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Web Log Teil 632: 21.9.2021 - 25.9.2021

21.9.2021: Optionen für neue Booster für die SLS

Nachdem ich mich schon mit der Möglichkeit SuperHeavy Booster an die SLS zu montieren beschäftigt habe, folgen heute zwei Berechnungen für Vorschläge, die schon gemacht wurden. Genaue Daten gibt es aber nicht, da die NASA die Ausschreibung nicht weiter verfolgt hat. Aber man kann aus Erfahrungswerten zwei Vorschläge durchrechnen:

Fangen wir mit den ersteres an. Sie heutigen Booster sind verlängerte SRB aus dem, Space Shuttle Programm. Sie wurden in den siebziger Jahren entwickelt mit der damals aktuellen Treibstoffmischung auf Basis von PBAN (Polybutandienacrynitril), mit Edelstahlgehäusen. Heute setzt man die leicht energiereichere Mischung auf Basis von HTPB (Hydroxyterminiertes Polybutadien) ein. Noch größere Fortschritte gab es bei den Werkstoffen. Heute werden auch große Gehäuse aus CFK-Werkstoffen gefertigt, das größte im Einsatz befindliche Einzelgehäuse ist heute das der Vega C, mit rund 155 t Startmasse, es gab aber schon bei der Titan 4 noch größere Gehäuse, dann allerdings aus einzelnen Segmenten, ähnlich wie auch die heutigen Booster der SLS aus 5,5 Segmenten bestehen.

Damit wir besser vergleichen können, habe ich die Masse eines Boosters auf die der Booster auf Basis des F-1B angesetzt, das sind 960 t oder 165 t mehr als bisher. Alleine dadurch steigt die Nutzlast. Das Voll- / Leermasseverhältnis und der spezifische Impuls wurden von der P135 Erststufe der Vega C übernommen, die Brenndauer habe ich auf 132 s festgelegt, dieselbe Brenndauer des Orginalboosters. Diese Version hätte eine Nutzlast von 69 t für eine Mondtransferbahn (Apogäum in 450.000 km Distanz), verglichen mit den 38 t bei der Block IB Version.

Eine kleinere Alternative wären keine komplett neuen Booster, sondern die Umstellung der bisherigen Booster auf die neue Technologie, bei Beibehaltung der Abmessungen und Segmentgröße. Diese Version kommt auf 55 t Nutzlast, immerhin 13 t mehr als die originale Version.

Ein Vorschlag von Dynetics war es, die F-1B Triebwerke zu verwenden. Die F-1B stammen von der F-1A ab, sind jedoch modernisiert, vor allem weniger komplex und daher billiger zu fertigen. Ich habe für meine Simulation die Daten des F-1A übernommen, das während der Apollo-Ära entwickelt wurde. Bevor es aber an Triebwerkstests ging, wurde die Entwicklung eingesetzt. Der Hauptvorteil des F-1A ist der höhere Schub von über 8.000 kN am Boden, vergleichen mit 6.700 kN bei dem F-1. Zusammen mit den 6.992 kN Bodenschub aus den vier RS-25 sollten zwei F-1B pro Booster ausreichen. Das ergibt zusammen einen Startschub von 39.000 kN. Bei einer Beschleunigung mit 1,25 g ergibt sich so eine maximale Startmasse von 3180 t. 1124 t wiegen Zentralstufe und EUS. 76 t für die Nutzlast und Verkleidung angesetzt, dürfen die Booster 1980 t wiegen.

Ich habe 960 t für jeden Booster angesetzt. Als Voll-/Leergewichtsverhältnis habe ich 20 angesetzt. Die S-IC hatte eines von 17, doch mittlerweile gibt es leichtere Legierungen für die Tanks, die F-1B haben auch ein besseres Schub-/Gewichtsverhältnis als die F-1 und die Booster müssen die Lasten der Oberstufen nicht tragen. So kommt man auf eine Leermasse von 48 t. Wenn die Stufe wie die Zentralstufe 60 m lang sein soll und 50 m davon auf zylindrischen Teil des Tanks entfallen, so ergibt sich ein Durchmesser von 4,84 m, ich halte 5,1 m Durchmesser für besser, dann wäre der Tank (ohne Abschlüsse) 45 m lang. Wählt man 5,1 m Durchmesser, so kann der Tank auf den Anlagen für die Delta IV gefertigt werden.

Bedingt durch den höheren spezifischen Impuls, die geringere Leermasse, steigern solche Booster die Nutzlast beträchtlich, und zwar auf 80 t. Hinsichtlich Nutzlaststeigerung wäre dies die beste Option. Ein weiterer Vorteil ist das die Triebwerke jederzeit abgeschaltet werden können. Ich habe überlegt, ob man einen Triebwerksausfall schon direkt nach dem Start abfangen sollte, wie er kürzlich bei den Starts einer Astra und Firefly vorkam. Aber realistischerweise ist auch dann die Rakete in einer unkontrollierbaren Situation, es ergibt sich eine deutliche Schubassymmetrie, verstärkt noch durch die Entfernung vom Mittel- / Schwerpunkt (Hebelwirkung), diese kann nicht kompensierbar sein. Auch bei der originalen Saturn V und S-IB, die eine Engine-Out Capability hatten, war ein Ausfall direkt nach dem Start nicht beherrschbar, man hätte dann alle Triebwerke abgeschaltet und den Fluchtturm ausgelöst, ähnlich wie man dies bei der SLS tun würde.

Die letzte, und meiner Ansicht nach beste Option wäre es anstatt das F-1A nachzubauen, derzeitige Triebwerke einzusetzen. Es gibt in der Schubklasse eigentlich keines, aber zwei im Schubbereich darunter. Das ist das BE-4, das am Ende der Entwicklung steht – die auch länger dauerte als geplant – und sein Konkurrenzmuster AR-1, das in einer frühen Phase der Entwicklung eingestellt wurde. Für das BE-4 spricht nicht nur das es im Einsatz ist, was Zeit und Kosten spart (sowohl für die Entwicklung, wie auch bei der Fertigung, da neben der SLS auch die Vulcan und New Glenn es einsetzen). Es hat als LOX/Methan Triebwerk auch einen höheren spezifischen Impuls. Ich bin im Folgenden von 2400 KN Bodenschub und 2700 kN Vakuumschub und einem spezifischen Impuls von 3200 m/s am Boden ausgegangen. Das liegt leicht unter dem von SpaceX für das Raptor angegebenen spezifischen Impuls (3230 m/s), das arbeitet aber auch bei einem höheren Brennkammerdruck. Mit fünf Triebwerken pro Booster können diese 680 t schwer werden – leichter als jeder andere Booster in dieser Aufstellung und trotzdem ist die Nutzlast noch größer als bei der Option mit den SRB, sie liegt bei 73 t. Bei vier Triebwerken reduziert sich die Boostermasse auf 480 t, mit 56 t Nutzlast liegt man aber immer noch in einem Bereich der 50 % höher ist als für Block IB, wenn ein Mondlander unter 28 t wiegt, müsste es für das Gespann reichen. Alternativ – wenn es nicht zwei Booster sein müssen, könnte man auch auf die Vulcan Erststufe ausweichen. Die hat ja zwei BE-4 Triebwerke, also ersetzen zwei Vulcan Stufen einen Booster, vier dann alle beide Booster. Wahrscheinlich sind Anpassungen nötig, wegen der Anbringung an die Zentralstufe- und Umbauarbeiten am Startturm / Flammenschacht. Auch wird die Vulcan Erststufe, die ja nur eine kleine Oberstufe tragen soll, nicht voll betankt werden, das reduziert die Nutzlast wieder, ich denke aber das man trotzdem auf über 50 t Nutzlast kommen kann. Genaues weiß man nicht, da alle Daten der Vulcan noch geheim sind.

Rakete: SLS / EUS

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil
[Prozent]

Sattelpunkt
[km]

Perigäum
[km]

Apogäum
[km]

C3
[km²/s²]

2.636.308

38.000

11.009

2.841

1,44

160,00

200,00

241,00

0,00

Startschub
[kN]

Geographische Breite
[Grad]

Azimut
[Grad]

Verkleidung
[kg]

Abwurfzeitpunkt
[s]

Startwinkel
[Grad]

Konstant für
[s]

Starthöhe
[m]

Startgeschwindigkeit
[m/s]

32.352

29

90

8.210

210

90

5

10

0

Stufe

Anzahl

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]

Schub (Meereshöhe)
[kN]

Schub Vakuum
[kN]

Brenndauer
[s]

Zündung
[s]

1

2

733.073

82.230

2.671

12680,0

13013,0

133,59

0,00

2

1

979.452

85.420

4.420

6992,0

8564,0

461,42

0,00

3

1

144.500

15.500

4.520

440,0

440,0

1325,20

465,00



Rakete: SLS / EUS CFK-SRB

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil
[Prozent]

Sattelpunkt
[km]

Perigäum
[km]

Apogäum
[km]

3.121.162

69.000

10.964

1.614

2,21

160,00

200,00

450000,00

Startschub
[kN]

Geographische Breite
[Grad]

Azimut
[Grad]

Verkleidung
[kg]

Abwurfzeitpunkt
[s]

Startwinkel
[Grad]

Konstant für
[s]

Starthöhe
[m]

Startgeschwindigkeit
[m/s]

40.945

29

90

8.210

210

90

5

10

0

Stufe

Anzahl

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]

Schub (Meereshöhe)
[kN]

Schub Vakuum
[kN]

Brenndauer
[s]

Zündung
[s]

1

2

960.000

80.000

2.736

16976,3

18240,0

132,00

0,00

2

1

979.452

85.420

4.420

6992,0

8564,0

461,42

0,00

3

1

144.500

15.500

4.520

440,0

440,0

1325,20

465,00



Rakete: SLS / EUS CFK-SRB 2

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil
[Prozent]

Sattelpunkt
[km]

Perigäum
[km]

Apogäum
[km]

2.611.308

55.000

10.964

1.904

2,11

160,00

200,00

450000,00

Startschub
[kN]

Geographische Breite
[Grad]

Azimut
[Grad]

Verkleidung
[kg]

Abwurfzeitpunkt
[s]

Startwinkel
[Grad]

Konstant für
[s]

Starthöhe
[m]

Startgeschwindigkeit
[m/s]

33.288

29

90

8.210

210

90

5

10

0

Stufe

Anzahl

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]

Schub (Meereshöhe)
[kN]

Schub Vakuum
[kN]

Brenndauer
[s]

Zündung
[s]

1

2

712.073

61.089

2.736

13148,0

13493,0

132,00

0,00

2

1

979.452

85.420

4.420

6992,0

8564,0

461,42

0,00

3

1

144.500

15.500

4.520

440,0

440,0

1325,20

465,00



Rakete: SLS / EUS F-1B Booster

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil
[Prozent]

Sattelpunkt
[km]

Perigäum
[km]

Apogäum
[km]

3.132.162

80.000

10.964

1.493

2,55

160,00

200,00

450000,00

Startschub
[kN]

Geographische Breite
[Grad]

Azimut
[Grad]

Verkleidung
[kg]

Abwurfzeitpunkt
[s]

Startwinkel
[Grad]

Konstant für
[s]

Starthöhe
[m]

Startgeschwindigkeit
[m/s]

39.028

29

90

8.210

210

90

5

10

0

Stufe

Anzahl

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]

Schub (Meereshöhe)
[kN]

Schub Vakuum
[kN]

Brenndauer
[s]

Zündung
[s]

1

2

960.000

48.000

2.972

16018,0

17978,0

150,77

0,00

2

1

979.452

85.420

4.420

6992,0

8564,0

461,42

0,00

3

1

144.500

15.500

4.520

440,0

440,0

1325,20

465,00

Rakete: SLS / EUS BE-4 Booster

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil
[Prozent]

Sattelpunkt
[km]

Perigäum
[km]

Apogäum
[km]

2.565.162

73.000

10.964

1.465

2,85

160,00

200,00

450000,00

Startschub
[kN]

Geographische Breite
[Grad]

Azimut
[Grad]

Verkleidung
[kg]

Abwurfzeitpunkt
[s]

Startwinkel
[Grad]

Konstant für
[s]

Starthöhe
[m]

Startgeschwindigkeit
[m/s]

30.992

29

90

8.210

210

90

5

10

0

Stufe

Anzahl

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]

Schub (Meereshöhe)
[kN]

Schub Vakuum
[kN]

Brenndauer
[s]

Zündung
[s]

1

2

680.000

35.000

3.400

12000,0

13500,0

162,44

0,00

2

1

979.452

85.420

4.420

6992,0

8564,0

461,42

0,00

3

1

144.500

15.500

4.520

440,0

440,0

1325,20

465,00


Rakete: SLS / EUS BE-4 Booster (2)

Startmasse
[kg]

Nutzlast
[kg]

Geschwindigkeit
[m/s]

Verluste
[m/s]

Nutzlastanteil
[Prozent]

Sattelpunkt
[km]

Perigäum
[km]

Apogäum
[km]

2.148.162

56.000

10.964

1.836

2,61

160,00

200,00

450000,00

Startschub
[kN]

Geographische Breite
[Grad]

Azimut
[Grad]

Verkleidung
[kg]

Abwurfzeitpunkt
[s]

Startwinkel
[Grad]

Konstant für
[s]

Starthöhe
[m]

Startgeschwindigkeit
[m/s]

26.192

29

90

8.210

210

90

5

10

0

Stufe

Anzahl

Vollmasse
[kg]

Leermasse
[kg]

Spez. Impuls (Vakuum)
[m/s]

Schub (Meereshöhe)
[kN]

Schub Vakuum
[kN]

Brenndauer
[s]

Zündung
[s]

1

2

480.000

25.000

3.400

9600,0

10900,0

141,93

0,00

2

1

979.452

85.420

4.420

6992,0

8564,0

461,42

0,00

3

1

144.500

15.500

4.520

440,0

440,0

1325,20

465,00

22.9.2021: PV Anlagen – die Sache mit dem Eigenverbrauch

Geht es nach der Politik, so sollen auf alle Dächer Photovoltaikanlagen montiert werden. Hier in Baden Württemberg ist ein Gesetz dafür in der Vorbereitung und auch auf Bundesebene denken inzwischen selbst konservative Parteien darüber nach.

Klar, aus logischer Sicht ist das sinnvoll. Die Dachfläche ist versiegelter Boden, wird in der Regel, außer bei manchen Flachdächern nicht genutzt und steht zur Verfügung. Eine andere Frage ist, ob es wirtschaftlich ist und da liegt der Hase im Pfeffer. Die Einspeisevergütung sinkt ja nach EEG laufend ab, um sich dem gesunkenen Preis der Anlagen anzupassen. Doch das ist nur ein Aspekt. Der Preis für die Wechselrichter ist gleich geblieben, die Handwerkerkosten für die Montage sogar gestiegen. Ich habe seit Juli auch meine zweite Dachhälfte mit einer PV-Anlage versehen. In den zwei Jahren zwischen beiden Anlagen ist der Preis pro Kwh installierter Leistung um 12,5 % gesunken, die Einspeisevergütung aber um 28 %. Meiner Ansicht nach ist es, wenn der größte Teil des Stroms eingespeist wird, heute gerade noch rentabel bei reinen Südlagen, in einigen Jahren wohl auch dort nicht mehr.

Da der Mensch im Allgemeinen nicht gemeinnützig ist, weshalb alle Parteien bei der Diskussion um Maßnahmen zur Reduktion der Kohlendioxidemission einen Riesen-Bogen um die Kosten machen, Laschet sich sogar herablässt auf neue Technologien zu hoffen, die dann einfach das Problem lösen, wird, wenn es eine solche Pflicht gibt und es keine gesetzlichen Vorgaben gibt, wie groß eine Anlage sein muss, der Eigenverbrauch in den Vordergrund rücken.

Dazu mal eine Erläuterung wie das prinzipiell bei einer PV-Anlage funktioniert. Man hat auf dem Dach die Solarmodule, die zusammengeschaltet werden. Dann wird ein Kabelstrang heruntergezogen zum Platz des Wechselrichters, das ist im Prinzip ein Trafo, er wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in den Wechselstrom des Netzes mit 220 V und 50 Hz um. Der Wechselrichter steht üblicherweise an einem kühlen Platz, z.B. im Keller, wo er nicht stört – er kann, wenn er an die Leistungsgrenze kommt, ein surrendes Geräusch machen. Der Strom geht nun ins Hausnetz und man bekommt einen neuen Stromzähler der erfasst, was man ins Netz einspeist und bezieht.

Zuerst werden von dem Strom also alle Verbraucher im eigenen Netz bedient. Das ist in der meisten Zeit die Grundlast durch Kühlschrank, Heizungspumpe, Geräte im Standby aber auch Geräte, die lange laufen wie Radio, Fernseher, Computer. Dazwischen gibt es Verbrauchsspitzen, z.B. wenn man kocht, bäckt, die Spül- oder Waschmaschine anschmeißt. Reicht der Solarstrom nicht aus, wird er vom Netzstrom ergänzt, und das ist nachts immer der Fall.

Der Eigenverbrauch des erzeugten Stroms lohnt sich, weil man für den bezogenen Strom derzeit rund 31 ct/kWh zahlt, für den eingespeisten aber nur 8 ct/kWh bekommt. Das heißt, es ist wirtschaftlich sinnvoll, den Eigenverbrauch zu decken, auch wenn es nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll ist, den Überschuss einzuspeisen.

Die grundsätzliche Problematik der ganzen Sache ist die Variabilität der Parameter. Die Sonnenscheindauer variiert übers Jahr von 16 Stunden, Ende Juni bis 8 Stunden Ende Dezember. Genauso variiert die Bewölkung. Vor einigen Jahren hatten wir im Januar/Februar 6 Wochen lang Tage mit Dauerbewölkung. Besonders im Winter wirkt sich das enorm auf den Ertrag aus. Bei der Anlage in meinem Ferienhaus, wo ich eine monatliche Übersicht abrufen kann, lag der Ertrag diesen Januar bei nur 56 kWh (wahrscheinlich, da das Ferienhaus im Allgäu ist, auch bedingt durch Schnee, der auf den Modulen lag, vermietet war das Haus wegen Corona ja in dem Zeitraum nicht, das hätte Wärme erzeugt, die zum Abschmelzen geführt hätte) und im Jahr davor waren es 320 kWh im Januar. Insgesamt ist die Erzeugung enorm abhängig von der Jahreszeit. In den zwei Jahren war der Januar 2021 der schlechteste Monat, dagegen hatte ich vier Monate mit über 1.400 kWh Erzeugung, also mehr als das Zwanzigfache des Minimalwerts in den zwei Jahren. Man kann sicher durch sein Verhalten den Eigenstromanteil erhöhen, aber nur bedingt. Das Waschen von Kleidung ist bei den meisten durch genügend Vorrat verschiebbar, das Starten der Spülmaschine eher kurzzeitig in die Mittagsstunden verschiebbar, aber das Kochen – und das ist ein Hauptverbraucher an Strom, ist praktisch nicht verschiebbar.

In dem Zusammenhang gibt es zwei wichtige Begriffe. Das sind der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad. Der Eigenverbrauchsanteil gibt an, wie viel Prozent der Leistung einer Anlage man selbst verbraucht. Es ist klar, da man ja einen konstanten Strombedarf hat, dass der Eigenverbrauchsanteil um so kleiner ist, je kleiner die Anlage ist. Er würde 100 % erreichen, wenn die Anlage so klein ist, dass ihre Spitzenleistung nicht mal die Grundlast deckt. Bei mir beträgt die Grundlast, gemessen durch ein Energiemessgerät etwa 2 kWh/Tag. Meine Anlage mit 7 kW Peakleistung erreicht in der Spitze 40 kWh Leistung pro Tag, das heißt, wenn man nur ein Minimodul mit 350 Watt Leistung installiert, dann würde das zu 100 % den Eigenverbrauch abdecken. Bei mehr Leistung wird ein Anteil ins Netz eingespeist. Alte Drehstromzähler drehen sich dann rückwärts. Neue Zähler (ohne Rückeinspeiszählung) registrieren den Strom nicht wenn man nicht eine echte Anlage installiert hat mit Meldung ans Stammdatenregister und Netzbetreiber der dann einen neuen Zähler installiert. Das heißt je größer die Anlage ist desto mehr des Stroms wird ins Netz eingespeist, weshalb bei großen Anlagen ab einigen kW Leistung man die auch melden sollte, sonst bekommt man für den Strom gar nichts. Solche anlagen müssen auch installiert werden und können nicht einfach auf dem Balkon aufgestellt und an die Steckdose angeschlossen werden. Das Zweite ist der Autarkiegrad, also wie viel Prozent des eigenen Strombedarfs wird durch die Anlage gedeckt. Der Autarkiegrad steigt natürlich mit der Anlagengröße, weil sie so bei bewölktem Himmel ohne Sonne, oder niedrigem Sonnenstand durch ihre schiere Überkapazität trotzdem noch genügend Strom für den Eigenbedarf liefert. Finanziell ist das aber wegen der geringen Einspeisevergütung eher schlechter.

Als Faustregel soll das finanzielle Optimum nur für die Kompensation des Eigenverbrauchs bei 1/1000 bis 1/2000 des Jahresenergiebedarfs liegen, also bei einem 4 Personenhaushalt mit 4000 kWh Jahresverbrauch bei einer 2 bis 4 kWh Peakanlage, das ist eine eher kleine Anlage die im Preisbereich von 3000 bis 6000 € liegt.

Dann kommt man auf einen Autarkiegrad von 30 %, der nur wenig bei einer größeren Anlage steigerbar ist. Das heißt zwar auch das man 70 % des Stroms ins Netz einspeist, doch der Preisunterschied zwischen bezogenem und eingespeistem Strom ist so groß, das schon eine geringe Steigerung des Autarkiegrades diese geringe Vergütung kompensiert. Zudem hat man mehr Reserven für größere Verbraucher.

Glaubt man dem Fachhandel, so gibt es eine einfache Lösung zur Steigerung des Autarkiegrades: Batteriespeicher. Dafür wird eine Batterie zusammen mit dem Wechselrichter installiert. Die Überschussleistung der Anlage wird dann zuerst in die Batterie eingespeist, dann erst ins Netz. Umgekehrt wird bei Strombedarf zuerst die Batterie entleert dann Strom aus dem Netz bezogen. Klingt auf den ersten Blick sehr gut, hat aber auch die Tücken. Wie bei der PV-Anlage hat man das Problem von Jahreszeiten und variabler Sonnenscheindauer. Eine Batterie wird nie im Winter mehrere Tage ohne direkte Sonne überbrücken können, außer sowohl Anlage wie Batterie wären sehr groß. Wer einen Solarrechner konsultiert und mit den Zahlen spielt, sieht dies deutlich. Hier mal ein Beispiel für einen 4 Personen Haushalt:

Batterie

1 kwp

2 kwp

3 kwp

4 kwp

5 kwp

6 kwp

7 kwp

8 kwp

0 kwh

65 / 17

46 / 24

36 / 28

30 / 30

25 / 32

22 / 34

19 / 35

17 / 36

1 kwh

90 / 22

64 / 32

49 / 36

39 / 39

33 / 41

28 / 42

25 / 43

22 / 44

2 kwh

98 / 24

76 / 36

58 / 42

47 / 45

39 / 47

33 / 49

29 / 50

26 / 51

3 kwh

100 / 24

84 / 40

66 / 47

53 / 50

44 / 53

38 / 53

34 / 56

30 / 57

4 kwh

100 / 24

90 / 42

72 / 51

59 / 55

49 / 58

43 / 60

37 / 62

33 / 63

5 kwh

100 / 24

94 / 44

78 / 55

64 / 60

53 / 63

46 / 65

40 / 67

36 / 68

6 kwh

100 / 24

97 / 45

81 / 57

67 / 63

57 / 66

49 / 68

43 / 70

38 / 72

70 kwh

100 / 24

98 / 46

84 / 58

69 / 65

59 / 69

51 / 71

45 / 73

40 / 74

Die Zahlen geben jeweils den Autarkiegrad und den Prozentsatz des Eigenanteils an. Beide stiegen natürlich mit zunehmender Größe der Speicherbatterie an. Aber der Zuwachs wird immer kleiner. Bei der 1 kwp Anlage wird mit 3 kWh installierter Batterie praktisch der gesamte Strom genutzt, mehr geht nicht.

Was diese Zahlen aber nicht zeigen, ist die Kostenseite. Batteriespeicher für Solaranlagen sind sehr teuer. 1 kWh Speicherkapazität kostet um die 1.000 Euro, wenn man langlebige Batterien auf Basis von Lithium nimmt, die Bleisulfatbatterien sind billiger, vertragen aber viel weniger Ladezyklen und die Gesamtkapazität nimmt stärker ab. Zur Demonstration ein Rechenbeispiel:

Unsere Familie mit 4.000 kwh Jahresverbrauch hat sich für eine 3 kWP Anlage entschieden, betrachtet nun aber zwei Optionen:

Erweiterung um 1 kWh Batterie (Kosten 1.000 Euro)

Erweiterung der Anlage auf 4 kWP (Kosten 1.500 Euro)

Vorher sieht die Rechnung so aus:

Summe: 508,8 €

Das zeigt schon die Krux mit der niedrigen Einspeisevergütung - obwohl man fast 2/3 des Stroms einspeist, ist die Summe weniger als halb so große wie bei der Ersparnis.

Die Batterie soll 5.000 Ladezyklen (einer pro Tag) haben. Gemäß Tabelle sieht die Rechnung nun so aus:

Nun kann man die Batterie bei 5.000 Ladevorgängen 13,5 Jahre lang nutzen, wird also 1036 Euro einsparen, das ist ziemlich genau das was die Batterie gekostet hat. Mehr noch: wie man an der Tabelle sieht, ist bei Verdopplung der Batteriekapazität auf 2 kWh der Gewinn kleiner – nur noch 6 % mehr Eigennutzung gegenüber 8 % bei den ersten 1 kwh. Nicht berücksichtigt sind in der Rechnung aber die Verluste beim Einspeisen und die abnehmende Kapazität der Batterie und die kann auch vorzeitig ausfallen. Batterien lohnen sich also finanziell bei den heutigen Preisen nicht.

Wie sieht es bei der Investition von 1500 € für 1 kwp /4 kwp) mehr aus?

Gemäß Tabelle sieht die Rechnung nun so aus:

Eine Solaranlage wird 20 Jahre lang vergütet. Das heißt, man bekommt 20 x 91,32 € mehr, das sind 1.824 Euro und damit mehr als die 1500 Euro Mehrkosten. So sieht auf den ersten Blick die Erweiterung lukrativer aus. Aber nur auf den ersten Blick. In den 20 Jahren sinkt die Leistung der Module auf 80 % ab. Im Mittel liefern sie also 90 % der Leistung, die man, da Überschussstrom eingespeist wird, komplett mit der Einspeisevergütung verrechnen können. Das sind dann 100 kWh pro Jahr weniger oder 8 Euro pro Jahr weniger. Gravierender ist, dass ein Wechselrichter eine typische Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren hat, also mindestens einmal während der Lebensdauer der Anlage ausgetauscht wereden muss. Ein 3 kWP Wechselrichter kostet rund 100 Euro mehr als einer für 3 kw Maximalleistung, das sind dann weitere 100 Euro Mehrkosten. Von den 324 Euro Gewinn bleiben noch 144 übrig. Aber immerhin ein kleiner Gewinn. Er kann größer werden, wenn der Strompreis für bezogenen Strom im Laufe der Jahre weiter steigt, ebenso würde das natürlich die Batterie attraktiver machen.

Deutlich wird bei den Rechenbeispielen aber eines: Die Differenz zwischen eingespeistem und bezogenen Strom ist inzwischen so groß, dass eine richtig große Anlage, die viel Strom einspeist, sich selten finanziell lohnt. Hat man keine reine Südausrichtung des Daches bezahlt man heute schon drauf.

Geht es nur um den Eigenbedarf, so lohnen sich heute am ehesten Plug-in Anlagen. Das sind Anlagen, die man direkt an die Steckdose anschließen kann. Da die Installation durch einen Elektriker wegfällt, sind diese relativ preiswert, sofern man nicht ganz kleine Module nimmt. Im sinnvollen Bereich von 1-3 kwP liegen die Preise bei rund 1000 €/kWP, während man selbst bei größeren Anlagen bei der Installation mit 1500 €/kwP zahlt. Es gibt aber auch Nachteile: Man braucht den Platz. So ein 300-Watt-Modul hat Abmessungen von 1,6 x 1 m. Das nimmt, wenn man es auf dem Balkon installiert, schon viel Platz weg. Dann muss die Montage auch sturmischer sein – kein Problem bei der Dachmontage, wo man die Module direkt mit dem Gebälk verbindet, doch bei frei aufgestellten Modulen? Die wenigsten können eine Dachmontage selbst durchführen. Und zuletzt bekommt man für den eingespeisten Strom dann gar kein Geld. Wie man der Tabelle entnimmt, ist bei 4000 kwh Jahresverbrauch das schon bei 2 kWh Leistung das bei 54 % des Stroms der Fall.

Ich komme zum Schluss noch mal zurück auf den Startpunkt. Wie könnte der Staat dafür sorgen, dass PV-Anlagen attraktiv sind, ohne Vorschriften über Zwangsinstallationen zu machen? Nun indem er die physikalisch und logisch unsinnige Trennung der Energien Strom und Wärmeerzeugung aufzuheben. Wer eine Heizung auswechselt, muss heute schon Energie einsparen. Bei uns in BW inzwischen 20 % der Leistung der alten Heizung, das wird sicher noch mehr werden. Eine neue Heizung ist, aber, nicht um 20 % effizienter, was dann andere Maßnahmen nötig macht wie Dämmung, Fensteraustausch oder Heizen mit Heizöl mit Zumischung aus regenerativen Quellen. Wenn man nun den erzeugten Strom, der ja auch eine Energieform ist, dagegen rechnen könnte, wäre dies attraktiv. Auch hier ein Rechenbeispiel. Ich nehme an die Familie wohnt in einer Doppelhaushälfte, nicht gerade neues Haus, und verbraucht im Jahr 2.000 l Heizöl. Wenn sie nun 20 % davon einsparen soll, dann sind dies 400 l, die einer Energie von 3920 kWh entsprechen. Die Familie hätte, wenn man die beiden Energieformen nicht getrennt betrachtet, die Möglichkeit entweder durch Energieeinsparungen diese 20 % zu erreichen oder durch Energieproduktion, in dem Fall durch Solarenergie. Dafür würde je nach Lage eine 4 – 5 kwp Anlage reichen, die zwischen 6.000 und 7.500 € kostet. So billig wäre eine Wärmesanierung (Dämmen, Fensteraustausch) niemals. Eine zweite Alternative, da es um Wärme geht, wären Solarkollektoren, die direkt warmes Wasser produzieren und das benötigt man auch im Sommer, wenn nicht geheizt wird. Für die Wärmeerzeugung von Wasser geht je nach Gewohnheit ein Viertel bis ein Drittel des Energieverbrauchs der Heizung drauf.

Direkt fördern könnte der Staat PV-Anlagen, indem er die erhobene Kohlendioxidsteuer mit der EEG-Umlage verrechnet und damit zumindest das Absinken der Einspeisevergütung abstellt.

25.9.2021: Gedanken kurz vor der Bundestagswahl

Heute wieder mal ein kurzer Meinungsblog. Ich habe mir den Wahl-o-mat vorgenommen und durchgearbeitet. Das Ergebnis: von allen Parteien gibt es die höchste Übereinstimmung mit der DiB (Demokratie in Bewegung) mit 78,4 %. Allerdings würde ich wohl kaum dem bedingungslosen Grundeinkommen zustimmen, das im Programm der Partei ist. Die im Bundestag vertretenen Parteien findet man erst ab Position 11 und 13 (Linke / Grüne mit 69,6 bzw. 68,6 %).Die SPD liegt etwas schlechter bei 68,3 %. Dann kommt lange nichts, bis auf den letzten Plätzen (fünft- bis drittletzter Platz CDU/CSU, AfD und FDP auftauchen, mit alle um die 43 %. schlechter sind nur noch BüSo und Bündnis21. Erstaunlich: besser als mit der CDU ist die Übereinstimmung mit dem „Dritten Weg“, der gerade durch seine Plakate aufmerksam macht und die NPD, beide im 53 % Bereich und somit 10 % höher als CDU, FDP und AfD.

Ich habe mir dann für Linke und Grünen mal angesehen, wo die Unterscheide zu meinen Positionen war und da kam erstaunliches raus.

Ich war für Abschaffung des Solidaritätszuschlags, Linke und Grünen dagegen. Ich bin nämlich betroffen, auf meine Kapitalerträge also alles über 800 Euro wird er erhoben und ich habe durchaus kein enormes Vermögen aber 800 Euro Sparerfreibetrag ist eben nicht viel. Nach über 30 Jahren sollte diese Zusatzsteuer meiner Ansicht nach endgültig der Vergangenheit angehören.

Keine Überraschung ergab sich bei Nordstream 2. Die Linke haben keine Meinung dazu, die Grünen sind dagegen. Ich bin für Fertigstellung und Nutzung der Pipeline. Warum? Wir brauchen Erdgas, zumindest solange, bis es eine Alternative gibt, die Pipeline ist fertig, warum sie nicht nutzen? Die Alternative wäre es dann Gas über den Ozean zu transportieren von dem Amis. Das ist ökologisch wegen des dafür verbrauchten Treibstoffs und der Umweltschäden durch die Gewinnung dort noch dümmer.

Auch keine Übereinstimmung gab es bei der Kirchensteuer, vielleicht habe ich auch die Frage falsch verstanden („Der Staat soll weiterhin die Kirchensteuer einziehen“). Ich bin für eine komplette Abschaffung. Man hat die nun seit 1806 als Kompensation für den Kirchen entzogene Besitztümer bezahlt. Also 200 Jahre sind wirklich lang genug. Die Kirchen haben auch Vermögen und Immobilien angehäuft und jedes deutsche Bistum hat einen größeren Haushalt als der Vatikan. Sollte die Frage so gemeint sein, dass die Kirchen dies nun selbst tun sollen, die Steuer aber bleibt, dann gäbe es wieder eine Übereinstimmung, denn nochmals mit einer Finanzbehörde will ich es nicht zu tun haben.Immerhin die Linke hat dieselbe Position wie ich, die Grünen dagegen die entgegengesetzte. Ebenso ist es bei den Fallpauschalen. Also einheitlichen Vergütungen für bestimmte Operationen. Wozu das führte, sah man ja in der Coronakrise, man hat praktisch keine Reserven mehr gehabt und noch dazu gibt es nach Untersuchungen bei uns so viele überflüssige Operationen, weil sie eine Geldquelle sind. Auch hier eine Übereinstimmung mit den Linken, nicht aber mit den Grünen. Dasselbe bei der steuerlichen Förderung der Ehen (Ehegatten-Splitting) nicht der Kinder. Das ist aus der Zeit. Nur weil jemand heiratet, wird er steuerlich gefördert, ohne Trauschein nicht. Vor allem stammt die Regelung von den Nazis, wurde 1934 beschlossen, damit die Frauen am Herd bleiben. Die Grünen haben dazu keine Meinung. Immerhin beim Anstieg des Kohlendioxidpreises bin ich konform mit den Grünen, nicht mit den Linken, dafür sind die Linken gegen eine Schuldenbremse, ich dafür.

Es gäbe noch andere Abweichungen, aber für mich sind von den 39 Thesen natürlich nicht alle gleich wichtig. Ich habe schon damit gerechnet, das als beste Übereinstimmung des Wahl-o-Mats nicht die Grünen kommen, die ich gewählt habe. Das weiß ich von den vorherigen Konsultationen des Wahl-o-mats. Ich bin in Richtung Klimaschutz radikaler als die Grünen und das passt besser zu den Splitterparteien. Aber erstaunt war ich dann doch, dass die etablierten Parteien so weit unten sind, das wurde immer stärker. 2013 war der Unterschied zwischen Grünen und der Partei mit der höchsten Zustimmung von 4 %, nun sind es 10 %.

Den zweiten Eindruck, den ich wiedergeben möchte, war den von Fernsehdebatten und Wahlkampfveranstaltungen, zumindest was man als Ausschnitte gesehen hat. Ich war erstaunt über die Trivialität dessen, was ich dort hörte von allem von Armin Laschet der nun einen „Lagerwahlkampf“ macht und bei dem es sich anhört, als wäre Rot-Rot-Grün der Untergang des Abendlandes und eine CDU-Regierung die Vorstufe zum Paradies. Ebenso stark verkürzt sind die Wahlplakate, gut da kann man auch nicht viel drauf schreiben. Aber manchmal geht es nicht mal um Sachthemen, sondern nur um Personen. Aber die sind auch nicht unumstritten, ich war ja in meinem Ferienhaus in Bayern und war über zwei Dinge erstaunt – es gibt dort Plakate mit Laschet (aber auch etliche mit Markus Söder drauf, obwohl der in keiner Liste ist, also gar nicht gewählt werden kann) vor allem aber sind etliche CSU-Plakate beschmiert worden. Das kenne ich in dem Ausmaß nicht. Passend dazu ist inzwischen auch in Bayern die CSU bei unter 30 % in den Umfragen angekommen.

Ich denke die Verkürzung auf Schlagworte und Schwarz-Weiß-Szenarien sowohl bei Plakaten wie auch Kundgebungen, hat damit zu tun, dass die Parteien sich an ein bestimmtes Klientel wenden. Das sind unentschlossene und uninformierte. Die meisten anderen haben sich ihre Meinung gebildet, kennen die Positionen der Parteien oder haben wahrscheinlich sogar schon gewählt – angesichts von prognostizierten 60 % Briefwählerquote kann man so ja nur noch 40 % der Wähler in den letzten Wochen beeinflussen, wird der Wahlausgang spannend. Ich selbst habe schon vor 3 Wochen gewählt. Also, selbst wenn seitdem etwas passiert wäre, was meine Meinung fundamental geändert hätte, es hätte keine Auswirkung. Aber es gibt, wie die Ergebnisse der AfD zeigen, einen größeren Prozentsatz an Leuten, wie sage ich es am besten, ohne jemanden zu beleidigen, die sich wenig Gedanken über die Auswirkung ihrer Stimme machen, damit „protestieren“ wollen und bei denen man sich als Partei fast alles leisten kann, sonst würde der Rüpelverein AfD nicht über 10 % liegen.

Der letzte Punkt nervt, betrifft exklusiv die FDP und ich wurde durch einen Radiospot daran erinnert. Daran erinnert Lindner wieder daran das er die Klimaveränderung durch „Freude am Erfinden anstatt Verboten“ bekämpfen will. Ich halte ja wenig von der Partei, wie regelmäßige Blogleser wissen, viele ihrer seit Wahlperioden behaupteten Programmpunkte sind längst als falsch widerlegt, z.B. dass man durch Steuersenkungen die Wirtschaft so ankurbelt, dass man die gesenkten Steuern durch mehr Umsatz wieder hereinbekommt – nach Untersuchungen liegt der Prozentsatz aber nur bei 25 bis 50 % und die FDP will ja vor allem die hohen Einkommen entlasten und die konsumieren bei Entlastungen nicht so viel mehr, wie die mittleren oder unteren Einkommensschichten, die mit dem Geld haushalten müssen.

Inzwischen unterscheidet die FDP programmatisch nicht mehr viel von der AfD. Das wirtschaftspolitische Programm ist identisch, die AfD meint man müsste nichts gegen den Klimakollaps tun, die FdP wartet auf Erfindungen. Ja selbst die Weigerung der AfD mit anderen Parteien zu koalieren hat die FDP 2018 übernommen, denn in ihrer Logik ist es ja besser Null Prozent des Parteiprogramms durchzusetzen als einen Teil in einer Regierung. Das ist doch eigentlich Fundamentalopposition, das Element einer Protestpartei wie der AfD.

Wie die FDP darauf warten das irgendeine Erfindung den Klimakollaps verhindert – was soll denn das? Also mal sarkastisch gesagt, könnte man das auf alle Probleme anwenden – warum den Hunger auf der Welt bekämpfen, anstatt darauf zu hoffen, das genmanipulierte Pflanzen das Problem von alleine lösen?

Aber mal ganz sachlich: Eine Erfindung ist nicht vorhersehbar. Also auch nicht, ob sie rechtzeitig kommt (je später man etwas unternimmt, um so mehr muss man tun, wenn das 2 Grad Ziel erreicht werden soll) und ob sie überhaupt kommt. Aber selbst, wenn dauert es oft lange von der Erfindung bis zur Marktreife und dann nochmals länger bis es auch erschwinglich ist. Nur mal einige Technologien abgeklopft die derzeit zur Klimareduktion genutzt werden. Windräder sind uralt, es gibt sie mindestens seit dem Mittelalter, damals noch zur Erzeugung von mechanischer Energie. Die Windkraftanlagen mit nur wenigen Rotorblättern in Propellerprofil gibt es seit 1900. Doch erst seit einigen Jahren können sie billig Strom produzieren. Solarzellen beruhen auf dem photoelektrischen Effekt, bekannt seit 1899, Albert Einstein erklärte ihn 1905 physikalisch und erhielt dafür den Nobelpreis. 1953 wurde die Solarzelle erfunden. Solarzellen wurden schon auf dem zweiten Satelliten, Explorer 1 eingesetzt, das war 1958, Bezahlbar für den Endverbraucher sind sie erst seit einem Jahrzehnt. Der Elektromotor ist älter als der Benzinmotor, die ersten beiden wurden 1866 und 1867 erfunden führte bis vor wenigen Jahren aber mangels leistungsfähiger Batterien ein Schattendasein. Noch älter sind Brennstoffzellen. Sie wurde 1838 erfunden und Brennstoffzellen wurden schon im Geminiprogramm 1965 eingesetzt, sind aber immer noch nicht wirklich für die Masse erschwinglich. Autos oder Heizungen damit kosten leicht das doppelte einer konventionellen Alternative.

Daneben sind die wesentlichen physikalischen Gesetze die mit Energieerzeugung und Verwertung zu tun haben bekannt, teilweise schon sehr lange. Sie setzen die Grenzen, die eine Erfindung nicht brechen kann. Umgekehrt arbeitet man seit Jahrzehnten an einem Fusionsreaktor und hat noch keinen entwickelt der dauerhaft auch nur mehr Strom liefert als er verbraucht, obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen seit etwa 90 Jahren verstanden sind.

Wäre die FDP die Titanic und mit dem Eisberg kollidiert. Dort würde man wohl weiter machen wie bisher und darauf warten das plötzlich aus dem Nichts Rettung kommt, anstatt die Rettungsboote klar zu machen, selbst wenn ihr das Wasser schon bis zum Hals steht ….

25.9.2021:Kleine Raumsonden und Ionenantrieb – eine gute Kombination

Nachdem es schon in den vergangenen Jahren es eine Schwemme bei Cubesats gab, denkt man auch bei Raumsonden an eine Größenordnung kleiner. Die NASA hat zusammen mit dem Lander Phoenix die beiden Marco Satelliten zur Übertragung von kritischer Landertelemetrie gestartet. Sie wogen jeweils 14 kg und kosteten 18.5 Millionen Dollar. Athena, eine Mission, die einen Vorbeiflug an dem zweitgrößten Asteroiden Pallas durchführen sollte, würde 182 kg wiegen, wurde aber nicht genehmigt. Zwei ESCPADE Marssatelliten wiegen jeweils 90 kg und sollen die Plasmaumgebung des Mars erforschen.

Ich will zuerst einmal abgrenzen, wo and wie solche kleinen „mini“-Raumsonden nützlich sind. Es gibt zum einen Mal Kurzzeitmissionen. Wenn eine Raumsonde nicht sehr lange betrieben werden kann, ist es sinnvoll sie auf das Minimum abzuspecken und so auch günstiger zu bauen. Ein solches Beispiel waren die Vorschläge mit Europa Clipper weitere Sonden zu starten. Eine war ein Miniorbiter, der anders als Europa Clipper auch zweimal Io passieren würde, Europa Clipper nähert sich diesem Mond aufgrund der enorm hohen Strahlenbelastung nicht. Eine zweie Backup Sonde wäre ein Miniaturisierter Lander. Eine Uranusvorbeiflugsonde kann aus himmelsmechanischen Gründen nur einen der fünf großen Monde nahe passieren. Sie könnte aber Mitflugsonden mitführen, die batteriebetrieben dann nur wenige Stunden oder Tage arbeiten und die anderen Monde passieren. Denkbar wären auch sehr kleine Landekapseln für die Venus, in der Größenordnung der kleinen Pioneer Venus Landekapseln bei denen dann der Bus die Daten überträgt. Athena mit einem Vorbeiflug an Pallas, also einer kurzen Beobachtungszeit ist auch so eine Mission. Ebenso die beiden MarCo, die nur Daten der Landung übertragen sollten.

Das Zweite ist eine im Forschungsauftrag begrenzte Mission. Eines ist klar: eine kleinere Raumsonde hat eine kleine Sendeantenne, leistungsschwächere Sender und die Datenrate ist kleiner. Nicht zuletzt steht auch weniger Gewicht für Experimente zur Verfügung, das heißt, wenn man Experimente hat, die kleine Datenraten generieren und/oder leicht sind, dann wären diese Instrumente ein Kandidat für kleine Raumsonden. ESCAPADE ist so ein Beispiel. Detektoren für Felder und Teilchen sind relativ leicht und genieren wenige Daten.

Ich sehe für zukünftige Missionen folgende möglichen Einsatzgebiete:

Wie schon bei Europa Clipper geplant, ein sekundärer Orbiter einer Jupitermission, der Io passiert und erkundet, dafür aber nur wenige Orbits überlebt. Er könnte die Hauptsonde als Relay nutzen. Die ESA hat eine soclhe Sonde als Piggy-Back für Europa Clipper untersuchen lassen, doch das war es dann auch. Da seit der Genehmigung von JUICE die Nutzlast der Ariane 5 stark angestiegen ist. hätte ich es gerne gesehen, wenn man den Vorschlag umgesetzt hätte und dann mit JUICE zusammen gestartet hätte.

Seit Langem vorgeschlagen ist eine meteologisches Netz auf dem Mars. Wettersensoren wiegen nicht viel. Ich würde auch eine Kamera hinzunehmen, sodass man den Landeplatz sieht. Bisher hatten solche Missionen, egal ob als Penetrator oder Miniaturlander Pech eine Mitfluggelegenheit zu finden. Eine solche Mission war Beagle 2 die zusammen mit Mars Express startete, weitere Missionen gingen mit Mars 96 verloren. Man könnte bei geringen Kosten dann vielleicht auch riskantere aber interessantere Landgebiete wie den Boden von Valles Marineris selektieren.

Für den reinen Datentransfer von Landern (oder solchen Meteolandern) wäre ein Orbiter um den Mars sinnvoll. Er wäre in einem höheren Orbit, hätte eine längere Kontaktzeit könnte aber eine viel größere Antenne und stärkere Sender als die Landesonden mitführen.

Die Mini-Venuslandesonden habe ich schon erwähnt. Sie könnten auch als Piggy Back mit Venussonden, drei sind ja geplant mitgeführt werden.

Es gibt eine reihe von erdnahen Asteroiden. Sei haben eine begrenzte Größe, daher benötigt man keine große Datenrate für eine trotzdem genaue Kartierung. Aufgrund der Größe braucht man keine Instrumente welche eine Atmosphäre oder Plasma/Magnetfeldumgebung erkunden. Hier wären kleine Orbiter wie Hayabusa 2 oder OSIRIS-REx (nur ohne Probennahme) sinnvoll.

Größere Asteroiden im Hauptgürtel würde man eher mit Vorbeiflugmissionen erkunden. Für eine kleine Raumsonde wäre die Datenrate für einen Orbiter zu klein. Sie würden die Daten bei einem Vorbeiflug sammeln, zwischenspeichern und dann langsam zur Erde übertragen. Athena war eine solche geplante Mission.

Derzeit sind solche Missionen nur von der NASA geplant bzw. im Einsatz. Sie haben eine Gemeinsamkeit – sie starten entweder zusammen mit einer Hauptraumsonde, oder im Falle von ESCAPADE, die nach Wechsel der Trägerrakete und Flugverlauf nicht mehr kompatibel war, hat die NASA eine eigene Trägerrakete bei Rocketlabs gebucht. Dies bedeutet entweder Einschränkungen in der Mission, kein Problem wenn wie bei den Marcos dasselbe Ziel angepeilt wird, oder wenn das nicht geht und man einen eigenen Start braucht zusätzliche Kosten.

Ideal wäre in meinen Augen, wenn man Miniraumsonden als sekundäre Nutzlast wie Mikrosatelliten in einen Erdorbit starten könnte und sie dann von dort aus ihre Ziele erreichen. Dann gäbe es mehr Fluggelegenheiten und die Kosten wären geringer als bei einem eigenen Start. Dann benötigt man aber Ionentriebwerke, um die Ziele zu erreichen.

Als Minimum für Miniraumsonden halte ich eine Masse von etwa 100 kg. Das ist vergleichbar mit der Masse von Microsatelliten, die in derselben Größenordnung liegen und dann typisch die Größe eine Waschmaschine haben. Zum einen, weil der Anteil an Instrumenten relativ konstant bei einem Fünftel bis einem Viertel der Trockenmasse liegt, also 20 bis 25 kg. Das reicht dann für zwei bis drei optische Instrumente oder etwas mehr, wenn es Teilchen- / Magnetfeldsensoren / Wettersensoren sind. Orbiter benötigen mindestens eine Kamera und ein Spektrometer, dann ist man aber schnell bei den 20 bis 25 kg. Weiterhin benötigen Raumsonden stärkere Sender, Parabolantennen, die Gewicht addieren. Die meisten Missionen gehen ins äußere Sonnensystem und dann nimmt die elektrische Leistung von Solargeneratoren ab und man benötigt größere. Eher wäre eine etwas größere Sonde sinnvoll. Bei Marslandern oder Venuslandesonden kommt dann auch noch das Gewicht der Kapsel und Landesysteme dazu.

Derzeit gibt es in den USA Mitfluggelegenheiten mit dem ESPA Ring (maximal 180 kg) und bei dem Rideshare Programm von SpaceX (maximal 300 kg). Der ESPA-Ring kann auch für GTO-Missionen eingesetzt werden, das Rideshare Programm ist auf niedrige Orbits begrenzt.

Meine Idee: man befördert Miniraumsonden als Sekundärnutzlast in einen Erdobit und spiralt sie dann mit einem Ionenantrieb von dort weg. Das spart Startkosten, erhöht die Flexibilität und hat Sekundärnutzen. Die Stromversorgung für ein Ionentriebwerk hat einen viel höheren Strombedarf als die für die Raumsonde, man kann also deren Solargenerator einsparen. Ebenso kann ein Ionenantrieb auch die Lageregelung einsparen, wenn man das chemische System dafür weglässt, aber neben dem Hauptionenantrieb noch vier kleine (schubschwache)Triebwerke an den Seiten installiert.

Das schöne: für so kleine Sonden kann man auf existierende Triebwerke zurückgreifen. Ich habe zwei Lösungen mal durchgerechnet, und zwar für das realistisches ΔV:

Von einer LEO-Bahn zu einer Sonnenumlaufbahn: ~ 7 km/s

Von der anfänglichen Sonnenumlaufbahn zu einer Marstransferbahn: ~ 3,5 km/s

Anpassung an die Marsbahn: ~2,7 km/s

Orbitänderungen in der Umlaufbahn um den Mars: ~ 1,8 km/s

Summe: ~ 15 km/s

Ich habe dies mit zwei Ionentriebwerken durchgerechnet, dem amerikanischen NSTAR-System, eingesetzt bei Dawn und XIPS 8 Triebwerken für die Lageregelung und dem europäischen RIT-2X mit Rit-10 EVO als Lageregelung. Beide Triebwerke haben einen unterschiedlichen Strombedarf (2.600 bzw. 4.600 Watt) und spezifischen Impuls (30 bzw. 41 km/s).

Auf eine genaue Simulation habe ich verzichtet, stattdessen die Gesamtbetriebszeit errechnet. Die Missionszeit wird durch Freiflugphasen bzw. Abnahme der Leistung bei steigender Sonnenentfernung größer sein. Für den Solargenerator habe ich eine Leistungsdichte von 80 W/kg angenommen. 300 Watt sollen für das Raumschiff zur Verfügung stehen. Die Xenon-Druckgastanks sollen 20 % des Inhalts wiegen und zu dem Gewicht der Ionentriebwerke soll nochmals dasselbe Gewicht für die Stromwandeleinheit und Leitungen hinzukommen. Man kommt dann auf folgende Bilanz bei 200 kg Startmasse:

System

NSTAR

RIT-2X

Startmasse:

200 kg

200 kg

Davon Treibstoff

78,7 kg

62,0 kg

Davon Tankmasse:

15,8 kg

12,4 kg

Davon Solargenerator

36,1 kg

52,4 kg

Davon Triebwerke / Subsysteme

33,8 kg

32 kg

Nutzlast

35,6 kg

41,2 kg

Gesamtbetriebszeit

7.230 Stunden

4.650 Stunden

Die Nutzlast ist bescheiden, das liegt daran, dass diese Triebwerke schon überdimensioniert sind. Ionentriebwerke sind für 10.000 bis 15.000 Stunden Betrieb qualifiziert und diese Zeit wird hier bei Weitem nicht erreicht. Der in Sonnenferne abnehmende Strom ist kein Problem, da Ionentriebwerke drosselbar sind.

Sinnvoll wäre daher eine höhere Startmasse, denn die Masse der Triebwerke bleibt ja gleich, ebenso die Forderung nach Strom, also die Masse des Solargenerators, nur der Treibstoff und die Tankmasse nimmt zu. Bei 300 kg Startmasse würde die Nutzlast beim NSTAR auf 82,9 kg ansteigen und beim RIT-10 auf 104 kg, also eine Größe, die zumindest die 100 kg Mindestanforderung für die Raumsonde erfüllt. Bei 400 kg Startmasse wäre man immer noch unterhalb der Mindestbetriebsdauer des RIT-2X Triebwerks und hätte 167,2 kg für die Raumsonde übrig.

Es würde bei mehreren Raumsonden sogar Sinn machen, einen Antrieb speziell für diese zu entwickeln, der die Nutzlast maximiert. Nach meinen Simulationen wäre ein deutlich höherer spezifischer Impuls sinnvoll, bei 2 Jahren Betriebszeit (rund 1.7500 Stunden) liegt er bei rund 77 km/s. Zumindest sollten die Antriebe die Solllebensdauer von 10.000 Stunden erreichen, was auf 55 km/s beim RIT-2X und 41 km/s beim NSTAR entspricht. Wenn man nicht neu entwickelt, so bietet es sich an, die Triebwerke herunterzuregeln. Sie arbeiten dann länger, aber benötigen weniger Strom. Bei 10.000 Stunden Betriebszeit wird so der Solargenerator um 10 kg (NSTAR) bzw. 28 kg (RIT-2X) leichter.

Das sind natürlich maximale Δv Vorgaben. Für erdnahe Asteroiden hat man ein Δv von maximal 12 km/s, davon alleine 7 km/s für das Verlassen der Erde (aus einer GTO-Bahn erheblich weniger). 12 km/s würden schon 16,4 kg mehr Nutzlast beim NSTAR Antrieb und 10,3 kg beim RIT-2X bringen.

Als Einsatzgebiet sehe ich folgende Möglichkeiten: Die meisten Sonden, die zu Mars oder Venus gehen, könnte man als Sekundärnutzlast mitführen. Sie benötigen keinen Ionenantrieb, wenn dann nur für Bahnänderungen im Orbit, das Erreichen des Orbits wird, man aber chemisch durchführen. Denkbar sind aber Missionen zu kleinen erdnahen Asteroiden. Da ist auch die maximale Kommunikationsdistanz klein. Der NASA Trajectory Browser nennt 15 Missionsmöglichkeiten zwischen 2024 und 2040 zu Asteroiden von mindestens 300 m Durchmesser (in dieser Größenordnung liegen z.B. die besuchten Asteroiden Itokawa, Ryugu und Bennu) mit einem Δv (chemisch) von weniger als 5 km/s aus einer LEO-Bahn und einschwenken in eine Umlaufbahn um diese. Eine Kamera und ein Vis/IR Spektrometer würden problemlos bei 20 bis 30 kg Nutzlast unterbringbar sein, vielleicht auch ein einfacher Lidar-Höhenmesser.

Alternativ, aber mit größerem Δv erreichbar sind Hauptgürtelasteroiden. Für Pallas gibt es bis 2040 neun Bahnen mit einem Δv von weniger als 5 km/s (chemisch). Hier ist nur ein Vorbeiflug möglich – beim chemischen Antrieb beträgt die Geschwindigkeit 13-14 km/s, sie wird zwar beim Ionenantrieb absinken, doch damit man effektiv im Hauptgürtel die Geschwindigkeit ändern kann benötigt die Sonde einen viel größeren Solargenerator und dann ist sie keine Miniraumsonde mehr. Die Daten würden wie bei New Horizons schnell gesammelt und dann langsam überspielt werden. Unter Umständen könnte man mit weiteren Vorbeiflügen an den erdnahen Planeten sogar mehrere Ziele so besuchen.

Von den 15 km/s maximales Δv entfallen alleine 7 km/s nur um die Erdbahn zu verlassen, aus einer GTO-Bahn sinkt dies auf 3,8 km/s. So wäre es sinnvoll. die Sonden bei einem normalen Start eines Kommunikationssatelliten in den GTO, noch besser Super-GTO mitzuführen. Neben dem eingesparten Treibstoff braucht man auch nur halb so lange um die Erde zu verlassen. Hier wird es auch interessant sein zu sehen, was Ariane 6 an Mitfluggelegenheiten bietet, das entsprechende System bei Ariane 5 wurde ja nur in der Frühzeit bei Starts in den SSO eingesetzt.

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