Der Wiedereintritt

Die Kommentare zu dem angeblich neuen Konzept der BFR , mit aktiver Kühlung brachten mich auf meinen heutigen Grundlagenartikel. Und nein ich gehe nicht auf das Konzept von Musk ein. Zum einen, weil ich in 15 Jahren nicht eine Aussage, von ihm kenne, die nicht gelogen war oder revidiert wurde und zum anderen, weil ich Twittermeldungen nicht als Informationsquelle ansehe.

Es geht um den Wiedereintritt per se. Der Vorgang ist eigentlich relativ einfach. Ein Körper tritt mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die Atmosphäre ein und diese Geschwindigkeit entspricht einer Energie, die zum Teil abgebaut wird.

Die Geschwindigkeit liegt bei einem Satelliten zwischen 7,8 und maximal 11 km/s. Sie entspricht in etwa der Geschwindigkeit im Perigäum der Bahn. Bei Fluchtbahnen. Also entweder Körper aus dem Sonnensystem oder Rückkehr von menschlichen Objekten, die zum Mond oder weiter entfernt kommen, sind es über 11 km/s.

Man kann nun leicht nach der Formel:

E=1/2 mv²

Die kinetische Energie berechnen, die dieser Geschwindigkeit entspricht. Schon die geringste Energie eines Erdsatelliten von 7,8 km/s Orbitalgeschwindigkeit entspricht einer kinetischen Energie von 30,42 MJ. Damit man das Mal einordnen kann: 30,42 MJ sind 8,45 KWh. Verbrennt man Wasserstoff und Sauerstoff, eine der energiereichsten Kombinationen, die es gibt, so liefert 1 kg nur 14,9 MJ. Daraus kann man erkennen, dass diese Energie leicht ausreicht, jedes Material, das es gibt zu verdampfen.

Das passiert auch – zumindest wenn der Körper ganz klein ist. Es fallen ja auf die Erde nicht nur große Brocken, sondern auch viel Staub und der verdampft weitestgehend. Trotzdem gab es in den Neunzigern eine Überraschung, als eine U-2 in der oberen Stratosphäre Staub sammelte und nach den Analysen darunter auch extraterrestrischer Staub war. Also Teilchen, von denen man annahm, dass sie eigentlich komplett verdampfen müssten, weil sie so klein sind.

Auf der anderen Seite – das wird euch ein Sammler von Meteoriten bestätigen – schaffen selbst kleine Gesteinsbrocken von nur wenigen Zentimetern die Passage und kommen am Boden an. Großen Brocken, sagen wir so mal ab 10 m Durchmesser werden sogar kaum abgebremst und schlagen durch ihre kinetische Energie einen Krater. Kleine Faustformel am Rande – der Kraterdurchmesser ist je nach Geschwindigkeit und Dichte (es gibt auch Meteoriten die vorwiegend aus Eisen bestehen) etwa 10 bis 20-mal größer als der Durchmesser des Körpers, der ihn schlug.

Ist der Körper wirklich groß – so ab 100 m, so wird er durch die Atmosphäre kaum abgebremst und schlägt mit voller Wucht auf. Für den Körper, der die Dinosaurier auslöschte, war nicht mal die 4 km dicke Wasserschicht im Golf von Mexiko ein Hindernis. Er verdampfte trotzdem noch das darunter liegende Gestein.

Das zeigt aber auch – nicht die volle Energie wird beim Wiedereintritt in Erwärmung umgewandelt und das schon nicht mal bei kleinen Körpern von nur wenigen Zentimetern Größe.

Bein einem aerodynamisch geformten Körper, wie es ein vom Menschen für den Wiedereintritt konstruiertes Objekt sein sollte, gehen etwa 1-2 Prozent der Gesamtenergie auf den Körper über. Der Rest, wenn wir ganze große und dichte Körper ausklammern, die kaum abgebremst wird, auf die Erhitzung der Atmosphäre um den Körper, in großen Höhen wird es so heiß das ein Plasma entsteht. Das sind dann die in Presserklärung ausgelobten enorm hohen Temperaturen, bei denen selbst Werkstoffe mit hoher Temperaturbeständigkeit verdampfen würden. Nur hat die Temperatur das Plasma und nicht der Körper.

Das vereinfacht die Auslegung. Man hat bisher drei grundlegende Technologien entwickelt, um einen Körper heil zur Erde zurückzubringen.

Die älteste ist die Technologie der Wärmesenke. Sie ist so alt, das sie im Buch über Raumfahrttechnik von Harry O. Ruppe, das ich für diesen Blog konsultiert habe, schon nur „aus historischen Gründen“ angeführt wird, denn sie war schon Anfang der Achtziger Jahre längst veraltet. Als man das Mercuryprogramm begann, sollte der Hitzeschutzschild aber nach diesem Prinzip operieren und die suborbitalen Flüge setzten denn auch dieses Prinzip ein.

Das Prinzip der Wärmesenke beruht darauf, dass der Hitzeschutzschild aus einem Material besteht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und gleichzeitig eine hohe Wärmekapazität hat. Das war Berrylium. Beryllium hat eine spezifische Wärmekapazität von 1.825 kJ/kgK, Stahl dagegen nur eine von 460 und Aluminium eine von 920 kJ/kg*k. Noch dazu hat es für ein Leichtmetall hohen Schmelzpunkt von 1287 °C. Berylliumkann rund 1 KWh Energie pro Kilogramm Masse aufnehmen. Wenn im Durchschnitt 1,5 % der Energie auf den Körper übergehen, benötigt man bei 8,45 KWh pro kg für den Wiedereintritt für einen niedrigen Erdrorbit also einen Hitzeschutzschild von 12,7 % der Gesamtmasse. Beryllium speichert die Wärme und erhitzt sich. Der Hitzeschutzschild muss dann natürlich noch vom Rest des Körpers isoliert sein, sonst geht die Wärme auf den Rest über. Am Boden muss man den Schutzschild wieder abkühlen. Kein Problem, wenn man im Wasser wassert. Wasser leitet gut Wärme ab. Bei einer Landlandung sieht es anders aus. Dann benötigt man entweder schnell eine extrem gute Kühlung oder man muss den Hitzeschutzschild abwerfen, das taten z.B. alle Mercurykapseln, sobald die Fallschirme geöffnet wurden. Das Prinzip der Wärmesenke wurde nur bei sehr kleinen Kapseln wie den Filmkapseln der Spionagesatelliten und für Atomsprengköpfe eingesetzt. Bei so dichten Körpern ist der Übergang der Energie auf den Körper kleiner als bei einer Kapsel mit einem großen Hohlraum für die Besatzung.

Das nächste Prinzip, das umgesetzt wurde, war das des ablativen Hitzeschutzschildes. Und wer hat‘s erfunden? Man glaubt es kaum. Auch das wurde von Wernher von Braun und seiner Gruppe zur Einsatzreife gebracht in dem Konus der Jupiter. Ich war erstaunt, doch da Harry Ruppe damals in der Gruppe drin war, zweifele ich nicht daran. Damit ist auch erklärbar warum Maxime Faget, der das Mercuryraumschiff konstruierte, nach den ersten Besprechungen die auch mit Wernher von Braun waren auf den ablativen Schild umschwenkte.

Das Prinzip des ablativen Schildes ist, dass der Hitzeschutzschild aus einem Material besteht, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Es erhitzt sich so stark, bis es schließlich verdampft. Dabei nimmt es viel mehr Wärme mit als Beryllium, das sich maximal so weit erhitzen darf, bis es erweicht, noch weit unterhalb des Schmelzpunktes. Das ideale Material wäre reiner Kohlenstoff. Er hat von allen Elementen den höchsten Sublimationspunkt und schmilzt nicht vorher, denn dann könnte er von der Strömung weggetragen werden. Nur ist reiner Kohlenstoff solange man nicht große Strukturen aus Diamant fertigen kann nicht sehr fest und empfindlich gegen mechanische Beschädigung. Trotzdem kommt er zum Einsatz. An den Stellen des Raumschiffs mit den höchsten Temperaturen nimmt man reinen Kohlenstoff, der aber nach einem aufwendigen Verfahren hergestellt wird. Das Material „Reinforced Carbon-Carbon“ kurz RCC kam an den Flügelvorderkanten des Space Shuttles zum Einsatz. Dazu wurde reiner Kohlenstoff in ein Harz eingegossen und das ausgehärtete Harz im Vakuum pyrolysiert, also verbrannt, bis auch das Harz zu Kohlenstoff wurde. Erhalten wurde reiner Kohlenstoff, aber noch porös. Um auch die Poren zu verschließen, wurde er dann mehrmals mit einem Alkohol (Furanol) getränkt und jedes Mal erneut pyrolysiert, wobei dann der Alkohol auch in Kohlenstoff umgewandelt wurde. Bis man einen Block aus reinem Kohlenstoff erhielt, der natürlich schon durch die Gießform für das Harz die spätere nötige Form hatte. Trotzdem ist auch RCC genauso mechanisch anfällig wie andere Kohlenstoffformen in SP-2 Konfiguration wie z.B. Steinkohle. Das zeigte sich, als ein Stück Schaumstoff mit hoher Geschwindigkeit auf ein RCC-Panel beim Start von STS-107 prallte und ein Loch riss.

Die ablativen Schilde für weniger hohe Ansprüche bestehen aus einem anderen Material. Die Basis ist ein Block aus Aluminium in Wabenform, mit dem zum einen der Schild an dem Raumschiff angebracht wird, ohne diesen selbst z.B. durch Bohren zu beschädigen. Zum anderen ist die Wabenform ein Stützgerüst. In jede Wabe kommt eine Mischung aus einem Acrylharz und festen Komponenten die einen hohen Schmelzpunkt haben oder sublimieren. Das waren bei Mercury Glasfasern, der Hitzeschutzschild ist also vergleichbar einem glasfaserverstärkten Kunststoff gewesen. Bei niedrigen Anforderungen an die abzuführende Energie wie z. B. bei einer Landung auf dem Mars (niedrigere Geschwindigkeit) kann man auch Kork nehmen. Heute üblich sind Silikatfasern oder Kohlenstofffasern als Verstärkung. Sie bilden eine dreidimensionale Matrix im Hitzeschutzschild. Der ausgehärtete Schild kann dann leicht durch Abschleifen in die gewünschte Form gebracht werden. Beim Wiedereintritt verdampft ein Teil der Oberfläche. Das Harz verkohlt und bildet so an der Oberfläche eine Schicht aus reinem Kohlenstoff. Die Fasern sind nicht nur ein weiterer schwer verdampfender Bestandteil, sie geben dem Schild auch mehr Steifigkeit und Widerstandskraft gegen mechanische Beschädigungen.

Nach Ruppe braucht man für den Wiedereintritt von einem LEO einen ablativen Schild der etwa 10 % des Gefährtes wiegt – das ist schon mal günstiger als bei der Wärmesenke (12,7 %). Beim Mond sind es 15 Prozent – man sieht der Zusammenhang ist nicht linear, denn die Energie ist doppelt so hoch nicht nur 50 % höher. Das funktioniert selbst noch bei Jupiter, wo die Galileo-Atmosphärensonde mit 47 km/s Eintrittsgeschwindigkeit – der Schild machte dann aber fast die Hälfte der Masse aus. Wäre der Zusammenhang linear, so würde Schild mehr wiegen als der Körper selbst. Allerdings gilt Ruppes Angabe wohl für eine bemannte Kapsel und nicht eine relativ kleine Messkapsel mit hoher Dichte.

Für das Space Shuttle setzte man das dritte Prinzip ein. Das der Strahlungskühlung. Nämlich möglichst wenig Wärme aufzunehmen. Die Hitzeschutzkacheln des Space Shuttles bestehen aus einer dreidimensionalen Matrix aus reinen Silikatfasern. Zwischen ihnen herrscht ein Vakuum, weshalb diese eine extrem niedrige Dichte haben (eine zweite Anwendung des Werkstoffs war das Aerogel für das auffangen von Staubteilchen aus Kometen bei der Raumsonde Stardust). Silikatfasern haben einen hohen Schmelzpunkt und weil zwischen den Fasern ein Vakuum herrscht, leiten sie die Wärme kaum weiter. Nur an den Berührungspunkten ist das möglich. Sie strahlen dadurch einen großen Teil der Energie durch die große Oberfläche der Fasern wieder ab, beim Space Shuttle hat man das noch verstärkt indem man den unteren Schild (die Kacheln kamen auch auf der Oberseite zum Einsatz) mit einem dunklen Überzug aus Borsilikatglas mit Kohlenstoff überzog. Die schwarze Oberfläche strahlt nochmals mehr Energie ab. Die Kacheln sind eindrucksvoll. Es gibt Videos der NASA von der Herstellung, da kann man sie wenige Sekunden nach Herausnehmen aus dem Ofen mit bloßen Händen anfassen – die oberste Schicht strahlt schnell die Wärme ab, nimmt aber die innere Wärme durch die schlechte Wärmeleitung kaum auf – der Arbeiter hält dann einen rot glühenden Würfel mit bloßen Händen! (Ich rate Elon Musk das mal mit seinem Kühlsystem zu probieren, dann schreibt er wenigstens nichts mehr, bis die Verbrennungen dritten Grades geheilt sind).

Der Nachteil: Diese Technologie ist nur einsetzbar, wenn ich die Zeit habe die Energie wieder abzugeben. Das Gefährt muss also einen hohen Auftrieb besitzen für einen langen Flugweg, eben daher wurde die Strahlungskühlung auch beim Space Shuttle eingesetzt, das möglichst lange in der oberen dünnen Atmosphäre bleibt, auch weil die maximale Energie welche der Kacheln ausgesetzt werden können bei 10-20 KW/m² liegen. Beim schnellen, ballistischen Passieren der Atmosphäre können dagegen bis zu 1.000 kW/m³ auftreten. Auch die vorher erwähnten Paneele auf Basis von RCC beruhen auf der Strahlungskühlung. Sie werden bis zu 1610°C heiß.

Durch die niedrige Dichte sind diese Quarzkacheln bis heute die optimale Lösung was das Gewicht angeht. Beim Space Shuttle wiegen sie auf der Unterseite 4.500 kg bei 475 m² Fläche. Also nur etwa 10 kg pro Quadratmeter. Der Nachteil – auch diese Kacheln dehnen sich aus. Es mussten daher Tausende sein. Zwischen jeder Kachel musste es eine genau berechnete Fuge zum Ausdehnen geben. Später konnte man die Zahl reduzieren und größere Kacheln fertigen, aber ein monolithischer Schild wie bei den ersten beiden Methoden ist auch heute nicht herstellbar und daher ist die Strahlungskühlung sowohl die Herstellung wie Wartung teuer. Auch wenn die Kacheln die meiste Energie vom Raumfahrzeug abhalten, nehmen sie doch einiges auf. Die Wärme würde auf Dauer auf die Struktur übergehen. So ist das Erste, was nach der Landung gemacht wird, noch bevor die Besatzung aussteigt, dass ein Fahrzeug zum Shuttle fuhr und ihn kühlte. Immerhin liefern die Kacheln einen Anhaltspunkt wie heiß eine Oberfläche wird, bis ein Gleichgewicht zwischen Strahlungsabgabe und Wärmeaufnahme erreicht ist: 1225 °C an der Unterseite und bis zu 1610°C an exponierten Stellen (Flügelvorderkanten, Nasenspitze)

Nach wie vor gibt es nur diese drei Optionen. Ablative Schilde sind der Standard, aber man muss sie bei jedem Start auswechseln. Kacheln sind erheblich leichter und für Raumschiffe mit großem Volumen und / oder Flügeln daher geeigneter, aber viel teurer in der Herstellung und Wartung. Das Wärmesenkenprinzip ist heute eigentlich tot. Klar der Schutzschild ist wiederverwendbar. Aber er ist extrem teuer, Beryllium ist zudem giftig und schwer zu verarbeiten und er ist auch noch schwer.

Wie leistungsfähig das Kühlsystem sein muss, das innerhalb kurzer Zeit (der Wiedereintritt dauert so etwa 20 bis 30 Minuten) bei einem (geschätzt) 100 t Gefährt rund 0,1 KWh Energieübergang pro Kilogramm Masse, also 10 MWh an Energie abführt, überlasse ich dann den SpaceX Experten.

7 thoughts on “Der Wiedereintritt

  1. SpaceX führt Projekte weiter, die jemand anders begonnen hatte, aber aus Kostengründen einstellen müsste. Für Starship stehen die Namen „Copper Canyon“, „X-30“, „NASP“ als Vorgängerprojekte. Und deshalb wird die Sache mit der aktiven Kühlung funktionieren.

      1. “ueberlasse ich den SpaceX Experten”. Neben einigen physikalischen Entgleisungen im Text, der einzig vernünftige Satz zu SpaceX. Waere Herr Leitenberger nur halb so schlau, wie er vorgibt zu sein, wuerde er sich seine ueberheblichen Kommentare zu NASA, ESA und SpaceX sparen. Armseelig.

        1. Mal die Fanboy Brille absetzen. Der Herr Leitenberger publiziert seit Jahren recht fundierte Analysen und trifft oft genug den Wunden Punkt von NASA, ESA, SpaceX. Siehe eingetroffene Vorhersagen der Vergangenheit. Ich finde Deinen Kommentar daher armselig.

  2. @Ariane: Ähh…. du nennst als Beispiel ein nie geflogenes Weltraumflugzeugkonzept aus den 80ern, das überhaupt nichts mit der Edelstahlrakete zu tun hat?

    @Thomas: „Physikalische Entgleisungen“ ? LOL

    1. Die physikalischen Entgleisungen dürften sich auf die typischen berndschen Vertipper (KW MW …) beziehen.

      Ich finde ja man kann sich auch bei dem SpaceX-Thema die Gemeinheiten eigentlich sparen (z.B. erster Abschnitt), aber nachdem es so viele SpaceX-Fanboys gibt finde ich Bernds Artikel immer wieder erfrischend.

      Ohne es durchgerechnet zu haben habe ich mir die Frage wie das mit einer aktiven Kühlung funktionieren soll auch schon gestellt.

  3. Die Physikalischen Größen stimmen von den Größenordnungen her.

    Ich vermute aber das die Gesamtwärmemenge die von der Oberfläche aufgenommen werden muss noch wesentlich größer ist.

    wie die Wärme aber dann wieder weg soll ist mir schleierhaft.

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