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Immer wieder gibt es an mich bestimmte Fragen, die ich hier einmal gebündelt beantworte.
Eine beliebte Frage, aber eine schwer zu beantwortende. In unserem Alltag messen wir meist die Temperatur eines Mediums, seltener die Oberflächentemperatur. Im Weltraum gibt es aber kein Medium. Die Oberflächentemperatur ist aber sehr stark von dem Material abhängig. Wir kennen das auch auf der Erde : Eine Asphaltstraße heizt sich im Sommer stärker auf als helle Platten aus Sandstein. Jede Temperaturangabe kann sich also nur auf ein Material beziehen. Weiterhin muss auch genügend Zeit sein, damit das Material die Gleichgewichtstemperatur erreicht, d.h. soviel Energie abgestrahlt wie aufgenommen wird.
Bei dem Mond ist dies zum Beispiel gegeben. Ein Mondtag dauert etwa 14 irdische Tage und die dunkle Lava absorbiert viel Sonnenstrahlung und heizt sich auf etwa 120 Grad Celsius auf. Doch schon in einem halben Meter Tiefe herrscht eine gleichmäßige Temperatur von etwa -10 Grad Celsius. Bei Satelliten ist die Oberflächentemperatur ebenfalls vom Material abhängig. man wählt dieses meist so, dass im inneren Zimmertemperaturen herrschen.
Die von der Sonne abgewandte Seite wird gerne zum Abführen überschüssiger Energie benutzt. Hier ist ein Satellit dem Weltraum ausgesetzt der eine Temperatur von 3 K hat. Erdnahe Satelliten überqueren bei jedem Umlauf auch die Nachtseite und kühlen dabei aus. Hier ist die Temperatur aber höher, weil die Erde Infrarotstrahlung ausstrahlt. Selbst der Mond kühlt während der 14 tage dauernden Mondnacht nur auf maximal -130 Grad Celsius ab.
Die mittlere Temperatur eines Körpers von der Albedo der Erde (d.h. den gleichen Reflexions- und Emissionseigenschaften wie die Erde) betrüge in Erdnähe -17 Grad Celsius. Das es bei uns deutlich wärmer ist, verdanken wir dem Treibhauseffekt unserer Atmosphäre.
Antwort von Radio Eriwan : Im Prinzip ja, aber....
Festplatten arbeiten indem ein Schreiblesekopf auf einem Luftpolster schwebt und von diesem auf Abstand von der Oberfläche gehalten wird. Winzige Unebenheiten (Staub) und der Verlust dieses Luftpolsters führen zum Headcrash: Der Kopf schlägt auf der Platte auf und beschädigt die Oberfläche. Der Bernoulli Effekt auf dem dies beruht, ist nicht abhängig von der Schwerkraft, sonst könnte man ja auch Festplatten auf der Erde nicht senkrecht einbauen. Früher waren Festplatten hermetisch verschlossen und hätten auf Satelliten eingesetzt werden können. Mittlerweile hat man eine kleine Öffnung im Gehäuse über die erst zuletzt bei der Produktion eine Atmosphäre zugegeben wird, und das Loch wird nur durch Klebestreifen oder ähnliches verschlossen. Derartige Konstruktionen sind luftdicht bis zu einem bestimmten Außendruck, aber in der Regel nicht luftdicht wenn außen ein Vakuum herrscht.
Auf der ISS sind schon Notebooks mit Festplatten im Einsatz. Dort herrscht aber auch eine normale Atmosphäre. Bei Satelliten ohne dicke Druckhülle ist es zu riskant. Ein kleiner Mikrometeorit, der andere Systeme kaum beschädigen könnte kann das Gehäuse perforieren und die Atmosphäre tritt aus. Die Folge wäre ein Ausfall der Festplatte. Weil inzwischen Systeme mit Flash Speichern sogar leichter als Festplatten sind, findet man heute Geräte mit FlasH Speicher als Festplattenersatz ähnlich wie ihr USB Speicherstick.
Im Zuge der Pläne der USA wieder zum Mond zurückzukehren taucht nun auch wieder der Begriff "man rated" aus, wenn es darum geht ob bestehende Triebwerke für einen zukünftigen Träger verwendet werden können, der Astronauten befördert. "man rated" ist schwer ins Deutsche zu übersetzen und wohl am besten zu übersetzen mit "Hinreichend Sicher für den Transport von Menschen".
Was dies genau technisch bedeutet ist schwer abzugrenzen. Der Begriff steht auch nicht für eine bestimmte Technologie. So wäre die Atlas D, welche die ersten Mercury Astronauten befördert heute sicher nicht mehr "man rated". Im Prinzip muss ein Trägersystem folgende Vorraussetzungen erfüllen:
Es muss ausreichend zuverlässig sein, so dass ein Unfall unwahrscheinlich ist. Wenn eine Rakete für den Satellitentransport eine Zuverlässigkeit von 97 % hat, dann reicht dies in der Regel. Es hat wenig Sinn Unsummen in höhere Sicherheit zu stecken, weil dies die Startkosten unverhältnismäßig steigert und zumeist auch die Nutzlast mindert. Für bemannte Flüge wäre ein höheres Sicherheitsniveau wünschenswert.
Es muss die Möglichkeit geben einen katastrophalen Unfall rechtzeitig vorherzusehen und die Besatzung in Sicherheit zu bringen. Ein gemeinsames Merkmal fast aller "man rated" Raketen ist dass es sehr viel mehr Messungen gibt um Störungen rechtzeitig zu erkennen. Ein Ausfall eines Triebwerks oder einen Brand kann man bevor er zu einer Explosion führt an Schwankungen von Parametern erkennen, wie Druck in den Leitungen, Temperaturen im Triebwerk oder Heck etc. Man kann dann eine Kapsel mit einem Fluchtturm abtrennen.
Bei alten Trägern wie der Sojus ist ein solcher Fluchtturm praktisch das einzige Unterscheidungsmerkmal zwischen einem "man rated" und einem nicht "man rated" Träger. Betrachtet man dies genauer, so war das Space Shuttle nie man rated. Denn es gab keine Möglichkeit das Shuttle bei einem Ausfall der Feststofftriebwerke abzutrennen oder auch nur einen Ausfall dieser rechtzeitig zu erkennen. Auch auf herab fallende Schaumstoffstücke welche den Verlust der Columbia verursachten kann man nicht reagieren. Denn das diese auf dem Shuttle aufschlugen wurde erst klar als man nach dem Start die Videoaufzeichnungen ansah.
Im wesentlichen ist Raumfahrt deswegen so teuer weil heute die meisten Satelliten Designerstücke sind. Es gibt Vorgaben was sie können müssen und welchen Bedingungen sie trotzen müssen. Natürlich machen die extremen Anforderungen (Belastungen beim Start, Arbeit im Vakuum bei großen Temperaturunterschieden und kosmischer Strahlung einen Satelliten teuer, aber im wesentlichen entstehen die Kosten weil jeder Satellit ein Einzelexemplar ist.
Es gibt Ausnahmen. Kommunikations- und Wettersatelliten werden in Kleinserien gefertigt und sind im Vergleich zu wissenschaftlichen Satelliten recht preiswert. Bei wissenschaftlichen Satelliten hat sich die Serienbauweise noch nicht durchgesetzt. Sie würde nur einen Sinn machen, wenn die Anforderungen ähnlich sind. Als der Space Shuttle noch preiswert flog erprobte man mit dem LDEF Satelliten einen aussetzbaren Instrumententräger der wiederverwendbar ist. Die steigenden Startkosten setzten dem ein Ende.
Die Startkosten sind heute auch der Grund warum man nicht mehr Sonden startet. Früher baute man Sonden doppelt oder in kleinen Serien, weil Starts preiswert waren. Mit abnehmender Startrate galt dies immer weniger. Dabei ist ein Nachbau relativ preiswert. So kostete die Entwicklung der Cluster Satelliten 460 MAU. Als man sie nachbaute und unter Cluster II startete kostete dies nur 214 MAU, obwohl man diesmal 67 MAU für den Starten musste. Das heißt der Nachbau kostete nur ein Drittel des Originalen. Diese Zahl ist typisch und man findet sie auch bei anderen Projekten. Da allerdings auch Start und Missionsdurchführung etwas kosten, ist die Ersparnis bei vielen Missionen nicht so groß. Lediglich bei sehr aufwendigen Missionen ist ein Nachbau sehr preiswert. Bei Viking wäre eine dritte Sonde für 15 % des Preises einer Sonde zu haben. Doch bei Viking fielen eben auch hohe Kosten für die Missionsüberwachung und Datenauswertung an. So startete man nur 2 Sonden. Heute sind Starts recht teuer. Bei einfachen Forschungssatelliten macht der Start ein Drittel der Gesamtkosten aus.
Eine der Legenden im Internet ist, dass die NASA für Millionen von Dollar einen Kugelschreiber entwickelte, der im Vakuum funktionierte, während die Russen das Problem mit einem Bleistift lösten.
Diese erfundene Geschichte begann mit der 5 Stunden Mission von Gemini 3. Die Astronauten hatten einen Exklusivvertrag mit dem "Live" Magazin und die Reporter dieses Magazins drängten die Astronauten dazu Gegenstände an Bord zu schmuggeln. um darüber exklusiv berichten zu können. So schmuggelte Grisson eine Reihe von Dingen an Bord, ein Sandwich, einen Diamantring und eine amerikanische Flagge, aber auch zwei japanische Bleistifte die jeweils 0.49 Dollar kosteten. Offizielles Schreibgerät war ebenfalls ein Bleistift, jedoch mit einem modifiziertem Gehäuse, damit die Astronauten mit ihren dicken Handschuhen ihn besser halten konnten. 34 dieser Stifte kosteten $4,382.50 Dollar, jeder einzelne also 128.88 $. Das gab natürlich Ärger und das Kongressmitglied John Wydler, vom Fourth District in New York fragte bei der NASA an, warum man soviel für die modifizierten Bleistifte zahlte, wenn doch auch billige Schreiber aus Japan mitgeführt wurden. Die NASA antwortete, dass die Kosten so hoch waren weil es eine kleine Auflage für das extra große Gehäuse gab. Der Schreibmechanismus wäre ein normaler für 1.75 $ gewesen. Die Bleistifte der Besatzung wären geschmuggelt gewesen und man hätte nicht mit ihnen geschrieben.
Mitte der sechziger Jahre entwickelte Paul Fisher von der Fisher Pen Company einen "Space Pen" auf eigene Kosten. Fisher wollte von der NASA Publicity, doch die verneinte dies und erklärte der Presse gegenüber, dass es mit Fisher Pen keinen Kontrakt über die Benützung von Schreibgeräten gäbe, auch wenn man erwäge den Fisher AG-7 Stift für Apollo einzusetzen. Der AG-7 war mit 4 $ sogar noch teurer als der "Space Pen" mit 1.98 $. Er wurde bei Apollo und Skylab als "Data Recording Pen" eingesetzt und so kam Paul Fisher zu seiner Publicity. Gezahlt hat die NASA aber für ihn nicht Millionen, sondern 4 $ pro Stift.
Verbrennt
eine Rakete Wasserstoff und Sauerstoff so ist das Abgas Wasserdampf - Man
sieht keine Abgaswolke, auch die Flamme ist idealweise farblos, auch wenn
sie meistens in einem Triebwerk durch Metallabtragung etwas gefärbt ist.
Daneben verglühen in dem Abgasstrom natürlich auch aufgewirbelte Partikel am
Boden, die meist dann eine rötliche Flamme ergeben. (Pflanzliches Material
wie Blätter, Pollen etc enthält Kalium das flammen rot färbt).
Ein Feststofftriebwerk produziert als "Abgas" Aluminiumoxid. Ein Mineral, das bald als feiner Staub ausfällt. Feststofftriebwerke ziehen daher eine Spur hinter sich her, wenn sie aufsteigen. Beim Space Shuttle sieht man dies sehr gut. Man kann durch die Spuren sogar die Neigmanöver des Space Shuttles verfolgen.
Triebwerke die Kerosin mit Sauerstoff verbrennen, tun dies immer mit einem Kerosinüberschuss. Kerosin ist Flugzeugbenzin, eine Mischung von Alkanen und Aromaten, am ehesten noch mit Dieselkraftstoff oder Heizöl zu vergleichen. Es passiert das gleiche wie bei einer schlecht eingestellten Hausfeuerung: Durch den Überschuss an Kerosin russt es, und die Raketen ziehen eine schwarze Russspur hinter sich her. dies sieht man deutlich beim Start einer Saturn V Trägerrakete. Zumeist ist die Flamme aber gelb gefärbt durch Beimengungen an anderen Elementen oder unvollständigen Verbrennungen.
Triebwerke die Stickstofftetroxid mit Hydrazinderivaten verbrennen produzieren wie bei Wasserstoff/Sauerstoff nur gasförmige Abgase. (Stickstoff, Wasser, Stickoxide) Doch sie müssen gezündet werden. Diese Treibstoffkombination ist selbstentzündlich Damit dies reibungslos geht, und es nicht zu einem explosiven Gemisch führt, öffnet man zuerst das Ventil eines Treibstoffes und dann das des anderen. Von beiden Treibstoffen ist Stickstofftetroxid etwa 10 mal preiswerter als Hydrazin, also legt man dieses vor. Stickstofftetroxid ist jedoch bei schon 28 Grad Celsius keine Flüssigkeit mehr, sondern ein Gas. Durch die Hitze beim Start und in der Umgebung verdampft es daher. Reines Stickstofftetroxid hat eine rotbraune Farbe und eine rotbraune Wolke sieht man dann beim Start der Rakete.
Bei dem Bild links eines Titan 2-G Starts sieht man die Wolke aus Stickstofftetroxid beim Raketenstart.
Um die Saturn V ranken sich einige Mythen, immer wieder hört man, man könnte die Rakete heute nicht mehr nachbauen, weil man nicht mehr über die Baupläne und Blaupausen verfügt. Dem ist nicht so. Man erwog zeitweise eine Schwerlastrakete zu bauen um für SDI Nutzlasten zu starten und einer der Vorschläge für diese war auch die Saturn Hardware einzusetzen. Damals (1991) sagte Rocketdyne, das man ohne Probleme die F-1 Triebwerke erneut nachbauen könnte und für die neuen Trägerraketen Ares I+V will man das J-2X ein aus dem J-2 entwickeltes Triebwerk dessen Erprobung schon vor 40 Jahren abgeschlossen wurde einsetzen.
Be der Saturn V ist die Aussage das man noch alle Unterlagen hat relativ gesichert, weil sie vollständig am Marshall Space Flight Center (MFSC) entwickelt und gebaut wurde. Später ging die NASA dazu über die Entwicklung der Industrie zu übertragen (Die wollte das auch bei der Saturn V, doch Wernher von Braun, der das know How im eigenen Haus halten wollte wehrte sich vehement dagegen, so wurden die Saturn Trägerraketen im MFSC entwickelt und die ersten Exemplare auch dort gebaut.) Ein Auftragnehmer hat jedoch nicht die generelle Pflicht alle unterlagen an die NASA zu übergeben oder diese selbst unendlich lange zu archivieren. So dürfte es eher unwahrscheinlich sein, dass man in 20 Jahren das Space Shuttle wird nachbauen können.
Die
Frage ist aber auch: Nützen die Baupläne so viel? Es gab nicht in den
letzten 40 Jahren die große Revolution im Raketenbau, jedoch eine gewisse
Evolution und vieles was in den sechziger Jahren ganz neu war ist heute völlig
veraltet wie zum Beispiel. Schweißtechniken und Materialen. Composite
Materialen wie Graphitepoxidkunststoffe waren bei der Entwicklung der Saturn
V unbekannt, heute bestehen strukturell beanspruchte Teile aus diesem
Material anstatt aus Edelstahl und es gibt nun sogar große Feststoffbooster
aus C-C Werkstoffen wie die Booster der Atlas V und die erste Stufe der
Vega. Die Tanks der Saturn V bestanden aus der Aluminiumlegierung 2219. Beim
Super Lightweight Tank des Space Shuttles benutzte man die Legierung 2195,
welche die Masse um 25 % reduzierte.
Es macht nur begrenzten Sinn die gesamte Rakete nachzubauen. Am sinnvollsten ist der Aufwand sicher bei einem Triebwerk. Einfach deswegen weil es nicht mit der Konstruktion getan ist. Man braucht danach viele Tests um die ganzen Kinderkrankheiten zu finden, es zu perfektionieren, zuverlässiger zu machen. Ein ausgetestes Triebwerk mit einer langen Einsatzgeschichte ist gold wert. Oder warum tut das RL-10 (Erstflug 1962) heute noch seinen Dienst? Warum setzt die Delta das RS-27 ein (basierend auf dem H-2, der Saturn V, Erstflug 1965) und die Ariane 5 das HM-7B (Erstflug 1979) der Ariane 1-4?
So verwendet man für die Ares I+V ja auch das J-2X welches ebenfalls auf dem J-2 der Saturn V basiert Ja man hat sogar noch Triebwerke zur Verfügung. Von dem F-1 z.B. 33 Stück die eingelagert sind (plus 10 in zwei Saturn V die nie gestartet wurden).
Wie ist es nun zu diesem Mythos gekommen? Nun nach dem Apollo Programm gab es eine riesige Entlassungswelle bei der NASA. Nach den US Bestimmungen für Angestellte war die Gefahr um so größer je länger man im Projekt war. So mussten vor allem die erfahrensten Mitarbeiter ihre Koffer packen. Mehr noch: Es gab seitens der NASA Hauptverwaltung den Auftrag die NASA Center zu amerikanisieren, das heißt vor allem dafür zu sorgen, dass die Führung aus Männern bestand die in Amerika geboren waren. Das betraf vor allem die deutschen, welche im MSFC in Führungspositionen aufgerückt waren, aber auch im Kennedy Space Center Direktoren waren.
Als Folge verlor die NASA ihre besten und erfahrensten Mitarbeiter. Das nächste Großprojekt, der Space Shuttle wurde dadurch erheblich teurer und lag mehr als 2 Jahre hinter dem Zeitplan zurück. Das trug dann dazu bei, dass man irgendwann einmal glaubte, man könnte die Saturn V nicht mehr neu bauen, ganz einfach weil das Know-How in den Köpfen nicht mehr vorhanden ist. Es ist eine Sache einen Bauplan zu haben und eine andere praktische Erfahrungen mit dem Bau zu haben.
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