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Web Log Teil 77 : 9.9.2008-

Dienstag 9.9.2008: Wie bekommt man Informationen von einem punktförmigen Objekt?

PlutoIch gehe heute mal auf die Frage von "der K." ein, wie man vor dem Vorbeiflug von Rosetta Informationen über Steins bekommen konnte, obwohl der Asteroid selbst in großen Teleskopen nur ein Punkt ist.

Also als erstes: Natürlich ist Steins selbst in großen Teleskopen nur ein Punkt. Das größte Teleskop ist heute das LBT, das die Auflösung eines 23 m Spiegels erreicht. Der Asteroid Steins hat eine minimale Distanz von der Erde von etwa 1 AE, also rund 150 Millionen km. Bei dieser Distanz würde selbst ein 23 m Teleskop maximal 4 km auflösen können. In dieser Größenordnung liegt auch Steins geschätzter Durchmesser. Mehr als ein Punkt wird der Asteroid also niemals auf einem CCD Array sein.

Die Größenbestimmung erfolgt zum einen durch Aufnahmen. Auch wenn man keinerlei Details auf dem Asteroiden auflösen kann, so kann man doch anhand der Aufhellung von Pixeln die Größe einschätzen. Das ist natürlich stark fehlerbehaftet (20-50 % Fehler sind hier normal). Bevor man Steins z.B. für Rosetta beobachtete um mehr im Vorfeld über den Asteroiden herauszufinden, schätzte man dessen Durchmesser noch etwas höher ein bei etwa 8 km.

Die zweite Methode misst die Helligkeit. Benutzt man die Albedo von Steins, und vergleicht die Helligkeit sie mit anderen bekannten Asteroiden des gleichen Typs, dann kann man die Größe genauer abschätzen.

Informationen über die Oberfläche und Form bekommt man durch eine Lichtkurve des Asteroiden. Diese Messung wurde von OSIRIS durchgeführt und auch von Weltraumteleskopen. Bei einem irregulären Körper wie Steins kann man so auch die Form gut bestimmen. Da die Helligkeitsschwankungen mit der Form korrespondieren. Das klappt natürlich nur, wenn der Körper nicht durch dunkle und helle Gebiete starke Helligkeitsschwankungen aufweist wie es z.B. der Iapetus tut.

Mit einer Variation dieser Methode konnte Hubble diese Karte von Pluto erstellen: Der Plutomond Charon passiert relativ selten die Linie Erde-Pluto-Charon und zieht dann vor Pluto vorbei. Misst man die Helligkeitsveränderung durch Charon, so kann man berechnen, wie dunkel die Oberfläche sein muss, die von Charon abgeschattet ist.

Die Aufnahme rechts zeigt z.B. eine Pluto Aufnahme mit dem HST und eine Berechnung der Oberfläche aufgrund der Vorübergänge von Charon. Die Karte hat eine Auflösung von etwa 200 km. Hubble selbst hat ein Auflösungsvermögen von etwa 1100 km beim Zeitpunkt der Aufnahme. Diese Karte ist also um den Faktor 6 besser als eine direkte Aufnahme.

Bei Steins konnte man so die Form und die Rotationsperiode bestimmen. Es gibt bei allen Körpern, auch die keinen Mond haben, auch Vorübergänge an anderen Himmelskörpern, Bedeckungen z.B. Durch den Mond oder Sterne. Diese sind äußerst selten. Doch wenn, dann werden solche Gelegenheiten genutzt um den Durchmesser genauer zu bestimmen. Der Pluto Durchmesser wurde durch solche Methoden z.B. auf 100 km genau bestimmt - dabei schrumpfte die geschätzte Größe von 6800 auf 2400 km von 1930 bis 1978.

Wie bekommt man die Information über die Klasse des Asteroiden? Nun durch Spektroskopie. Das Spektrum eines Körpers verrät die chemischen Elemente, die dort vorhanden sind. Das Problem ist hier nur, dass der Körper leuchtkräftig genug ist um ein Spektrum zu gewinnen.

SteinsAnalog kann man über diese Methode auch die Temperatur der Oberfläche bestimmen. Bei einem Himmelskörper ohne Atmosphäre hängt diese nur vom der Sonnenentfernung und Albedo ab. Damit hat man die Albedo (Anteil des rückgestreuten Lichts) und kann wiederum damit die Größe bestimmen. Über Änderungen dieser bekommt man weitere Daten von der Oberfläche wie dunkle oder Helle Gebiete.

Begrenzt wird dies eigentlich nur von der Empfindlichkeit der Sensoren und des Sammelvermögens des Teleskops. Wenn die Anzahl der Photonen dem Eigenrauschen der Detektoren entspricht, ist nichts mehr zu machen. Aber das ist bei Steins kein Problem. Heute kann man so große Objekte wie Steins noch in Neptunentfernung also der 30 fachen Distanz detektieren.

Das Bild links zeigt eine Vorhersage der Form Steins aufgrund von Beobachtungen mit dem HST, Spitzer und erdgebundenen Teleskopen und der beobachteten Form. Vor dem Vorbeiflug wurde der Durchmesser auf 4.6 km geschätzt. Nach OSIRIS Beobachtungen liegt er bei 5.0 km im Mittel, wobei die Form elliptisch ist mit Extremwerten von 4.0 und 5.9 km. Mit einer Albedo von 0.35 ist Steins recht hell für ein Objekt aus Stein. Der Mars ist z.B. mit einer Albedo von 0.16 wesentlich dunkler. Ebenso der Erdmond mit 0.12.

Mal sehen was die noch zu übertragenden NAC Aufnahmen noch zeigen werden....

Mittwoch 10.9.2008: Weltraummüll

GeschwindigkeitHeute will ich mal die Frage von Chris im Blog aufgreifen:

"Hallo Bernd,

durch die momentane Berichterstattung zur HST Servicemission stellte sich mir die Frage, warum der “Weltraumschrott” eine solch hohe Differenzgeschwindigkeit zu anderen Objekten im gleichen Orbit hat.
(lt. Wikipedia immerhin 10km/s)
Sollten sich denn nicht alle Objekte auf einem Orbit mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen?
Wo ist mein Denkfehler?"

Also

Es geht immer um Relativgeschwindigkeiten: Die Absolutgeschwindigkeit zur Erde ist belanglos, was mich auch immer ärgert bei Kommentaren zu EVA (Extravehicular Activity) "Der Astronaut bewegt sich mit 28000 km/h um die Erde" - Ja aber relativ zur Raumstation bewegt er sich vielleicht mit einigen Zentimetern pro Sekunde.

Wie schon in einer Vorabantwort bemerkt: Die hohen Geschwindigkeiten kommen durch die unterschiedlichen Bahnneigungen von Satelliten. Oder zum Berechnen:

v = v abs * 2 * sin(Winkel/2)

für zwei Objekte auf Kreisbahnen mit derselben Geschwindigkeit vabs. Bei einem Winkel von 0 Grad ist die Geschwindigkeit natürlich 0. Wie die Grafik links verrät, nimmt die relative Geschwindigkeit immer weiter zu, bis sie bei 180 Grad ein Maximum (doppelte Bahngeschwindigkeit) erreicht um dann wieder abzunehmen. 360 Grad entsprechen einer vollen Drehung also dem Winkel 0 Grad. Das "Worst Case" Szenario von 180 Grad winkeln kann durchaus vorkommen, wenn z.B. ein von Vandenberg gestarteter Satellit in den sonnensynchronen Orbit auf einen von Plessezk aus gestarteten trifft: Bei nahezu gleicher Bahnneigung finden Starts von Vandenberg aus in Nord-Südrichtung statt und von Plessezk aus von Süden nach Norden.

Elliptische Umlaufbahnen können noch etwas mehr bringen, da die Geschwindigkeit noch höher ist. Allerdings gibt es wenige Satelliten in elliptischen Umlaufbahnen. Sie ist meist nur ein Übergangsorbit zwischen zwei Kreisbahnen.

Verursacher des Weltraummülls sind viele Nationen. Bei einigen Raketen und Ländern ist man bestrebt den Müll zu vermeiden, so achtet Europa z.b. darauf, dass die EPC der Ariane 5 keinen Orbit erreicht (das ATV hätte man auch nur mit der EPC starten können) und man bei den Oberstufen darauf achtet, dass diese so schnell wie möglich verglühen. entweder indem man sie deorbitiert (wie beim ATV Start geschehen) oder indem man den Resttreibstoff gegen die Flugrichtung ablässt, um das Perigäum abzusenken.

Die Oberstufen der meisten Träger Russlands und aller chinesischen Träger kennen solche Passivierungsmethoden nicht, dann kann nach Monaten oder Jahren eine Tankwand reißen und die Oberstufe in Tausende von Teilen zersprengt werden wenn der Resttreibstoff explodiert.

Aber auch die USA sind nicht ganz unschuldig: Die Feststoffantriebe der Delta 2 PAM-D hinterlassen entlang ihrer Flugbahn eine Spur von Aluminiumoxidpartikeln von Sandkorngröße bis Zentimetergröße die zumindest optische Oberflächen stark beschädigen können und durch die Zerstörung eines Spionagesatelliten ist auch viel neuer Müll entstanden.

Für den Schaden findet man oft richtig sinnige Angaben wie "Das entspricht dem Aufprall eines VW Käfer mit x km". Das ist natürlich völliger Blödsinn, weil der Schaden neben den (unterschiedlichen) Materialeigenschaften und Form von der Größe des Partikels abhängt. Ich will daher einmal einen Vergleich mit einem Geschoss machen. Nach der Wikipedia hat ein Geschoss des Kaliber 7.92 mm x 57 mm - Die Patrone des recht weit verbreiteten Karabiners 98K - eine Energie von 3600-4100 J

Die häufigsten Partikel, die bei Hubbles Orbit von 28.45 Grad Bahnneigung auftreffen dürften stammen wahrscheinlich von sonnensynchronen Satelliten mit einer Inklination von etwa 98 Grad. Bei einem Differenzwinkel von 70 Grad und 7600 m/s typischer Kreisbahngeschwindigkeit hat ein Partikel dann eine relative Geschwindigkeit von 8.7 km/s. Nach

E=½ mv²

entsprechen 4100 J bei 8700 m/s Aufprallgeschwindigkeit einem Gewicht von nur 0.11 g (Die Gewehrpatrone wiegt 8.1 bis 14.26 g und wird bei 750-795 m/s verschossen)

0.11 g, das ist ein massives Aluminiumteilchen von 0.34 cm Größe (Quader).

In Wirklichkeit ist es Gott sei dank nicht so schlimm, und zwar deswegen weil in der Raumfahrt Leichtbauweise vorherrscht. Trümmer der Strukturen von Satelliten sind nicht massive Teile. Selbst tragende Strukturen bestehen aus hohlen Strukturen in Sandwich oder Honigwabenbauweise. Gegen diese kann man sich bedingt schützen. Das ATV hat z.B. einen klassischen Mikrometeoritenschutzschild, der auch gegen Weltraummüll schützt: Hinter einer Aluminiumplatte ist ein Zwischenraum und dann folgt ein Auffanggwebe aus Nextel und Kevlar. Ein nicht massives Teilchen wird bei dem Passieren der Platte zusammengedrückt und zerplatzt dann, wenn der Druck beim Passieren nachlässt. Die viel kleineren Stücke können dann von der Kevlar/Nextel Schicht aufgefangen werden: Kevlar wird auch für kugelsichere Westen eingesetzt und Nextel ist ein extrem dichtes Gewebe, ähnlich Wildleder, das auch kleinste Teilchen auffängt (mehr darüber in dem bald erscheinenden Buch über das ATV).

Nun zur Anschlussfrage von "der K.":

"Was mich beim diesbezüglichen SPIEGEL ONLINE Artikel heute wunderte, ist, dass die NASA angeblich mit einer Wahrscheinlichkeit eines Totalverlusts der Atlantis von 1:60 rechnet, jedoch nur mit einer Trefferwahrscheinlichkeit durch einen Mikrometeoriten von 1:185. Vermutet hätte ich hingegen, dass die Trefferwahrscheinlichkeit wesentlich höher liegt als die eines Totalverlusts.

Abgesehen davon wundern mich diese Werte. Ist es nicht erstaunlich, dass die NASA eine viele Millionen Dollar teure Raumfähre und 7 hochqualifizierte US-Amerikaner ins All schickt, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Totalverlusts bei 1:60 liegt?"

Es empfiehlt sich IMMER Originalquellen zu konsultieren und nicht Spiegel oder andere Sekundärquellen. Also erst mal zur Originalquelle: Da findet man mehrere Interessante Dinge: Die Trefferwahrscheinlichkeit ist mit 1/185 höher als bei ISS Missionen (1//300). Das ist einfach zu erklären: Schrott wird noch besser abgebremst als Satelliten, da das Oberflächen zu Volumen Verhältnis größer ist. Es gibt daher mehr Schrott in höheren Umlaufbahnen als in tieferen, weil er dort schneller verglüht. Das Maximum wird zwischen 800-1200 km erreicht, weil kaum Satelliten kreisförmige höhere Umlaufbahnen haben (vom Schrott in geostationärer Umlaufbahn weiß man relativ wenig, weil es schwierig ist mit Radar in diesen Entfernungen kleinste Teilchen zu orten).

Das Risiko ist so gering weil das Shuttle nur ein paar Tage im Orbit ist. Die ISS selbst ist schon einige Male getroffen worden. Ein Treffen heißt aber keinen Totalverlust des Shuttles. Getroffen werden kann das Shuttle eigentlich nur von kleinen Teilchen, die Bahnen der großen sind alle bekannt und ein kleines Teilchen kann das Shuttle nur stark beschädigen wenn es bestimmte Systeme trifft. Eine durchlöcherte Tragfläche oder ein Loch im Nutzlastraum macht wenig aus, aber ein Treffen der Kabine oder der Treibstoftanks schon./p>

ZZum Verlustrisiko ist es vielleicht besser die originale Aussage zu lesen:

"Overall, NASA uts the odds of a catastrophic loss of a space shuttle during a mission at about 1-in-80. Shannon noted that history has shown the odds to be about 1-in-60."

KKurzum: Shannon teilt nur die Anzahl der geflogenen Missionen durch die beiden verlorenen Shuttles. Die Zahl der NASA ist eine Berechnung. Statistik ist geduldig, wie auch NASA Administrator Griffin in einem Interview sagte:

"Q: You decided early on to have a second shuttle ready to take off on a rescue mission if something happened to the Hubble crew's orbiter. In hindsight, now that you have tested heat shield inspection and repair techniques in hand, was that overkill? Do you really need that capability?
Griffin: Statistically speaking, even then, we knew and I knew that it is not necessary. In fact, the odds that we have are higher than 1-in-400. So 1-in-400 and some that we would have a problem on the Hubble shuttle that another shuttle could save you from, whereas the overall odds on the loss of crew on the shuttle are something like 1-in-75 to 1-in-80 is our best estimate currently. If you were to launch 400 and some Hubble missions, once in every six failures would be a failure that the rescue shuttle could save you from. You with me on that? OK, so that's what the statistics mean."

Oder verglichen mit älteren Zahlen, zum Biespiel diesen: "In 1995, a detailed NASA study by Science Applications International Corporation put the chance of a catastrophe during the ascent at 1 in 248. The risk for the whole flight was judged to be 1 in 145." ist das Space Shuttle durch die Sicherheitsmaßnahmen nach Columbia offensichtlich wesentlich unsicherer geworden.

Passend zum Thema mal wieder ein Musiktipp:

Donnerstag 11.9.2008: Ein Grund warum das Space Shuttle so teuer ist...

... offenbarte uns vor einigen Tagen Wayne Hale, heute stellvertretender Chef für strategische Partnerschaften bei der NASA, vorher Leiter des Space Shuttle Programmes (unter anderem auch während der STS-107 Mission die so tragisch endete). Ich rate die Originalquelle zu lesen, auf die ich mich beziehe.

Er verdeutlicht die Problematik, die man jetzt hat, wenn man die Entscheidung das Space Shuttle auszumustern revidieren will: Die NASA hat diesen Auftrag 2004 von Bush bekommen, geplant wie viele Shuttle Flüge sie noch braucht und dann Bestellungen für Ersatzteile und Verbrauchsmaterialen (ET, Reifen, aber auch viele Kleinteile) geordert und dann die Verträge mit Zulieferern beendet. Was machen die Zulieferer? Sie entlassen die Spezialisten oder verschrotten Spezialwerkzeuge oder Maschinen. Das können kleine Anlagen sein, das kann wie im Falle des ET eine ganze Fabrikhalle sein.

Wenn man nun diese Entscheidung nach 4 Jahren revidiert was passiert? Es wird zum einen teurer, weil man nun praktisch für eine Wiederaufnahme bezahlen muss. Die NASA rechnet mit 4 Milliarden Dollar pro Jahr, wie Griffin in einem Interview sagte. Trotzdem ist es schwierig einen Zeitplan noch einzuhalten. Man bekommt nun vielleicht keine Spezialteile mehr und muss nach Alternativen suchen, diese müssen bei einem bemannten Raumfahrtgerät aber erst "zertifiziert" werden, das bedeutet, eine genaue Analyse muss folgen, ob das neue Teile das alte ersetzen kann, welche Einflüsse es auf das Gesamtsystem oder die Sicherheit hat.

Dir Grundproblematik ist nicht Space Shuttle spezifisch. Sie kommt praktisch bei allen Produkten vor, die in kleinen Serien gebaut werden und dann sehr lange im Einsatz bleiben. Vergleichbar sind z.B. damit Kampfflugzeuge. Die Bundeswehr setzt (noch) Phantom Jagdflugzeuge ein. Bis 1981 wurden diese produziert. 30 Jahre später wird sie die Bundeswehr ausmustern. Wie löst man das Problem der Wartung und der Ersatzteile? Meistens so, dass man einen genügenden Posten davon kauft und einlagert. Beim Militär achtet man auch darauf, dass die eigenen Mechaniker und Ingenieure fähig sind, das Equipment selbst zu warten. Auch weil man im Einsatzfall schlecht die Ausrüstung zum Hersteller schicken kann.

Die NASA hat eine andere Politik, gegen die sich Wernher von Braun wandte: Man vergibt Aufträge an die Industrie und übernimmt dann die Produkte. Beim Space Shuttle hat man in den neunziger Jahren dann auch noch begonnen die Wartung an die Industrie auszulagern. Die Folge: Die NASA hat heute nicht mehr die Kompetenz das Space Shuttle selbst flugfähig zu halten. Sie schließt daher Verträge ab mit Firmen: Kleineren die ein kleines Bauteil oder eine besondere Schraube produzieren und größere mit den Herstellern der SRB, des ET oder der Triebwerke. Die NASA zahlt nicht nur für die Abnahme von Bauteilen, sie bezahlt dafür diese jederzeit ordern zu können, auch wenn der Hersteller sie seit Jahrzehnten nicht mehr herstellt. Und sie bezahlt dafür dass ein Spezialist von der Firma verfügbar ist wenn es Probleme mit dem Teil gibt. Am deutlichsten wird die Problematik dies sich daraus ergibt, dies bei elektronischen Bauteilen: Die ursprünglichen Space Shuttle Rechner verwandten Ringkernspeicher - die gängige Speicherform, als es 1972 in die Planung ging. Schon in den achtzigern fand man den Speicher nur noch im Museum und man ersetzte sie 1988 durch neue mit Halbleiterspeichern. Im günstigsten Fall verwenden die im Shuttle verbauten Computer also die Speicherchips von 1988 (wahrscheinlich eher eine oder zwei Generationen vorher). Das ist ein 256 KBit Chip. Wo bekommt man einen solchen heute her?

Diese Problematik haben natürlich auch andere Hersteller. Arianes Bordcomputer nutzt einen weltraumtauglichen 68020 Prozessor, das ist in etwa die Rechenleistung die 1988 in einem PC steckte. Die Lösung ist nach und nach Teile zu ersetzen, oftmals auch um die Leistung zu verbessern. Ariane 5 wird den Vega Bordcomputer bekommen, mit 10 mal mehr Leistung. In der VEB wurde Gewicht durch den Einsatz von Kohlefaser verstärktem Kunststoff eingespart und neue Boosterverbindungen machte diese leichter und verbilligten die Produktion.

Die Space Shuttle Problematik liegt in zwei Dingen:

Wenn bei Ariane 5 etwas geändert wird, dann fließt dies in die Produktion ein und diese wird billiger für die nächsten Exemplare oder die Nutzlast steigt. Beides sind Ziele von Arianespace die auch mit anderen Mitteln (höhere Stückzahlen) erreicht werden sollen. Immerhin sank der Preis von 23000 auf 13000 Euro/Kilo in den GTO Orbit verglichen mit der ersten Version.

Das Space Shuttle wird dagegen permanent teurer. Warum? Sicher liegt es auch an der Technik, aber es liegt auch an dem System. Dazu kommen zwei Faktoren an denen die NASA nun wirklich nicht schuld ist:

Ich halte das Ausmustern des Space Shuttles für keine schlechte Idee. Ihre Zeit ist gekommen. Der Fehler liegt woanders: Die Lücke von 5 Jahren die es zwischen dem Ausmustern und der Verfügbarkeit des nächsten Systems gibt. Konsequent wäre es gewesen dieses so schnell zu entwickeln und die Space Shuttles solange in Betrieb zu lasen bis Orion einsatzbereit ist. Warum tut man es nicht? Weil es eine politische Entscheidung ist. Orion geht erst ab 2010 in die Realisierung, obwohl seit 5 Jahren geplant wird. Apollo hat man noch in 6 Jahren entwickelt. Es gibt größere Finanzmittel aber erst durch das Ausmustern der Space Shuttles. So entsteht zwangsläufig eine Lücke.

Ist Orion die Lösung? Wenn man wirklich zum Mond will dann ja. Die Kapsel ist die einzige Lösung für Erdumlaufbahnen und Mondmissionen. Für eine Erdorbitmission denke ich wäre ein Mini-Shuttle besser. So wie beim CRV: Ein Shuttle nur für den Mannschaftstransport, entsprechend viel kleiner und kompakter als das Space Shuttle. Nur ausgelegt für kurze Flüge zur ISS und zurück. Es sollte wiederverwendbar sein, doch nicht 100 mal. 5-10 mal wäre ausreichend. Das resultiert die Fertigungskosten schon beträchtlich, reduziert aber auch die Anforderungen beträchtlich. Vor allem bedeutet es bei 2.-4 Flügen pro Jahr, dass man alle paar Jahre ein neues Exemplar bauen muss: Es gibt dann Gelegenheit es laufend an den technologischen Fortschritt anzupassen.

Ich glaube die Wartungskosten wären viel besser kalkulierbar und die Kosten des Systems wären beherrschbar. Eine Kapsel wird aufgrund der Sicherheitsanforderungen nicht billiger sein. Hier nur zwei Zahlen zur Verdeutlichung: Ein Ausbau des ATV mit einer Kapsel  um Fracht zurück zur Erde zurückzubringen soll 800-1000 Millionen Euro kosten. Die Erweiterung dieser Kapsel für bemannte Raumtransporte weitere 2-3 Milliarden. Das macht das Spannungsverhältnis deutlich. Die Kapsel existiert ja dann schon, sie ist qualifiziert für den Wiedereintritt. Es geht nur um mehr Sicherheit und ein Lebenserhaltungssystem. Das verdreifacht schon alleine die Entwicklungskosten. Aber man braucht dann einige Kapseln pro Jahr und so wird in der Summe Orion teurer werden als heute das Space Shuttle

Ich glaube derzeit ist aber in den USA ein solches System nicht machbar. Man will maximale Sicherheit und egal was das kostet.  Das ist schon erkennbar an der Wahl der Trägerrakete: Die US haben ja schon die Delta IV Heavy im Einsatz mit der Nutzlast die man braucht. Trotzdem entwickelt man mit der Ares I eine neue. Okay, die Delta IV Heavy mag mehr Fehlstarts aufweisen, doch dafür gibt es ja den Fluchtturm. Die Sojus ist ja auch nur eine "normale" Trägerrakete (und es gab mindestens zwei Fehlstarts mit Sojus Raumschiffen) und wenn Europa irgendwann eine bemannte Kapsel mit einer Ariane 5 startet, dann auch mit einer Rakete die zwar mal für Hermes konstruiert wurde, aber mittlerweile nicht mehr viel damit zu tun hat.

Amerikas Haltung ist derzeit eine Hasenfusstaktik, noch dazu eine inkonsequente, denn man startet ja nach wie vor Amerikaner mit Sojus Kapseln, obwohl die sicher nicht den Sicherheitsstandards genügen, welche die NASA gerne hätte.

Ach ja noch ein Musiktipp, passend zum Thema:

Das Video ist weitaus mieser als der Song.... Da machen heutige Lipsyncer ja bessere Videos.

Freitag 12.9.2008: Europas bemannter Raumzugang ohne die ISS

Heute widme ich mich mal einigen Kommentaren die es in en letzten Tagen auf dem Blog gab. Fangen wir an mit der Frage von Ronny:

Hallo Bernd!

Wie erfolgt eigentlich die Ausrichtung der Antennen von geostationären Satelliten? Die Antennen müssen schließlich ständig zur Erde zeigen. Meiner Meinung nach, müßte ein Körper im Orbit seine Lage während des Umlaufs beibehalten. Womit wird also sichergestellt, das immer die selbe Seite zur Erde zeigt?

Tschüß
Ronny

Nun ja, ich fand die Frage eigentlich ein bisschen zu trivial. Zumindest für meine Website, die sich an ein Publikum wendet, die mehr von Raumfahrt wissen oder wissen wollen, als sie in den Webseiten von DLR, ESA und NASA finden. (sozusagen Hardcore Raumfahrtanhänger). Aber ich will nicht unhöflich sein und die Frage damit beantworten, dass ich Ronny zum Nachdenken anrege, denn sie ist durch einfaches Nachdenken zu beantworten:

Nun zu Michel Van . Sein Kommentar ist ja ziemlich provokativ. Das ist okay, das mache ich dauernd. Aber ein paar Korrekturen:

Zuletzt zu Martin Mainka und seinem Kommentar zu unbemannten Raumstationen. Ich will das mal aufgreifen für einen Vergleich. Nehmen wir mal an. Europa würde heute beschließen aus der ISS auszusteigen und ein eigenes Raumfahrtprogramm durchführen.  Es sollte so wenig kosten wie möglich, das heißt auf schon entwickelter Technologie aufbauen.

Idee 1: Bemannt

Das erfordert einen Nachbau von Columbus, nur mit zwei russischen Kopplungsadapter des passiven Typs. Anders als mit dem Space Shuttle könnte eine Ariane 5 dieses voll ausgestattet starten.

Das zweite wäre ein Lebenserhaltungssystem, Wohn- und Hygieneraum für die Astronauten und die Stromversorgung. Das kann ein ATV leisten, der umgebaut ist. Das Servicemodul kann unverändert bleiben. Anstatt dem ICC sollte ein umgebautes MPLM mitgeführt werden. Es bietet den Wohnraum, enthält das Lebenserhaltungssystem und mit einem ausfahrbaren Solarzellenauslegen und Batterien die Stromversorgung.

Das Service Module wiegt 5 t leer. Bei einer Startmasse von maximal 20.7 t kann man so ohne Problem ein 14 t großes Wohnmodul mitführen, das genug Platz für 2 Astronauten bietet. Dieses ATV hat einen Tunnel für den Durchgang zum Heck, wo ein zweiter Dockingadapter ist. Dort kann dann ein zweites ATV andocken.

Die Besatzung dockt auf der anderen Seite von Columbus 2 mit einer Sojus an. Bei einer Zweierbesatzung (für mehr ist nicht Platz auf der Station) gibt es noch genügend Raum um Proben zurück zur Erde zu bringen. Fracht wird von einem normalen ATV gebracht, das auf der Rückseite des umgebauten ATV andockt. Mindestens einer wird vor dem ersten Start einer Besatzung gebraucht um Basisvorräte an Wasser, Nahrung und Luft zu bringen und die Lageregelung der Station durchzuführen.

Folgekosten:

Mindestens zwei Sojus Starts pro Jahr. Kosten unbekannt (Russland verlangt von der NASA 21.8 Millionen Dollar pro Sitzplatz, das wären 65.4 Millionen pro Kapsel bei 3 Sitzplätzen, doch da Russland immer auch ihre eigenen Astronauten transportiert, kann dieser Preis nicht als kostendeckend angesehen werden). Kalkuliert man 75 Millionen Euro pro Start so entsprechen zwei Flüge pro Jahr 150 Millionen Euro.

Nachschubbedarf: 14 kg pro Person und Tag. Das sind bei zwei Astronauten 10.2 Tonnen pro Jahr. Dazu kommt noch Treibstoff zur Anhebung der Station um Bei 50 m/s pro Jahr sind dies bei durchschnittlich 70 t im Orbit weitere 1200 kg. Das entspricht bei 7500 kg Zuladung eines ATV ziemlich genau 1.5 Flügen pro Jahr, von denen ein jeder 350 Millionen Dollar kostet. Wir Reden also von Folgekosten von 675 Millionen Dollar pro Jahr. (525 Millionen ATV, 150 Millionen Sojus).

Optimierungen: Wie die unbemannte Raumstation kann man die Station in einen 600 km hohen 7 Grad geneigten Orbit bringen. Gegenüber der ISS Bahn, die vorgegeben ist durch die Starts aus Russland hat diese einige Vorteile: Durch die Bahnhöhe praktisch kein Treibstoffverbrauch für Bahnanhebungen. 50 % Kommunikationsabdeckung dadurch ESA Bodenstationen und 300 m/s geringerer Geschwindigkeitsbedarf bei Modulen und 200 m/s bei Raumfahrzeugen die zur Erde zurückkehren müssen (entsprechend 7 % bzw. 11 % mehr Nutzlast).

Idee 2: Unbemannt

Auch hier startet man ein umgebautes Columbus Labor, doch eben mit mehreren Roboterarmen zur Steuerung und Solarpanels zur Stromversorgung. Das ATV mit dem Wohnraum kann entfallen. Ebenso braucht man kein ATV für die Versorgung, wenn man es in eine höhere Umlaufbahn transportiert. Das ist kein Problem wenn man es von Kourou aus startet. Anstatt 52 Grad Bahnneigung wie bei der ISS kann man die Station auch in eine äquatoriale Bahn von 600 km Höhe bringen, die über 10 Jahre stabil ist. Starts der Sojus fänden dann auch von Korou aus statt.

Folgekosten:

Will man Werkstoffproben zurück zur Erde bringen, so braucht man regelmäßige Sojus Starts die neuen Werkstoffe hochbringen und alte zurückbringen. Auch hier sollen zwei Starts pro Jahr angesetzt sein für 150 Millionen Euro

Einsparungen beim Bau: Zwei Starts eines ATV mit Wohnmodul und eines normalen ATV zur Versorgung, Im Unterhalt spart man sich die beiden ATV Starts ein. Das reduziert die Unterhaltskosten von 675 auf 150 Millionen Dollar also auf ein Viertel.

Das ganze zeigt auch die Grundproblematik der bemannten Raumfahrt: Selbst wenn die Labors in der Herstellung vergleichbar mit unbemannten Modellen ist: Die Forderung nach Versorgungsgütern erfordert enorme Mengen an Gütern die transportiert werden müssen. Da jeder Transporter nur etwa ein Drittel seines Gewichts als Nutzlast transportiert und selbst auch nicht gerade billig ist resultieren daraus enorme Kosten. Die ISS wird schließlich mit etwa 1.5-2 Milliarden Dollar Unterhalt pro Jahr budgetiert.

Wozu bemannte Raumfahrt? Martin, es gibt keine Forschung die man bemannt machen müsste. Von den Forschungsgebieten die mal für das Spacelab propagiert wurden wie Werkstoffwissenschaften oder Biowissenschaften haben sich längst von der bemannten Raumfahrt verabschiedet. Zum einen gab es nicht die Durchbrüche wie Wunderlegierungen und zum anderen stellte man fest dass die meisten Experimente auch gut in Forschungsraketen und unbemannten Foton Kapseln funktionieren. Was übrig bleibt ist medizinische Forschung am Menschen die im Endeffekt darauf hinausläuft die Folgen der Schwerelosigkeit zu minimieren und die Aufenthaltsdauer in der Schwerelosigkeit zu verlängern: Da beißt sich die Katze in den Schwanz: Würde man nicht ins Weltall gehen, so bräuchte man auch die ganze Forschung nicht.


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