffraketen können teuer oder billig sein. Billig sind sie, wenn man einfach ein Gehäuse mit fester Düse nimmt, dann fällt die gesamte Mechanik zum Schwenken der Düse weg. Sie ist aufwendig und dazu kommt noch der Motor. Ebenfalls teuer – bei jeder Rakete – ist die Avionik. Nur wie kommt man ohne aus?

Nun die Avionik ist zumindest bei Feststoffraketen, die kurze Brennzeiten haben, noch relativ einfach von einer Bodensteuerung aus ersetzbar – man sendet ein Signal zur Rakete bzw. diese sendet eines aus und bestimmt Dopplereffekt und Signallaufzeit mit drei Empfangsstationen erhält man über Triangulation dann den Ort und Geschwindigkeit in allen drei Raumachsen. Daraus kann man die Bahn und die nötigen Kurskorrekturen bestimmen. Doch ohne Lenkung geht es nicht. Zum einen muss die Nutzlast einen Orbit erreichen. Das tut sie nur, wenn sie in mindestens 150 km Höhe parallel zur Erdoberfläche beschleunigt. Bei Trägerraketen dient der vertikale Start dazu erst mal eine Vertikalgeschwindigkeit aufzubauen die es erlaubt diese Höhe zu erreichen. Das heißt, irgendwann muss die Rakete in die Horizontale umgelenkt werden, das kann langsam gehen, wie dies heute üblich ist, aber auch schnell.

Das zweiet ist die Stabilisation, d.h. die Rakete soll nicht durch äußere oder innere Einflüsse vom Kurs abkommen, sonst kann es im Extremfall zum Überschlagen kommen. Dafür gibt es mehrere Mechanismen. Zum einen von der Avionik gesteuerte Triebwerke oder das Schwenken der Haupttriebwerke, es können aber auch passive Maßnahmen sein, wie Finnen oder Tragflächen die durch den Luftwiderstand Biegungen quer zur Schubrichtung dämpfen. Eine dritte Möglichkeit ist die Rotation um die eigene Achse, diese bleibt stabil im Raum und das fängt Störungen ab.

Einfache kleine Raketen setzten die letzteren Technologien ein. Bei der Diamant und Juno wurde die erste Stufe aktiv von einem Inertialsystem gesteuert, die letzte bzw. oberen Stufen waren aber drallstabilisiert. Drallstabilsierung ist heute noch bei kleinen Trägern (Epsilon) bei der letzten Stufe üblich, weil man so die Avionik, die ja auch in den Orbit gelangen würde, so in die vorletzte Stufe verlegen kann. Ebenso war die Schubrichtung bei der dritten Stufe der Diamant bzw. den drei Oberstfuen der Juno nicht steuerbar, sodass die erste Stufe die Aufgabe hatte, die Oberstufen auf eine parabolische Bahn zu bringen, in deren Gipfelpunkt die Oberstufen dann gezündet wurden. Vorher neigte sich die erste Stufe, so dass sie parallel zum Erdboden ausgerichtet waren.

Diese Technik habe ich übernommen. Da ich aber auch in der ersten Stufe eine Feststoffrakete einsetze, die nicht steuerbar ist mit einer kleinen Änderung: Die Rakete startet schräg, wobei der Winkel dann die Spitzenhöhe der Bahn festlegt.

Nach Brennschluss der Rakete dreht zuerst ein Antrieb mit festem Impuls die Rakete während einer Freiflugphase, bis der Gipfelpunkt erreicht ist. Das kann ein Schubimpuls sein,d er dann durch einen zweiten gleich hohen wieder aufgehoben wird, wenn die gewünschte Neigung erreicht ist. Dann zündet ein Spinntisch, der die ganze Rakete in schnelle Rotation (typisch 60 bis 100 U/min) bringt und dann folgt die Stufentrennung. Die gesamte Avionik kann so einfach gehalten werden. Es reicht eigentlich ein Sender zur Bahnverfolgung und ein Empfänger für die Kommandos. Ohne ein Inertialsystem wird man aber nicht auskommen, denn mit Radarstationen kann man nur die Geschwindigkeit und Ort bestimmen, nicht aber die Bewegung in den drei Achsen. Da mittlerweile aber schon Handys Gyroskope dafür haben, dürfte das kein großer Kostenfaktor sein. Steuerraketen benötigt man nur für die erste Stufe – ich dachte zuerst daran auch diese wegzulassen und sie durch Finnen zu ersetzen, doch die wirken nur, während die Rakete in unteren Atmosphäre ist und dann gäbe es gerade, wenn das Kippen ansteht, keine Stabilisierung mehr denn dann ist sie schon zu weit oben (sonst würde auch das Aufspinnen wegen des Widerstands der Flächen nicht klappen). Als Nebeneffekt können die Steuerraketen auch ein langsames Kippen wie bei anderen Raketen durchführen und so die Nutzlast leicht erhöhen.

Als Modell habe ich die Rakete aus Stufen zusammengesetzt, die es mal gab:

Die Ergebnisse der Modellierung seht ihr: es ist möglich einen erdnahen Orbit zu erreichen, diesen müsste dann die Nutzlast selbst anheben. Höhere Orbits werden schwieriger. Das Problem ist, das die Rakete schon für diesen niedrigen Orbit im 81 Grad Winkel startet – ich habe zuerst mit 60 Grad modelliert, erreichte dabei aber gerade mal 100 km Höhe. Würde man die Rakete neu konstruieren und etwas kleinere Oberstufen (oder eine etwas größere erste Stufe) nehmen, sodass der Winkel absinkt, dann wären auch höhere Orbits möglich. Es gibt innerhalb des US-Arsenals an Star Antreiben aber genügend Alternativen das zu bewerkstelligen. Die Verwendung von schon existierenden Triebwerken hat den Vorteil, das die Entwicklungskosten entfallen.

Ich habe den Castor um 500 kg schwerer gemacht, das soll die Masse der Steuertriebwerke und Treibstoff abfedern, aber auch ein Bergungssystem – zum einen stecken in der Stufe die gesamte Regelung, die kostet, zum anderen ist sie die größte und teuerste Stufe und als Drittes findet die Stufentrennung bei niedriger Geschwindigkeit ab. Die Stufe könnte wie die SRB-Booster des Space Shuttle geborgen werden, zuerst abgebremst durch Fallschirme, dann im Wasser stabilisiert durch Airbags die verhindern das die Castor sinkt. Der prinzipielle Nachteil ist das die Einschussgenauigkeit relativ gering ist. Alle Einflüsse der untreuen Atmosphäre und der ersten Stufe kann die Steuerung bis zur Stufentrennung noch abfedern, indem sie beschleunigt, abbremst oder die Gipfelhöhe ändert. Danach kann man nur noch den Zündungszeitpunkt verschieben. Wie genau eine Bahn erreicht wird, hängt dann davon ab, wie genau der Gesamtimpuls der erreicht wird, dem vorgesehenen entspricht. Bei der Scout und Pegasus mit demselben Manko gab es daher durchaus größere Bahnabweichungen. Für höhere Umlaufbahnen sinkt ohne Zweiimpulsmanöver die Nutzlast zudem deutlich ab. Daher sollten Nutzlast die Möglichkeit zur Bahnkorrektur haben z.B. durch Triebwerke, die Hydrazin oder Wasserstoffperoxid katalytisch zersetzen. Doch ich denke das wäre verkraftbar, wenn der Preis stimmt.

23.1.2020: Mini Babylon

Ich sah letzte Woche eine Dokumentation über die Ermordung Gerald Bulls in ZDF Info. Sie hat mich zu meinem heutigen Blog inspiriert. Gerald Bull arbeitete Bull an dem HARP Projekt. Er hat dazu ausgemusterte 16 Zoll Schiffsgeschützte – die größten Geschütze von US Schlachtschiffen, die nach Ende des zweiten Weltkriegs ausgemustert wurden – zum Schuss von Projektilen genutzt, die große Höhen erreichten. Das geschah zum einen durch Verlängern der Rohre von 20 auf 36 m. Vor allem aber durch unterkalibrige Geschosse – die hatten nur 16,8 cm Durchmesser, während das Rohr 40,6 cm hatte. Das Geschoss wog daher nur noch 180 kg, hatte aber eine Mündungsgeschwindigkeit von bis zu 3.600 m/s und erreichte bei Versuchen 180 km Höhe. (Das entspricht einer Nettogeschwindigkeit von 1879 m/s bei einer Mündungsgeschwindigkeit von 2100 m/s, da die Geschütze nicht senkrecht ausgerichtet waren und es den Luftwiderstand gab ist die Geschwindigkeit die die Höhe bringt kleiner).

HARP wurde übrigens in den Neunziger Jahre nochmals aufgegriffen (SHARP), aber in kleinerem Maßstab. Anstatt einer Treibladung nutzte man Gas, das einen Druck von bis zu 4100 Bar hatte. Bei einem 10 cm Kaliber wurden mit 5 kg schweren Geschossen bis zu 3 km/s erreicht.

Später hat Bull für den Irak zwei Kanonen gebaut. Eine Kanone mit 35,5 cm Durchmesser (Mini Babylon) und eine mit 1000 mm Durchmesser Babylon. Er sah sie als Geräte, um Satelliten zu starten. Das ist logisch, denn die Waffen waren so groß das sie nicht transportabel waren. Sie waren nicht schwenkbar und nicht in dem Abschusswinkel veränderbar weil zu starr und zu schwer aufgebaut. Militärisch waren sie daher sinnlos und auch leicht durch einen Luftangriff zerstörbar. Das 1.000-mm-Geschütz erwies sich zudem als schwierig zu bauen und wurde nie fertiggestellt. Fertiggestellt wurde die 35,5 cm Kanone über ie es unterschiedliche Daten gibt. Im Bericht wurden 740 km Reichweite genannt. Ebenso in der englischsprachigen Wikipedia. Wahrscheinlich gilt die Reichweite aber für die 1000-mm-Version.Die deutsche Wikipedia spricht dagegen von 491 km Reichweite bei 2510 m/s Mündungsgeschwindigkeit. Mini Babylon wurde auch erprobt. Ich will zuerst mal die Daten diskutieren.

Datenlage:

Verifizierung

Für die maximale Reichweite gilt das Gesetz des schrägen Wurfs. Nach diesem sind für 491 km Reichweite eine Geschwindigkeit (im Luftleeren raum) von 3044 m/s bei 45 Grad Neigung nötig, also deutlich mehr als die 2510 m/s die genannt werden. Mit diesen kommt man auf 321 km Reichweite. Das passt auch besser zu der erreichten Reichweite von 229 km. Für die 1937 m/s beim kürzeren Rohr kommt man auf 191 km Reichweite (jeweils ohne Luftwiderstandsverluste). Die 229 km erreichte Reichweite entsprechen bei 62 km Höhe einem Schuss mit 28,4 Grad über der Horizontalen. Sie entsprechen einer Geschwindigkeit von 2316 m/s. Die restlichen 200 m/s gehen dann auf den Luftwiderstand oder Ungenauigkeiten in der Berechnung – auch beim HARP entfielen rund 120 m/s auf den Luftwiderstand, allerdings bei senkrechtem Abschuss, was ihn verkleinert.

Faktenlage

Ich ahne zuerst mal nach verfügbaren Daten von 35,5 cm Geschützen gesucht. Soweit ich wusste, war das Kaliber relativ unüblich. Ich kenne Schiffgeschütze mit 28, 30,5, 38, 40,6 und 45,6 cm Durchmesser. Aber ich fand schließlich etwas. Vor dem Ersten Weltkrieg hat die US-Marine für die Küstenverteidigung Geschütze in diesem Kaliber gebaut. Hier ihre Daten:

Es gab auch noch eine 35,5-cm-Kanone des deutschen Heers, allerdings eine Haubitze also mit verkürztem Lauf:

Hier wird auch die Masse der Treibladung angegeben: 234 kg. Interessant ist auch die Lebensdauer des Rohrs von 2000 Schuss. Dazu später mehr.

Man erkennt: Die hohe Mündungsgeschwindigkeit der Mini Babylon (147,8 Kaliber) beruht nicht so sehr auf der Rohrlänge, auch wenn diese die Mündungsgeschwindigkeit erhöht. Sie beruht vor allem auf der Reduktion der Masse: Die Geschosse wogen nur noch 67 kg, die Geschosse einer Artelleriekanone mit demselben Kaliber aber zehnmal so viel zehnmal kleinere Masse entspricht rund 3,3-facher Geschwindigkeit und so ist die Mündungsgeschwindigkeit erklärbar.

Möglicher Satellitenstart

Ich weiß nicht, wie sich Bull den Start von Satelliten mit seiner Kanone vorgestellt hat. Eines ist klar: selbst wenn die Kanone die dazu nötige Geschwindigkeit erreichen würde, dann liegt die Bahn so, dass die Hälfte der Bahn immer unter der Erdoberfläche liegt – erreicht wird ja eine Wurfparabel und die bildet nur einen Halbkreis. Das heißt, man muss auf jeden Fall die Geschwindigkeit im Gipfelpunkt erhöhen. Für einen niedrigen Orbit, man will Satelliten ja nicht in 2000,3000 km Höhe schicken, sagen wir 500 km errechnet man folgende Daten:

Startwinkel

Mündungsgeschwindigkeit

Horizontale Geschwindigkeit

Fehlend für Orbit

10

18036 m/s

17.762 m/s

+10.150

20

9157 m/s

8605 m/s

+994

30

6264 m/s

5424 m/s

-2188 m/s

45

4429 m/s

3132 m/s

-4480 m7s

Hier dieselbe Tabelle für 200 km Höhe:


Startwinkel

Mündungsgeschwindigkeit

Horizontale Geschwindigkeit

Fehlend für Orbit

10

11407 m/s

11.234 m/s

+3623 m/s

20

5792 m/s

5.442 m/s

-2170 m/s

30

3692 m/s

3.431 m/s

-4.180 m/s

45

2802 m/s

1.981 m/s

-5.631 m/s

Das heißt, schaut man nur auf das minimale dV, dass die letzte Stufe aufbringen muss, so gilt: je höher die Bahn desto niedriger der Startwinkel aber auch um so höher der Luftwiderstand

Simulation

Ich habe nun mit meiner Raketensimulation auch die Kanone simuliert und ich komme nicht auf die optimistischen Werte. Der wesentliche Grund ist das bei nur 67 kg Masse der Luftwiderstand sehr groß ist. Beim optimalen 45 Grad Winkel bleiben von den 2.510 m/s gerade noch 1448 m/s übrig, beim 75 Grad Winkel sind es noch 1,768 m/s und man erreicht dann rund 180 km Höhe in der man mit den 67 kg etwa 1,7 kg in einen Orbit bringen kann. Auf der anderen Seite konnte er mit 40,6 cm Kaliber 210 kg schießen – also bei 14 % mehr Durchmesser die dreifache Masse. Allerdings waren diese ja unterkalibrig und wenn 210 kg nur noch 16,8 cm Durchmesser entsprechen, dann sind es bei 67 kg bei derselben Dichte noch 11,5 cm. Damit verkleinert sich die Fläche dramatisch.

Alternativen

Ich denke man benötigt keine unterkalibrige Geschosse. Die 120 mm Glattrohrkanone des Leopard 2 erreicht nach Rheinmetall eine Mündungsgeschwindigkeit von 1640 m/s bei nur 55 Kaliberlängen. Mit der Munition DM63 sind es 8,3 kg Geschossgewicht bei 21,4 kg Patronengewicht und einer Mündungsgeschwindigkeit von 1740 m/s. Dies nur bei 55 Kaliberlängen. Gehe ich davon aus, dass der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Verlängerung die Potenz 2,2 ist – so ist es bei 30 / 52,5 m Minibabylon, dann müsste eine auf 147,8 Kaliberlängen verlängerte Glattrohrkananone des Leopard auf 2.740 m/s Mündungsgeschwindigkeit kommen bei – hochskaliert auf dasselbe Kaliber von 35,5 cm – 215 kg Gewicht für die Nutzlast. Mit zwei Stufen von 170 und 37 kg Gewicht kann diese Rakete 7,7 kg auf eine 180 x 200 km Bahn befördern – ich habe die Bahn bewusst so niedrig angesetzt, weil ich die gesamte V0 der Kanone ja nicht nur in die horizontale Arbeit stecken will. In diesem Falle wurde mit einem Winkel von 60 Grad gestartet – auch hier sind die Verluste durch den Luftwiderstand deutlich und liegen bei 1200 m/s. Selbst beim senkrechten Schuss sind es schon 600 m/s. Das ist deutlich mehr als Bull bei HARP errichte, aber meine Simulation geht eben von den typischen CW-Werten von Raketen-Nutzlasthüllen (0,35) aus. Komplett neu schreiben wollte ich sie wegen dieses Spezialfalles nicht, man kann aber im Hinterkopf behalten dass, wenn ich 400 m/s Verlust für einen schrägen Schuss ansetze, man 800 m/s Überschussgeschwindigkeit hat, die hier etwa einer Erhöhung der Nutzlast auf 11 kg entsprechen. Alle Nutzlastangaben sind mit diesen hohen Verlusten errechnet.

Trotzdem sind 11 kg für einen Satelliten nicht viel, vor allem wenn man bedenkt, dass die Startbeschleunigung sehr hoch ist. Damit ein Satellit das überlebt wird man wohl das Ganze innere in Acrylharz packen, so können sich Teile nicht bewegen und haben kein Spiel. Damit wird er auch schwerer.

Soll man zu größeren Kalibern übergehen? Es gibt ein Problem: je größer das Kaliber desto weniger Schüsse überlebt das Rohr und je höher die Mündungsgeschwindigkeit ist, desto weniger sind es. Die obige Haubitze mit kleiner v0 schaffte 2.000 Schüsse. Ein 12,8 cm PAK aus dem Zweiten Weltkrieg 1.000 Schüsse, die 120 mm Glattrohrkanone mit doppelt so hoher Mündungsgeschwindigkeit nur 300 Schuss. Die größte Kanone Dora – mit 800 Kaliber zeigte schon nach 15 Schuss Abweichungen in der Genauigkeit – leben sollte das Rohr nur 100-mal. Dann wird bei einem 400 t schweren Geschütz aber auch das Ersetzen des Rohrs zu einem kostenfaktor. Selbst das 46 cm Geschütze der japanischen Schlachtschiffe hatte nur eine Lebensdauer von 200 bis 250 Schuss und das bei einer Mündungsgeschwindigkeit von nur 800 m/s. Ein großes Kaliber für größere Satelliten macht also wenig Sinn und das dürfte auch ein Grund sein, warum man die 1000 mm Babylonkanone nicht gebaut hat. Interessant wäre es zu wissen wie dies beim HARP Projekt aussieht – man hat dort immerhin 3 km/s erreicht, weitaus mehr als alle bisherigen Versuche und wenn man von 10 cm Durchmesser auf 35 cm skaliert so werden aus den 5 kg auch 223 kg Masse. Damit dürfte man schon um 12 kg in einen Orbit bringen. Nur mit Gasdruck, ohne thermische Beanspruchung, denke ich wird die Lebensdauer höher sein.

Ich dachte auch die V3 - eine Kanone am Atlantikwall, die aber nach einem anderen Prinzip arbeitet, wäre eine Alternative. Doch auch sie erreicht keine sehr hohe Geschwindigkeit. Ihr Prinzip ist aber interessant: anstatt einer Sprengladung gibt es in Vertiefungen neben dem Rohr viele kleine Sprengladungen. Sie werden gezündet, wenn das Geschoss sie passiert. Als Folge gibt es nicht eine starke Beschleunigung, sondern mehrere kleine, was mit Sicherheit der Nutzlast zugute käme.

Die Beschleunigung mit Magnetfeldern wäre weitaus weniger strapaziös und erreicht in Versuchen auch schon 2100 m/s. Aber wenn man sieht, dass man für ein 6 kg schweres Projektil dann eine Maschinerie benötigt die eine ganze Halle füllt, dann relativiert sich das wieder. So denke ich werden wir wohl noch lange warten müssen bis jemand eine Kanone – egal welcher Art – für den Start einsetzt.

24.1.2020: Viel Kohle für wenig Kohle, Bonpflicht

Heute ein kleiner Meinungsblog als Zwischen- und Lückenfüller. Es geht um zwei Themen die gerade so durch den Medienwald schwirren. Das erste ist der Kohlekompromiss. Beschlossen letztes Frühjahr, als erste Folge der Fridays for Future, gab es vor kurzer Zeit ein Treffen der Ministerpräsidenten der betroffenen Länder mit der Kanzlerin. Denn die wollten sofort Geld sehen, sonst stimmen sie dem Kompromiss nicht zu und kurze Zeit darauf die Retourkutsche der Kohlekommission, die den Kompromiss eigentlich erarbeitet hatte. Die Komission machte klar, das das was beschlossen wurde nicht der Kompromiss war, den man ausgearbeitet hatte. War eigentlich auch so erkennbar. Als Kompromiss betrachte ich eine Einigung bei dem jeder seinen Standpunkt nicht vollständig durchgesetzt hat, alle zufrieden und doch irgendwie unzufrieden sind. Aber 20 Jahre Restlaufzeit, 40 Milliarden Euro für eine Industrie ohne Zukunft mir nur 20.000 Arbeitsplätzen – das ist kein Kompromiss, das ist eine Vermeidung von Stress, indem man Geld ausgibt, das der Steuerzahler berappen muss.. Ich sehe noch ein, das es Regionen gibt, die an der Kohle hängen, sie wird ja punktuell abgebaut. Dort muss man Leute umschulen oder einfach neue Industrien ansiedeln – die Regionen liegen ja nicht in Ländern mit niedriger Arbeitslosenquote. Aber die Einrichtung eines Arbeitsplatzes kostet im Mittel 200.000 Euro, natürlich stark abhängig von der Industrie. IT-Arbeitsplätze die ja meist Büroarbeitsplätze sind, sind billiger als Arbeitsplätze in einer Automobilfabrik oder Chemieanlage. Da ja die IT-Branche boomt und man sicher in diese Branche investiert, auch weil sie nicht von Ressourcen außer „Human Capital“ abhängig ist, würde ich 200.000 Euro als die Obergrenze ansehen. Macht bei 20.000 Arbeitsplätzen dann 4, und nicht 40 Milliarden. Was mich ärgert: im selben Zeitraum verlor die Windkraft durch Hemmnisse, wie schleppende Bearbeitung der Anträge und neue Hürden wie vergrößerter Abstand zu Siedlungen (deren Grüße auch auf 5 Häuser heruntergesetzt wurde) 26.000 Arbeitsplätze. Getan wurde für diese Zukunftsbranche nichts.

Dann die lange Restlaufzeit. Das gleiche wie bei Atomkraftwerken. Warum? Wenn ich eine Solaranlage installiere, dann bekomme ich EEG Umlage über 20 Jahre. Der Staat rechnet also damit, dass 20 Jahre hier eine übliche Nutzungsdauer ist, und ich denke Unternehmen denken in noch kürzeren Zeiträumen, schließlich müssen die Anlagen ja finanziert und der Kredit zurückgezahlt werden. Als ich noch zur Berufsfachschule ging, entstand im Nachbarort Altbach ein neues Kohlekraftwerk. Das war 1982. Inzwischen habe ich noch das Abi gemacht, zweimal studiert, lange als Lebensmittelchemiker und Programmierer gearbeitet und mich nun aus dem Vollzeiterwerbsleben zurückgezogen – aber das Kohlekraftwerk arbeitet immer noch. Ich sehe die Dampffahne jeden Tag.

Wie mancher weiß, halte ich wenig von der FDP. Mit ihrer Politik, die nur auf die Gesetze des Markts fokussiert wird, ist sie für mich das Paradebeispiel einer Politik der sozialen Kälte. Aber bei der Kohle zeigt sich das dies manchmal funktioniert. Letztes Jahr wurde erstmals weniger Strom aus Kohle und Kernkraft als aus Windkraft und Photovoltaik produziert. Der Grund: schon vor dem Klimapaket mussten Kraftwerksbetreiber Emissionszertifikate erwerben um ihren Kohlendioxidausstoß zu „kompensieren“. Im Prinzip basiert dieser Emissionshandel darauf, dass es Länder gibt, die weniger Kohlendioxid ausstoßen, als nach Kyoto-Protokoll erlaubt und diesen „Überschuss“ auf dem Markt verkaufen. Mit jedes Jahr sinkenden Quoten werden diese Zertifikate immer teuer. Ein Zertifikat der Commerzbank kostete vor 5 Jahren noch 5 Euro, inzwischen 20 Euro. Bei Braunkohle sind es 1.175 g CO2 / kWh. (die im Internet oft auffindbaren, niedrigeren werte von 411 g CO2/kWh beziehen sich nur auf den Energiegehalt, berücksichtigen, aber nicht, dass ein Braunkohlekraftwerk nur 38 % des Energiegehalts in Strom umwandelt. Daten nach der Forschungsstelle für Energiewirtschaft). 20 Euro pro Tonne bedeutet das jede kWh Braunkohlestrom um 2,35 ct/kWh teurer wird und Steinkohle um 1,86 ct/kWh. Das Klimapaket addiert weitere 10 Euro pro Tonne, in den nächsten Jahren auf 25 Euro ansteigend, entsprechend etwa weiteren 1 bis 2,5 ct/kWh und dann ist Kohlestrom nicht mehr billig. Die Betreiber von Kraftwerken werden Gaskraftwerke nutzen die derzeit, weil Erdgas teurer als Kohle ist, meist Stillstehen und nur angefahren werden um Spitzen abzumildern dann wieder voll in Betrieb nehmen. Ebenso werden sie darauf achten möglichst die ineffizientesten Kraftwerke abzuschalten. Das Kohleproblem hat sich erledigt, und zwar ganz ohne politische Auflagen oder Subventionen.

Das Zweite ist die Bonpflicht, die seit Januar gilt. Im Vorfeld wurde ja diskutiert sie wieder abzuschaffen, weil die Bons aus Thermopapier sind, das eben nicht als Altpapier entsorgt werden darf. Inzwischen schimpfen alle auf die Bons, weil die meisten Bons die man bekommt wenn man nur wenige Artikel kauft nicht gelesen werden (beim Supermarkt kontrolliere ich gerne nach, weil immer wieder der Scanner einen Artikel mehrmals erfasst, oder die Kassiererin bei den Backwaren geirrt hat). Angeblich ist das um Steuerhinterziehung zu vermeiden. So was wird es vor allem dort geben, wo der Kunde nicht direkt mit der Kasse in Berührung kommt. Mir fallen als bonlose Bezahlvorgänge spontan da nur die Gastronomie ein und Kleinbetriebe wie eine Fahrradreparaturwerkstätte. Ich glaube kaum, dass eine Verkäuferin beim Bäcker erst die Summe an der Kasse ausrechnet, dann kassiert und auf „Storno“ drückt. Klar ist auch, dass man wahrscheinlich keine Bonpflicht für einzelne Branchen einführen kann also nur für die Gastronomie. Aber man hätte es auch anders lösen können.

Es geht ja darum, das der Bezahlvorgang elektronisch registriert wird, niemand wird erwarten das ein Kunde wenn er keinen Bon dann zum Finanzamt rennt und den Verkäufer wegen Steuerhinterziehung anzeigt. Aber man wird wohl in der Finanzverwaltung denken, dass wenn der Bon Pflicht ist, der Kunde einen fordert, weil er das nun überall gewöhnt ist. Falsch – die meisten wollen keinen Bon. Wenn es darum geht, dem Kunden zu signalisieren, dass alles Okay ist, sodass wenn er das Signal nicht bekommt, eine Abrechnung einfordert, dann geht das auch anders. Wenn die Kasse Töne von sich geben kann z.B. ein hoher Ton für „okay“ und ein tiefer für „Storno“, ähnlich wie früher bei Quizshows. Es würde auch einer, wie das früher übliche Klingeln, wenn die Schublade aufging, reichen. Ich vermute aber das die meisten Kassen können das nicht. Das zweite wäre eine Anzeige – selbst ein „OKAY“ wäre in einer 7-Segment-Anzeige noch einigermaßen lesbar. Bei einer Matrixanzeige in jedem Falle.

Das Gegenargument des Thermopapiers als Umweltschaden verstehe ich allerdings nicht. Es gibt ja auch noch Matrixdrucker mit Normalpapier. Früher druckten Nadeldrucker Endlospapier. Für den Bondruck müsste man nur die Breite auf die Bonbreite begrenzen und den Drucker kompakter bauen. Leiser und schneller geht es mit Tintenstrahler, wobei bei dem Druckvolumen sich wohl Geräte mit Tintenvorratsbehältern wie es sie seit einigen Jahren gibt, lohnen. Auch hier kann man ein kleines Gerät für Kassen entwickeln. Nachteilig ist, dass die Ausdrucke anfangs nicht wischfest sind. Doch ein kleines Heizelement nach dem Druckkopf könnte das lösen. Sie sind auch später nicht feuchtigkeitsfest, doch das ist Thermopapier auch nicht und es bleicht noch dazu aus. Man muss nur Druckeralternativen in die Kassen integrieren. Sofern es nur Zahlen sind, gibt es immer noch das früher in Tischrechnern übliche Walzenverfahren – es gibt eine Walze aus vielen Rädern, eine pro Stelle. Auf denen findet man die Zahlen und einige Zeichen wie „+“ und „-“. Durch Rotation wird die Walze an die Druckposition gefahren und dann durch ein Farbband gedruckt – ist billig umsetzbar und der Bon ist dokumentenecht.

Daneben finde ich Thermopapier heute bei dem Umweltbewusstsein, wo man sonst alles Mögliche regelt, selbst den Verbot von Plastikstrohhalmen als ein Relikt aus vergangenen Zeiten, das längst durch eine ökologische Alternative ersetzt werden sollte.

26.1.2020: Das Phantom der USAF

Das Militär ist ja Spitze darin absolute überflüssige Dinge zu erfinden oder entwickeln zu lassen. Mir fallen da zahlreiche skurrile Projekte der Wehrmacht im Zweiten Weltkrieg ein. Aber auch woanders baute man Unsinniges, nur bin ich da nicht so bewandert. Auch in der Raumfahrt gibt es das. Man denke an Dyna Soar, die Anforderungen an das Space Shuttle mit großer Querreichweite und Nutzlast welche es erst so groß machten. Auch das X-37B würde ich in diese Kategorie einordnen. Nun hat Boeing bekannt gegeben das es sofort aus einem DARPA Programm „Experimental Spaceplane Program“ aussteigen wollen. Als ich mir den Artikel über das Programm durchlas, verstand ich auch darum. Der Boeing Ansatz „Phantom Express“ ist es ein wiederverwendbares Raumfahrzeug zu schaffen, das den Anforderungen gereicht wird:

bestehend aus einer wiederverwendbaren ersten Stufe und einer nicht wiederverwendbaren zweiten Stufe

Boeing hat ein AR-22 Triebwerk (eigentlich ein RS-25 Haupttriebwerk des Space Shuttles zehnmal in 10 Tagen gezündet um zu beweisen, dass dies möglich ist. Das Gefährt Phantom Express ist 30,5 m lang, 24 m hoch, hat eine Flügelspannweite von 62,1 m und einen Zentraldurchmesser von 4,1 m. Aus den Abbildungen kann man einen Durchmesser von 2 bis 2,1m dür die Oberstufe ableiten, der zentrale Tank ist, wenn er den gesamten zylindrischen Teil ausfüllt, 21,6 m lang.

Ich könnte hier schon aufhören. Wer oben liest: 5 Millionen pro Flug inklusive Oberstufe, weiß das dies völlig irreal ist. Selbst eine kleine Feststoffoberstufe wie ein Star-37 oder Star 48 kostet mehr als 5 Millionen Dollar. So viel kostet eine Elektron, die nur 150 kg Nutzlast hat. Selbst wenn ich die Falcon 9 die ja dem Wiederverwendungsparadigma folgt, herunterskaliere auf 1.360 kg Nutzlast, würde sie nicht die Air Force Anforderungen an den Preis genügen und größere Raketen sind billiger als kleinere – die Falcon 1 kostete noch 6,7 Millionen Dollar bei nur 1/20 der Nutzlast der Falcon 9 aber 1/8 der Kosten. (Nicht wiederverwendbare Version).

Was mich aber technisch überrascht, ist die Größe des Vehikels. Die Erststufe ist so große wie die einer H-2A, das AR-22 kann im 100 % Schubmodus (obwohl es beim Space Shuttle meist mit 105 % Schub betrieben wurde) bei einer Standardbeschleunigung von 12,5 m/s rund 136 t starten. Dafür sind nur 1,36 t Nutzlast wenig. Das Gewicht entspricht einer Titan II oder Atlas Centaur, die hatten aber 3,8 bzw. 4,5 t Nutzlast. So schwer kann die geflügelte Erststufe gar nicht sein, das sie die Nutzlast so drastisch absenkt.

Warum kommt die USAF auf diese Anforderungen? Nun sie dürften eine Reaktion auf China sein, die in den letzten Jahren zahlreiche Trägerraketen als „Rapid Response Vehicles“ testeten. Sie sollten im Kriegsfall schnell Satelliten starten und China hat, das auch schon erprobt mit kleinen Spionagesatelliten die innerhalb weniger Stunden Bilder lieferten. Der Gedanke ist wohl, dass man so Satelliten ersetzen will, die abgeschossen wurden. So richtig Sinn macht das aber nicht. Denn wenn jemand die ersten Satelliten ausschalten kann, dann kann er das auch mit den Reservesatelliten. Die hohe Startrate spricht dafür dass man damit rechnet und dauernd neue Satelliten startet – eine ziemlich teure Vorgehensweise.

Die Technik

Die Erststufe, obwohl von der Größe her dominierend setzt nach den Angaben die Nutzlast bei einer Geschwindigkeit von Mach 10, das sind 3435 m/s ab. Ich gehe davon aus, dass dies die horizontale Geschwindigkeit ist und die Erststufe zugleich die Vertikalgeschwindigkeit aufbringt, denn natürlich sollte sie möglichst viel leisten, damit die Oberstufe kleiner und preiswerter sein kann.

In den Tank passen beim Verhältnis 6:1 maximal 115 t Treibstoff (H-IIA zum Vergleich bei ähnlicher Größe 102 t). Bei 90 % Füllungsgrad sind das 104 t. Die Oberstufe hat nach den Abbildungen eine Länge von 7 m bei 2 m Durchmesser im Teil unterhalb des Rings. Ein Castor 30 XL ist 6 m lang bei 2,36 m Durchmesser und würde dazu passen. Er wiegt rund 26,3 t. Ich habe mit meiner Simulationssoftware diese Kombination als erstes modelliert und die Differenz zu 136 t Startmasse (2 t Abzug für Nutzlast und Hülle) als Leermasse der ersten Stufe angesetzt. Das wären 107,7 t. Ich habe nun so lange an der Trockenmasse der ersten Stufe gespielt, bis ich für die Nutzlast von 1360 kg eine stabile Bahn ohne viel Überschuss an Nutzlast bekam. Das kann natürlich nur eine Schätzung sein, mit einer anderen Oberstufe sieht das anders aus und ein flüssiger Antrieb wäre auch denkbar, allerdings wäre eine Centaur wohl viel zu teuer (alleine sie kostete mehr als die 5 Millionen Dollar die ein Flug kosten darf) und für lagerfähige Treibstoffe fehlt der nötige Antrieb mit dem benötigten Schub.

Hier meine Modellierung von Phantom Express mit Castor 30XL. Ich komme aber nur auf knapp unter 2,4 km/s Abtrenngeschwindigkeit. 3,3 km/s (Angabe) ist relativ hoch, das würde, wenn man bedenkt, das die Gravitations- und Luftwiderstandsverluste vor allem bei der ersten Stufe anfallen fast 5 km/s Antriebsvermögen für die erste Stufe entsprechen. Der Start ist von Vandenberg aus in eine sonnensynchrone Umlaufbahn.

Mit 17 t Leermasse ist die erste Stufe gar nicht mal so schlecht, bedenkt man das sie noch Flügel und ein Leitwerk hat und sicher auch noch Treibstoff braucht, um zum Startplatz zurückzukehren. Ohne das wäre man wohl auf 10 bis 11 t Leergewicht gekommen. Bei den Landungen der Falcon 9 an Land ist auf jeden Fall das Zusatzgewicht deutlich höher. Trotzdem kostet das Nutzlast weil die Oberstufe eben einen viel kleineren spezifischen Impuls hat. Mit 11 t Trockenmasse wäre die Nutzlast auf 2,6 t fast verdoppelbar. Damit hat man auch einen Knackpunkt in dem Programm – diese erste Stufe ist bei schlechten Oberstufen extrem anfällig gegenüber Gewichststeigerungen. Dies würde eine bessere Oberstufe ausgleichen – doch die passt nicht zu dem 5 Millionen Dollar Ziel.

Mit einer LOX/LH2 Stufe und einem RL10 Triebwerk (Treibstoffzuladung bei diesen Abmessungen rund 9 t) kommt man auf 4 t in einen Orbit. Bei dem AJ-10 ist der Schub so klein, das die nun (durch die höhere Dichte 24,5 t schwere zweite stufe) vier Triebwerke braucht, was weder mit dem Kostenziel noch den Abbildungen vereinbar ist. Für die RL10 Stufe spricht, dass die Abtrenngeschwindigkeit von 3914 m/s gut zu den Angaben passt. Die Oberstufe müsste dann aber etwas größer sein um die Abtrenngeschwindigkeit auf die 3,3 km/s zu reduzieren. Bei 14 t Masse würde die Abtrenngeschwindigkeit hinkommen, wobei dann die erste Stufe auch etwas schwerer sein könnte. Dies habe ich als letzte Lösung modelliert. Sie hat in etwa die gleiche Nutzlast wie die kleine LOX/LH2 Stufe (4,4 t), aber eine etwas schwerere Erststufe. Hier passt die Abtrenngeschwindigkeit von rund 3,3 km/s recht gut, aber nicht die Größe der Oberstufe, diese ist dafür zu klein, der Treibstoffvorrat ist derselbe wie bei der ersten Centaur, nur war die 3 m im Durchmesser nicht 2 und 9 anstatt 7 m lang.

Insgesamt macht das Projekt für mich aber wenig Sinn. Ich kann mir noch vorstellen, dass es den Bedarf für ein Vehikel mit der Nutzlast gibt (1,4 bis 4 t). Aber die restlichen Anforderungen wie der Startpreis oder der häufige Einsatz sind irreal. In einem Tag müsste man nicht nur den Start hinbekommen, sondern auch landen, die Erststufe inspizieren und mit einer neuen Oberstufe und Nutzlast auf den Start vorbereiten. Wer mal auf den Newsportalen verfolgt, wie lange alleine die Nutzlastintegration heute auf einer Rakete dauert, der weiß das man hier noch utopischer ist als beim Space Shuttle – bei dem waren wenigstens ein Monat zwischen zwei Starts (eines Orbiters, fünf Orbiter schaffen dann 60 Starts/Jahr) geplant. Nun soll das auf ein Dreißigstel sinken? Träumt weiter! Am Freitag hat ULA einen Probecountdown von Solar Orbiter absolviert – mit schon startbereiter Rakete und integrierter Nutzlast. Das war 12 Tage vor dem geplanten Start am 5.2.2020.

Ich finde daher den Namen „Phantom Express“ gut gelungen den ein Phantom ist nach dem Lexikon „eine unwirkliche Erscheinung im Sinne eines Trugbildes oder einer Einbildung“. Ja das passt!

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