Die Satellitenentsorgung 2

Heute nun ein Beispiel wie so ein Gefährt aussehen kann und was man von ihm erwarten kann. Da die meisten alten Satelliten nicht so schwer sind und das Gefährt auch finanzierbar sein soll, habe ich mich für die Vega als Träger entschieden und so die Startmasse auf 1600 kg begrenzt die in eine 500 km hohe Umlaufbahn gelangen.

Die Hälfte soll auf das Antriebsmodul und die andere Hälfte auf den Satellitenkörper mit dem Servicemodul und der Ankupplung. Das sind dann 800 kg für das Antriebsmodul, das wichtig ist für die Anzahl der Transfers, bzw. der gesamten Masse. 100 kg ziehe davon ab für Triebwerke, Strukturen und Spannungskonverter für die Hochspannung die die Ionentriebwerke brauchen. Bleiben 700 kg für Treibstoff, Tanks und Solargenerator, der den benötigten Strom liefert.

Die genaue Aufteilung ist nicht ganz so einfach zu ermitteln, da der Gesamtimpuls von Schub x Betriebsdauer abhängt, der Schub aber wiederum von der Leistung und dem spezifischen Impuls, die Leistung von der Größe des Solargenerators und der Triebstoff der verbleibt, auch vom spezifischen Impuls und Treibstoffverbrauch. Kurzum, es ist ein nicht lineares System. Das kann man jedoch mit dem Computer lösen und das habe ich getan mit folgenden Randbedingungen:

  • Solargenerator: Leistung 80 W/kg Masse
  • Tanks: 20% der Treibstoffmasse
  • Gesamtbetriebsdauer: 1800 Tage (50% der Zeit von 10 Jahren Missionsdauer).
  • Wirkungsgrad der Ionentriebwerke: 70% der eingesetzten Leistung werden als Schub abgegeben.

Es zeigt sich, dass bei dieser langer Betriebsdauer ein spezifischer Impuls von 145,2 km/s den höchsten Gesamtimpuls liefert. Hier wiegen die Solarzellen 351,2 kg und der Treibstoff 290,3 kg und die Tanks 58,5 kg.

Diese lange Betriebsdauer macht nach den allgemeinen Zusammenhängen den Einsatz von Ionentriebwerken mit hohem spezifischen Impuls möglich. Doch so etwas gibt es heute als Serienexemplar nicht. Beschränkt man sich auf 60 km/s, das ist ein Wert den ein Rit 2X experimentell erreicht so befindet man sich immerhin auch auf einem Niveau von 30 MN, gegen über 42,15 MB als Spitze. Allerdings gibt es Ionentriebwerke nur in festen Größen, daher nun mit einem Rit 2X konkret durchgerechnet. Das Datenblatt geht nur bis 4300 s Impuls.

Nimmt man die gleiche Effektivität des RIT-2X bei 6000 s an wie bei 4300 s so verbraucht eines 8200 Watt Leistung und liefert 0,2 N Schub. Es verbraucht dann in 1800 Tagen 529 kg Treibstoff. Dazu kommen die Tanks die 106 kg wiegen. Der Solargenerator für die 8200 Watt Leistung wiegt weitere 103 kg. Das sind zusammen 748 kg. Reduziert man den Treibstoffvorrat um 40 kg kommt man genau auf die 700 kg die für den Antrieb angesetzt sind. Mit 489 kg Treibstoff ergibt sich dann ein Gesamtimpuls von 28,7 MNs.

Nimmt man 1000 kg für den Satelliten und ein mittleres Gewicht des Transportvehikels von 1400 kg (durch den verbrauchten Treibstoff wird es ja leichter) an, sowie das der Geschwindigkeitsbedarf für Hin- und Rückweg gleich hoch ist, so bewegt ein Transfer 3800 lg Masse. Mit 28,2 MN Gesamtimpuls kann man so die Geschwindigkeit um über 7500 m/s ändern.

Pendelt das Gefährt zwischen 550 und 800 km Höhe (dV 133 m/S) dann sind das 56 Transfers. Pendelt es dagegen zwischen 1400 und 550 km Höhe (dV = 426 m/s) dann sind es nur 17 Transfers. Das bedeutet, das sich dieses System durchaus lohnen würde, da es sehr oft eingesetzt werden kann.

Wie sieht es mit dem Chemischen Antrieb aus? Basierend auf Erfahrungswerten würde hier der Treibstoffanteil 5/6 des Gewichts ausmachen, das wären dann 583 kg, also deutlich mehr. Doch der spezifische Impuls ist kleiner. Selbst große Apogäums Motoren kommen nur auf 325 s, kleinere Triebwerke auf 285 s. Das entspricht einem Gesamtimpuls von 1,86 und 1,63 MN, mithin bei gleicher Masse nur 3 Transfers bei dem erdnahen Satelliten und einem bei der höheren Bahnhöhe. Damit ist es auf Basis von chemischen Treibstoffen unwirtschaftlich – einen Satelliten zu starten der nach einem Transfer schon ausgedient hat ist nicht lohnend.

Geht man in der Betriebsdauer nach unten so verschiebt sich übrigens das Optimum Richtung kleinere Impulse. Bei 150 Tagen Betrieb erreicht es die 4300 s des RIT-2X (allerdings mit nur 12,1 MN Gesamtimpuls). Bei 300 Tagen sind es die 6000 s die maximal experimentell erreicht werden bei einem Gesamtimpuls von 17,2 MN.

Da die heutigen Triebwerke nicht für lange Betriebszeiten ausgelegt sind (maximal einige Monate) verwundert es nicht, dass die eingesetzten Typen einen geringeren spezifischen Impuls haben der bei 13,5 bis 43 km/s liegt, die meisten Typen um rund 30 km/s herum.

3 thoughts on “Die Satellitenentsorgung 2

  1. Könnte man nicht einen pneumatischen Greifer verwenden? https://www.youtube.com/watch?v=5Oqv27tTz_o sowas wie das hier, einfach länger, viel Kraft braucht das Ding ja nicht zu haben.
    Danach könnte man einen Ballon Aufblasen mit grossem Durchmesser, dadurch würde zumindest bei den tieferen Bahnen der Luftwiderstand stark ansteigen (wie die Ballonsonden ja bewiesen). Ein Kugelförmiger Ballon mit 1000 m^2 sollte nur 20-30 kg schwer werden und würde den 910 kg Landsat satellit in 24 Jahre deorbitieren (aus 910 km Höhe).

    Wobei die Methode bei >1000 km wohl unpraktikabel werden dürfte.

    Geostationär Satelliten könnte man evt. auch richtung Mond schicken statt richtung Erde. Das Delta-v sollte kleiner sein wenn ich das jetzt richtig gesehen habe. Die Bahnen um den Mond sollten instabil sein (wegen des GRavitationsfeldes) und sich das Problem so lösen.

  2. Ja den Ballon habe ich auch schon angedacht. Die Angaben von Dir stimmen auch. Bei 1000 m² Fläche komme ich auf eine restlebenszeit von 26,25 Jahren. Der Ballon kann allerdings durch die große Oberfläche selbst getroffen werden und dann verliert er die Füllung und es ist auß mit dem Abbremseffekt, zumindest zu einem guten Teil.

    Demgegenüber beträgt der Treibstoffverbrauch um zwischen 550 und 900 km Höhe zu pendeln auch nur 26 kg, sodass beide Lösungen „gleich gut“ wären, allerdings kenne ich keinen so leichtgewichtigen Satelliten Pageos mit 30 m Durchmesser ist der leichteste den ich kenne und der hat eine Oberfläche von 700 m² und wiegt 55 kg. So gesehen ist die Lösung nicht wirklich besser.

  3. Ja das habe ich befürchtet. Danke für die Antwort.
    Man könnte es auch etwas anders Aufbauen (wegen dem platzen) aber alles in allem ist wohl doch nicht besser.
    Evt. gleich von Beginn an einbauen (mit Totmannschalter, wenn der Satellit ausfällt geht das Teil von selber auf). Wobei man dann eindeutig gleich mit Treibstoff deorbitieren könnte.

    Sonst braucht man zum Treibstoff noch eine Sonde wenn man das vorhande Triebwerk nicht mehr gebrauchen kann.

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