Macht nur weiter wie bisher…

Kennen sie das Lieblingszitat von Joachim Bublath? Selbst Switch hat es gut herausgearbeitet: „Ein Ergebnis der modernen Weltraumforschung ….“. Ja Raumfahrt ist hipp, Raumfahrt steht an der Spitze des Fortschritts. Heute erfunden, morgen in der nächsten Raumsonde. Manche glauben es sogar, so unsere Kanzlerin Frau Merkel, die bei der Übergabe von Columbus doch meinte, der Raumfahrt verdanken wir den CD-Spieler.

Hah! Weit gefehlt. Keine andere Branche ist so konservativ. Seit 10 Jahren testet die NASA den Einsatz des Ka-Bandes bei Raumsonden. Bei gleicher Sendeleistung und gleichen Antennen ist es fähig 4,3 mal mehr Daten als das X-Band zu übertragen. Routineeinsatz? Fehlanzeige. Oder mein Lieblingsthema Ionenantriebe. Seit Mitte der sechziger Jahre erprobt und bis heute Nischenlösungen, dabei könnten sie bei dem Brot- und Butterorbit dem geostationären Orbit glatt die Nutzlast verdoppeln und noch mehr Treibstoff bei dem betrieb einsparen.

Wohin man schaut, überall derselbe Konservatismus. Curiosity startet 2011 mit 2 MPixel Kameras und fester Brennweite – es waren mal welche mit Zoomfunktionen geplant, doch das war der NASA zu riskant. Selbst als Malin Space sie auf eigene Rechnung entwickelte, waren sie der NASA noch nicht ausgereift genug.

Die Spitze ist das Vorhaben, dass derzeit die kanadische Firma MDA vorantreibt. Sie will Kommunikationssatelliten im geostationären Orbit neu befüllen. Zur Erklärung. Die Lebensdauer eines Kommunikationssatelliten ist heute durch zwei Dinge begrenzt, wenn es kein unvorhersehbares Ereignis wie einen Strahlensturm gibt: Die Leistung der Solarzellen und vom Treibstoff. Die Solarzellen verlieren laufend an Leistung, doch das ist noch gut abfederbar, wenn man anstatt alle Transponder zu betreiben eben einige abschaltet. Der Gewinn ist natürlich kleiner, aber der Satellit kann weiter arbeiten. Problematischer ist der Treibstoffvorrat. Es wird laufend Treibstoff benötigt um den Satelliten auf Position zu halten. Das Gravitationsfeld der Erde ist nicht gleichmäßig. Es gibt „Dellen“ und „Hügel“ und wie Wasser in Dellen fließt, neigen auch Kommunikationssatelliten ihre Plätze zu verlassen, was nicht so toll, ist wenn einige Millionen Konsumenten ihre Schüsseln auf sie ausgerichtet haben. Heute bestehen manche Kommunikationssatelliten beim Start zu fast 2/3 aus Treibstoff. Den größten Teil davon (rund 40% des Startgewichts) brauchen sie um den geostationären Orbit zu erreichen. Der Rest für die Aufrechterhaltung der Position im Orbit und die räumliche Lage. So müssen ab und an die Drallräder entsättigt werden und der Impuls dann durch Zündungen kompensiert werden. Gut befüllt erreichen heute Kommunikationssatelliten Betriebsdauern von 12 bis 15 Jahren.

Also wenn es gelingt, den Treibstoffverbrauch zu senken oder einen effektiveren Treibstoff zu nutzen, so wäre dies sehr hilfreich. So wären gerade Kommunikationssatelliten die idealen Kandidaten für Ionentriebwerke, die inzwischen auch die Hersteller im Angebot haben (SNECMA das PPS-1350, Boeing das NSTAR-100). Doch der Einsatz geschieht nur zögerlich. Noch 2000 war der Einsatz auf Artemis „experimentell“. Ja man muss schon einige Jahrzehnte rumexperimentieren, bis man richtig sicher ist. Artemis wurde durch die Triebwerke übrigens gerettet und anstatt nach der Rettung prognostizierter 5 Jahren arbeitet er immer noch ….

Dann gab es vor einigen Jahren die Idee ein Ionenantriebsmodul mit Ariane 5 als Sekundärnutzlast zu starten. Das wurde sogar im ESA Journal vorgestellt. Es hätte sich in der Düse des Kommunikationssatelliten festgekrallt und dann die Steuerung für ihn übernommen. Wie ich denke eine gute Idee. Es wäre praktikabel und durchführbar gewesen. Man verbindet die Effizienz eines Ionenantriebs mit der Möglichkeit von Ariane mittelgroße Sekundärnutzlasten zu transportieren. Doch auch davon hat man nichts mehr gehört.

Nun hat wohl der Konservatismus erneut gesiegt. Die Firma MDA Corp., dem einen oder anderen bekannt als der erste kommerzielle Kunde von SpaceX (und das schon seit 6 Jahren, sie sind echt geduldig…) will Kommunikationssatelliten (erster Kunde soll Intelsat sein) im Orbit nachfüllen. Ja sie haben richtig gelesen. Also ob es prinzipiell geht, könnten die Leser von EADS beantworten, die es hier auch gibt. Ich kenne mich da nicht so aus. Es wird sicher schwieriger zu sein als die recht große Düse festzukrallen. Der Tankstutzen wird nicht einfach zu treffen sein. Es gibt keine Kopplungsmöglichkeit wie bei der ISS  wo ja auch nachgetankt wird. Dann muss es gegen den Innendruck erfolgen und der muss auch nach dem Tanken noch gewährleistet sein (das Druckgas Helium wird man nicht nachfüllen können, was auch ein Manko ist). Also es gibt schon technisch einige „Wenns“ und „Wie“.

Aber ich denke primär an den enormen Aufwand. Die Firma will mit einem konventionellen Start Treibstoff in den geostationären Orbit bringen. Da bleibt schon mal nicht viel übrig. Geplant war ein Start mit der Proton, da kommen im geostationären Orbit von 6000 kg im Übergangsorbit noch 3600 kg an. Die Nachfüllvorrichtung, aber auch das Gefährt drumherum wird etwas wiegen. Das Triebwerk und Tanks für den Treibstoff auch. Vielleicht bleiben dann noch 2000 kg Treibstoff zum Nachfüllen übrig. Und dafür ein eigener Start? Man fasst es nicht. Selbst wenn ich das Geschäftsmodell habe, Kommunikationssatelliten nachzufüllen, weil die Kunden keine Ionentriebwerke wollen, so kann mich dass doch nicht mich hindern den Treibstoff mit einem Ionenantrieb in den Orbit zu bringen. Zeit genug habe ich ja. Die Proton transportiert rund 20 t in eine Leo-bahn und man wird nur etwas mehr als 2 t davon brauchen um den geostationären Orbit zu erreichen. Selbst bei großzügigen Systemen für die Stromversorgung, Struktur, Triebwerken und Tanks kann man mit 8-10 t Treibstoff zum Nachfüllen rechnen, anstatt mit 2 t.

Aber darum scheint es nicht zu gehen, sondern um Subventionen, denn erst kürzlich verlautbarte MDA dass sie nun erwägen mit einer US-Rakete zu starten um US-Aufträge abzugreifen. Es soll ja auch noch andere Satelliten im GEO-Orbit geben die man nachfüllen kann und die sind noch erheblich teurer als Kommunikationssatelliten. Mich wundert nur das SpaceX noch keinen Whale-Tanker anbietet oder die Refülling-Dragon … Aber das kommt sicher noch nächstes Jahr….

Auch sonst gibt es noch Konservatismus. EADS Bremen konstruiert derzeit die massivsten Oberstufen der Raumfahrtgeschichte. Verwendung von Composite Materialen, Lithium-Aluminiumlegierungen oder Innendruckstabilisierung? No, da scheint man die alten V-2 Pläne ausgegraben zu haben. Mich würde nicht wundern, wenn man nach der Rückbesinnung auf LOX/Kerosin bei vielen neuen Trägern als nächstes wieder auf Schießpulver zurückgreift…

7 thoughts on “Macht nur weiter wie bisher…

  1. Hallo,

    ich bin Laie und lese hier gern mit weil mich das Thema sehr interessiert.

    Irgendwie habe ich den Eindruck was für die Automobilindustrie die Elektromotoren sind für die Raumfahrt allgemein und Satellitenbauer im speziellem die Ionentriebwerke. Sie sind vorhanden und liefern (für ihren Zweck) hervorragende Leistungen, doch keiner will sie.

    Wenn ich da an die Hayabusa Mission denke, die wäre wohl mit konventionellen Triebwerken vollends schief gelaufen. Nur der extrem sparsame Umgang der Triebwerke mit dem an Bord befindlichen Treibstoff hat sie gerettet, bzw. so flexibel gemacht um alle Unwägbarkeiten zu überwinden.

    Die Frage de sich mir stellt ist, wo wäre die Grenze bei Masse und Stromversorgung für ein Ionentriebwerk. (Gibt es eigentlich Forschungen den Strombedarf zu senken?) Könnte man auch bemannte Kapseln (MPCV, CST-100, Dragon) mit solchen Triebwerken ausstatten, bzw. mit konventionellen Kombinieren? Könnte man nicht die Druckbeaufschlagung (zum Beispiel Xenon, statt Helium) für den konventionellen Treibstoff nicht gleichzeitig auch für ein Ionentriebwerk nutzen? Dann brächte man keinen zusätzlichen Tank.

    Was ich als Raumfahrtbegeisterter frustrierend finde ist das immer wieder erstaunliche Entwicklungen gemacht werden und wieder eingestampft werden.

    (Ab hier etwas OT)

    Ich denke da nur an VentureStar. Auch als nicht Ingenieur der die Schule einigermaßen absolviert hat kann man sich (ohne nachrechnen vorstellen) das ein Aluminiumtank in einer einstufigen Rakete zum scheitern führen muss, es sei den man hat ausschließlich Marketing und Öffentlichkeitsarbeit studiert und meint es besser als die Ingenieure zu wissen. (Sorry, war sehr sarkastisch!)

    Ok der Tank hat nicht funktioniert und sie haben es aus Kostengründen eingestellt. Insofern Ok! (Obwohlk ich VentureStar lieber fliegen gesehen hätte) Was ist aber aus den Aerospike Triebwerken geworden??? Warum wurde kein Folgeprogramm entwickelt, welche die funktionierenden Komponenten weiterentwickelt… warum wurde keine konventionelle Trägerrakete oder zumindest ein modifizierter Testträger mit diesem Triebwerk entwickelt?

    Irgenwie wirkt zur Zeit alles als wolle man die Raumfahrt wieder auf Anfang zurück spulen!

    Ich hoffe die Airforce bzw. Boeing macht was aus der X37b bzw. X37c, sonst spielen wir in Zukunft nur noch mit Kegelstümpfen. (Soll jetzt keine Abwertung der Kapseln sein… sie erfüllen Ihren Zweck!)

  2. Hallo Frank,

    Natürlich gibt es Einschränkungen hinsichtlich Masse und Leistung bei Ionennatribene. Aber bei eRdorbitmissionen und unbemannten Missionen, bei denen der Faktor Zeit nicht so wesentlich ist spielen sie keine Rolle. Für bemannte Marsmissionen würden heutige Ionentriebwerke an der Grenze sein, doch gibt es da auch Gedanken wie man mehr Schub pro Fläche erreicht indem man die Beschleunigungsstufen kombiniert wie das DS4G der ESA.

    Die Tanks und Ionentriebwerke sind heute nicht das Problem. Der Gewichtsfaktor ist die Stromversorgung. Die besten serienmäßig produzierten Solargeneratoren haben eine Leistung von 80 Watt/kg. Ein Ionentriebwerk von nur 5 kg Gewicht kann aber eine Leistung von 4,5 kW erfordern, das bedeutet dass heute die Solarzellen praktisch der Hauptanteil am Gewicht der Gesamtanlage stellen. Aus disem Grunde wären sie für bemannte Raumfahrzeuge mit ihren kleinene Solarpaneelen und der Forderung schnell an die ISS anzulegen oder zu landen auch nichts und würden wegen dem dafür notwendigen geringen Treibstoffbedarf auch nichts bringen.

  3. Ich würde mich nicht wundern, wenn die Aerospike Triebwerke irgendwann in China ihre Wiederauferstehung erleben. Die müßten dann zwar das Fahrrad neu erfinden, weil die USA wohl kaum die Konstruktionsunterlagen rausrücken. Aber im Gegensatz zu den USA hat China ein Ziel und wurstelt nicht bloß planlos rum. Und die Bereitstellung von den dazu nötigen Geldern scheint dort auch kein Problem zu sein.

  4. Ach die Chinesen als Innovationsmotor? Das wäre mir neu. Ihre Lange Marsch 5 wird seit Jahren angekündigt und lässt auf sich warten. Ich glaube die sind wie die Russen daran interessiert möglichst preiswert ihre Sachen in den Orbit zu bekommen und wenns Innovationen gibt dann vielleicht für militärische Zwecke, aber die bekommt man im Westen nicht mit.

  5. So ein Hightech-Land ist China wirklich nicht, da hast du recht. Um so peinlicher ist es, von China überholt zu werden.
    Es gab Zeiten, da hat man auch über Japan nur gelacht. Und wo stehen die jetzt? Traditionellerweise hat China immer auf Masse statt Klasse gesetzt, aber langsam ändert sich das. Wenn die erstmal richtig loslegen, sehen bald alle anderen recht blaß dagegen aus.

  6. Ja wenn, aber wenn dann wohl kaum bei der Raumfahrt und wenn dann dort im prestigeträchtigen bemannten Bereich. Wie die in den Orbit kommen ist eher wurst, zumal technische Brillanz ja sowieso nur von wenigen gewürdigt werden kann. Eher sehe ich dass China wie Russland vor 50 Jahren vorwiegend Erstleistungen bringen will, egal was da herausspringt.

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