Der Spacelift

Nach dem SpaceX-Schweinezyklus (Jahre mit Starts wechseln sich mit Jahren mit Ankündigungen ab) hat Elon Musk das nächste Projekt nach der Fertigstellung der Falcon 1.2 oder wiederverwendbaren Falcon angekündigt. Es ist nicht das schon seit Jahren in der Diskussion befindliche Merlin 2, das genauso viel Schub hat wie die neun Triebwerke die jetzt in der Falcon Erststufe stecken und deren Produktion entscheidend verbilligen soll, sondern der Spacelift oder wie das Projekt bei Musk heißt „SpaceXpress“

Elon Musk dazu: „Wie ich schon mehrmals betont habe, ist das langfristige Ziel von SpaceX der Mars, zuerst mit einer Expedition, dann die dauerhafte Besiedlung. Wir haben mit der Reduktion der Startkosten auf 33% der Konkurrenz schon einen großen Schritt vorwärts zu diesem Endziel gemacht, doch dies alleine reicht nicht. Die Falcon 9R wird die Kosten weiter senken und nachdem wie mit der Falcon 9 / Heavy schon zum führenden Launch Service Provider geworden sind, wird die Falcon 9R es erlauben Satelliten zu starten, für die bisher der Transport zu teuer war. Damit dürften die einnahmen steigen, was uns auch erlaubt die nächste Stufe anzugehen. Doch für die Kolonisierung des Mars sind die Transportkosten noch immer zu hoch. Dafür müssen wir nicht die Startkosten auf ein Viertel senken, sondern mindestens ein Zehntel, vielleicht ein Hundertstel. Eine Analyse zeigte, dass wir dies mit der Falcon 9R nicht erreichen können, die Hindernisse in Abnahme der Nutzlast und die begrenzte Lebensdauer von Komponenten lässt dies nicht zu.  Dies werden wir mit SpaceXpress erreichen.“

Das von Musk vorgeschlagene Konzept ist nicht neu, galt bisher aber als nicht durchführbar. Es ist ein Aufzug in den Weltraum, auch geostationäres Seil oder Space Elevator genannt. Am besten untersucht ist er in den GTO-Orbit. Der SpaceX Ansatz: Es wird ein Seil aufgespannt, das 55.000 km lang ist. Wenn nun ein Satellit hochfährt und in 36000 km Entfernung abgesetzt wird, dann muss man ihn dort nur abtrennen und er ist schon auf der geostationären Kreisbahn. Niedere Bahnen (unterhalb 24.000 km Höhe) sind durch kleine Raketenstufen erreichbar. Planetare Missionen, z.b. zum Mars durch höhere Bahnen als 47.000 km Höhe.

Das Konzept wurde schon von verschiedenen Autoren untersucht. Das grundsätzliche Problem ist, das es keine herkömmlichen Materialen gibt, die den Belastungen stand halten. Es zieht die Gravitationskraft über tausende von Kilometern am Seil. Mit Metallen würde das Seil enorm dick sein. Die Reislänge, das heißt die Länge ab der das Eigengewicht des Seils zum Abreisen führt, müsste über 2000 km liegen, damit man das Seil aus vielen Stücken zusammensetzen kann. Dagegen reisen Stahlseile schon bei unter 100 km, Kevlar und Kohlefasern bei 200 km. Es sind zwar Materialen bekannt mit genügend hoher Reislänge, wie Diamant. Doch damit ist es nicht finanzierbar.

Die vor einigen Jahren entdeckten Nanoröhrchen aus Graphitfasern würden mit einer Reislänge von 3000 bis 5000 km jedoch die Anforderungen erfüllen, und so hat SpaceX eine Projektgruppe aufgesetzt, die zuerst einmal die Grundlagen der Nanoröhrchen erforschen soll. Später wird eine Falcon 9 ein erstes Seil hochspannen, Falcon 9R die an ihm hochsteigen werden es sukzessive verlängern bis der GEO erreicht ist. Ab hier reicht die Zentrifugalkraft aus, das Seil zu spannen und stabil zu halten. Danach werden weitere Transporte es verlängern. An dieser Verlängerung werden dann Marsraumschiffe starten. Andere Konzerte die nur einen Satellitentransport vorsehen, planen nur einen Transport bis in den GEO und haben zur Ausgleich der hochtransportieren Masse dort meist ein Gegengewicht. Unterhalb des GEO gilt, dass ein abgeworfener Körper eine kleinere Geschwindigkeit als die Orbitalgeschwindigkeit hat. Bei unter 24000 km schlägt er z.B. wieder auf der Erde auf. Darüber hat er, weil die Winkelgeschwindigkeit des Seils konstant ist, aber die Umlaufsdauer in höheren Bahnen länger ist als ein Tag auf der Erde (eine Erdrotation in 24 Stunden) eine höhere Winkelgeschwindigkeit und schlägt zuerst elliptische Bahnen ein, ab 46.900 km hyperbolische Bahnen. Wird nun eine Nutzlast in die richtige Höhe transportiert, zum richtigen Zeitpunkt losgelassen, so gelangt sie auf eine Mars Transferbahn. Die Länge von 55.000 km reicht für eine Geschwindigkeit von 3,5 km/s im Unendlichen aus, ausreichend um die Nutzlast bis in 248 Millionen km Entfernung zu beschleunigen. Es muss nur noch beim Mars abgebremst werden, was auch durch die Atmosphäre möglich ist.

In der Summe gelangen von 3 t die vom Erdboden aus hochfahren noch 1800 kg in eine Marsumlaufbahn. Bei einem Start mit einer Falcon 9 würde man dieselbe Nutzlast absetzen, nur wiegt die Rakete 480 t. Damit sind also die Transportkosten auf rund ein Hundertstel senkbar. Berücksichtigt man, dass man keine Raketentriebwerke sondern nur Strom zum Hochziehen braucht ist es sogar noch viel weniger. Wie schon vorher verlautbart wird die erste Marsexpedition in Dragon Kapseln starten.  Später sollen, da nun ja wesentlich größere Lasten möglich sind vergrößerte Kapseln starten, die dann der Kolonie auch eine Autonomie ermöglichen. Eine Rückkehr wird derzeit nicht geplant, wenn jedoch die Kolonie auf dem Mars ebenfalls einen Spacelift installiert könnte sie wieder zurückkehren. Dazu müsste er auf dem Mars nur 36000 km lang sein.

Eine zweite Nutzungsmöglichkeit ist die Stromgewinnung. Wie schon das Tether Experiment an Bord des Space Shuttles zeigt kann man so Strom gewinnen. Das Seil erzeugte bei maximal 19 km Länge einen Strom von 3500 Watt. Ein 55000 km langes Seil müsste so, wenn es mit elektrisch leitenden Materialien beschichtet ist eine Leistung von 10 Megawatt liefern. das ist mehr als der Aufzug zum Hochfahren braucht. Allerdings zu wenig um damit die Herstellung zu finanzieren. Es wäre aber möglich im GTO Orbit einen Energiesatelliten am Seil zu installieren und so die Leistung direkt zur Erde transferieren. Die Spitzenleistung ist um 50% höher als auf der Erdoberfläche, es gibt keine Wolken und mit Ausnahme von zwei kurzen Unterbrechungen im Jahr auch keine Nacht. In der Summe kann der Energiesatellit daher Strom dreimal billiger als Solarzellen auf der Erde gewinnen. Allerdings sei dies bisher nur eine Idee so Musk. Bei Solar City sucht man aber schon nach Kooperationspartnern, die sich für diese Idee begeistern. So ist es um ein vielfaches effizienter als das deutsche Desert-Tec Projekt meinte Musk.

Einen Zeitrahmen nannte Musk nicht, er glaubt aber das das Seil 5 Jahre nach der Falcon 9R deren Erstflug für 2015 geplant ist angegangen werden könnte.

15 thoughts on “Der Spacelift

  1. Die angegebene Reißlänge ist unter optimalen Laorbedingung gemessen in Längsrichtung es gibt zB kein wirkliches Stahlseil von 26km, welches der Reißlänge entspricht. Es gibt immer Mat. Fehler und durch die Wiklung von vielen fasern werden die Fasern auch nicht im Optimalen Winkel belastet. Dieses ist bei Stahl nicht so schlimm wie bei den C-Röhrchen.
    Vermutlich wird ein Stahlseil bei 20km an der Grenze sein (längste senkrechte Konstruktion aus Stahl ist di Koala Bohrung mit 12km).
    Bei den C-Röhren dürfte die Reißlänge eines gefertigten Seiles unter 1000km liegen. Zusätzlich müssen ja noch reserven für belastungen durch die Liftkabinen, Wetter und die Gezeitenkräfte des Mondes eingerechnet werden. Weiter oben nimmt die Reißlänge dann wieder zu. Ein Seil welches am Boden 10cm durchmesser hat, müsste am GSO dann 1m durchmesser haben bis dahin würde das Seil 50 Mio Tonnen wiegen. Das Seil muss aber weiter nach draußen als Gegengewicht und wird somit 100 Mio Tonnen wiegen es sei denn man befestigt es an einem herbeigekarrten Asteroiden.Trotzdem reden wir hier von merheren Millionen Raketenstarts um die Nutzlast hoch zu bekommen.

  2. Also ich hörte vor kurzem das es gar nicht mal so unrealistisch ist solch einen Weltraumfahrstuhl zu bauen.
    Und zwar hier: http://raumzeit-podcast.de/
    Irgendwie hörte sich das für mich so an als seien die Probleme in absehbarer Zeit tatsächlich lösbar. Das Konzept interplanetare Missionen einfach durch die Zentrifugalkraft wegzuschleudern finde ich auch sehr lustig.

  3. Ich habe das dumpfe Gefühl Alan Musk hat Recht wenn er sagt die erste bemannte Marsmission wird von SpaceX durchgeführt wird, das bedeutet für mich nämlich nie oder zumindest werde ich es nicht mehr erleben…

    Ansonsten halte ich den Aufzug (egal ob Seil oder Turm) für genauso realistisch wie den Warp- Antrieb. Das mit dem Turm habe ich vor Jahren mal durchgerechnet und im usenet gepostet. Leute, da kamen Zahlen raus, die passieren nicht so leicht die Schranke zwischen Wunschdenken und Realität.

    Nein, meine eigene Einschätzung gefällt mir nicht 🙁

    Ich hab eh das Gefühl dass, seit Helium 3 nicht mehr so richtig lockt, das konkrete Interesse der Geldgeber an Missionen in unserem Sonnensystem (besonders Mond und Mars) stark zurück gegangen ist. Irre ich mich da?

  4. Bei den ganzen Träumereien über magische Kohlefasern sollte man nicht vergessen, daß diese eine sehr hohe Zug, aber sehr geringe Scherfestigkeit aufweisen.
    Kann man wunderbar demonstrieren, indem man ein kleines Bündel Kohlefasern nimmt, an denen man z.B. einen Bürostuhl hochheben kann (Schlaufe um die Lehne). Dann knotet man das Bündel und schwupp, hat es sich dabei selbst durchtrennt. Diese Vorführung verfehlt selten ihre Wirkung.

    Anja

  5. Mal eine grundsätzliche Frage, das Seil steht stramm in der Luft nach oben. Flugzeuge können eine Bogen darum fliegen. Aber die Satellitenflugbahnen im Augenblick müssen sich nicht um solche Hindernisse kümmern. Wer zahlt denn bei Zusammenstößen? Wer gibt das Recht, einen solchen massiven Eingriff in den Orbitalverkehr zuzulassen?
    Und was passiert, wenn böse Buben in sagen wir mal 100 km das Seil kappen?

  6. Es gibt Pläne bei denen das Kabel auf einer Art Schiff, oder eher künstlichen Insel befestigt ist, so dass es leicht seitlich begegt werden kann, so dass man den Satelitte weiteroben ausweichen kann.
    Naja, der Weltraum gehört allen, so dass jeder das Recht hat, es gibt zwar regeln, aber die sind nicht bindend, ausser für den Gebrauch von Atomwaffen.

  7. @anja: ist das bei einem Seil nicht relativ egal? Scherspannung sollte da doch eh nicht drauf sein.

    Klar gibt es da noch einiges zu erforschen gerade was Material angeht aber auch ein paar andere Dinge, aber so falsch finde ich den Ansatz eines Weltraumfahrstuhls nicht. Nur weil der Vorschlag diesmal von Alan Murks kommt muss das ganze Konzept ja nicht schlecht sein.

  8. Also bei meinem Kletterseil möchte ich sowohl eine hohe Zug- also auch eine gute Scherfestigkeit. Man denke nur an Felskanten über die das Seil liegen kann. OK, Felsen sind in der Luft und im All eher selten, aber laß nur mal bei einem tüchtigen Sturm ein paar Gegenstände durch die Luft wirbeln… oder im LEO ein bißchen Space Debris dagegenknallen. *ritsch*

    Die Idee des Spacelifts ist übrigens deutlich älter als das Gemurmel vom Alan Murks (netter nick übrigens).

    Anja

  9. aleine dadurch, dass das Seil geflochten werden muss ergeben sich Scherkräfte. Das Flechten ist notwendig um statistische Materialfehler zu kompensieren.

    Es bleibt bei mehreren Millionen Transprtflügen.

    Wenn der Werkstoff wie erhofft zur Verfügung stehen würde, wäre er erst mal im Brückenbau einsetzbar.

    In absehbarer Zeit ist da nichts drin, sonst wäre die Wirtschaft bereits an dem Thema.

    Auch der Einsatz als Vakuumballon wäre für diesen Werkstoff möglich wenn seine Kenndaten aus dem Mikroskopischen so einfach auf große Strukturen übertragbar wären.

    Vakuumballon = Eine Kugel aus hochfestem Material mit einem Vakuum im inneren ist in Summe leichter als Luft und kann somit Lasten heben.

  10. @kay: Für Hängebrücken könnte ich mir das Ganze durchaus vorstellen. Für einen Vakuumballon bräuchte man ja eher ein Material das großem Druck standhalten kann oder liege ich da falsch?

  11. Die Röhrchen müssten natürlich flächig verwebt werden. Eine andere Alternative wäre Graphen mit 1020 GPa.

    Die Forschung an den CNT hat einen Dämpfer bekommen

    05/2013 gab Bayer bekannt,keine Kohlenstoff-Nanoröhrchen mehr Vermarktet. Die CNT-Forschungen sollen „zum Abschluss gebracht werden“. Man sieht keinen Markt dafür.

  12. Die Space Theter Experimente waren doch erfolgreich.

    Wieso benutzt man die Technik nicht um Sateliten in höhere Umlaufbahnen zu bringen.

    Beispiel:

    Zwischen Nutzlast und oberstufe wird nach Brennschluss ein Dynemaseil abgewickelt. Kappt man das Seil geht die Nutzlast in einen höheren Orbit und die Oberstufe runter zum Verglühen.

  13. Vermutlich wiegt ein Seil mehr als ein kleines Triebwerk Treibstoff, der benötigtwird um den Zielorbit zu erreichen.

    Desweiteren wirkt im Moment des abkoppelns ein starker Beschleunigungsmpuls auf den Sateliten.ManMüsste den Sateliten also robuster Bauen, was wiederum gewicht kostet.

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