Gut, dass wir verglichen haben!

Eine Frage die ich als bekennender Ionentriebwerksfan immer wieder gestellt bekomme, ist warum denn trotz der Vorteile es immer bei Papierstudien bleibt. Wer mal bei NASA oder ESA nachstöbert stellt fest, dass es dort Zig innovative Konzepte gibt, bis hin zu welchen die sogar mir sehr utopisch erscheinen, wie die, nur mit dem Strom den RTG liefern, zu Saturn bis Pluto mittels Ionentriebwerken zu fliegen.

Nun unbestritten ist, das Ionentriebwerke der Kindheit entwachsen sind. Mann kann sie sicher noch optimieren wie auch heute ein Vinci Triebwerk leistungsfähiger als das RL-10A ist, doch sie haben ihre Nützlichkeit als Lagereglungsantrieb (Eureca, Artemis) und Hauptantrieb (Smart-1, DS-1, Dawn) bewiesen und Bepi-Colombo wird ebenfalls Ionentriebwerke einsetzen. Dawn wird damit die Geschwindigkeit um 11 km/s ändern, was fast so viel ist, wie die 200 t schwere Delta 2 lieferte.

Warum haben sie sich noch nicht außerhalb von Raumsonden, die herkömmlich auf Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, durchgesetzt? Nun ich will das an einem Vergleich zeigen. Und zwar an einem zwischen Fahrrad und Golf

Fahrrad Golf V Variant
Eigengewicht: < 20 kg 1154 kg
Zuladung 120 kg 622 kg
Verhältnis Eigengewicht/Zuladung 6:1 0,53
Energieverbauch pro 100 km 6400 kJ 312800 kg
pro Kilogramm Zuladung 53,4 kJ 503 kJ
Dauergeschwindigkeit 18 km/h 150 km/h
Kohlendioxidausstoß (g/km) 7,1 158
Treibstoff: jede essbare organische Substanz, unabhängig von endlichen Ressourcen abhängig von endlich vorhandenem Erdöl

Also wenn man sich die Tabelle anschaut, dann ist das Fahrrad in praktisch allen Kriterien besser. Es weist eine höhere Nutzlast auf, der Energieverbauch und Kohlendioxidausstoß ist geringer, es (bzw. der des Fahrers) kommt mit nachwachsenden Ressourcen aus. Nur in einem nicht: in der Höchstgeschwindigkeit. Trotzdem fahren die meisten mit dem Auto, obwohl es mehr Fahrräder als Autos gibt und 80% aller Fahrten mit dem Auto so kurz sind, dass man auch ein Fahrrad nutzen könnte.

Das gleiche gilt in gewisser Weise bei Ionentriebwerken, wenn wir mal von Raumsondenmissionen absehen, also den Brot- und Buttereinsatz vom LEO in den GEO betrachten. Die Parallele: Mit dem Fahrrad kann man mehr Zuladung gemessen an dem Gewicht des Vehikels transportieren, aber es dauert eben länger um von A nach B zu gelangen. Es ist ungeeignet wenn man lange Strecken in kurzer Zeit zurücklegen muss (man kann genauso wenig mit Ionentriebwerken von der Erde starten wie mit Fahrrädern innerhalb weniger Stunden nach Italien fahren). Kommunikationssatelliten erreichen innerhalb von wenigen Tagen mit chemischen Antrieb die GEO Bahn, mit Ionentriebwerken dauert es Monate. Es ist gefährlicher mit dem Fahrrad zu fahren und auch der lange Transfer durch den van Allen Gürtel könnte gefährlich sein.

Machen wir uns nichts vor. Trotz Jammerns über steigende Startkosten ist es so, dass die Betreiber von Kommunikationssatelliten sich ganz gut an die derzeitige Technologie gewöhnt haben. Der Start selbst macht nur einen kleinen Anteil der Gesamtbetriebskosten aus. Typischerweise kostet heute der Start eines Kommunikationssatelliten rund 100 Millionen Dollar. Seine Fertigung ist etwa doppelt so teuer, dazu kommt noch die Versicherung und die Betriebskosten. Die Startkosten machen so nur ungefähr 25-30% der Gesamtkosten aus. Warum also Risiken eingehen und Entwicklungskosten aufwenden, wenn’s doch so schon gut läuft? Zumal auch eines gegengerechnet werden muss: in der Zeit in der der Satellit unterwegs ist, könnte er im Orbit ja schon Geld verdienen.

Das ganze geht solange gut, bis Ende der Fahnenstange ist. Wenn man mit dem Fahrrad schneller zum Geschäft kommt als im Stau zu stehen, wenn das Carsharing sinnvoller als ein eigenes Auto ist, dann fangen die Leute an umzusteigen und Betreiber von Satelliten werden Alternativen in Betracht ziehen, wenn es schwer wird ihre immer schwereren Ungetüme in den Orbit zu bekommen, was angesichts der derzeitigen Situation mit mehr Trägern auf dem Weltmarkt als Starts aber eher unwahrscheinlich ist.

Zeit also, für die Raumfahrtagenturen, Entwicklungsarbeit zu leisten, so wie sie ja praktisch überall tun müssen. Kommerzielle Firmen entwickeln ja nur noch was neues wenn es von staatlichen Raumfahrtagenturen gefordert wird, man könnte ja Risiken eingehen….

Also hier ein weiterer Vorschlag Ionentriebwerke salonfähig zu machen. Bei der Erprobung der Vega sind 5 subventionierte Starts im Rahmen des VERTA Programms vorgesehen, warum nicht einen davon nutzbringend einsetzen? Ich habe ja schon mal das Konzept einer Ionentriebwerksstufe für die Vega skizziert, mit der man Nutzlasten die Sonst nur eine Sojus transportieren könnte mit der Vega auf Fluchtgeschwindigkeit bringen kann. Ein Start der Vega wäre ganz nützlich um diese zu erproben und gleichzeitig Bedenken bei der Industrie zu minimieren. es geht also darum zu demonstrieren, dass Ionentriebwerke nicht nur wie bisher als Lageregelungstriebwerke oder auf Fluchtbahnen betrieben werden können, sondern auch nahe der Erde und ohne dass dies der Nutzlast schadet.

Die Herausforderung dabei ist, dass bei einer erdnahen Umlaufbahn ein Ionentriebwerk nur arbeiten kann wenn es auf der Sonnenseite der Erde ist, das sind anfangs etwa 60% der Gesamtzeit, das erhöht auch den Aufwand für die Kontrolle und Missionsüberwachung, weil man nicht dauernd Funkkontakt hat. Sehr bald spiralt sich die Nutzlast aber höher und dieses Problem wird kleiner. Dafür tritt ein anderes auf: die Raumsonde wird sich Wochen im Van-Allen Gürtel aufhalten. Die Frage ist: wie wirkt sich dies auf Elektronik und Verkabelung aus? Also einfach auch hier Gelegenheit dies auszuprobieren. Das könnte geschehen, indem die Nutzlast eben nur die Aufgabe hätte, diese Frage zu klären, z.B. eben ein verkleinertes Modell eines Kommunikationssatelliten genommen wird und seine Elektronik mehrfach vorkommt mit unterschiedlichen Schilden um vor Strahlung zu schützen und mit Meßsensoren für die Strahlungsdosis in den Elektronikkompartimenten, Bestimmt würde so die Strahlenbelastung aber auch wie die Elektonik so bei unterschiedlicher Abschirmung funktioniert. Ich möchte daran erinnern, das Hipparcos, der ja im GTO-Orbit strandete und dem man ein baldiges Verscheiden prognostizierte weil er jden Tag mehr als zweimal den Van-Allen Gürtel durchflog mehr als doppelt so lange arbeitete wie vorgesehen.

Irgendwann ist die Nutzlast im GEO Orbit angekommen und was hat man gewonnen?

  • Nun, man weiß dann wie viel Treibstoff man gebraucht hat, wie hoch die Nutzlast einer größeren Stufe also wäre.
  • Man weiß wie lange es dauert
  • Man weiß wie man die Elektronik schützen muss und was dies an Mehrgewicht bedeutet

Das sind dann Fakten die man nutzen kann, um Vorteile und Nachteile abzuwägen. Die „Nutzlast“ könnte dann ausgedient haben, oder wenn man etwas schlauer ist (so um die 1000 kg Netto müssten noch ankommen, was immerhin rund 1.700 kg in einer GTO Bahn entspricht) könnte man wirklich einen für heutige Zwecke „Mini“-Kommunikationssatelliten transportieren, denn man vielleicht als Ergänzung nutzen kann, z.B. um Daten der erdnahen ESA Satelliten zu empfangen und als Relais zu dienen.

Daraus könnte dann zwei Dinge werden:

  • erstens die operationelle Form dieser Ionentriebwerksstufe für ESA-Raumsonden von bis zu 1 t Gewicht (in verbesserter Form könnte sie auch den chemischen Antrieb beim Zielplaneten einsparen)
  • eine größere Version dieser Stufe für den „mixed Betrieb bei der Ariane 5

Dieser Mixed Betrieb setzt voraus, dass die ESC-B Stufe kommt. Das würde dann so gehen: Die Ariane 5 startet zuerst in eine LEO Bahn in welche sie etwa 23 t transportiert. Dann wird die obere Nutzlast (Kommunikationssatellit mit Ionenentriebwerksstufe) abgetrennt. Danach die Spelda und die Stufe zündet erneut und bringt die untere Nutzlast in einen GTO Orbit. Damit ist sowohl der reine chemische Transport (11,5 in GTO, 7,1 t in GEO) wie der reine Ionentransport (> 11,5 t in GEO, abhängig von der Zeit die man sich lässt) wie auch ein Mischbetrieb (7,1 bis 11,5 t in GEO) möglich. Bei Ariane 5 ist wegen der Optimierung auf GTO Transporte der Gewinn sogar geringer als möglich, da die volle LEO Nutzlast nicht ausgenutzt wird (für ATV Missionen wird die ESC-B z.B. nur 17,5 anstatt 27,5 t Treibstoff fassen). Bei anderen Trägern wie Proton, Zenit oder Falcon 9 wäre der Sprung deutlich höher, da dort typischerweise nur ein fünftel bis Sechstel der LEO Nutzlast im GEO ankommt, während es bei Ariane 5 fast ein Drittel ist.

11 thoughts on “Gut, dass wir verglichen haben!

  1. Was mich mal interessieren würde:

    wäre es sinnvoll etwaige modularen Raumschiffe (z.B. für einen bemannten Marsflug) am Erde-Mond L1 Punkt zusammenzubauen und von dort mit Ionenantrieb zu starten.
    Ich denke da zB. an 20-40 Tonnen Module (Habitate, Abstiegsstufen, etc.), die man, um schnell durch den Van Allen Gürtel zu kommen, mit konventionelle Raketen (SLS etc.) und LH2 Oberstufen dorthin schießt, und man dort dann „ewig“ Zeit hat diese zusammenzubauen, ohne große Mengen von LH2 dauerhaft und lange lagern zu müssen?

  2. Hallo,

    @ zoidberg:
    Es macht im Bezug auf den Treibstoffbedarf keinen Unterschied ob man 10 40-Tonnen-Module schnell (also chemisch) in den L1 fliegt und sich dort Zeit beim Zusammenbau lässt, oder ob man sich im LEO die Zeit zum Zusammenbau nimmt und dann auf einen Schlag das 400-Tonnen-Raumschiff chemisch durch den Van Allen Gürtel beschleunigt.

    Meiner Meinung nach müssen interplanetare Raumschiffe sowieso eine hohe Verträglichkeit gegenüber Strahlung aufweisen, sind sie doch jahre lang unterwegs. Lediglich bei der Crew würde ich die Reisezeit so kurz wie möglich halten. Aus diesem Grund kann es durchaus Sinn machen das Raumschiff mit Ionenantrieb langsam auf Beinahefluchtkurs zu bringen und anschließend die Crew schnell hinterher zu schicken.
    Noch besser wäre es wenn alles was für die Hinreise nicht gebraucht wird bereits auf dem Mars bzw. im marsorbit wartet. Sprich: Landefahrzeug, Rückkehrfahrzeug, Wohnquartiere, Ausrüstung, Verpflegung.

  3. Moin Bernd,

    > Die Herausforderung dabei ist, dass bei einer erdnahen Umlaufbahn ein Ionentriebwerk nur arbeiten kann wenn es auf der Sonnenseite der Erde ist

    Das heißt, wenn ich damit einen Satelliten in einen GEO bringen will, so könnte ich den mit einem chemischen Triebwerk in den GTO bringen mit Apogäum auf der Sonnenseite, und das Perigäum mit Hilfe des Ionenantriebes anheben. Von einem LEO aus, könnte ich aber nur eine elliptische Bahn mit Apogäum auf der Schattenseite erreichen, oder eben auch Fluchtgeschwindigkeit zu den Planeten die in der dann möglichen Parabel erreichbar sind.

    Sobald ich im Weltraum bin, ist es ja egal, dass die Erde sich unter mir dreht. Oder hab ich da irgendwo einen Denkfehler.

    Unabhängig

  4. Hallo Michael. Dein Denkfehler liegt in dem größten Nachteil der Ionentriebwerke, der auch die Berechnung viel schwieriger macht als bei chemischen Antrieben – der Hebearbeit.

    Verinfacht gesagt. Wenn Du (chemisch) im Perigäum beschleunigst, dann hebst Du das Apogäum an. Machst Du es im Apogäum, so hebst das Perigäum an. Tust Du es irgendwo dazwischen, so hebst Du beide Bahnpunkte an. Das ist aber unerwünscht, denn darin steckt Hebearbeit, die sich nicht in Geschwindigkeit niederschlägt. Das ist auch der Grunt warum Phobos Grunt zwei Zündungen im Erdorbit machen sollte, jeweils im Perigäum.

    Bei Ionentriebwerken ist das immer gegeben, da man eine sich spiralförmig aufweitende Bahn erhält. Betriebt man es im GTO Orbit, so bekommt man einen Verlauf wie hier bei SMART-1. Obwohl nur nahe der Erde das Ionentriebwerk arbeitet ist zu erkennen, das trotzdem auch dieser Abschnitt leicht angehoben wird.
    http://www.bernd-leitenberger.de/img/smart-1-bahn1.gif
    Beim Start vom Leo aus erhält man eine Spiralbahn wenn man dauernd arbeitet. Betreibt man es immer nur nahe des Perigäums (was zunehmend ein immer kleinerer Zeil der Bahn ist), so sieht es wie in obiger Abbildung aus.

  5. @Bernd und Michael: Wäre für einen Kreisförmigen Orbit dann nicht eben genau eine Bahncharakteristik besser die anders herum ist mit den Schubabschnitten um das Apogäum herum? Ich glaube das ist es was Michael auch meinte, weil ich dann meine Schubabschnitte weiter von der Erde entfernt habe und die Chance das ich dort Sonne bekomme eben höher ist. Natürlich hebe ich beide Bahnabschnitte an, dann müsste ich das Apogäum meiner Ausgangsbahn eben etwas kleiner wählen. Das letztendliche Feintuning ist dann eh nochmal ein anderes Thema. Wo ist das Problem Bernd, irgendwie erschliesst sich mir das nicht ganz?

    @Zoidberg und Waldemar:
    Könnte man dieses bemannte Raumschiff nicht mit einem gemixten Antrieb betreiben, dann könnte man den chemischen so auslegen das man eben gerade nicht auf Fluchtgeschwindigkeit kommt aber schnell genug durch den Van-Allen-Gürtel und zusätzlich noch einen Ionenantrieb der dann für den restlichen Schub sorgt um eben auf Fluchtgeschwindigkeit zu kommen. Man könnte die beiden Antriebe ja auch zumindest Anfangs parallel betreiben (irgendwann macht man den chemischen Antrieb aus und lässt den Ionenantrieb weiterarbeiten).
    Den Ionenantrieb könnte man dann natürlich auch benutzen um die Bahn zwischen den Planeten zu verbessern, indem man ihn einfach weiterlaufen lässt. Eigentlich geht es ja um eine geschickte Kombination der Stärken der beiden Antriebstechnologien.

  6. Wenn Du im Apogäum das Ionentriebwerk betreibst hebst Du nur das Perigäum an, verlässt aber die Erde erst, wenn das Perigäum genauso hoch ist wie das Apogäum. Das ist der absolute Worst-Case dann braucht man anstatt 3,2 km/s rund 11 km/s relativ zu einer LEO Bahn um die Erde zu verlassen.

  7. Moin Bernd,

    wenn ich im Apogäum eines GTO’s zünde, so hebe ich das Perigäum an, um einen GEO zu erreichen. Bei Solar betriebenen Ionentriebwerken muss also das Apogäum auf der Sonnenseite des Erdorbits liegen.

    Wenn ich aus einem LEO mit einem Solarbetriebenen Ionentriebwerk starte, so kann ich nur eine stark elliptische oder Parabel-Bahn mit Scheitel auf der Sonnenseite erreichen.

    Deine Graphik kann also nur funktionieren, wenn die Sonde im roten Bereich Sonne hat.

    ciao,Michael

  8. Hallo Michael
    Es macht wenig sinn einen GTO einzuschlagen und dann nur den letzten Rest mit Ionentriebwerken zurückzulegen, weil man dafür am wenigsten Treibstoff braucht und trotzdem durch den Strahlengürtel muss.

    Vorgeschlagen wurde kommunikationssatelliten in subsynchrone Orbits auszusetzen, diese dann mit chemischen Antrieb zu zirkularisieren, sodass sie jenseits des Van Allen Gürtels sind. > 25000 km und dann den Rest mit Ionentriebwerken zurückzulegen.

    Der Gewinn ist gering. Der Vorteil dürfte wohl eher sein, dass man dann auch für die Lageregelung auf chemischen treibstoff verzichten kann und der Kommunikationssatellit viel länger in Betrieb bleiben kann. Dieses Szenario wurde auch als „Sinn“ für die Mehrfachzündbarkeit der ESC-B bemüht, das sonst nur bei ATV Transporten zum Einsatz kommt (aber selbst da nicht notwendig ist, es wird auch mit der ESC-A das ATV gestartet werden, wenn die letzten EPS verbraucht sind und die ist nicht wiederzündbar).

  9. Hach, einer meiner Lieblingsvergleiche bei Bernd Leitenberger, dem bekennenden Nicht-Autofahrer! 🙂

    Mal abweichend von der Intention des Autors, möchte ich meine Bemerkung zum Vergleich Fahrrad – Golf V Variant loswerden:

    Beim Fahrrad werden die 120kg Nutzlast pauschal angerechnet, ohne den Hinweis, ob diese Masse auf den Fahrer alleine und dessen mutmaßliche körperliche Leistungsfähigkeit angerechnet werden kann. Beim Golf Variant ist die Nutzlast-Angabe per se „totes“ Gewicht, welches nicht zu den Fahrleistungen beisteuern kann, da keine Schnittstelle Insassen-Muskeln – Antriebsräder existiert. (der Motor ist selbstredend nicht Nutzlast)

    Will sagen: Wird ein Fahrrad, dessen 120kg-Nutzlast sich aus 55kg Fahrer und 65kg Hefeweizen vom Faß zusammensetzt, noch 18km/h Durchschnittsgeschwindigkeit erreichen?

    Natürlich bestreite ich nicht, daß das Fahrrad auf jeden Fall ökologischer ist. Doch es müssen gesellschaftliche Rahmenbedingungen geschaffen werden, die den Fahrradverkehr stärken, wie Entschleunigung, Deglobalisierung, Regionalisierung.

    soviel zum off-topic.

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