Venus-Ballonsonde

Heute wieder ein Gastbeitrag. Diesmal (Premiere!) von Elendsoft:


Die schwebende Venussonde hat mich auf eine Idee gebracht. Für größere Höhen wäre eine Ballonsonde möglich, mit Wasser als Füllung. In einer fast nur aus CO2 bestehenden Atmosphäre hat Wasserdampf einen Auftrieb, der zwischen dem von Wasserstoff und Helium in Luft liegt. Das Konzept hätte eine Reihe von Vorteilen.

  • Bei Temperaturen um die 100° kommt die Bordelektronik noch ohne so exotische Materialien wie Galliumarsenid-Halbleiter aus. (Für einzelne Bauteile hat man die GaAs-Technologie inzwischen recht gut in Griff, aber bei höher integrierten Schaltungen wie Prozessoren oder Speicher ist nichts zu machen.)
  • Für die Energieversorgung sind Solarzellen möglich, hier dürften aber GaAs-Zellen wegen der relativ hohen Temperatur besser sein.
  • Wasser kann leicht transportiert werden, es sind keine schweren Hochdruckbehälter nötig.
  • Wenn der Ballon steigt, sinkt die Temperatur. Dadurch kondensiert Wasser und der Auftrieb geht zurück. Sinkt der Ballon wieder, verdampft Wasser und der Auftrieb steigt. So regelt sich die Flughöhe selbst, ohne Gas ablassen und Balllast abwerfen.
  • Weil die Sonde nicht unter so extremen Temperaturen wie ein Lander arbeiten muß, ist eine deutlich größere Lebensdauer möglich. Mindestens einige Wochen, mit Glück auch Monate.
  • Wegen dem geringeren Druck kann der Druckbehälter für die Sonde deutlich leichter werden.
  • Die Ballonsonden könnten auch kleine Lander tragen, die nach und nach über interessanten Gebieten abgeworfen werden. Wenn die Ballonsonden als Relaisstation zwischen Lander und Orbiter arbeiten, kann die Sendeleistung der Lander gering sein. In der kurzen Lebenszeit der Lander kann sich der Ballon noch nicht all zu weit entfernen.

Das Problem dabei: Ist der Boden aus dieser Höhe überhaupt sichtar? Das müßte vorher durch Lander geklärt werden, die beim Abstieg Bilder übertragen.

So hat jeder Sondentyp seine Vor- und Nachteile. Sinnvollerweise sollten sie also kombiniert eingesetzt werden. Eine „vierstöckige“ Erkundung wäre so möglich. Lander am Boden, Schwebesonden in geringer Höhe, Ballonsonden in größerer Höhe und darüber Orbiter. Und als Ergänzung noch andere Sonden, die an der Venus zum Schwung holen vorbeifliegen.

10 thoughts on “Venus-Ballonsonde

  1. Die Idee finde ich gut.
    Nur ist leider der Druck in der Venusatmosphäre bei 110°C bei ca. 2 bar, wohingegen Wasserdampf nur einen Druck von 1,4 bar erzeugt, und somit als Flüssigkeit vorliegt.
    Erst bei 130-140°C wäre der Dampfdruck gross genug.
    Alternativ lässt man Venusluft rein und mischt sie bloss mit Wasserdampf (Dann kann man auch deutlich unter 100°C kommen).

    Oder man Verwendet Ammoniak, das einen grösseren Dampfdruck hat.

    110°C hat man übrigens in 45km Höhe. Da ist man an der oberen Grenze eines Schwefelsäuredunstes (30-50km Höhe). Ob man dadurch die Oberfläche sieht weiss ich nicht. Man ist zumindest unter den Schwefelsäurewolken (über 50km Höhe).

  2. Nach dem Link in meinem Beitrag erreicht man 417 K in 40 km Höhe (2,5 Bar Druck). Nach Messungen russischer Sonden ist da aber noch nicht sichtbar, dafür gibt es zu viele Aerosole. Der optimistischste Wert den ich jemals sah war 33 km. Sie meisten liegen drunter von 16 km abwärts bis unter 1 km.

  3. Ammoniak wäre zwar zum Füllen des Ballons geeignet, hat aber einen zu niedrigen Siedepunkt um durch Verdampfung und Kondensation selbst die Flughöhe zu regeln. Brauchbarer wäre aber eine Mischung von Wasser und Ammoniak, auch unter dem Handelsname Salmiakgeist bekannt. Je nach Ammoniakanteil wären damit unterschiedliche Flughöhen erreichbar.

  4. Bei einer Mischung wird beim Erhitzen zuerst der niedrigsiedende Teil verdampfen, dann der hochsiedende. So was nennt man Trennung durch Destillation. Damit löst Du das Problem, das deine Sonde zu hoch in der Atmosphäre schwebt (wenn überhaupt, die Dichte nimmt ja auch ab) nicht.

  5. Trennung durch Destillation funktioniert dadurch, daß man das Gas mit dem niedrigerm Siedepunkt aus dem System entfernt. Und das wird hier vermieden.
    Ammoniak löst sich in Wasser, wobei die gelöste Menge abhängig von Temperatur und Druck ist. Ammoniak hat einen Siedepunkt von -33°C, und trotzdem ist er mit Wasser gemischt bei Zimmertemperatur problemlos lagerbar. Weil das Zeug eben nur solange verdampfen kann, bis zwischen Ammoniakgehalt und Dampfdruck ein Gleichgewicht besteht. Wird dieses Gleichgewicht überschritten, löst sich wieder Gas im Wasser. Im Prinzip ist das wie bei einer Flasche Selters. Mit niedrigem Druck kriegt man das Gas aus der Flüssigkeit raus, mit hohem Druck preßt man es wieder rein.

  6. Ammoniak wird bei steigender Temperatur zuerst aus dem System ausgetrieben, da seine Löslichkeit abnimmt. Es würde sich irgendwann ein Gleichgewicht einstellen durch den Druck des Gases und der Löslichkeit im Wasser. Da die Sonde aber sich weiter erwärmt wird dann das Wasser verdampfen.

    aber das ist egal, denn das Verdampfen schon von normalem Wasser findet wie ich schon schrieb bei einer Höhe und einem Drucknivaeu statt, wo damit sicher nicht das Gewicht der Sonde getragen werden kann. Sie wird also weiter sinken. Ein Knackpunkt in dem Konzept ist, dass Du von einem Druckausgleich ausgehst. Das ist aber nur gegeben wenn die Flüssigkeit schnell genug verdampft.Wenn Du ein Volumen von 33 m³ hast (entsprechend einer Kugel von 4 m Durchmesser, so müssen über 850 l Wasser verdampft werden. Wer mal sieht wie viel Wasser in einem Kochtopf bei einer Kochplatte (immerhin 600°C) verdampft der weiss das das nicht fix geht. Ohne Abbremsung ist die Kapsel aber in50 Minuten am Boden. Weiterhin steigt bei dem höheren Druck der Siedepunkt an (Dampfdrucktopfprinzip). Bei 221 Bar dem kritischen Punkt beträgt er z.b. 374°C. Das bedeutet es verdampft immer weniger Wasser. Kurzum , man braucht bei diesem Konzept trotzdem eine dicke Hülle, weil es geraume Zeit dauert bis der Wasserdampf einen Innendruck aufgebaut hat der annähernd dem Außendruck entspricht.

  7. @Elendsoft

    Stimmt mit Ammoniak wäre man ca. 60km Hoch bei -40°C oder so.

    Die Ammoniak-Wasser-Lösung wäre wohl besser. Die Temperatur steigt auch schneller als der Druck (der Venusatmosphäre) somit nimmt das Volumen beim Sinken zu (des Ammoniakgases über dem Wasser).

    @Bernd

    Ich denke mit der Autoregulierung der Höhe ist nur gemeint, sollte der Ballon (wieso auch immer) aufsteigen würde das Auftriebsmittel beginnen zu konendsieren und der weitere Aufsteige gestoppt. Umgekehrt wäre es beim Sinken.
    Viel Triebmittel müsste dabei nicht verdampfen weil schon kleine Unterschiede beim auftrieb stark wirken. 850l H20 würden auch mehr als 10kN Auftrieb ausmachen…

    Beim Salmiak ist der Vorteil das beim erwärmen von 0 auf 20°C ca. 450l Ammoniak freigesetz werden. Die Energie die dafür nötig ist (überwinden der Lösungsenthalpie) ist wesentlich geringer als die Energie die für das Verdampfen von Wasser nötig wäre.
    Ein System aus Rohren die nach aussen gehen könnte das ganze noch vereinfachen.

  8. Also wenn ich eine „stinknormale“ Ballonsonde will, dann kann ich ohne Problem einen Ballon beim Abstieg aufblasen mit Helium, die Flasche abwerfen und habe den optimalen Auftrieb ohne das ich in Gefahr komme so tief zu sinken, dass meine Hülle schmilzt wie das bei den angesprochenen Lösungen vorgeschlagen wird. So was wurde auch bei Vega 1 2 gemacht und die Ballone waren mehrere Tage aktiv, hätten sie beständigere Hüllen gehabt sogar noch länger (sie platzten als die Sonden auf der Tagseite ankamen und die Hüllen durch das Licht erwärmt wurden)

  9. Dabei müssen aber die schweren Druckbehälter bis zur Venus geschleppt werden. Da sollte die Nutzlast der Trägerrakete doch lieber für zusätzliche Experimente genutzt werden. Und warum Helium? Wasserstoff wäre leichter, billiger und würde auch noch etwas mehr Auftrieb liefern. Die Gefahr der Knallgasbildung bei ausströmenden Gas ist in der sauerstofffreien Venusatmosphäre nicht vorhanden.

  10. Wasserstoff wird in der Raumfahrt kryogen eingesetzt, da die Druckbehälter bei Raumtemperatur eine sehr hohe Wandstärke aufweisen müssten. Zusätzlich kommen bei Wasserstof die höchsten Diffusionsverluste aller Elemente hinzu.

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