Bernd Leitenbergers Blog

Ich möchte mich heute mal mit der Möglichkeit eines Ionenantriebs für eine Marsexpedition befassen. Zuerst einmal warum? Nun es gibt einige Gründe dafür. Das erste ist der Zeitplan einer Marsexpedition. Sie besteht aus mehreren Teilen. Welche das hängt von dem genauen Design ab. Aber so könnte eine konventionelle Planung aussehen:

• Ein Flug bringt das Marshabitat (die Behausung und das Labor für den Marsaufenthalt) zum Mars. Es landet direkt ohne vorher in eine Umlaufbahn einzutreten.
• Ein Flug bringt die Kapsel für die Landung auf der Erde, aber auch zum Verlassen des Mars mit einer Raketenstufe zum Mars. Auch hier ist eine direkte Landung möglich
• Ein Flug beinhaltet den Transfer der Besatzung zum Mars und zurück zur Erde. Dazu benötigt man eine ausreichend große Behausung sowie eine Raketenstufe zum Abbremsen in den Marsorbit und Rückstart zur Erde.

Das ist das Minimum das benötigt wird. Insbesondere der letzte Flug benötigt viel Treibstoff, sodass er eventuell zwei Flüge ausmacht (Raketenstufe + Landekapsel und Station). Ein weitere Flug kann nötig werden für die sperrige Ausrüstung wie Fahrzeuge, Bohrer, sowie für Vorräte (Wasser, Gase etc.). Das sind 3-5 Flüge einer Schwelastrakete. Je nach Plan liegen so die Transportmengen in eine Erdumlaufbahn zwischen 615 und 1000 t.

Das meiste davon ist bei einer chemischen Stufe Treibstoff. Eines Ares V transportiert z.b. 187,7 t eine Erdumlaufbahn. Beschleunigt auf 11.500 m/s sind es noch 67 t. Ionentriebwerke können die Nutzlast gravierend erhöhen. Das ist der erste Grund. Ein zweiter ist genauso wichtig: Die Starts können zeitlich entzerrt werden. Selbst wenn die Hälfte der Starts ein Startfenster vorher erfolgen (schon alleine anzuraten, um ein funktionierendes Labor auf der Marsoberfläche zu haben), so müssen doch 2-3 Starts in einem Startfenster von 4-6 Wochen Dauer durchgeführt werden. Bei einem Ionenantrieb kann zuerst die Erdumlaufbahn verlasen werden und dann, wenn der Zeitpunkt für die Opposition gekommen ist zum Mars aufgebrochen werden. Da der Antrieb sowieso über Monate arbeitet machen einige Wochen Pause nichts aus – der Treibstoff kann auch nicht wie flüssiger Wasserstoff verdampfen.

Doch nun zur Berechnung. Bei kurzer Betriebsdauer wäre sogar der bemannte Flug mit Ionentriebwerken durchführbar. Allerdings – das wird dieser Artikel zeigen, wird es problematisch werden, die benötigte kurze Reisezeit zu erreichen, da ein zu langer Aufenthalt im irdischen Strahlungsgürtel nicht erwünscht ist.

Ich nehme mal an es wird die Ares V eingesetzt. Ihre Nutzlasthülle hat 10 m Durchmesser, davon sind 9 m nutzbar. Zuerst einmal wie viele Ionentriebwerke sind da möglich? Das RIT-22 Triebwerk hat einen Durchmesser von 30 cm. Rechnet man noch 1/3 der Fläche für Zwischenräume ab, So können 675 Triebwerke mit einer Leistung von 101,25 N und einem Stromverbrauch von 3.375 MW installiert werden. Größere Triebwerke bringen keinen Vorteil, da bei Ionentriebwerken der Schub von der Austrittsfläche abhängig sind. Eine Verbesserung ist der Einsatz einer weiteren Beschleunigungsstufe, wie experimentell beim DS4G erprobt. Dann kann ein Triebwerk mit derselben Austrittsgröße 2,5 N anstatt 0,15 N Schub erzeugen, bei einem Stromverbrauch von 250 anstatt 5 kW. Der Platz reicht also für Ionentriebwerke vollkommen aus.

Problematisch wird es aber den Strom zu erzeugen. Auch hier: Ausgangsbasis bestehende Technologie. Erreicht wurden hier 180 W/kg. Doch problematischer ist das Volumen. Das Solararray der Raumsonde Dawn besteht aus 10 Panels von 2,2 x 1,6 m Größe. Bei 2 cm Dicke zeigt sich bald, dass hier die Größe limitiert ist. Die Ares könnte 6 x 6 m große Panels transportieren. Davon 300 Stück pro Doppelflügel. Das ist eine Fläche von 10.800 m², die rund 3,16 MW liefern. Zwei Doppelflügel dann 6,32 MW. Das reicht für die herkömmlichen Ionentriebwerke, jedoch nicht für den Strombedarf von Ionnetriebwerken des Typs DS4G. Zudem steigt dann auch das Gewicht rapide an. Experimentell sind aber schon Energiedichten von 300 W/m² erreicht worden. 1000 W/kg sollen in einigen Jahrzehnten (vorher findet sowieso kein Start zum Mars statt möglich sein)

Ein Rechenbeispiel:

erreicht soll eine Geschwindigkeit von 8 km/s werden ( 4 km/s solar, 4 km/s Fluchtgeschwindigkeit von der Erdumlaufbahn aus). Daraus ergeben sich aus den obigen Zahlen folgende Parameter:

• Startgewicht: 187,7  (Ares V Referenz)
• Treibstoff: 31,2 t
• Tanks: 3,2 t (10 % der Treibstoffmasse)
• Triebwerke:  4,8 t (675 x 7 kg, RIT-XT)
• Struktur: 4,8 t (100 % der Triebwerksmasse)
• Solararrays:20 t (3,6 MW mit 10 % Overhead)
• Nutzlast: 123,7 t (Vergleich: chemisch 67 t)

Bei einem Betrieb von 80.000 s am Tag ist ein Betrieb über 170 Tagen nötig, jeweils zur Hälfte in der Erdumlaufbahn und in der Sonnenumlaufbahn. Das ist ein durchaus akzeptabler Zusatzaufwand, selbst wenn 80.000 s pro Tag recht optimistisch sind. Bei rund 730 Tagen zwischen zwei Startfenstern ist der Zeitaufwand auf keinen Fall missionskritisch.

Für bemannte Missionen mag es wünschenswert sein die Betriebszeit zu minimieren. Setzt man vier Doppelflügel und das DS4G ein, so resultieren folgende Randparameter:

• Startgewicht: 187,7  (Ares V Referenz)
• Treibstoff: 7,8 t
• Tanks: 0,8 t (10 % der Treibstoffmasse)
• Triebwerke:  1,2 t (52 Stück, Gewicht zu 20 kg/Stück geschätzt)
• Struktur: 1,2 t (100 % der Triebwerksmasse)
• Solararrays: 70,4 t (12,64 MW)
• Nutzlast: 106,3 t (Vergleich: chemisch 67 t)

Leider beträgt auch hier die Reisezeit 148 Tage – der hohe spezifische Impuls macht einen viel höheren Stromverbrauch notwendig um den Schub zu erzeugen. Der Nutzen liegt hier eher darin, dass auch beim Mars in eine Umlaufbahn eingebremst werden muss und dann erneut zur Erde beschleunigt: Hier bringen Ionentriebwerke bedeutende Gewichtseinsparungen allerdings verbunden mit einer längeren Zeit in der interplanetaren Umlaufbahn und bei der erde im Strahlungsgürtel (dies ist jedoch beim Start nicht so kritisch, da hier noch die Wasservorräte voll sind und so die Besatzung bei der Passage in Schutzräumen innerhalb der Wassertanks sich aufhalten könnte – unbequem aber nicht gefährlich.

Nun welches Lied passt zu dem Artikel? Mir fällt da natürlich Major Tom ein. Aber da es ja was persönliches sein soll: Für David Bowies “Major Tom” bin ich zu jung. Aber ich erinnere mich noch an die deutsche Version aus der Zeit der neuen deutschen Welle. Es war damals eines meiner Lieblingslieder und ich war auch ziemlich stolz darauf, dass Peter Schilling damit auch in den USA erfolgreich war. Peter Schilling verfasste noch einige Lieder mehr, die aber mehr und mehr untergingen, wohl auch weil sie zu “ökologisch” waren wie Terra Titanic. Schade. Nur eines nehme ich ihm nicht ab: Das er sich nicht von Bowie hat inspirieren lassen. Eigener aussage zufolge soll er “Major Tom” von Bowie nicht kennen….

Ansonsten noch was lustiges/ärgerliches. Ich habe mir mal über meinen Buchhändler das Gemini Buch und ATV Buch bestellt. Gestern war das Gemini Buch da, ich schlage es auf – und finde einen anderen BOD Titel über Strahlenterror. Ich habe es dann gleich zurückgegeben. Mal sehen was im ATV Buch drin ist… aber ärgerlich ist das schon. So was sollte nicht passieren. Hat irgendwer mal von mir ein Buch bekommen, bei dem was anderes drin war? Schließlich ist ja mein Motto “Wo Bernd Leitenberger drauf steht ist auch Bernd Leitenberger drin”