Up, Up and Away

Eine zweite Möglichkeit für eine Venuslandesonde länger zu senden wäre folgende: Sobald die Landesonde gelandet ist, macht sie die Aufnahmen, bläst gleichzeitig einen Ballon auf und der trägt sie dann ganz schnell wieder in eine sichere Höhe. Dort hat man genügend Zeit die Daten zu übertragen und könnte dann den Ballon ablassen und wieder sinken, so bekäme man zwei Landeplätze untersucht, ja bei genügend Gas sogar mehrere. Doch geht das? Zeit dem Mal nachzugehen.

Der Mechanismus ist relativ einfach. Bei gegebenem Druck und Temperatur nimmt jedes Gas ein bestimmtes Volumen ein. Gase aus unterschiedlichen Molekülen wiegen aber unterschiedlich viel. Die Atmosphäre der Venus besteht aus 96,4 % Kohlendioxid mit kleinen Spuren anderer Gase. Die mittlere Molmasse beträgt 43,5. Wir würden für einen Ballon Wasserstoff (Molmasse 2) oder Helium (Atommasse 4) als Gas nehmen. Wie viel Gas wir benötigen, lässt sich dann leicht berechnen. 1 Mol Venusatmosphäre wiegt 43,5 g. 1 Mol Helium nur 4. Damit unsere Sonde nur schwebt, kann pro Mol Helium also 39,5 g angehoben werden. Oder pro Kilogramm Helium 9,75 kg Sonde. Damit kann man eine erste Abschätzung machen. Nehmen wir an wir setzen 60 kg Helium ein. Die Größe ist nicht willkürlich gewählt, das ist in etwa die Menge, die in 3 Heliumflaschen für die Ariane 5 stecken – die fassen bei 300 l und 400 Atmosphären 21,4 kg Helium pro Flasche. Leider wiegt eine Flasche aber auch 93 kg, sodass wir von den rund 585 kg die wir anheben, können schon mal 279 kg für die drei Flaschen abziehen können. In der Praxis sogar mehr, da man sie bei 90 Bar Außendruck nur zu ¾ leer machen kann. Man könnte zwar im Druck höher gehen (der Prüfdruck ist um den Faktor 1,5 höher, der Berstdruck um den Faktor 2), aber sie wird ja auch wärmer, wenn auch wegen der dicken Hülle nicht so schnell und damit steigt der Druck an.

Das Nächste ist der Auftrieb. Der Auftrieb entspricht der verdrängten Luft. Am Boden hat die nach Venera eine Dichte von 0,0635 g/cm³. Würde nun unser Gefähr genauso viel wiegen wie die verdrängte Luft, so schwebt es. Damit es aufsteigt, muss es weniger wiegen und die Geschwindigkeit ist dann einfach F/m. Bei Venusbedingungen würden so schon 10,1 m³ Volumen ausreichen, damit die Sonde schwebt. Bei 12 m³ beschleunigt der Lander mit 0,18 m/s. Dehnt sich der Ballon auch simultan zur Druckabnahme aus, der Außendruck nimmt ja ab, so würde man nach 730 s 48 km Höhe erreichen, in denen eine Temperatur von etwa 80 Grad herrschen. Das halte ich für langfristig tolerierbar für eine Sonde. Mann könnte das innere dann auf 40-60 Grad mit vertretbarem Aufwand kühlen.

Das Problem: Die Dichte ist dort 34-mal kleiner, der Ballon muss sich also um die gleiche Menge ausdehnen. Bei der Erde erreichen aber Ballone 50 km Höhe, da beträgt das Druckverhältnis sogar 1:875.

Das leitet zum letzten Punkt über – das Material für den Ballon. Er müsste elastisch sein, da bei Entfalten ein Druck von 90 Bar herrscht, beim Aufstieg geht er auf unter 3 Bar zurück. Das Problem: ich kenne keinen Kunststoff der 460 bis 480 Grad aushält und auf die Temperatur kommt die Hülle, die ja dünn ist recht schnell. Teflon als beständigster Kunststoff auf Kohlenstoffbasis kommt lange nicht hierhin. Silikone erreichen den Temperaturbereich doch, ob sie so elastisch sind?

Immerhin bei einem Hersteller steht drin, woraus seine Kunststoffe bestehen: Glimmerpapier mit Silikonharz. Die abgebildeten Werkstücke sind aber alle in einer festen Form, also nicht in einer Folie. Wenn dies möglich wäre, so könnte man einen solchen Kunststoff einsetzen. Wenn man die leeren Heliumflaschen abtrennt, die muss man ja nicht mitschleppen, dann würde man für einen Ballon von 70 m³ Volumen einen Ballon von etwa 5,2 m Durchmesser, bei 1 mm Stärke und Dichte 2,2 wiegt der alleine 152 kg, was dann nicht mehr viel für die Landesonde übrig lässt.

Eine Alternative wäre Metallfolie. Sie ist nur kaum elastisch. Man wird sicher einen Ballon aus Aluminiumfolie bauen können, aber ob dieser es aushält aufgeblasen zu werden ohne Leck?

Rein theoretisch könnte auch die ganze Kapsel schweben. Nehmen wir nochmals obige Gasflasche für Helium von EADS. Da nach der Kesselformel, die Masse eines Behälters nur vom Druck, nicht aber Volumen abhängt, würde sie bei 90 Bar (nun Außen, nicht Innendruck) nur noch 21 kg wiegen. Die 300 l die sie fasst wiegen (als Venusatmosphäre) 19,1 kg, also nur wenig darunter. Wenn man nun die Kapsel intern unter Druck setzt, kann man die Wanddichte verkleinern – das Equipment müsste das natürlich aushalten. Ein Massenspektrometer wäre so außen vor, aber Temperatur + Drucksensoren aber auch Kameras und Elektronik hätten wohl kein Problem damit (bei Kameras müsste man eben Belüftungslöcher in die Tuben einbringen). Dann könnte man eine Kapsel mit einer dünnen Hülle fertigen uns müsste die nur beim Abstieg unter Druck setzen, immer etwas höher als der Außendruck, damit sie fällt. Der Fall dauert dann natürlich auch sehr viel länger. Am Boden angekommen wirft man die verbrauchte Gasflasche ab, entlässt eventuell etwas Gas, aber nicht zu viel, dass die Hülle noch standhält, und steigt auf. Während des Aufstiegs muss man dann laufend weiter Gas ablassen, bis man in Zielhöhe gekommen ist. Da man nun leichter ist als am Anfang geht das nur einmal, außer man lässt Venusatmosphäre ein, was aber dann die Kapsel beim Sinken recht schnell aufheizen würde.

Als Resümee: Vielleicht klappt es theoretisch, praktisch würde ich mich nicht drauf verlassen. Was ich für möglich halte, wäre eine Pendelsonde, die zwischen einer Höhe die einen längeren Betrieb ermöglicht und einer Höhe pendelt, in der man den Boden sieht. Wann man den Boden sieht, weiß man nicht. Es gibt nur Daten über die Aerosole, die unterhalb der Wolken drastisch abnehmen. Aber selbst kleine Mengen reichen bei der dichten Atmosphäre aus, um die Sicht zu trüben. Ein Beispiel habe ich direkt vor der Haustür. Ich kann die etwa 50 km entfernte schwäbische Alb sehen. Doch selbst nach Regen, wenn die Luft klar ist, sieht man da nur wenige Details und das bei nur 1 Bar Druck. Wenn man ein Temperaturniveau von 260 °C nicht überschreitet, kann man Teflon als Ballonmaterial nehmen. 260°C entsprechen bei der Venus etwa 25 km Höhe bei 14,2 Bar Außendruck und 0,0139 g/cm³ Dichte. Aufgrund der hohen Dichte wäre ein Ballon klein, die Hülle müsste aber nur 15 Bar anstatt 90 Bar aushalten, was sie bedeutend leichter macht. Ich habe mal gesucht und dieser Artikel nimmt eine Höhe von 16 km an. Das wäre ein 340°C Temperaturniveau, also deutlich höher. Auf der anderen Seite, wenn dies nicht als absolute Höhe gilt, sondern Höhe über Grund dann wären zumindest die höchsten berge (Maxwell Montes) mit 10,4 km Höhe noch abbildbar.

Solange man aber das nicht mal prüft, z.B. mit einer Sonde die beim Abstieg Bilder macht und überträgt wird man auch diesen zweiten Schritt nicht angehen. Dabei wäre dann eine Sonde bei genügend Helium möglich, die einige Zyklen absolviert, zwischen Aufnahme und Erreichen einer sicheren Höhe.

14 thoughts on “Up, Up and Away

  1. Es muss nicht unbedingt Helium sein. Um Auftrieb zu erzeugen muss nur die Molekülmasse deutlich geringer als die der Venusatmosphäre sein. Diese Bedingung erfüllt auch Wasser oder Ammoniak. Das liefert zwar weniger Auftrieb als Helium, aber braucht keine schweren Druckbehälter. Ein weiterer Vorteil wäre, dass durch die Verdampfung die Sonde gekühlt wird.

  2. Nur mal so als „leere“ Idee:
    Man nehme eine Kugel mit stabiler innerer Struktur, die Druck aushält, dazu eine
    Hülle ebenfalls stabil, muß aber nicht elastisch sein. Z.b. Stahlfolie….

    Und als Füllung der Kugel: Nichts! Genauer das Vakuum des Alls.
    Die Kugel wird abgeworfen, mit einem ablativen Hitzeschutz versehen und landet dann
    automatisch in einer Höhe der Atmosphäre, dessen Dichte es erlaubt, zu schweben.

    Auf der Erde dürfte die Kugel bei 1 at Druck 1,25 kg pro Kubikmeter wiegen um
    zu schweben. Das ist bei uns mit leistungsfähigen Kunststoffen vielleicht machbar.
    bei 2 at. Druck ca. 2,5 kg usw…

    Wenn die Atmosphäre der Venus in ihrem Temperatur-/Druckverhältniss entsprechend verläuft, könnte man vielleicht eine solche Sonde bauen.

    Aber ich fürchte das ist doch eine Vakuumidee…

    Bernd Du bist gefordert! 😉

    Ralf mit Z

  3. Im Vergleich zu Helium würde das den Auftrieb nur um rund 10% erhöhen. Ein Druckkörper ist aber deutlich schwerer als eine Ballonhülle, nicht nur 10%.
    Statt Helium könnte man aber Wasserstoff nehmen. Der bringt noch etwas mehr Auftrieb und ist billiger. Brandgefahr gibt es dort ja nicht, dazu fehlt der Sauerstoff.

  4. Die Idee mit dem Vakuum hatte ich auch. Mit CFK-Werkstoffen klappt es, aber mit wenig Spielraum. Bei einer berechneten Kapsel 200 N/mm² 1,34 g/cm würde die Venusatmosphäre 262 kg wiegen, die Kapsel leer 252 kg. Bei Druckabnahme müsste sie noch leichter werden, könnte also nicht abheben.

  5. Bitte mal prüfen: Schafft Wasserdampf in der dicken Atmosphäre Auftrieb?

    Ein „Wasserbeutel“ könnte es doch dann tun. Am Fußboden wird gekocht, weiter oben kondensiert und in der Mitte geschwebt.

    Wäre doch preiswert und „cool“.

  6. Vielleicht könnte man anstatt die Ballonhülle sich dehnen zu lassen den Ballon auch am Anfang erstmal halb aufblasen und dann in der Höhe wird der dann immer praller, dann könnte man auch ein nichtflexibles Material einsetzen.

  7. Aber nicht bei 450 bis 480 Grad, da muss es selbst mit Katalysator schon etwas höher sein. Die Diffusionsfähigkeit ist aber auch der Gruhd warum ich ihn nicht genommen habe.

    Noch was zu Wasser/Ammoniak. Es gibt hier zwei gegenläufige Tendenzen: Auftrieb um 33 % kleiner und man braucht entsprechend mehr Gas, was die Zuladung deutlich erhöht und den Ballon größer macht. Das wiegt dann auch mehr als viermal so viel. In der Summe ist es, selbst wenn man es flüssig transportieren kann ungünstiger.

  8. Eine andere Möglichkeit wäre, Wasserstoff durch eine chemische Reaktion freizusetzen. Eine Zeitlang wurde das schon zur Ballonfüllung praktiziert. Dabei hat man Eisen mit Schwefelsäure reagieren lassen. Allerdings sind diese Komponenten recht schwer im Vergleich zum freigesetzten Wasserstoff. Ein günstigeres Gewichtsverhältnis hätte die Kombination Lithiumhydrid und Wasser. Allerdings hat das Prinzip auch einen Nachteil: Bei der Reaktion wird auch Wärmeenergie freigesetzt, und davon gibt es auf der Venus schon mehr als genug.

  9. Hallo Elendsoft
    mal die grobe Ökokeule rausgeholt:
    Lithium brauchen wir hier auf der Erde dringend für unsere Elektro-Autos!
    Und Abwärme auf der Venus, dann würde das Ökosystem dort entgültig umkippen 😉

    Nix für ungut, und frohes Fest!
    Wünscht
    Ralf mit Z

  10. > Und Abwärme auf der Venus, dann würde das Ökosystem dort entgültig umkippen

    Ja, und dazu kommt noch die Wärme die beim Eintritt in die Venusatmosphäre frei wird. Und Gase auf die Venus transportieren macht die Atmosphäre noch dichter.

    Aber mal im Ernst: Wie schlimm wäre es, wenn es auf der ganzen Erde nur ein Auto geben würde? Das wird erst durch die große Anzahl zum Problem. Bei der Venus wäre das wohl nicht viel anders.

  11. Aber das Problem mit den Autos hat Audi ja jetzt (laut Werbung) gelöst:
    Öko-Gas aus Windenergie!

    Aus Wasser, Kohlendioxyd und Windenergie machen wir: Werbung… äh nein Treibstoff für den Q5…
    Viel Spaß bei dem Wirkungsgrad dieser Energiekette!

    Das wäre doch was für die Venus-Atmosphäre, Kohlendioxyd ist genug da, Wärme für den Chemieprozeß auch, Wind? Ach machen unsere Politiker. Und das Wasser? Keine Ahnung, braucht man auch nicht, die Werbung hat ja genug davon…

    Atmosphärische Grüße
    Ralf mit Z

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