Mit der Railgun in den Orbit

Bei den Diskussionen über die Reduktion der Startkosten vergisst man eine Möglichkeit: Einen Teil der Startenergie nicht durch eine Rakete aufzubringen. Nun mit einem Flugzeug wird man nicht mehr als Mach 1-3 schaffen, wobei die Nutzlast stark abnimmt und RAMJETS und SCRAMJETS sind immer noch experimentell und brauchen selbst einen Antrieb der sie auf Mach 2-3 beschleunigt. Was jedoch geht, ist die Nutzung einer elektromagnetischen Kanone.

Es gibt zwei Hauptgattungen die Railgun und Coilgun. Sie beschleunigen beide mittels einer Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern wobei im einen Fall die Lorenzkraft und im anderen Fall Magnetfelder die Beschleunigung erbringen. Auf dieser Basis entstanden schon Kanonen die kleine Metallkugeln auf die Geschwindigkeit von Satelliten beschleunigen – benutzt z.B. um Meteoritenschutzschilde zu testen oder Meteoritenkrater künstlich zu erzeugen aber auch die Magnetschienenbahn, die etwas anders das gleiche technische Grundprinzip umsetzt. Die US Army arbeitet an einem Geschütz das Mach 7 (rund 2100 m/s) Geschossgeschwindigkeit erreicht und bis zu 64 MJ Energie aufweist – das wäre immerhin bei dieser Geschwindigkeit ein 29 kg schweres Projektil.

Damit kann man also einige Kilometer pro Sekunde erreichen, und wie die Magnetschienenbahn zeigt auch große Massen beschleunigen. Bei einer hinreichend langen Beschleunigungsstrecke mit vielen Kondensatoren (sie speichern die Energie, die in einem kurzen Augenblick abgegeben werden muss) müsste es auch möglich sein einen Satelliten zu beschleunigen.

Das Problem ist nur die Länge der Beschleunigungsstrecke. Eine Rakete, die schnell beschleunigt braucht trotzdem einige Zeit, bei den schnellsten Raketen so 200-300 Sekunden um die Orbitalgeschwindigkeit zu erreichen und sie legen dabei einige Hundert Kilometer zurück. Eine so lange Beschleunigungsstrecke wäre auf der Erde schwer möglich – vor allem keine lineare. Als Kreisring wie in CERN würde es sicher gehen. Doch ein Körper der auf einer Kreisbahn läuft wird dauernd durch eine Kraft auf diese Bahn gezwungen und bei einigen Kilometern pro Sekunde Kräfte auf einen Körper einwirken zu lassen die ihn in eine Kreisbahn zwingen klappt nur bei sehr kleinen und leichten Elementarteilchen.

Weiterhin sollte der Austrittspunkt möglichst hoch sein, damit die Atmosphäre ihn nicht stark abbremsen kann. So ist der ideale Ort eine Beschleunigungsstrecke mit einer leichten Steigung an einem Berghang. Sie sollte möglichst lang sein, da nach der einfachen Formel Weg = (Zeit)*Beschleunigung /2 der zurückgelegte Weg immer größer wird je höher die Beschleunigung ist.

Ich halte für einen idealen Startpunkt den Kilimandscharo. Er ist ein erloschener Vulkan der sich 4200 m über der umgebenden Ebene erhebt. Es gibt zwar höhere Berge, aber es geht nicht um die absolute Höhe sondern die Beschleunigungsstrecke. Sie sollte möglichst lang sein was von Höhendifferenz zur umgebenden Ebene abhängt (die z.B. auch beim Mount Everest nicht höher ist, weil eben das Hochplateau des Himalajas höher liegt) und der Steigung – die ist beim Kilimandscharo recht niedrig. Um die Strecke noch zu erhöhen sollte es in der anderen Richtung (unter der Erde) weiter gehen. Die tiefsten Goldminen in Südafrika sind 4 km tief. Zusammen mit den 4,2 km die der Gipfel vom Kilimandscharo über der Ebene liegt sind das 8,2 km. Bei einer Steigung von 20 Grad ist das eine Beschleunigungstrecke von 24 km. Ich habe mal in einer Tabelle die maximale Endgeschwindigkeit aufgeführt für einige mittlere Beschleunigungen:

Beschleunigung Endgeschwindigkeit Zeit
55 m/s 1624 m/s 29,5 s
100 m/s 2190 m/s 21,9 s
200 m/s 3098 m/s 15,5 s
400 m/s 4381 m/s 10,9 s
800 m/s 6196 m/s 7,75 s
1600 m/s 8763 m/s 5,47 s

Bei einer hohen Beschleunigung erreicht man also eine Geschwindigkeit, die ausreicht einen Orbit zu erreichen. Die Frage ist nun: Wie viele g’s hält ein Satellit auf. Bei Raketen liegt die Beschleunigung bei unter 6 g. Da wäre also die erste Zahl relevant. Immerhin erreicht man so über 1600 m/s – das ist in etwa die Geschwindigkeit bei der bei Ariane 5 die Booster abgetrennt werden. Doch das Hauptproblem bei Satelliten ist nicht die lineare Beschleunigung sondern das Rüttel und Schütteln. So halte ich 100 m/s durchaus für möglich – schon steigt die Endgeschwindigkeit auf 2,1 km/s. Bei Eintauchsonden gab es früher schon kurzzeitig höhere Verzögerungen von bis zu 350 g, aber eben leider nur kurz. Trotzdem sind auch 2,1 km/s nicht zu verachten. Einen weiteren Antrieb braucht der Satellit sowieso, denn er muss die Bahn zirkularisieren.

Die Steigung hat auch einen Einfluss auf den Geschwindigkeitsvektor, der ja nicht nur in die Orbitalrichtung zeigt. Bei 20 Grad Steigung und 2190 m/s Endgeschwindigkeit hat die Nutzlast nach verlassen des Rohrs eine Geschwindigkeit von 1933 m/s parallel zur Erde und 1027 m/s senkrecht dazu, würde so also bis auf 54 km Höhe steigen wo dann spätestens der Zusatzantrieb einspringen müsste. Es gibt so für jede Orbitalhöhe ein ideales Steigungs/Geschwindigkeitspaar, für das man die „Railgun“ optimieren könnte.

Wie würde es gehen?

Es wäre eine Beschleunigungsstrecke mit zahllosen Punkten an denen die Nutzlast in einer aerodynamischen Verkleidung jeweils einen Energiestoß erhält und dabei schneller wird. Da anders als bei bisherigen Kanonen man gute 24 km Strecke hat und so sehr viele Spulen bauen kann verbunden jeweils mit einer eigenen Stromversorgung, müsste es nicht viel schwieriger sein als heute ein kleines Geschütz wo die Abgabe nur in einem Impuls erfolgt. Idealerweise ist die Beschleunigsstrecke luftleer und erst beim Austritt in die Atmosphäre in 5,9 km Höhe wird ein dünnes Siegel vor dem Rohr von dem Projektil durchbrochen. Es steigt dann zur Gipfelhöhe auf, wo der eigene Antrieb zündet. Vorher wird die aerodynamische Verkleidung abgesprengt. Feststofftriebwerke müssten diese Prozedur ohne Problem überleben, bei niedrigen Beschleunigungen auch Antriebe mit flüssigen Treibstoffen. Nimmt man die Zahlen für 100 m/s Beschleunigung und rechnet 600 m/s aerodynamische Verluste dazu (übernommen aus den Zahlen für eine projektierte Railgun für die US-Marine), so wären noch rund 6300 m/s aufzubringen. Eine Stufe mit dem spezifischen Impuls des Vinci Triebwerks (4560 m/s) könnte so bei 10 t Startmasse noch 2500 kg in den Orbit befördern. Zieht man die Leermasse der Stufe von etwa 1,2 t ab, so wären dies noch rund 1,3 t – immerhin 13 % der Startmasse.

Bei höheren Beschleunigungen wird der Vorteil noch höher. Bei 200 m/s Beschleunigung steigt die Nutzlast bei gleichen Daten schon auf 23 %. Geht es nur um den Materialtransport in eine Umlaufbahn, so ist die Beschleunigung weitgehend unproblematisch, dann sind auch 1600 m/s möglich und man braucht nur einen kleinen Antrieb um das Perigäum von Meereshöhe auf die Orbithöhe anzuheben und ein Nutzlastanteil von 80-90 % ist möglich.

Warum wird es nicht getan?

Weil man damit keine Menschen in den Orbit befördern kann, die halten höhere Beschleunigungen nicht aus. Eine solche Strecke mit 24 km Röhren, Beschleunigern bis 4 km unter der Erde und bis in 6 km Höhe erfordert hohe Anfangsinvestitionen, die sich zwar bei vielen Starts leicht amortisieren würden, wenn die Nutzlast verdoppelt oder vervierfacht wäre, aber solche Summen bekommt man nur für bemannte Systeme. Daher wird es wohl niemals gebaut werden.

6 thoughts on “Mit der Railgun in den Orbit

  1. Warten wir die Entwicklung der US Marine mal ab. Aus politischen und Umweltschutzgründen wird man wohl keinen Berg wie den Kilimandscharo verwenden. Die Marine arbeitet an Schiffsgeschützen. Auch der Irak hatte vor langen Jahren an einer Kanone nach diesem System gearbeitet um preiswert den Iran beschießen zu können. Preiswerter als mit Raketen. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Supraleitung bei hohen Temperaturen sind auch noch zu berücksichtigen. Ich halte das jedenfalls für erfogversprechender als Konzepte, die einen Fahrstuhl ins All vorsehen. Nicht nur ungelöste Probleme einen geigneten Werkstoff zu finden sprechen gegen den Fahrstuhl.

  2. Schaut so aus, als hätte man das HARP Projekt wieder ausgegraben. (Man nehme eine Schiffskanone aus dem zweiten Weltkrieg, verlängere den Lauf, stelle sie senkrecht auf und ignoriere die Proteste der Bevölkerung bzgl. der erheblichen Lärmbelästigung.)

    So weit ich mich erinnern kann, gab es damals das Problem, dass sich der verwendete Festtreibstoff während der Beschleunigungsphase verformte, so dass nie ein Geschoss erfolgreich den Raketenantrieb gezündet hat. Wobei der Plan einen Orbit zu erreichen übereilt vorgezogen wurde, nachdem die Finanzierung in Frage gestellt wurde. Bis dahin hat man die Geschosse recht erfolgreich und vergleichsweise billig in der Höhenforschung eingesetzt.

    Wegen der hohen Beschleunigungen kann ich mir aber nicht vorstellen, dass man so eine Nutzlast mit Flüssigtriebwerken realisieren kann. Selbst druckgeförderte dürften von den Beschleunigungskräften überwältigt werden.

  3. Viel einfacher müßte das auf dem Mond realisierbar sein. Erst einmal ist durch die geringere Schwerkraft die erforderliche Geschwindigkeit deutlich geringer. Eine Kreisbahngeschwindigkeit von rund 1,7 km/s und eine Fluchtgeschwindigkeit von 2,4 – gegen die irdischen Werte nur ein Klacks. Ein zweiter Vorteil ist, daß man dort durch keine Atmosphäre gebremst wird. Dadurch ist auch ein recht flacher Startwinkel möglich, man braucht also keine ansteigende Strecke. Wenn man Start- und Endpunkt auf einen Berg legt, und den Mittelteil in einen Tunnel, lassen sich größere Beschleunigungsstrecken erreichen. Das könnte unter Umständn sogar für bemannte Starts erträglich sein.

    Das Problem dabei: So ein Projekt wäre schon auf der Erde gigantisch. Selbst wenn man 90% des nötigen Baumaterials auf dem Mond herstellen könnte, wären immer noch riesige Materialmengen zu rtansportieren. Dazu noch jede Menge Maschinen und Personal samt Wohnraum, Verpflegung und so weiter.

    Andererseits könnte sich das lohnen, um Rohstoffe zur Erde zu bringen. Ein Hitzeschutzschild müßte sich aus Mondgestein herstellen lassen. Dazu noch ein kleines Antriebsmodul für Kurskorrekturen, dafür sollten etwa 10 bis 20% der Startmasse ausreichen. Treibstoff könnte aus Wasser erzeugt werde (wenn man genug findet).
    Ein massiver Klotz aus Erz oder Metall muß auch nicht unbedingt weich landen, auf einen Bremsfallschirm könnte man also verzichten. Selbst wenn das Zeug in mehrere Teile zerbricht wäre das nicht weiter tragisch, Hauptsache es verglüht nicht in der Atmosphäre. Muß man das Zeug nach der „Landung“ eben wieder ausbuddeln.
    Mit einer bemannten Rückkehrkapsel müßte man natürlich etwas sanfter umgehehn.

  4. Hallo!

    Sinn machen würde ein solches System, wenn man intensiv bemannte Raumfahrt betreiben will. Aber nicht alleine, sondern im Verbund mit bereits vorhandener Technik.
    Die Kosten Nutzen Rechnung dürfte anders aussehen, wenn man konsequent nach Nutzlastkategorien trennt:

    1. Besatzungen mit sicheren Raketen wie z.B Sojus (Entwicklungskosten=Null)

    2.(interplanetare) Raumschiffe, Lander, Satelliten etc. in Form von Modulen, zB. in 25t-Stücken mit der Ariane 5 (Entwicklungskosten für den Träger = Null)

    3. Alles was wirklich schwer und daher nervig weil teuer im Transport aber unempfindlich gegen g´s ist, also Treibstoffe, Sauerstoff, Hilfsstoffe, Nahrung etc. mit dem Katapult.

    Damit könnte man sich die teure Entwicklung von Schwerlastraketen sparen.
    Die bemannten Missionen könnten kürzer konzipiert werden, da man wegen des günstigeren Transports ja mehr Treibstoff mitnehmen kann……

    Somit würden die Entwicklungskosten letztlich der bemannte Raumfahrt zu Gute kommen.

    Grüße
    Peter

  5. …aber wie wäre es, wenn man mittels Railgun unseren Atommüll wirklich endgültig in den Untiefen des Universums versenkt?
    Der Raketentransport scheidet ja wegen Kosten und Unsicherheit definitiv aus. Aber Railguns könnten die notwendige Sicherheit bieten. Eingeschmolzen in Keramik wären irre hohe Beschleunigungen möglich in einem evakuierten Rohr, welches dann auch nicht so lang sein muss.
    Die Railgun ist dann sozusagen das „Arschloch unseres Planeten“.
    Natürlich ist das Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit immer noch ambitioniert, aber vermutlich nicht unmöglich.

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