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Web Log Teil 584: 15.3.2020 - 20.3.2020

15.3.2020: Ionentriebwerke - Zusammenhänge

Wahrscheinlich steht das was ich heute schreibe schon irgendwo im Blog, aber ich will es mal als einzigen Artikel veröffentlichen. Es geht um die Zusammenhänge bei einer Raumsonde mit Ionenantrieb. Fangen wir mal mit den Grundlagen an:

Man kann für jede Mission eine Geschwindigkeitsänderung, im Fachchinesisch "Delta-v (Δv) genannt angeben. Diese ist auch relativ konstant, wenn sich Parameter des Ionenantriebs ändern, das liegt daran das als Niedrigschubantrieb alle Ionenantriebe ähnliche Aufstiegsbahnen haben. Zumindest gilt das, solange der Antrieb nicht zu weit von der Sonne sich entfernt - für Flüge zu Jupiter und weiter ist es von Vorteil, möglichst schnell die benötigte Geschwindigkeit zu erreichen, da die Leistung des Solargenerators bei steigenden Abstand abnimmt. Für eine Marsmission wäre das aus einer Erdumlaufbahn typisch ein Δv von 11 km/s bis zum Mars (ohne dort in einen Orbit einzuschwenken). 7 km/s entfallen dabei auf das Verlassen der Erde und nur 4 km/s auf das Erreichen der Marstransferbahn.

Die meisten Ionentriebwerke haben einen variablen spezifischen Impuls, das heißt, die Ausströmgeschwindigkeit der Ionen ist variierbar. Je höher sie ist desto mehr Strom verbraucht das Triebwerk. Die meisten Ionentriebwerke liegen zwischen 30 und 45 km/s, also zehnmal höher als der chemische Antrieb, es gibt aber auch weniger leistungsfähige (nur 13 km/s) oder besonders stark beschleunigende (Rekord sind knapp 80 km/s).

Den Treibstoffanteil an der Gesamtmasse kann man wie bei einer normalen Rakete berechnen nach

Treibstoffanteil = Startmasse * 1 / exp(Δv/Ausströmgeschwindigkeit)

Der Treibstoff ist üblicherweise das Edelgas Xenon. Druckgastanks sind recht schwer, sie wiegen typisch ein Siebtel, bis ein Fünftel des Treibstoffs, das muss, man noch zum Treibstoff hinzuzählen, um den Anteil des Treibstoffs mit Tanks zu bestimmen. (in den folgenden Beispielen habe ich mit einem Fünftel der Treibstoffmasse gerechnet).

Ionentriebwerke und Solargenerator

Es bietet sich an, Ionentriebwerke und die Stromversorgung gemeinsam zu betrachten. Jedes Ionentriebwerk hat einen bestimmten Nennschub bei einer bestimmten Ausströmgeschwindigkeit und eine konstante Masse. Da jedoch die Ausströmgeschwindigkeit variabel ist, steigt die benötigte Leistung je nach Ausströmgeschwindigkeit an. Hier eine Tabelle für das RIT-2X Triebwerk:

Schub

Spezifischer Impuls [s]

Benötigte Leistung

80 mN

3400

2185 W

115 mN

3440

2985 W

168 mN

4000

4650 W

200 mN

4300

5785 W

Einen großen Solargenerator kann man über sein Flächengewicht kennzeichnen. Für diesen gibt man dann an, wie viel Watt pro Kilogramm Masse entfallen. Starre Solargeneratoren haben einen Spitzenwert von 85 Watt/kg. Lässt man diese Rückwand weg, so hat man flexible Solarzellen, die leichter sind. Im Einsatz befindliche erreichen 120 W/kg. Sehr große Arrays sollen bis zu 170 W/kg erreichen.

Da die benötigte elektrische Leistung des Antriebs bekannt ist, kann man bei dem bekannten Gewicht des Ionentriebwerks berechnen, wie viel Masse auf ein Ionentriebwerk und den Solargenerator entfallen. Das obige RIT-2X wiegt 8,8 kg, dazu käme in der Praxis aber noch der Konverter, der die Niedrigspannung des Solargenerators in die benötigte Hochspannung umwandelt, doch auch dessen Masse ist konstant. Nehmen wir für beide Systeme zusammen 12 kg an, so errechnet sich bei einem Solargenerator von 80 W/kg folgende Gesamtmasse für ein Triebwerk und die Solarzellen, welche den Strom für das Triebwerk liefern.

Schub

Spezifischer Impuls [s]

Gesamtgewicht

80 mN

3400

39,4 kg

115 mN

3440

49,4 kg

168 mN

4000

58,2 kg

200 mN

4300

72,4 kg

Es gibt nun zwei Möglichkeiten: Entweder habe ich eine konstante Nutzlast, dann ist die Flugdauer je nach spezifischem Impuls / Schub variabel. Oder ich habe eine Vorgabe für die Flugzeit, dann ist die Nutzlast variabel, denn die Startmasse ist ja konstant und kann nicht höher sein als die Nutzlast der Rakete. Hier eine Tabelle für Fall 1: Angenommen wird, das eine Sojus 7 t in einen Erdorbit bringt, 3 t sollen davon Nutzlast und Strukturen sein. Der Rest entfällt auf den Ionenantrieb. (Strukturen meint: die Ionentriebwerke, Tanks und der Solargenerator müssen ja in einem Modul miteinander verbunden sein, ich habe es zur Nutzlast hinzugezählt, weil der Antrieb auch integrierter Anteil der Raumsonde sein kann wie bei Dawn). So sieht die Tabelle dann so aus:

Schub

Treibstoff

Solargenerator + Triebwerke

Betriebsdauer

80 mN

2.360 kg

1.640 kg

223 Tage

115 mN

2.340 kg

1.660 kg

193 Tage

168 mN

2.060 kg

1.940 kg

135 Tage

200 mN

1.930 kg

2.070 kg

135 Tage

NutzlastdiagrammAlternativ kann man auch eine Reisedauer vorgeben, und dann damit diese erreicht wird, ist der Schub festgelegt, daraus ergibt sich dann das Gewicht von Solargenerator und Triebwerken, und der Rest ist dann die Nutzlast. Hier dieselbe Tabelle für 200 Tage Reisezeit:

Schub

Treibstoff

Solargenerator + Triebwerke

Nutzlast

80 mN

2.360 kg

1.842 kg

2.797 kg

115 mN

2.340 kg

1.581 kg

3.097 kg

168 mN

2.060 kg

1.339 kg

3,601 kg

200 mN

1.930 kg

1.448 kg

3.622 kg

Alle Berechnungen sind nur auf Basis des Gesamtimpulses und der mittleren Masse erfolgt, ohne eine genaue Simulation.

Hier noch zwei Diagramme für diese Fälle. Anders als bei dem realen Triebwerk wurde aber von einem konstanten Wirkungsgrad ausgegangen, dafür genau durchgerechnet und nicht mit mittlerer Masse. Die maximale Nutzlast wird bei einem spezifischen Impuls von 34.500 m/s erreicht, allerdings zwischen 30 und 45 km/s mit geringen Abweichungen von der maximalen. Bei dem maximalen Gesamtimpuls sieht es in Richtung höherer Geschwindigkeit besser aus. Das maximale dV bei 3000 kg Masse ist bei einem spezifischen Impuls von 45 km/s.

19.3.2020: Das wichtigste Lebensmittel für den Hamsterkauf

Auf heutigen Blog bin ich gekommen, als ich meinen letzten Blog schrieb - nach dem Klopapier, dessen Hamsterkauf ich nicht verstehe, sind nun die Leute darauf gekommen, dass sie auch Lebensmittel hamstern müssen. Betroffen sind vor allem Getreideprodukte, also Mehl, Nudeln, Reis und Haferflocken.

Doch sind dies die besten Lebensmittel für den Hamsterkauf?

Eine große Einschränkung ist, dass man alle Cerealien nicht roh essen kann. Wenn jetzt bei etwa 10.000 Infizierten - und nicht jeder infizierte hat Symptome, nicht jeder Kranke erkrankt schwer und nur die wenigsten sterben - in Deutschland bisher 46 - nur zum Vergleich, an der ganz normalen Grippe sterben jedes Jahr rund 10.000! - schon solche Versorgungsengpässe auftreten, wie wird die Situation erst dann, wenn es sich ausbreitet und bei uns Einschränkungen auferlegt werden wie in Wuhan oder Norditalien?

Unwahrscheinlich, aber nicht unmöglich ist, dass es dann auch Einschränkungen der Strom- und Wasserversorgung geben kann. Gut Wasser zum Trinken kann man noch in Kanistern horten, doch wie macht man Pasta ohne Strom oder backt Brot ohne Strom?

Also habe ich mich auf die Suche nach dem besten Lebensmittel gemacht, das man als Hamsterer braucht, wenn mal die Regale erneut längere Zeit leer sind. Natürlich - ich bin ja Lebensmittelchemiker - auch unter ernährungsphysiologischen Gesichtspunkten. Hier mein kleiner Anforderungskatalog an die "Notversorgung":

Ich bin auf Schokolade als ideale Hamsternahrung gekommen. Okay, das ist jetzt nicht eine so weltbewegende Erkenntnis. War Schokolade doch schon im Zweiten Weltkrieg Bestandteil des Überlebenspaketes von Flugzeugbesatzungen. Vor allem aus den ersten beiden Gründen. Doch wie sieht es bei den anderen beiden aus? Ich habe mal Schokolade mit Brötchen verglichen. Warum Brötchen und nicht Brot? Weil das Mehl, das die Leute massenhaft gehamstert haben, vom Typ 405 ist, also Weißmehl und daraus macht man Kuchen und Brötchen, für Brot werden andere Typen verwendet, die reicher an den äußeren Schalenbestandteilen sind. Sie sind damit ernährungsphysiologisch besser und das sieht man auch - die Ballaststoffe in den äußeren Kornschichten färben das Brot dunkler. Ich könnte auch mit Nudeln vergleichen oder Reis, aber weil man dafür auch Mehl mit niedrigen Typen verwendet bzw. der geschälte Reis im Prinzip dem Mehlkörper des Getreidekorns entspricht, wird die Beurteilung identisch sein. Nur Haferflocken - das sind immer ganze Körner schneiden besser ab.

Nährstoffe

Hier mal ein Vergleich der Hauptinhaltsstoffe:


Bitterschokolade

Halbbitterschokolade

Vollmilchschokolade

Brötchen

Energie

2.348 kJ

2.128 kJ

2.240 kJ

1.217 kJ

Fett

49.4 g

31 g

32 g

1,78 g

davon gesättigte Fettsäuren

31.6 g

19,1 g

19 g

0,4 g

Kohlenhydrate

21.5 g

52 g

56 g

55,9

davon Zucker

14.9 g

44,7

55 g

3,2

Eiweiß

9.1 g

5.7 g

6.1 g

10,1

Ballaststoffe

14 g

10,2 g

2.3 g

3,6 g

Schokolade enthält mehr als doppelt so viel Energie wie Brötchen, auch zwei Drittel mehr als Mehl. Bitterschokolade besteht nur aus Kakaobestandteilen und Zucker. Bei Halbbitter- oder auch Zartbitterschokolade nimmt der Zuckeranteil zu und entsprechend der Anteil der anderen Nährstoffe ab. Milchschokolade enthält noch zahlreiche Milchbestandteile wie Milchzucker, Vollmilchpulver, Sahnepulver und Butterreinfett.

Hier als Vergleich in Gramm, die täglichen Empfehlungen für die Hauptnährstoffe: (Tagesbedarf 8.400 kJ)


Tagesbedarf

Energie

8.400 kJ

Fett

65 - 75 g

davon gesättigte Fettsäuren

21 - 25 g

Kohlenhydrate

240 - 265 g

davon Zucker

60 g

Eiweiß

60 - 75 g

Ballaststoffe

12 g

Ich lasse im Folgenden die Bitterschokolade weg, da die meisten Zartbitter oder Vollmilch mögen. Bezogen auf 8400 kJ den Tagesbedarf einer 60 kg schweren Frau dies sich wenig bewegt, enthalten die drei Stoffe folgende Mengen:


Halbbitterschokolade

Vollmilchschokolade

Brötchen

Energie

2.128 kJ

2.240 kJ

1.217 kJ

Fett

122 g

120 g

12 g

davon gesättigte Fettsäuren

75 g

71 g

2,8 g

Kohlenhydrate

205 g

210 g

286 g

davon Zucker

44,7

206 g

22 g

Eiweiß

18 g

23 g

10,1

Ballaststoffe

40 g

8,6 g

70 g

Aufnahmemenge:

395 g

375 g

690 g (etwa 9 bis 12 Brötchen, je nach Gewicht)

Schokolade enthält viel mehr Fett als Brötchen, noch dazu in ungünstiger Zusammensetzung - sowohl beim Kakao wie auch bei dem zugesetzten Milchpulver, doch das muss einen, wenn man nur einige Wochen oder Monate überbrücken will, nicht juckern. Gesättigte Fettsäuren spielen eine Rolle bei der Entstehung von Ablagerungen in den Blutgefäßen, wie sie bei Arteriosklerose auftreten. Doch die sind ein Produkt einer (falschen) Ernährung über mehrere Jahre. Der geringe Fettanteil bei Brötchen bedeutet aber auch, das man zu wenig der essenziellen Fettsäuren aufnimmt. Ansonsten sind Kohlenhydrate und Fette als Energielieferanten austauschbar. Der relativ hohe Zuckergehalt von Vollmilchschokolade wäre bei einer Dauerernährung ebenfalls schlecht, aber über kürzere Zeiten tolerierbar. Halbbitterschokolade liegt sogar deutlich unter den Zufuhrempfehlungen.

Sowohl Schokolade wie auch Brötchen enthalten zu wenig Eiweiß, das man benötigt um die Körpersubstanz zu erhalten. Das ist schon eher ein Kritikpunkt, wäre aber durch Proteinriegel bei Schokolade behebbar bzw. bei Brötchen durch das Ersetzen von Wasser durch Milch verringerbar.

Ballaststoffe enthalten alle drei in ausreichender Menge - Brötchen und Halbbitterschokolade mehr als genug, Vollmilchschokolade etwas zu wenig.

Vitamine und Mineralstoffe

Die folgenden Angaben sind pro 100 g, um auf die Tagesdeckung zu kommen, muss man mit dem Faktor 4 bzw. 7 multiplizieren.

Inhaltsstoff

Brötchen

Vollmilchschokolade

Zartbitterschokolade

Tagesbedarf

Vitamin A Retinol

0,00

0,04

0,00

0,8 - 1 mg

Vitamin D

0,00

0,22

0,00

5 - 6 µg

Vitamin E Aktiv.

0,82

0,84

1,84

12 - 14 mg

Folsäure

44,00

13,00

16,00

300 µg

Vitamin B1

0,16

0,06

0,04

1 - 1, 2mg

Vitamin B2

0,08

0,27

0,06

1,2 - 1,4 mg

Vitamin B6

0,09

0,08

0,12

1,2 - 1,5 mg

Vitamin C

0,00

1,91

0,00

80 - 100 mg

Vitamin K

2,00

5,00

5,00

60 - 70 µg

Pantothensäure

0,00

0,47

0,00

6 mg

Biotin (Vitamin H)

0,00

4,20

0,00

30 - 60 µg

Vitamin B12

0,00

0,40

0,40

3 - 4 µg

Niacinäquivalent

3,27

2,067

2,907

13 - 16 µg

Vitamin A, D, C,K, Pantothensäure sind in allen drei Lebensmitteln in zu geringer Menge enthalten. Hier wird nirgends der Tagesbedarf auch nur annähernd gedeckt. Während es aber für die fettlöslichen Vitamine A, D und K Körperspeicher für Monate gibt, ist der Körper auf ausreichende Zufuhr der wasserlöslichen Vitamine angewiesen. Besonders Vitamin C ist hier kritisch, sein Fehlen führt nach einigen Wochen zur Skorbut, der früher berüchtigten Seefahrerkrankheit. Bei den anderen Vitaminen muss man unterscheiden.

Brötchen und Zartbitterschokolade decken 50 % des Vitamin E Bedarfs, doch als fettlösliches Vitamin gibt es auch hier Reserven im Körper. Ebenso decken Brötchen den Folsäure- und Vitamin B1 Bedarf. Schokolade dagegen nicht. Vollmilchschokolade deckt 50 % des Vitamin B2, Brötchen 50 % des Vitamin B6 Bedarfs, Zartbitterschokolade geht bei beiden Vitaminen leer aus. Vollmilchschokolade deckt ein Drittel des Biotin und Vitamin B12 Bedarfs, Zartbitterschokolade auch das Vitamin B12. Brötchen enthalten diese Vitamine kaum. Aber auch für Vitamin B12 gibt es einen Körpervorrat, der in der Regel für ein Jahr und länger ausreicht. Nur reine Veganer, haben hier ein Problem, da Vitamin B12 kaum in pflanzlichen Nahrungsmitteln enthalten ist - der Gehalt in Schokolade ist für ein pflanzliches Lebensmittel schon relativ hoch. Brötchen enthalten mehr als genug Niacin, Zartbitterschokolade erreicht den Tagesbedarf.

Man sieht - die Verteilung der Vitamine ist sehr unregelmäßig. In der Summe schneidet Schokolade etwas besser ab, Milchschokolade besser als Zartbitter. Allerdings fehlen wichtige Vitamine, wie das erwähnte Vitamin C, sodass weder Brötchen, noch Schokolade für die dauerhafte Ernährung geeignet sind. Da müsste man mit Vitamintabletten ergänzen.

Nun ein Blick auf die Mineralstoffe:

(Alle Angaben pro 100 g)

Inhaltsstoff

Brötchen

Vollmilchschokolade

Zartbitterschokolade

Tagesbedarf

Natrium

731,00

103,00

105,00

550 mg

Kalium

163,00

680,00

1319,00

3500 mg

Magnesium

22,00

86,00

196,00

300 - 350 mg

Calcium

49,00

205,00

56,00

1000 - 1200 mg

Eisen

0,97

6,35

16,96

12 - 15 mg

Phosphor

139,00

219,00

263,00

700 mg

Kupfer

130,00

577,00

1500,00

500 - 1000 µg

Zink

0,80

1,44

2,47

7 - 10 mg

Chlorid

1100,00

144,00

7,00

830 mg

Fluorid

71,00

29,00

22,00

3100- 3800 µg

Jodid

0,00

5,10

1,40

180 - 200 µg

Mangan

630,00

671,00

1775,00

2000 - 3000 µg

Natrium und Chlor - Bestandteile von Kochsalz sind unkritisch. Brötchen sind gesalzen und enthalten mehr als genug davon. Schokolade etwas zu wenig. Doch zum einen hat man einen Vorrat im Körper und zum andern kann man leicht Salz (Natriumchlorid) zuführen.

Kalium und Magnesium findet man vor allem in pflanzlichen Lebensmitteln, Calcium in Milch. So verwundert es nicht, das Bitterschokolade reicher an Kalium und Magnesium ist und Milchschokolade reicher an Calcium. Zartbitterschokolade enthält mehr als den Tagesbedarf an Magnesium und Kalium. Vollmilchschokolade immer noch genug Magnesium, aber etwas zu wenig Kalium, das man für den Ausgleich des Elektrolythaushaltes braucht. Beide Schokoladensorten enthalten zu wenig Calcium, auch wenn Milchschokolade die Marke nur knapp reißt. Brötchen enthalten alle drei Mineralien kaum. Es müsste bei allen drei Stoffen mindestens die dreifache Menge enthalten sein. Phosphor ist kein essenzieller Mineralstoff, doch in Brötchen und Schokolade in genügender Menge vorhanden.

Die Spurenelemente Kupfer, Zink und Mangan sind ebenfalls in genügender Menge vorhanden, Bitterschokolade glänzt sogar durch sehr hohe Gehalte. Ebenso ist in allen drei Lebensmittel zu wenig Fluor und Iod enthalten. Doch für beide Mineralstoffe gibt es Körperreserven, zudem ist Kochsalz heute auch fluoridiert und iodiert. Sehr hoch ist der Gehalt an Eisen, sowohl in Vollmilch wie Zartbitterschokolade - 100 g Zartbitterschokolade decken schon den ganzen Bedarf. Brötchen enthalten dagegen kaum Eisen.

In Sachen Mineralstoffen punktet also die Schokolade. Die Zartbitterschokolade ist dabei deutlich wertvoller als die Vollmilchschokolade, was Lebensmittelexperten nicht vermutet - ist die Kakaobohne doch ein Same und Samen enthalten immer viele Mineralstoffe und Vitamine, die die Pflanze für den Aufbau des Keimlings benötigt.

Haltbarkeit

Schokolade und Mehl sind an und für sich beide relativ lange haltbar, in dem Sinne das man sie essen kann ohne krank davon zu werden. Begrenzend für die Haltbarkeit ist bei beiden der Fettgehalt. In Schokolade ist das Fett emulgiert, in Mehl an die Stärkekörner gebunden. In beiden Fällen resultiert eine große Oberfläche und so ist das Fett Oxidationen ausgesetzt, die man im Volksmund als "Ranzigwerden" bezeichnet. Das Mindesthaltbarkeitsdatum auf zeitgleich gekauften Packungen von Mehl und Schokolade wirs bei Mehl und Zartbitterschokolade eine Mindesthaltbarkeit von 18 bzw. 20 Monaten aus. Deutlich anfälliger ist Milchschokolade, die man innerhalb von 7 Monaten verbrauchen sollte. Für das Überbrücken von einigen Wochen ist die Haltbarkeit trotzdem ausreichend lang.

Platzbedarf

Wenn man wirklich Wochen oder gar Monate überbücken muss, dann spielt der Platzbedarf eine Rolle. 7 Tafeln Schokolade haben in etwa denselben Energiegehalt wie ein Kilogramm Mehl, benötigen aber weniger Platz und sind einfacher stapelbar.

Kosten

Bei den Kosten ist Mehl natürlich unschlagbar. Eigenmarken der Discounter kosten 35 ct/kg, dagegen selbst die billigste Schokolade 59 ct pro 100 g. Für die Deckung des Energiebedarfs benötigt man 550 g Mehl oder 375 g Schokolade pro Person und Tag, das wären 20 ct bzw. 221 ct pro Tag. Schokolade ist also selbst im günstigsten Fall um den Faktor 10 teurer. Daran ändert dann auch die benötigte Hefe und der Strombedarf nichts. Bei einem Brot ist der Strom der teuerste Faktor, während das Mehl für ein Kilogramm Brot keine 30 ct kostet, muss man rund 1,20 DM für den Strom bezahlen (Backleistung 4 kW, 1 Stunde Betriebszeit). Datum kommt dann noch die Hefe, die fast das gleiche wie das Mehl kostet. Doch das kann man minimieren, wenn man mehrere Brote auf einmal backt, allerdings ist das fertige Brot lange nicht so haltbar wie das Mehl.

Beide Alternativen sind aber noch günstig, vergleicht man sie mit Fertiggerichten wie Eintöpfen oder Pizza und selbst bei 2,21 € pro Tag ist man noch nicht mal in der Nähe dessen, was bei Harz-IV pro Tag für das Essen veranschlagt wird.

20.3.2020: Die 8 Bit Spielkonsole

Eine der erstaunlichsten Dinge in den Achtzigern war, das massenweise Heimcomputer verkauft wurden, die aber primär zum Spielen verwendet wurden. Das führte sogar zu der Spiele Krise 1982/83, als viele Firmen, darunter Atari in finanzielle Bedrängnis gerieten, weil Heimcomputer ihre erste Konsolengeneration wie das VCS 2600 aus den Siebzigern um Längen schlugen.

Die Hersteller der Heimcomputer haben komischerweise nicht drauf reagiert,also selbst Konsolen produziert. Clive Sinclair regte sich auf, weil Leute seinen Spectrum zum Spielen nutzten und Commodore brachte erst 1990 eine Spielkonsole auf Basis des C64 heraus, als die 8 Bit Zeiten schon vorbei waren.

Es gab in den Achtzigern zwei Spielekonsolen, doch beide kamen aus Japan und waren erst viel später bei uns verfügbar. Zum einen die Nintendo NES mit eigener Hardware und das Sega Master System mit Standard Hardware wie dem Z80.

Ich will mal skizzieren, wie eine hypothetische Spielkonsole ausgesehen hätte, wenn sie von einem der Heimcomputerhersteller gekommen wäre, mit Standard-Hardware.

Vorteile einer Spielkonsole gegenüber einem Heimcomputer

Der grundlegende Vorteil ist, dass das System viel einfacher ist. Es ist nicht vorgesehen es groß zu erweitern, man benötigt eigentlich nur zwei Anschlüsse für Joysticks, einen für ein Modul und eben einen TV-Ausgang. Damit entfallen viele Stecker, Leitungen und das Platinenlayout wird einfacher. Man spart auch bei den Chips. Eine PIO, wie sie typischerweise benötigt wurde um die Tastatur abzufragen oder Daten vom Kassettenrekorder zu laden kann entfallen, das Abfragen der Joysticks oder Gamepads kann die CPU nebenher erledigen. Beim ROM entfällt der BASIC-Interpreter, der etwa die Hälfte ausmacht, wenn dort die Routinen für die Diskettenstation integriert sind, wie z.B. bei Commodore ist die Einsparung sogar noch größer.

Zudem kann die Tastatur entfallen. Die damaligen Konsolen hatten denn auch keine Tastatur. Das alles macht das System deutlich preiswerter, aber auch für den Kunden einfacher. Man muss keine Befehle mehr lernen, um ein Programm von Diskette zu laden. Alleine eine Tastatur kostete rund 100 DM in der Fertigung, wie der Preisunterschied zwischen dem C16 und C116 (normale / Gummitastatur) zeigt.

Systemarchitektur

Dreh- und Angelpunkt und größter Kostenfaktor ist die Videodarstellung. Es gibt prinzipiell drei Möglichkeiten das umzusetzen:

Ein Videocontroller und -prozessor bietet verschiedene Grafikmodi, die man wählen und in gewissen Grenzen frei bestimmen kann und er liefert die Adresse des Bildschirmspeichers, deren Inhalt, die gerade an den TV Ausgang ausgegeben werden muss, tut das aber nicht selbst. Dafür benötigt man in jedem Falle eine Logik.

Ein Videoprozessor übernimmt auch die Ausgabe des Speichers an den Monitor und verwaltet den Speicher selbst, bietet zudem noch Sprites.

Da bei Konsolen der Preis noch etwas wichtiger als bei Computern ist, habe ich mich für die erste Möglichkeit entschieden. Die benötigte Funktionalität und das muss ja nur ein Grafikmodus sein, kann man in einem ULA ablegen, das ist bei der zu erwartenden hohen Stückzahl dann auch die billigere Lösung. Die vielen Möglichkeiten mehrere Modi sind bei einer Konsole irrelevant, die ja nur einen Modus hat.

Beim Zentralprozessor wird man, wenn man auf das Preis/Leistungsverhältnis schaut, zwangsläufig bei der Z80A landen.

Die grundlegende Systemarchitektur (ohne Bankswitching) wäre diese:

Das hat den Vorteil, das Module bei einer fixen Startadresse beginnen und je nach Komplexität bis zu FFFFH gehen können.

Speicherfragen

Ich dachte zuerst an die Standardauflösung, die damals üblich war, das waren 256 x 192 Pixel in 16 Farben. Wie man leicht nachrechnen kann, benötigt man 4 Bit pro Pixel (16 Farben) damit 24 KByte für den Bildschirminhalt. Dazu käme noch der Bereich für die Arbeitsdaten der ROM. Der muss nicht groß sein, es sind ja vor allem Jump & Run Spiele ohne komplexe Spielszenarien, 2 bis 4 KB sollten da reichen. Das Sega Mastersystem hatte 8 KB RAM. Doch selbst mit einem nur 8 KByte großen ROM mit dem Betriebssystem sind so schon 34 bis 36 KB weg, was nur noch 18 bis 20 KB für das eigentliche Programm auf Modul übrig lässt und noch bedeutsamer - das mit Speicherbausteinen aufzubauen wird schwierig.

Speicherbausteine hatten damals vor allem eine 1-Bit-Organisation, man benötigte also immer 8, um ein Byte zu speichern. Bei den damaligen Typen 4116 (16 KBit) und 4164 (64 KBit) war eine Bank so automatisch 16 bzw. 64 KByte groß. Es gab auch die Organisation mit 4 Bit pro IC (4416 : 16 K x 4), doch auch damit war eine Bank immer 16 KByte groß.

Die für ROMs übliche Byte-Organisation hatten nur statische RAM (2114: 4 KBit, 6116: 16 KBit und 6264: 64 KBit), die dann "krumme" RAM-Organisationen erlaubten, doch wie waren deutlich teuer, wie eine Recherche von Preisen der Zeit (1/185) zeigt:

Typ

Organisation

Preis pro Chip

Minimale Bankgröße

Preis pro 16 KB

2102 (SRAM)

1024 x 1

3,50

1 KB

448.-

2114 (SRAM)

1024 x 4

5,25

1 KB

168.-

4116 (DRAM)

16384 x 1

3,75

16 KB

30.-

4164 (DRAM)

64384 x 1

15,95

64 KB

127,6.- (64 KB)

6116 (CMOS-DRAM)

2048 x 8

14,70

2 KB

117,6 .-

6264 (CMOS-DRAM)

8192 x 8

89,99

8 KB

179,98.-

De Fakto ist Anfang 1985 die Ausrüstung des Speichers mit 4116 Chips die günstigste, nur belegt das RAM 32 KByte, also 24 KB für Grafik und 8 KB RAM. Eine Lösung ist, das die 32 KByte auch den Adressbereich des ROM abdecken, also praktisch 8 KB unbenutzbar sind.

Trotzdem muss man für die Daten noch etwas Speicher freischaufeln, denn die 24 KB des Bildschirmspeichers und 8 KB des ROM ergeben schon 32 KB. Es gibt zwei Lösungen. Zum einen kann man die Auflösung in beiden Dimensionen reduzieren: 240 x 180 lassen 2.976 Bytes frei, 227 x 170 sogar 5.281 Bytes. Der Nachteil: bei 256 Bytes pro Zeile kann man die Startadresse jeder Zeile einfach durch dreimaliges Shift nach Links ermitteln. Bei nicht durch 8 teilbaren Startdressen ist das komplexer.

Als zweite Lösung lässt man Zeilen bei der Darstellung weg. Pro Zeile gewinnt man so 128 Bytes. Die Reduktion von 192 auf 180 Zeilen also 1.536 Bytes.

Wenn das ROM nicht vollständig gefüllt ist und man die Routinen und Texte, die man beim einschalten braucht, an das Ende des ROM legt kann man es auch bis zu diesem Bereich (also weniger als 8 KB) ins RAM kopieren und dann nur mit dem RAM arbeiten, dann kann man hier noch einige Hundert Bytes freischaufeln.

Alternativen

Der populäre VDP TMS 9918/9 verwaltet sein eigens RAM, bietet Sprites, und kommt mit nur 16 KB für dieselbe Auflösung aus - er hat einen monochromen Bitmapspeicher und einen Farbspeicher für je 8 Bildpunkte, was die Größe des Bildschirmspeichers von 24 auf 12 KB absenkt. Der Nachteil: Nur Sprites werden "sauber" bewegt, woanders gibt es Farb-Clash, wenn eine Figur von einem Achterbereich zum nächsten sich bewegt, so bekannt vom Spectrum, der sogar noch mehr Speicher einspart und einen Farbspeicher pro 64 Bildpunkte hat - anstatt 24 KB benötigt er so nur 7,5 KB. Da Spielfiguren aber Sprites sind, sieht der Benutzer das aber nicht.

Der TMS 9918/9 hat durch seinen eigenen Videospeicher den Vorteil, dass der Bildspeicher aus dem Adressraum herausfällt. Mit zwei 6116 kann man dann 4 KB Datenspeicher hinzunehmen und hat 52 KB für Module frei - dafür ist die Lösung aber trotz nur 20 KB Speicher genauso teuer wie 32 KB mit normalen DRAM. Dazu kommt noch der VDP, der deutlich teurer als eine Z80 ist.

Wenn es billig sein soll, dann wählt man folgende Konfiguration:

Bank Switching

Eine einfache Spielkonsole nutzt gerade eben den 64 KB des Z80 Adressraum aus. Doch das Sega Master System mus Bank-Switching einsetzen, denn Module können weitaus mehr als 64 KByte adressieren. Sinnvollerweise wird man unten das ROM und das RAM einblenden. Das bedeutet die unteren 16 KB sind konstant. Darüber liegt, wenn das eingebaute ROM aktiv ist, der Bildschirmspeicher, oder, wenn das Modul aktiv ist, der Speicher des Moduls, das über entsprechende Routinen auch mehr als 48 KBN ansprechen kann. Gängig war damals eine Bankgröße von 16 KB, sodass man eine solche Bankbelegung aufstellen könnte:

16 KB Bank

Start

Modul eingesteckt

Modulerweiterung

48 - 64 K

Bildschirmspeicher

(ROM)

(ROM)

32 - 48K

Bildschirmspeicher

(ROM)

ROM

16 - 32K


BASISModulROM

BASISModulROM

0 - 16K

Eingebautes ROM + 8 K RAM

ROM + 8 K RAM

ROM + 8 K RAM

(ROM) heißt kann ROM enthalten, muss aber nicht, abhängig von der Modulgröße. Ein Modul enthält einen festen Bereich, das Basismodul das immer in der zweiten Bank leigt. Die oberen 32 K können dagegen durch Bankswitching gewechselt werden.

In diesem Szenario wäre der Bildschirmspeicher 32 KB groß, das reicht für 320 x 200 Pixel in 16 Farben. Im Prinzip könnte der Bildschirmspeicher auch 48 K groß sein, da er nur von dem Betriebssystem angesprochen wird. Dann würde sich eine QVGA-Auflösung (320 x 240 Pixel) anbieten. Viel höher würde ich nicht gehen, da die Ausgabe ja auf einem Fernseher erfolgt. Diese könnte dann mit 32 Farben erfolgen, wenn man eine etwas komplexere Adressierung des Bildschirmspeichers toleriert. Dann würde der Bildschirmspeicher 48.000 Bytes belegen, was den RAM-Bereich um 1.152 Bytes für das RAM lässt.

Spätestens ab 1985 ist es finanziell aktaktiver, anstatt RAM und Bildschirmspeicher aus separaten Chips zu fertigen einen 64-KB großen Hauptspeicher aus 4164 Chips vorzusehen und davon eben 8 kb für das eingebaute ROM nicht zu nutzen, da vom ROM verdeckt.

Abschätzungen

Die hypothetische Konsole ist teilweise über- und teilweise unterlegen dem Sega Mastersystem ebenfalls mit einer Z80A CPU. Diese hat auch ein 8 KB ROM, 24 KB RAM (davon 16 KB Videospeicher), doch die Auflösung ist besser (256 x 192 x 32 Farben zu 240 x 180 x 16 Farben im Modus ohne Bankswitching). Da diese Auflösung nicht in 16 KB Videospeicher unterzubringen ist (belegt 30 KB), wird das Master System wohl auch benachbarte Bildpunkte zusammen eingefärbt haben (bei 8 Bildpunkten pro Farbwert benötigt man 13,5 KB Bildschirmspeicher). Die hypothetische Konsole wäre in jedem Falle billig zu produzieren. Es bieten sich zwei Vergleiche an: Zum Sinclair Spectrum und VC 16/116. Der Sinclair Spectrum teilt einiges, so den Verzicht auf einen Videocontroller, Anschlüsse, sogar den Soundchip. Allerdings hat er einen BASIC-Interpreter und eine Tastatur, wenn auch keine gute. Mit einer Minimaltastatur und Gameportanschlüssen und einem Soundchip wäre er gut vergleichbar zum Sega System in der 16 K Version.

Ein zweiter Vergleich sind die Brüder VC 116 / 16 - sie unterscheiden sich nur in der Tastatur. Auch sie sind 16 K Computer, erschienen aber erst nach dem C64 im Jahr 1985. Sie sind Nachfolger des VC20, und wie dieser, mit zahlreichen Anschlüssen versehen, zudem einem BASIC Interpreter, der besser als der des C64 war. Leider war er zum C64 inkompatibel, und obwohl er auch einen Videoprozessor hatte, beherrschte dieser keine Sprites. C16 / 116 waren Flops, auch weil zu spät erschienen: 1985 kaufte keiner mehr einen Computer mit nur 16 KB Speicher (beim Spectrum der 1982 erschien, gab es anfangs eine 16 und 48 K Version, die 16 K Version wurde aber innerhalb eines Jahres eingestellt) und er war zu teuer: 398 DM, soviel kostete schon 1982 der Spectrum mit 16 K, doch seitdem hatten die Kosten für Halbleiter sich mehr als halbiert.

Würde die Konsole ab 1985 erscheinen, so wäre sicher die Version mit Banksitching eine bessere Lösung und langfristig auch billiger in der Produktion durch den uniformen 64 K RAM Bereich.

Für Softwarevendoren, aber auch die Hersteller selbst, gäbe es einen anderen Vorteil: Anders als Software auf Kassetten oder Disketten kann man Module nicht direkt kopieren. Die damals hohe Raubkopierquote wäre also niedriger, es würde sich für die Hersteller der Computer, die die Hardware selbst am besten kennen, daher lohnen selbst Module zu produzieren, das haben in der Regel die Hardwarehersteller nicht gemacht, aber durchaus die Hersteller der Spielekonsolen.

Vor allem könnten sie an ihren Erfolg und ihre Bekanntheit bei den Heimcomputern anknüpfen. Heute weiß jeder, was für Firmen Nintendo und NES sind - doch als ihre Konsolen herauskamen waren sie unbekannt, vor allem in Europa und Amerika, wo die Geräte auch erst Jahre später auf dem Markt auftauchten. Dagegen konnten Firmen wie Sinclair und Commodore, aber auch Atari auf ihrem Bekanntheitsgrad aufbauen.

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