Eine neue Verwendung von Sonnensegeln

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Hallo, nach einer Woche mal wieder ein Blog. Derzeit gibt es eigentlich nicht viel Neues und zudem habe ich auch so zu tun: ein Auftrag ist rein gekommen und die Steuer muss auch noch heute und morgen erledigt werden (ich dachte es gibt verlängerte Fristen, doch die greifen wohl erst nächstes Jahr). Ich dachte zuerst ich schreibe mal einen wohlmeinenden Artikel über den ersten Start der Elektron, schließlich ist es ein kleines start-up und sie haben mit dem ersten Start immerhin die Grenze zum Weltraum erreicht. Allerdings las ich in den Newsportalen das es nicht wirkliche Nachrichten zum Start gibt. Fotos wurden aus Videos herausgeschnitten und alles was es gibt sind Äußerungen des CEO Beck. Die Parallele zu anderen Firmen über die man nur noch Nachrichten über Äußerungen des CEO erfährt sind frappierend und mit denen habe ich schon schlechte Erfahrungen gemacht. Also kein Bericht über die Electron. Aber ich bin auf immerhin ein interessantes Projekt gestoßen.

Lange Zeit galten sie als Antriebe der Zukunft, inzwischen ist es doch recht still geworden um Sonnensegel. Sie funktionieren in der Tat wie Segel, nur das sie den Strahlungsdruck des Lichtes nutzen: Jedes Lichtteilchen hat eine bestimmte Energie, die von seiner Wellenlänge abhängt. Nach Einsteins E=mc² kann man dann die dazugehörige Masse berechnen, und da Lichtteilchen ebenfalls per Definition so schnell wie die Lichtgeschwindigkeit sind, den Impuls, den das Licht auf eine bestimmte Fläche ausübt.

Das grundlegende Problem ist, das der Strahlungsdruck des Lichts sehr klein ist – bei vollständiger Reflexion beträgt er knapp 9 N/km². In der Realität ist es weniger, da selbst verspiegelte Oberflächen nur etwa 90-95% des Lichts reflektieren und man für die Festlegung der Richtung das Segel auch so drehen muss das die Photonen im richtigen Winkel abgegeben werden. Realistisch wird man etwa die Hälfte nutzen können.

9 N sind nicht viel. Kleine Raketentriebwerke für Lageänderungen haben etwa 10 N Schub. Ionentriebwerke je nach Stromversorgung einen Schub von 0,01 bis 0,3 N. Ionentriebwerke sind auch die direkten Konkurrenten von Sonnensegeln. Beide nutzen die Energie der Sonne. Sonnensegel direkt, Ionentriebwerke, indem sie das Licht in Strom, umwandeln und den Strom nutzen, um ein Arbeitsmedium zu ionisieren. Und dieses als Antrieb zu nutzen. Das Sonnensegel trotz direkter Nutzung so schlecht abschneiden liegt daran, dass sie nur den Druck der Photonen nutzen, nicht aber die Energie, die in ihnen steckt – sonst würden sie sich stark aufheizen.

Ionentriebwerke brauchen eine Stromquelle mit hoher Leistung bei geringem Gewicht. Und hier gab es bei Solarzellen in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte. Der Wirkungsgrad wurde von 10 auf fast 30% gesteigert, vor allem die Paneele durch Dünnschichtzellen und neue Materialen für das Panel selbst leichter. Zu Beginn der Raumfahrt lieferten Solarzellen die 1 kg wogen rund 10 W. Bis 1980 war man bei experimentellen Paneelen bei 40 W angekommen. Heute erreichen große Arrays mit festen Strukturen >80 W² und flexible Arrays ohne die Rückwand je nach Größe 106 – 170 W/kg. Damit kann man bei gegebenem Gewicht für Solarzellen mehr Leistung erzugen, sprich mehr Schub und schnellere Reisezeit.

Dagegen hat man bei Solarzellen kaum Fortschritte gemacht. Sie bestehen aus einem Trägermaterial, das verspiegelt wird. Das konnte man im Laufe der Jahrzehnte zwar auch um den Faktor 2 leichter machen, aber vergleichen mit dem Faktor 10 ist dies eben deutlich schlechter. BepiColombo wird bald zu Merkur aufbrechen. Sie wird mit Ionentriebwerken von maximal 0,29 N Schub angetrieben. Um diesen Schub bei Merkur zu erreichen, müsste man bei 5 N/km² eine Fläche von rund 5.600 m² betreiben. Dabei sind in diesem Falle die Solarpaneele sogar im Vorteil: Die Solarpaneele kann man bei dieser Entfernung nicht voll ausnützen, da sie bei Merkur sonst überhitzen würden. Man hat sie teilweise mit Spiegeln belegt und dreht sie bis zu 76 Grad aus der direkten Sonnenrichtung. So reichen Bei BepiColombo 40 m² mit Paneelen aus.

Rein theoretisch könnte man Solarsegel noch leichter machen, wenn man nach dem Bedampfen das Trägermaterial wegätzt, sodass nur die dünne Alumniumschicht zurückbleibt, doch wie man diese dann faltet und wieder entfaltet ist noch offen. Auch das Entfalten wirklich großer Segel kann man auf der Erde schon wegen des Plates den sie brauchen kaum testen.

Ein amerikanisches Start-Up hat nun aber Solarsegel wieder aufgegriffen. Jedoch nicht als Antrieb. Die Firma will vielmehr die große Fläche nutzen, um die Erde zu beleuchten. Die Rechnung ist relativ einfach: Ein heller Sonnentag hat rund 100.000 Lux Helligkeit. Für die Straßenbeleuchtung sind 1-10 Lux vorgeschrieben. Würde man mit einem Sonnensegel die Sonne auf die Erde reflektieren und über eine größere Fläche verteilen so reicht 1 m² aus, um 1 Hektar mit 10 Lux zu beleuchten. Das spart die Stromkosten für die Beleuchtung. In Deutschland gibt man für 4 Milliarden Kwh rund 1 Milliarde Euro pro Jahr aus. In Deutschland sind 8% der Fläche bebaut. Würde man diese 27.200 km² mit einem Sonnensegel beleuchten, so könnte sich ein System lohnen, wenn es über die Betreibsdauer dieselbe Summe kostet.

Die Firma SolarLux hat nun genügend Geld von Investoren gesammelt, um den ersten Erprobungsschritt zu gehen. Dabei wird das Sonnensegel als Piggi-Backnutzlast mit einem Kommunikationssatelliten gestartet. Die Nutzlast soll nicht mehr als 100 kg wiegen, davon entfallen nur die Hälfte des Gewichts auf das Sonnensegel. Es gelangt in einen GEO-Orbit trennt sich vom Satelliten und wird entspannt. Diese erste Nutzlast soll erproben, ob das Konzept funktioniert, wie stark das Licht auf der Erde aufgefächert wird und ob die Kontrolle der Ausrichtung über kleine Segel an den vier Seiten funktioniert. Schließlich muss das Segel der Sonne nachgeführt werden. Dieses erste Segel wird nur etwa 5.000 m² Fläche haben, genug um 0,5 bis 5 km² zu beleuchten.

Funktioniert dies, so folgt in einigen Jahren dann der erste Einsatzsatellit. Er hat ein viel günstigeres Verhältnis von Gesamtmasse und Segel, dieses macht dann schon 90 % der Masse aus. Bei 2000 kg im Orbit soll er 225.000 m² Fläche haben. Aussreichend um ein ganzes Ballungsgebiet zu beleuchten. In Phase die will man die Solarsegelschon in einem mittelhohen Erdorbit entfalten und zum hochspiralen nutzen. Das verdoppelt bis verdreifacht die Nutzlast.

Die Rechnung sieht so aus: Ein Satellit wird 60 bis 90 km² beleuchten. Dafür werden die Stromkosten eingespart. Einmal im Orbit kann er sehr lange betrieben werden. Die Solarzellen zur Stromversorgung der Elektronk werden auf den dreifachen Bedarf ausgelegt, was für mindestens 50 Jahre Betrieb reicht.

Ich bin allerdings skeptisch. Selbst wenn man in Deutschland nur die Städte beleuchtet, so bräuchte man rund 90 Satelliten, die dann etwa ¾ der Stromkosten einsparen würden. Das wären nur 8 Millionen Einsparung pro Satellit und Jahr. Ein Investor müsste also sehr langfristig denken (in 50 Jahren sind es dann 400 Millionen Euro) oder die Firma spekuliert auf eine rapide Senkung der Starkosten, denn der Satellit ist relativ einfach: er besteht zu 90% aus dem Segel und Streben (nur Mechanik) und einem relativ kleinen preiswerten Satelliten, der auf Basis eines kommerziellen Busses entwickelt werden kann. Er benötigt nur einen Kommandoempfänger, um das Segel notfalls durch Stellkommandos zu bewerkstelligen, wenn die Automatik versagt.

In Foren wird auch spekuliert, dass der angepeilte Markt nicht die heutigen Industrieländer sind, sondern Entwicklungs- und Schwellenländer. Muss man erst die Infrastruktur schaffen, das heißt überall Straßenlampen aufstellen so sieht die Rechnung ganz anders aus. Zudem wird das Segel um so wirtschaftlicher je kleiner die Anforderungen sind – für Wohngebiete beträgt bei uns z.B. die Mindestanforderung nur noch 1 Lux (etwa 4-mal heller als der Vollmond), dann kann man die zehnfache Fläche beleuchten. Umgekehrt soll auch schon das Militär angeklopft haben. Theoretisch kann man die Segel auch parabolisch aufspannen. Sehr große Satelliten sind so wegen des höheren Platzbedarfes nicht möglich, trotzdem könnte ein Satellit eine größere Zone in einen Glutofen verwandeln, wenn er tagsüber das Licht zusätzlich zur Sonne hinzustrahlt. Er könnte dafür sorgen, dass es nie wirklich Nacht wird, was sowohl kurzzeitig bei militärischen Operationen, wie auch langfristig (Schlafentzug beim Feind) von Vorteil wäre. Das das Militär an so was forscht, sieht man an schon einsatzbereiten Produkten herauskam so die Mikrowellenkananone, die durch Mikrowellen die Haut aufheizt. Das Militär hat sie als zu unwirksam erachtet, aber für die Polizei ist sie inzwischen als Ersatz für Wasserwerfer im Einsatz.

Wenn einmal ein Segel entfaltet wird, so wird es im erdnahen Raum sehr prachtvoll aussehen. Die größten geplanten Satelliten werden dann über 400 m Kantenlänge haben, man wird sie sicher nicht unterhalb 1000 km Höhe entfalten können, sonst würden sie durch die Atmosphäre abgebremst, aber dann werden sie eine eindrucksvolle Erscheinung sein. Der Ballonsatellit Echo war nur 40 m groß und zog in 1350 km Höhe seine Kreise. Trotzdem war er als heller Stern zu sehen. Selbst im GEO-Orbit wird man sie als helle Sterne wahrnehmen können.

Wenn ein Satellit ausfällt, so wird ohne dauernde Lageregelung er seinen Orbit nicht halten können. Er wird im Betrieb der Sonne nachgeführt, sodass sich der zusätzliche Impuls einmal addiert und einmal subtrahiert, er behält also seine Position und Bahn. Ohne diese Nachführung wird er vom Strahlungsdruck innerhalb von wenigen Jahren auf einen Fluchtkurs gebracht. Zumindest Weltraummüll entsteht so nicht.

17 thoughts on “Eine neue Verwendung von Sonnensegeln

  1. Der Artikel spannt einen schönen Bogen, gefällt mir. Ich übersehe die Tags ganz oben meistens, aber als geübter Blogleser erkennt man Münchhausens Kolumne trotzdem immer recht schnell am Text:
    Du gibst für ein Startup viele technische Details an – das ist natürlich Dein Steckenpferd, aber die Firmen selbst würden das alles nie so genau verraten -, hältst Dich aber mit Terminen und Kritik eher zurück. Termine und Kosten wiederum werden von den Startups gerne selbstbewusst kommuniziert, selbst wenn sie noch viel offensichtlicherer Unsinn sind als Du Dich hier zu erfinden traust.
    Nur mal so als Tipp aus Rezipientensicht: Stell klarer heraus, dass Du Dir die Details selbst zusammenreimen musstest, und dass Du den Zeitplan für einen Einsatz im Jahr 2021 (oder so) auch nicht für realistisch hältst. 😉

  2. Bernd, wenn man deine Ausführungen so liest, scheinst du dich selber für recht schlau zu halten. Ich verstehe nicht warum du dann immer an der Einordnung von Aussagen irgendwelcher Firmenchefs verzweifelst oder gar scheiterst.

  3. Okay das mit Beck hätte ich noch ausholen müssen. Die Aussagen sind so vage. Ich zitiere mal aus Spacenews:
    „“It was a great flight,” said Peter Beck, Rocket Lab’s CEO. “We had a great first stage burn, stage separation, second stage ignition and fairing separation. We didn’t quite reach orbit,, and we’ll be investigating why, however, reaching space in our first test puts us in an incredibly strong position to accelerate the commercial phase of our program, deliver our customers to orbit and make space open for business.”“

    Keine Angabe welche Höhe man erreicht hat oder wann es Probleme gab. Eigentlich kein einziger Zahlenwert.

    und:
    „Rocket Lab did not provide a public live video webcast of Thursday’s launch, but a video feed of the liftoff was privately streamed to the company’s facilities elsewhere in New Zealand and the United States.“
    https://spaceflightnow.com/2017/05/25/maiden-flight-of-rocket-labs-small-satellite-launcher-reaches-space/

    Spacenews ist auch vorsichtig:
    „As designed, the Electron’s first stage fires for two and a half minutes before separating. The second stage then ignites for a burn lasting nearly five minutes, with payload fairing separation taking place a little more than three minutes after liftoff. The company didn’t disclose in its statement if the timing of those events for this launch matched that plan. – See more at: http://spacenews.com/rocket-lab-reaches-space-but-not-orbit-on-first-electron-launch/#sthash.A1b9mTPG.dpuf

    Und in beiden hört man eigentlich als Kommentar nur die Statements von Beck. Ich war auch auf der Webseite doch da gibt es auch nicht mehr. Es geht ja nicht um glauben. Aber wie will man jemand zu etwas beglückwünschen zu dem man nicht mal weis was es ist?

    Vielleicht mal ein Thema für einen neuen Blog: CEO von Raumfahrtfirmen, der neue Porsche fürs Ego. Denn es ist schon frappierend das es nun schon mindestens drei Firmen gibt die praktisch keine Öffentlichkeitsarbeit wie eine Presse/Medienstelle oder so was ähnliches haben, sondern bei denen alle Neuigkeiten direkt vom CEO kommen.

  4. >Keine Angabe welche Höhe man erreicht hat oder wann es Probleme gab. Eigentlich kein einziger Zahlenwert.

    Er sagt ja das die Firma dabei die Ursache zu finden, also kann niemand im Moment eine Aussage treffen welche Probleme es gab. Besser keinen Zahlenwert, als falsche oder ungenaue Angaben. Das kritisierst du doch am meisten, bei irgendwelchen Firmenchefs…

  5. Ich habe zwei Berichte erwähnt, die zeigen das ich nicht alleine bin.
    Kein Mensch erwartet eine genaue Offenlegung, aber es geht doch um fundamentales z.B. welche Geschwindigkeit wurde erreicht, welche Höhe, wann gab es Probleme bzw. wann spätestens war die Mission verloren (wenn z.B. zu wenig Schub entwickelt wird, dann arbeitet das Triebwerk zwar dauernd, erreicht aber nicht die nötige Geschwindigkeit).
    Das sind Werte die man leicht aus der Radarverfolgung bekommt, dazu muss man nicht die Telemetrie auswerten. Bei Arianespace geht das in Echtzeit : Plot der berechneten Aufstiegsbahn wird über reale Bahn gelegt. Und das geht übrigens schon so seit 1979 … Man kann mir also nicht weissmachen das man dazu erst 20.000 Telemetriekanäle auswerten muss.

  6. Wurde nicht mal so was ähnlich von den Russen gemacht in den späten 80er? Die Idee war, dass bei einer Katastrophe das Gebiet beleuchten kann.

    Ich kann mich noch am Fernsehbericht errinern, muss glaub 9 oder 10 gewesen sein.

  7. Über was und wie sich Firmenchefs äußern, darüber kann jeder denken was er will. Ich kann jetzt aber nicht den Zusammenhang erkennen, das deswegen die Firmen schlecht sind.

    Ich beurteile deine Artikel hier nicht nach den vielen Fehlermeldungen auf deiner Webseite. Oder Rechtsschreibfehlern in den Artikeln.

  8. Das habe ich auch nicht gesagt. Nur das es zu wenig Fakten gibt um den Start zu loben und ich lieber eine gute Presseabteilung sähe anstatt nur Äußerungen des CEO. Wer lesen kann ist klar im Vorteil.

  9. Deine Ausführungen sind polemisch und erscheinen oft pauschalisierend gegenüber den Organisationen. Auf der einen Seite selbstverliebte Firmenchefs, auf der anderen Seite der schlaue Bernd.

  10. Worte wie „SpassX“ sind polemisch und pauschalisierend. Mag sein das dir der Stil des Firmenchefs nicht passt, aber die ganze Firma als lächerlich zu verkaufen hat keine Grundlage.

  11. Egal um welches Thema es gerade geht, immer findet sich Jemand der rummotzt wie böse doch seine Lieblingsfirma hier behandelt wird. Das nenne ich polemisch und pauschalisierend.
    Wenn sich eine Firma mit ihrer Informationspolitik selbst lächerlich macht, dann hat sie es ehrlich verdient daß darüber auch mal gespottet wird. Übrigens werden auch nicht in der Raumfahrt tätige Firmen verspottet, ohne daß deswegen gleich ein Glaubenskrieg geführt wird.

  12. [Polemik on]

    Schön das du diese Erkenntniss gewonnen hast. Gratulation.
    Jetzt nur noch vor dem nächsten Post erst wieder an diese Erkenntniss denken.

    [Polemik off]

    Bringen wir es mal auf den Punkt:
    Der Eigentümer dieses Web-Blogs sowie 95% der regelmäßigen Leser glauben nicht blind den Aussagen eines Elon Musk o. ä. Personen sondern betrachten sie kritisch, rechnen sie, so sie können, nach bzw. entscheiden anhand der hier vorgestellten Berechnungen und Argumente was sie von diesen Aussagen der neuen Raumfahrtfirmen halten sollen.

    Dabei sind eigentlich alle der Meinung, das frischer Wind der Raumfahrt gut tut, daß aber gerade die neuen Raumfahrtfirmen die den lautesten Wind machen unterm Strich am wenigsten vorzuweisen haben. Die Technik der Falcon-Reihe ist z.B. nicht auf der Höhe der Zeit (wobei das öekonomisch hier durchaus nachfolzogen werden kann), hat es alles in den letzten 40 Jahren schon gegeben. Und mehr oder minder genauso erfolgreich. Gleichzeitig ist die Art ihrer Finanzierung genauso wenig privat wie die von Boing oder Lockheed.

    Was sie können ist neue Medien. Ja. Das können sie gut.

    Aber hier blendet man damit keinen.

    Aktzeptier es oder lass es. Hier wirst du mit einer anderen Meinung genausowenig Land gewinnen, wie die User hier …. in speziellen anderen Foren.

    Allein die Zukunft wird es zeigen.

    Demit du auch meinen Standpunkt dazu kennst: Nein, SpaceX wird die Raumfahrt nicht revolutionieren. Wenn sie sich gut machen, werden sie ein weiterer Startprovider unter vielen werden , mehr nicht.

    Der andere Bernd

  13. @Bernie,
    Ich vermute inzwischen glaubt niemand blind allen Aussagen von Elon Musk – auch ich nicht, obwohl ich durchaus sein Fan bin. Teilweise bin ich skeptisch, insbesondere bezüglich der meisten seiner Mars-Pläne, dies führt allerdings nicht dazu, dass ich blind bin bezüglich der Erfolge von SpaceX.
    Du meinst, dass frischer Wind der Raumfahrt gut tut. Man kann sicherlich geteilter Meinung sein, ob SpaceX die Raumfahrt revolutionieren wird oder nicht. Dass die Firma aber frischen Wind in die Raumfahrt bringt müsste doch allen klar sein.
    Du schreibst: „die neuen Raumfahrtfirmen die den lautesten Wind machen unterm Strich am wenigsten vorzuweisen haben.“
    SpaceX macht wohl den lautesten Wind, hier werden wohl fast alle zustimmen. Dass die am wenigsten vorzuweisen haben ist schlicht falsch. SpaceX ist z.B. aktuell die einzige Firma, die größere Mengen Material (Ergebnisse der Forschung auf ISS) zur Erde bringen kann. Der europäische ATV konnte es nicht, selbst die Russen können es nur eingeschränkt (Größenordnung 100-200 Kg). Das ist sicherlich etwas was SpaceX vorweisen kann. Ja, Space Shuttle konnte das auch, aber dies ist ja Geschichte, weil es zu teuer war.
    Allgemein wird wohl in diesem Forum nicht genügend auf das ökonomische geschaut. Am Ende gewinnt diejenige Firma mit dem besten Preis/Leistung Verhältnis. Momentan sprich einiges für SpaceX. Ganz sicher ist das nicht, es würden ein, max. zwei weitere fehlerhafte Starts mit Verlust der Ladung reichen, und SpaceX wäre Geschichte. Falls aber dies in den nächsten Jahren nicht passieren sollte, wird SpaceX mit hoher Wahrscheinlichkeit den Markt der Startprovider dominieren.
    Warum? Auf dem kommerziellen Markt ist SpaceX sehr erfolgreich, bereits vier Starts in diesem Jahr mit Kommunikationssatelliten (3xGeo, 1xLEO) zeigen es. Gleichzeitig hat sich die Firma den Zugang zum lukrativen Markt der ISS-Versorgung erarbeitet, hier fanden dieses Jahr bereits zwei Starts statt, mehrere weitere sind geplant. Die Firma ist die einzige, die an allen Programmen der NASA diesbezüglich teilnimmt. Dazu kommen noch Starts mit Spionagesatelliten, NASA-Missionen und Aufträge für AirForce. Diese Starts sind noch relativ selten, hier muss sich SpaceX noch bewähren, aber gerade der Auftrag für den Start von X-37B der Air Force in August zeigt das steigende Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Falcon 9.
    Zusammenfassend: wenn man den Raketenstartmarkt beobachtet, kann man sagen, dass SpaceX gute Chancen hat ein führender Startprovider zu werden, falls es zu keinen weiteren Fehlstart in den nächsten Jahren kommen wird.
    Ich persönlich wäre auf jeden Fall bereit eine Wette anzugehen, dass falls SpaceX keinen Fehlstart dieses Jahr erleidet, dann wird diese Firma bis 31.Dezember 2017 noch mindestens 12 weitere Raketenstarts durchführen. OK, diese Wette wäre nicht sehr fair von mir, der positive Ausgang unter diese Prämisse ist sehr wahrscheinlich. Gleichzeitig würde es bedeuten insgesamt mindestens 19 Starts im Jahr 2017, womit SpaceX der Marktführer und damit alles andere als „ein Startprovider unter vielen“ wäre.
    Wie wahrscheinlich es ist, dass SpaceX keinen Fehlstart dieses Jahr erleidet, möchte ich hier nicht schätzen, hier muss man einfach abwarten.
    Viele Grüße
    Simon

  14. Also ich finde das schon erstaunlich. Ich habe die Firma nicht mal erwähnt, der Blog dreht sich um ein ganz anderes Thema und trotzdem wird drüber diskutiert.

    Ich glaube ihr solltet euch der SpaceX Pause anschließen. Diskutiert wenn es was wirklich neues gibt. Das was ich bisher gelesen habe könnt ihr in anderer Form zig Mal hier finden, und das alles schon vor Jahren.

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