„Pimp up“ the ISS

Es wird Zeit: Zeit für einen Aufsatz in der allseits beliebten Reihe: „Gut das wir es besser wissen!“. Also wie kann man aus der jetzigen ISS noch mehr rausholen? Es gibt hier drei Punkte:

Mehr Forschung!

Ich will einmal Sinn und Kosten der ISS Forschung ganz außen vor lassen. Aber wenn die ISS schon mal da ist, so sollte man deren Forschungsmöglichkeiten maximieren. Alleine im Columbus Labor können drei Astronauten arbeiten und es ist das kleinste der drei Labors. Dazu kommt ein viertes, das Zentrifugenlabor, das gebaut wurde, aber nicht ins all befördert wurde.

Von den sechs Astronauten die heute auf der ISS arbeiten können nur drei ganztägig und einer einen halben Arbeitstag forschen, die restliche Arbeitszeit wird für die Bordsysteme benötigt.

Daher der erste Ansatz: Genügend Wohnraum für mehr Astronauten/Kosmonauten. Nun gibt es zwar über 900 m Innenvolumen für sechs Astronauten, also rund 50 % mehr als bei Skylab, das als sehr komfortabel galt. Das Problem: die reinen Wohnmodule wurden gestrichen. Die Besatzung lebt in Swesda oder Harmony, zwischen Avionikschränken mit lauten Lüftern. Daher mein erster Ansatz: Mehr Raum für 9 Astronauten. Und zwar reinen Wohnraum. Dazu könnte man die MPLM einsetzen. Eines wird ja schon für 40 Millionen Dollar als Frachtmodul umgebaut. Die beiden anderen könnten als Wohnmodule umgebaut werden. Jedes für drei Astronauten. Ein MPLM bietet rund 70 m Raum. Da sie leer nur etwa 4,5 t wiegen könnten sie auch ausgerüstet gestartet werden, zum Beispiel indem das Antriebsmodul des HTV mit einem MPLM verbunden wird. Wie beim HTV würden sie in den Nahbereich der Station manövriert werden und dann dort eingefangen und angekoppelt werden. Ein weiterer HTV könnte die Inneneinrichtung für das beim letzten Space Shuttle Flug zu startende Modul bringen. Träger könnten Ariane, H-2B oder Delta IV Heavy sein.

Die drei Wohnmodule hätten einige Vorteile. Es wären zum einen richtige Wohnmodule, mit Möglichkeiten sich privat einzurichten, mit Schränken für persönliche Dinge, Trennwänden für eine Privatsphäre und genügend Platz um sich selbst zu entfalten (rein rechnerisch hätte jeder Astronaut 24 m so für sich – in etwa den Rauminhalt den ein 10 m großes, 2,40 m hohes Zimmer aufweist). Es wäre dort auch leise, weil es eben nicht ein umgebauter Knoten oder eine Steuerungszentrale ist bei denen man ein oder zwei Racks für Schlafkabinen weggelassen hat. Beides denke ich würde der Arbeitsmoral, Fitness und dem gesunden Schlaf der Besatzung zugute kommen und so auch die Forschung verbessern. In dieser Hinsicht muss sich die ISS heute hinter Skylab verstecken, dafür ist sie aber 30 mal teurer….

Als letztes wäre da noch das Zentrifugenmodul. Es galt als das wichtigste Forschungsmodul auf der ISS, weil es als einziges einen Bereich für höhere Lebewesen (Fische, Mäuse, Frösche) zur Verfügung stellt und durch die Zentrifuge Vergleiche zwischen 0 und 1 g erlaubt (es sind auch Werte unter 1 g aber größer als 0 g möglich, was bisher einmalig ist). Bestückt mit einem Antrieb des HTV könnte eine Ariane 5 oder Delta IV Heavy es starten und es könnte an die ISS angekoppelt werden. Dann stehen vier Forschungslabors zur Verfügung. Denn Antrieb des HTV habe ich ausgewählt weil er verfügbar ist und das HTV deutlich preiswerter als ein ATV ist.

Sicherung der Versorgung

Eines der Dinge die ich nicht verstehe ist die Haltung der NASA zur Versorgungsfrage. Seit 2005 ist klar dass die Space Shuttles ab Ende 2010 nicht mehr zur Verfügung stehen. Es gab also fünf Jahre Zeit sich darauf vorzubereiten. Die NASA hat sich für eigene Transportvehikel entschieden, aber erst recht spät. so ist für mich unverständlich warum die Lücke in der ISS Versorgung (nach Arianespace Angaben von 2011-2014 zwischen 3 und 12 t pro Jahr) nicht durch den Ankauf von HTV und ATV Flügen geschlossen wurde (Progress scheiden aus, weil nun mehr Sojuskapseln produziert werden und beide auf einer gemeinsamen Produktlinie entstehen). Wozu gibt es die anderen Systeme? Zu Sicherung der Versorgung. Es wäre nun die Stunde in der sich die Versorgung der ISS über mehrere Säulen bewährt hätte. Unverständlich dass man nicht darauf zurückgreift.

Für meinen Plan mit einer Besatzung von 9 Personen wären die beiden Schwertransporter sogar besonders wichtig, da dadurch nochmals zwei Sojuskapseln mehr pro Jahr benötigt werden und natürlich auch mehr Versorgungsgüter erforderlich sind.

Reduktion der Versorgungsflüge

Daher muss die Anzahl der Flüge reduziert werden. Eine wichtige Maßnahme ist es den Orbit anzuheben. Je näher eine Raumstation der Erde ist, desto stärker wird sie von der Restatmosphäre abgebremst. Der Effekt nimmt bei den ersten paar 100 km rasch zu. Da er von der Sonnenaktivität und Form des Körpers abhängt ist eine genaue Vorhersage schwierig, aber es gibt Erfahrungsdaten. Die folgende Tabelle enthält die Orbits der GATV Zielkörper im Gemini Programm und ihre Lebensdauer im Orbit:

Ziel Orbit Lebensdauer
GATV 8 380 x 386 km 548 Tage
ATDA 298 x 310 km 40 Tage
GATV 10 352 x 381 km 163 Tage
GATV 11 287 x 305 km 108 Tage
GATV 12 260 x 295 km 41 Tage

Recht deutlich ist der Unterschied: 100 km mehr Höhe bedeuten eine zehnmal höhere Lebensdauer. Skylab hatte in 440 km Höhe schon eine Lebensdauer von über 5 Jahren und nochmals 100 km höher (in 550 km Höhe) dürfte auch die ISS mit ihren weitauslagenden Solarzellen eine Lebensdauer von mehr als einem Jahrzehnt haben – dann wäre gar kein Treibstoff mehr notwendig um die Station anzuheben.

Um die Station von 407 auf 550 km anzuheben braucht man nur 80 m/s, was bei einer rund 500 t schweren Station rund 13 t Treibstoff entspricht. Also so viel wie 2-3 ATV oder 5 Progress zur Station bringen. Das sind viele Flüge hintereinander, aber sie lohnen sich: Denn sie fallen nur einmal an. Denn die gleiche Treibstoffmenge benötigt man innerhalb von 2 Jahren um einen 407 km hohen Orbit aufrecht zu erhalten: Also lieber einmal klotzen und dann Treibstoff einsparen als dauernd kleckern. In der Summe spart man so über die Lebensdauer der ISS rund 50 t Versorgungsgüter, also fast 20 Progressflüge oder 7 ATV Flüge ein.

Das nächste ist ein geschlossenes Lebenserhaltungssystem. Die ISS hat derzeit zwei Systeme. Das russische Elektronsystem entzieht der Luft die Luftfeuchtigkeit und kondensiert diese aus. Urin und Brauchwasser werden nicht aufbereitet. Das amerikanische System destilliert auch Urin und Brauchwasser zu 93 % und reduziert so den Wasserbedarf um 65 % oder 2.850 l pro Jahr. Aber: Noch immer wird aber das Kohlendioxid nicht recycelt. Der Sauerstoff wird aus Wasser gewonnen und der Wasserstoff ins All entlassen.

Stattdessen könnte man im Sabatierprozess den Wasserstoff mit Kohlendioxid umsetzen und dabei Methan und Wasser erzeugt. Das Wasser kann man dann erneut verwenden. Der Wasserstoff selbst fällt als Abfallprodukt der Sauerstoffproduktion an. Übrig bleibt das Methan das man entlassen kann. Es reduziert den Restbedarf an Wasser auf ein Achtel. Theoretisch könnte das Methan auch als Treibstoff für ein Ionentriebwerk genutzt werden. Es würden pro Tag etwa 6 kg Methan anfallen. Bei einem spezifischen Impuls von 9.000 m/s (durchaus erreichbar mit einem Plasmatriebwerk) würde das alleine ausreichen die Station im Orbit zu halten. Dazu bräuchte man aber 24 kW Leistung – eine Menge die nicht zur Verfügung steht speziell wenn noch ein Labor zur Station hinzukommt. Dann müsste man noch ein Solarzellenmodul starten. Daher habe ich diese Lösung ausgechlossen.

Sinnvolle internationale Kooperation

Ich frage mich, warum man zwar die Station gemeinsam betreiben kann, aber beim Mannschaftstransport jeder sein eigenes Süppchen kocht. Europa hat das ATV entwickelt mit einer Reihe von Techniken die auch ein bemanntes Raumfahrzeug aufweisen muss wie hohe Sicherheit, automatische Kopplung (auch für Orion vorgesehen). Es denkt seit langer Zeit an eine bemannte Version. doch für Europa alleine lohnt sich die Entwicklung nicht und ist zu teuer. Umgekehrt fängt man in den USA nun nochmals von vorne an was den bemannten Transport angeht, diesmal eben „kommerziell“. Warum nicht beides kombinieren? Warum nicht das Servicemodul des ATV und die Kopplungssysteme für ein bemanntes System verwenden und es durch ein von den USA entwickelte Mannschaftskabine ergänzen? Gestartet könnte es von einem US-Träger werden. Wenn bei jedem Flug ein ESA Astronaut dabei ist wäre die ESA zufrieden und die USA könnten einen Teil der Entwicklungskosten und Risiken sparen, da sie schon erprobte Systeme einsetzen würden.

Dazu kämen noch die Sojuskapseln als Backupsystem.

Zusammenfassung

Diese Vorschläge umgesetzt würden viel bringen:

  • Ein Labor mehr auf der ISS
  • 9 Personen Besatzung auf der ISS
  • 85 % mehr Forschung nach Abzug der Housekeeping Operationen

Reduktion des Versorgungsbedarfs um 7.800 kg pro Jahr (bei einer 6 Mann Crew) – entspricht bei 3 Personen mehr einer Nettotransportmenge von 36,3 t pro Jahr (bei der derzeitigen ISS eine von 32 t pro Jahr) – es wäre also nur ein halber ATV/HTV Flug pro Jahr mehr notwendig um 3 Personen mehr zu versorgen!

Verglichen mit den Investitionen in die ISS wären die zusätzlichen Aufwendungen „Peannuts“, ja es besteht sogar die Möglichkeit Kosten zu sparen , z.B. bei der Entwicklung eines neuen bemannten Systems. Aber es klappt nur wenn man zusammenarbeitet. Da liegt der Hund begraben. Nicht das es der ISS so geht wie diesem Auto, das gerade „un-pimpt“ wird… 🙂

8 thoughts on “„Pimp up“ the ISS

  1. Vielleicht kommt ja etwas ähnliches! Nach dem verkündeten Ende von Constellation wird nicht nur die ISS bis mindestens 2020 verlängert, nein es geistert auch das gestrichene Zentrifugenmodul wieder durch den (virtuellen) Blätterwald. Das im Rohbau fertig gestellte wird es aber auf keinen Fall werden, weil neue Module nun einmal nicht mehr mit den Shuttles hochgeschafft werden können. Die gerade heute gestarteten Bauteile Tranquility und Cupola stimmen insofern zuversichtlich, als sie Resultat internationaler Kooperation zwischen NASA und ESA sind. Weiter so!

  2. Warum hat man eigentlich die ISS nicht modular aufgebaut im Sinne, daß man die zuerst gestarteten, in einigen Jahren veralteten und verpilzten Module hinten abtrennt und vorne immer mit Modulen neuester Technik ersetzt. Somit kein Ende der Lebensdauer und zum Transport der Module bräuchte man keinen Shuttle.
    Es gäbe einen steten Ausbau mit neuester Technik und wäre auch für angehende Raumfahrtnationen wie China und Indien irgendwann interessant.

  3. @Reinhard: Das ist eine recht gute Frage, die ich leider nicht beantworten kann. Das Shuttle ist aber nicht zwingend vorgeschrieben. Schon heute existieren vier Module russischer Herkunft, die ohne ein Space Shuttle in den Orbit geschafft worden sind, und mindestens ein weiteres wird folgen. Mit einem der letzten Shuttle-Flüge wird allerdings quasi eine Premiere gefeiert, nämlich das erste russische Modul, das von den Amerikanern gestartet wird. Andererseits war in der frühen Planung davon die Rede, das europäische Labormodul Columbus mit einer Ariane 5 zu starten. Davon ist man dann abgekommen, und die beim Start auftretenden Kräfte erfordern nun einmal unterschiedliche Konstruktionen für den Transport durch Space Shuttles oder klassische Trägerraketen. Wenn man nun also noch neue Module einsetzen will, muss man sie für vorhandene Raketen wie Delta, Atlas, Ariane oder Proton entwerfen.

    Vielleicht noch ein Wort zur Bahnhöhe der ISS. Die stellt wohl einen Kompromiss dar. Solange die Space Shuttles schwere Bauteile in den Orbit schaffen müssen, nimmt man den erhöhten Treibstoffbedarf in Kauf, um die Transporte überhaupt bewältigen zu können. So hätte der sich gerade im Anflug auf die ISS befindliche Knoten Node-3 (Tranquility) mit der „Discovery“ geflogen werden sollen, die aber die Beobachtungskanzel „Cupola“ nicht auch noch geschafft hätte. Deswegen wurde der Flug auf die „Endeavour“ umgeplant, die eine etwas höhere Nutzlast hat. Und selbst die musste bereits bei laufenden SSME die OMS zuschalten, um in den Orbit zu kommen. Die Space Shuttles operieren also am Rande ihrer Leistungsfähigkeit.

    Aller Voraussicht nach wird bei Einstellung des Shuttleprogramms der ATV „Johannes Kepler“ an der ISS angedockt sein oder zumindest kurz vor dem Start stehen. Der für Reboost-Zwecke zur Verfügung stehende Treibstoff sollte höher sein als bei Jules Verne, da bei dieser Mission kein Monat Alleinflug und auch keine zusätzlichen Rendezvous-Manöver geplant werden. Dieser Treibstoff wird also dazu benutzt werden, die ISS auf zuletzt nicht geflogene Bahnhöhen zu bringen.

  4. @Module:

    Hier gabs ja angeblich Interesse seitens der NASA die neuen aufblasbaren Module von Bigalow Aerospace zu kaufen. (Was schon ironisch ist, schließlich stammt die ursprüngliche Technologie von der NASA selbst, bevor der Kongreß das Transhab abgewürgt hat..)

    @Aufbau:

    Hier empfehle ich echt mal das Buch „Die Internationale Raumstation“ von Piers Bizony. Stammt zwar noch aus den 90ern, erzählt aber sehr ausführlich den Werdegang der Staion. Bernd hat hier auf seiner Seite ja auch einige Punkte aufgefasst.

    Die Amis wollten hauptsächlich „Partner“ die zahlen, aber sonst den Mund halten, aus dem Hauptgrund weil sie es sonst unmöglich geschafft hätten die Raumstation selber zu finanzieren.

    China würde sich das denk ich mal nicht so gefallen lassen.

    Insgesamt ist das ISS Projekt alleine schon das Produkt zuvieler fauler Kompromisse.

  5. Was bisher bei der Forschung auf der ISS ziemlich unter den Tisch gefalle ist, ist die Forschung und Flugerprobung elektrischer Antriebe. Zur Zeit gibt es das RIT-10, das PPS-1350 als flugerprobte Ionentriebwerke. Nur alleine bei Astrium gibt es noch das RIT-22 und RIT-XT die zwar schon weit entwickelt und getestet sind, die aber noch keine Flugerprobung haben. Weiterhin befindet sich das DS4G Ionentriebwerk in der Entwicklung. Alle diese Antriebe werden Schwierigkeiten in der Flugerprobung haben, da Satelliten als Testplattform selten 5-30 kW elektrischer Leistung übrig haben. Hier kommt nun die ISS ins Spiel. Der Transport der Triebwerke in den Orbit kann über ATV erfolgen und benötigt ca 1-10 kg Nutlast. Mit Hilfsaggregaten steigt die Masse auf ca. 30 kg. Die Montage könnte über einen Roboterarm erfolgen. Auch die 5-30 kW elektrische Leistung sind auf der Station verfügbar. Die Ergebnisse der Versuche können automatisch zur Erde übermittelt werden, der Zustand der Triebwerke nach Ende der Testzeit ca. 10000h könnten per Kamera festgehalten werden und zur Erde übermittelt werden. Alles in allem eine wenig personalintesive Forschung, die aber als Resultat Flugqualifizierte Triebwerke für die nächste Generation von Raumflugkörpern liefert. Wenn man die Triebwerke richtig ausrichtet könnten sie sogar während der Tests einen Beitrag zur Lagereglung der ISS liefern.
    Kosten: Bei einer Masse von 30kg und einem Startpreis von 66.000$/kg bei Start mit ATV ergeben sich Kosten von 1.98 Millionen $ für den Test mit z.B RIT-22. Diese Tests könnten zusätzlich die Triebwerke wesentlich besser auf Herz und Nieren untersuchen, da sie unter realistischen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden.

  6. Ein weiterer Vorschlag, warum nicht die Labors automatisieren. Auch wenn z.B. für bestimmte Tätigkeiten (Montage und Justierung) die Astronauten nötig sind, so könnte doch sicherlich ein Teil der Experimente und Beobachtungen wenn schon nicht automatisch, so doch durch die Verantwortlichen Wissenschaftler auf der Erde durchgeführt werden.
    Das setzt allerdings eine Zeitnahe übertragung der Ergebnisse voraus, die Wissenschaftler auf der Erde müssten dafür online zusehen und eingreifen können.
    Die Nötigen Einrichtungen sind sicherlich klein genug um mit den regelmäßigen Nutzlasten per ATV oder HTV zur ISS zu gelangen.

  7. @Martin_M: Zumindest ein Ionentriebwerk wird aller Voraussicht nach in den nächsten Jahren auf der ISS getestet werden, nämlich das VASIMR von Ad Astra Rocket Company, gegründet vom Ex-Astronauten Franklin Ramon Chang-Diaz.

    Was die Automatisierung der Labore angeht, rennen Sie sicherlich bei Bernd Leitenberger offene Türen ein, denn er hat bekanntlich schon mehrfach erklärt, darin die Zukunft der Weltraumforschung zu sehen. Mein Gegenargument dazu ist, dass viele Experimente bereits automatisiert sind. Die ISS benötigt täglich etwa zweieinhalb Astronauten-Arbeitstage nur zur Aufrecherhaltung des täglichen Betriebs. Bei der jahrelangen Besetzung mit drei Raumfahrern, nach der Columbia-Katastrophe sogar nur zweien, blieb logischerweise wenig bis gar kein Potential für wissenschaftliche Arbeit übrig, und Automatisierung war die einzig mögliche Option. Die Experimente müssen jedoch zwischendurch neu bestückt, gereinigt, gewartet und gelegentlich repariert werden, und da würde der Aufwand für eine Automatisierung sprunghaft ansteigen bis jenseits des unmöglichen. Medizinische Experimente lassen sich ohnehin nicht ohne die Menschen an Bord durchführen.

    Natürlich stellt die ISS ein einziges großes Experiment dar, z.B. was den Dauerbetrieb der Lebenserhaltungssysteme angeht.

  8. Nicht zu vergessen: Ein Triebwerk des Typs RIT-XT erzeugt bei 15.000 Betriebsstunden genauso viel Schub wie die Verbrennung von 2700 kg konventionellem Treibstoff braucht dafür aber nur rund 183 kg Treibstoff. Rechnet man mit Tanks so um die 250-300 kg Gesamtgewicht so bleibt da immer noch ein ganz dickes Plus.

    Aber das ist ein anderes Thema: Stichwort ISS und Innovationen….

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