Der Titan Ballon

Kürzlich tauchte eine Drohne, die auf Titan eingesetzt werden soll. Ich will mich mit einem alternativen Projekt beschäftigen, nämlich einem Ballon. Er hat anders als eine Drohne eine längere Flugzeit, kann den ganzen Lander bewegen. Ich will mal in diesem Blog die Probleme und Chancen beleuchten.

Grundlagen

Die Physik hinter einem Ballon ist relativ einfach. Man betrachtet die Atmosphäre als ein ideales Gas für das die physikalischen Zusammenhänge seit 200 Jahren bekannt. Ein ideales Gas kann man durch nur vier Parameter charakterisieren:

  • Druck: Je höher der Druck ist, desto dichter ist das Gas.
  • Temperatur: Je höher die Temperatur desto schneller bewegen sich die Gasmoleküle, was die Dichte senkt und den Druck erhöht.
  • Volumen: In einem gegebenen Volumen ist abhängig von Druck, Temperatur immer die gleiche Menge an Molekülen vorhanden.
  • Molmasse: die molekulare Masse bestimmt die Masse eines Gases, bei gegebenem Druck, Temperatur und Volumen.

Ein Ballon basiert auf dem Prinzip des Auftriebs. Es gibt zwei Prinzipien. Beim Heißluftballon erhitzt man das Gas im Ballon. Durch die höhere Temperatur sinkt seine Dichte und der Balloninhalt hat ein geringeres Gewicht als das gleiche Volumen an Außenluft. Er ist damit leichter und kann den Korb mit Nutzlast nach oben heben. Das endet, wenn der Ballon entweder eine Höhe erreicht hat, in der sein Auftrieb die der umgebenden Atmosphäre entspricht, denn die Dichte der Luftschicht nimmt durch den immer geringer werdenden Druck durch die darüber liegenden Luftschichten mit der Höhe ab. Alternativ stoppt in der Praxis dies schon vorher denn das Gas kühlt sich ja wieder ab.

Für den Titanballon wird man mangels Wärmequelle auf das zweite Prinzip zurückgreifen. Bei ihm füllt man den Ballon mit einem Gas, dessen Molekularmasse niedriger ist als die des umgebenden Gases. Der Auftrieb entspricht dann der Differenz der Molmassen, multipliziert mit der durchschnittlichen Dichte der Atmosphäre.

Die Titanatmosphäre besteht vor allem aus Stickstoff (mittlere Atommasse 28) und hat am Boden eine Dichte von 6,9 kg/m³, etwa sechsmal höher als die Erdatmosphäre. Die mittlere Molmasse ist fast die gleiche wie bei der Erde (29) aber durch die höhere Dichte ist der Auftrieb viel höher.

Mögliche Gase

Die Auswahl an Gasen reduziert sich durch die niedrige Temperatur. Es bleiben nur drei übrig: Wasserstoff (Molmasse 2),Helium (Molmasse 4) und Neon (Molmasse 23). Neon und Helium sind Edelgase, sind also nur in Druckgasflaschen transportierbar. Da der Auftrieb abhängig von der Differenz der Molmasse ist, scheidet nun schon Neon aus. Bei einem Gas ist das Problem, das die Tankmasse nicht vom Gewicht des Gases sondern dem Druck abhängig ist. Neon hat also nicht nur einen geringeren Auftrieb. Die Flasche für ein bestimmtes Volumen wiegt genauso viel wie beim Wasserstoff. Eine Heliumflasche für die Ariane 5 aus CFK-Werkstoffen fast etwa 30 kg Helium, wiegt selbst etwa 93 kg. Das ist natürlich vom Gewicht her unattraktiv. Wenn nur ein Viertel des Gewichts von gas und Flasche auf das Gas selbst entfällt. Man benötigt um einen x kg schweren Lander abzuheben bei der Verwendung von Helium x/7 kg Helium, doch dieses günstige Verhältnis reduziert sich auf 0,59 * x, wenn man die Druckgasflaschen hinzurechnet und man benötigt natürlich noch den Ballon. Es wird in der Praxis etwas günstiger, weil man mehrere Flaschen verwenden kann und jeweils eine abwerfen, wenn sie entleert ist. Aber das Gewicht muss ich in jedem Falle auf die Titanoberfläche transportieren. Wenn ich schon Gasflaschen nehme, dann kann ich auch gleich Wasserstoff verwenden, denn seine Brennbarkeit spielt dort keine Rolle. Um 100 kg Gewicht anzuheben, benötige ich dann 7,2 kg Wasserstoff und eine 44 kg schwere Flasche.

Sinnvoll ist es daher, das Gas als lagerfähige chemische Verbindung zu Titan zu transportieren und erst dort aus der Verbindung freizusetzen. Da Wasserstoff das leichteste Element ist und nur der Wasserstoff nutzbar ist, ist es logisch, das man nur Verbindungen des Wasserstoffs mit leichten Elementen untersucht und zwar denen in der zweiten Periode. So bleiben nur folgende Verbindungen übrig:

  • Lithiumhydrid LiH
  • Berylliumhydrid: BeH2
  • Boran BH3 bzw., Diboran B2H6
  • Methan CH4
  • Ammoniak NH3
  • Wasser H2O

Ammoniak, Boran und Methan sind bei uns Gase, bei den Temperaturen von Titan sind Ammoniak und Borane aber flüssig und Methan nahe des Punkts wo es flüssig wird (es gibt auf Titan Seen, die ihre Größe jahreszeitlich verändern, das kann auf der Verdampfung von flüssigem Methan bei leicht ansteigenden Temperaturen beruhen. Methan könnte man nur nutzen, wenn man gleichzeitig erhitzt. Anders als bei einem Heißluftballon würde man es nicht hoch erhitzen müssen. Doch dann könnte man es auch aus der Luft selbst gewinnen, das es enthält. Eine Anlage dafür wäre aber schwer und ob die Abwärme eines RTG ausreicht für das Erhitzen? Ich glaube nicht. Methan hätte mit Atommasse 16 einen Auftrieb, der zwar viel kleiner als der des Wasserstoffs ist, (man benötigt also mehr Gas) aber es wäre leicht in flüssigem Zustand transportierbar. Es ist unter niedrigem Druck verflüssigbar, und sobald sich die Sonde von der Erde entfernt, sinkt auch die Umgebungstemperatur, sodass es selbst ohne Druck flüssig bleibt. Bei Methan benötigt man um 100 kg Lander anzuheben 57 kg Methan, das ist also noch ungünstiger, als Wasserstoff oder Helium in Gasflaschen mitzuführen.

Freisetzen aus Verbindungen

Bleibt noch das Freisetzen aus Verbindungen. Wir kennen das vom Wasserstoff, den man aus Wasser durch Elektrolyse freisetzen kann. Leider klappt das nur bei Wasser so. Die Elektrolyse bei den anderen Verbindungen scheitert, weil die Verbindungen nicht polar genug sind. Natürlich gibt es auch dort die Möglichkeit die Verbindungen wieder in Elemente zu spalten (meistens durch hohes Erhitzen), doch dies ist meist sehr aufwendig, und wenn ich eine ganze chemische Anlage auf den Titan transportieren muss, dann lohnt sich die Gewichtsbilanz nicht. Am einfachsten geht es noch aus Diboran, das oberhalb 400°C in die Elemente zerfällt, da es aber auch bei Temperaturen über -92°C gasförmig ist, bietet es keine Vorteile gegenüber Wasserstoff oder Helium.

Da die Oberfläche des Titan aus Eis mit Methan, Salzen und Silikaten besteht, könnte man auf die Idee kommen, einfach das Eis dort zu verwenden. Doch da Wasser an und für sich eine stabile Verbindung ist, deswegen gibt es ja so viel davon auf der Erde klappt die Elektrolyse nur bei reinem Wasser. Schon normales Wasser aus dem Wasserhahn enthält zu viele gelöste Ionen, die zuerst mit den Elektroden reagieren würden. Man nutzt das bei der Chloralkalielektrolyse aus, indem man aus einer Kochsalzlösung durch Hydrolyse eben dann nicht Wasserstoff und Sauerstoff, sondern Chlor und Natronlauge gewinnt. Wasser auf der Titanoberfläche dürfte noch reaktiver sein. Man müsste es also erst aufwendig reinigen und schon sind wir wieder bei einem Chemielabor mit seinen Nachteilen hinsichtlich Gewicht und Komplexität. So bleiben noch zwei Verbindungen übrig: Berylliumhydrid und Lithiumhydrid. Beides sind Metallhydride, Verbindungen von Metallen mit Wasserstoff. Alle Hydride sind leicht oxidierbar und hier kann man dann in der Tat leicht den Wasserstoff freisetzen und das geht auch auf Titan. Berylliumhydrid zerfällt schon zwischen 205 und 250 °C wieder in die Elemente, hier reicht also einfaches Erhitzen. Lithiumhydrid ist stabiler und zerfällt erst oberhalb von 900 Grad in die Elemente. Beide reagieren aber mit Wasser – und das kann auch das dreckige Wasser vom Titan sein – zu Hydroxiden und setzen dabei Wasserstoff frei:

LIH + H2O → LiOH + H2

BeH2 + 2 H2O → Be(OH)2 +2 H2

Nimmt man die Atommassen: Berylliumhydrid mit Atommasse 11 und Lithiumhydrid mit Atommasse 8, dann ist klar das Berylliumhydrid die bessere Substanz ist. Wenn man das Wasser von der Oberfläche nimmt, so kann man aus 11 g Berylliumhydrid 4 g Wasserstoff gewinnen (36 % der Anfangsmenge). Bei Lithium sind es nur 2 g von 8 g pro Mol (25 %). Wenn man das Wasser mitführt, sinkt die Ausbeute auf 8,5 % bzw. 7,7 %. Dann könnte man aber auch gleich Sauerstoff einsetzen. In der Praxis sehe ich keine Hindernisse, Eis von Titans Oberfläche zu verwenden. 36 % nutzbarer Wasserstoff klingt nach wenig, doch bei einer Druckgasflasche wären es nur 13,9 %.

Dazu käme aber noch ein Behältnis, der Ballon, Ventile, Leitungen und natürlich eine Vorrichtung die Eis von der Oberfläche entnimmt, verflüssigt (das ginge mit der Abwärme eines RTG den man für die Stromversorgung sowieso benötigt, ein RTG hat einen Stromwirkungsgrad von maximal 16 %, der Rest ist Abwärme). Alles in allem schätze ich das die Ausrüstung um einen Ballon aufzublasen mindestens so viel wiegt, wie die eigentliche Nutzlast, was ich jedoch für vertretbar halte.

Mögliche Szenarien

Meiner Ansicht nach wäre es das Sinnvollste wenn man ein Hoppen anstrebt: Man bläst den Ballon auf, sodass man abhebt, aber in niedriger Höhe schwebt. Auf Titan sind an der Oberfläche die Winde schwach. Huygens maß 0,3 m/s Windgeschwindigkeit. Die Dünen, die es dort gibt und das zeigen auch mathematische Modelle, zeigen aber das die Windstärke jahreszeitlich unterschiedlich ist und in der Höhe werden die Winde stärker. Aus Sicherheitsgründen halte ich aber einen bodennahen Flug für besser. Da ist die Chance größer das bei einem Leck im Ballon der Lander trotzdem noch sanft landet. Man benötigt dann einen Vortrieb wie einen Propeller. Der ist auch notwendig, wenn man gezielt eine Stelle anfliegen will. Für eine Langzeitmission, wichtiger wäre aber, das der Ballon langfristig gasdicht ist, denn bei der Gewichtsbilanz kann man ihn nicht bei jedem Abheben neu füllen. Ich halte eine solche Mission für technisch umsetzbar und attraktiv. Man könnte so verschiedene Landeplätze ansteuern, dort jeweils Untersuchungen durchführen und wieder abheben. Beim Flug kann man Bilder und Videos machen und so zumindest einen Teil der Titanoberfläche viel besser erkunden, als nur vom Boden aus. Wer mal auf einem Hochhaus oder Fernsehturm war, weiß wie gut man schon in niedriger Höhe die Umgebung überblickt.

2 thoughts on “Der Titan Ballon

  1. Mal wieder eine Laienfrage von mir:
    Theoretisch könnte ein Ballon auch Auftrieb bekommen, wenn in ihm ein Vakuum herrscht.
    Bei 6,9 kg/m³ könnte doch schon ein Unterdruck von 5,9 oder 4,9 kg/m³ bereits einen interessanten
    Auftrieb liefern.
    Das kommt natürlich darauf an, wie groß das Gewicht des Ballons und seiner inneren Struktur ist, die dem Druckunterschied widerstehen kann.

    Wenn ich mich nicht irre könnte das mit den modernsten Baustoffen hier auf der Erde gerade so funktionieren. Ca. 1% leichter als das Gewicht der verdrängten Luft…
    Ob das auch unter Titan-Bedingungen funktioniert…?

    Fragt sich Ralf mit Z

    1. Also ich habe die Größe des Ballons und die sonstige Struktur außen vorgelassen. Die Titanatmosphäre ist am Boden rund 6-mal dichter als auf der Erde. Entsprechend kleiner wäre der Ballon. An der Gasmenge ändert sich nichts, denn man braucht für den höheren Druck natürlich auch mehr Gas. Aber der Rest (Ballonmaterial, Leinen etc fällt kleiner aus.

      Da dabei im Prinzip die Kesselformel gilt und die ja auch Druckabhängig ist, bleiben die Materialansprüche bestehen, außer das Material ist bei -180 „C wesentlich belastbarer als bei den Temperaturen auf der Erde.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.