{"id":12634,"date":"2017-07-10T19:53:52","date_gmt":"2017-07-10T17:53:52","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=12634"},"modified":"2017-07-11T23:55:07","modified_gmt":"2017-07-11T21:55:07","slug":"noch-eine-berechnung-sonnensegel-vs-ionenantrieb-ins-aeussere-sonnensystem","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2017\/07\/10\/noch-eine-berechnung-sonnensegel-vs-ionenantrieb-ins-aeussere-sonnensystem\/","title":{"rendered":"Noch eine Berechnung: Sonnensegel vs. Ionenantrieb ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem"},"content":{"rendered":"<p>Nachdem ich mich <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2017\/06\/21\/was-ist-besser-ionenantrieb-oder-sonnensegel\/\">letztes Mal<\/a> mit dem Vergleich ins innere Sonnensystem besch&auml;ftigt hat heute ein Vergleich der beiden Systeme beim Flug ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem. Ziel soll es sein 2000 kg auf eine Fluchtbahn aus dem Sonnensystem zu bef&ouml;rdern. Startmasse ist wie beim letzten Mal 5.500 kg, die Nutzlast einer Ariane 5 ECA auf eine Fluchtbahn (theoretisch noch h&ouml;her, doch ich lasse etwas Luft, warum, das zeigt sich noch).<\/p>\n<p>Weitere Nebenbedingungen: Die Fluchtgeschwindigkeit ist lokal zu berechnen \u2013 In der Erdumlaufbahn sind es 42,1 km\/s (12,3 km\/s &uuml;ber der Geschwindigkeit der Erde) aber sie nimmt ab, wenn man nach au&szlig;en geht, und nimmt zu, wenn man weiter innen im Sonnensystem ist.<\/p>\n<ul>\n<li>F&uuml;r Sonnensegel soll wieder gelten: Fl&auml;chenmasse Segel 10 g\/m\u00b2, Strebenmasse: 70 g\/m. 90 % Segelanteil an der Gesamtmasse (Rest Beh&auml;lter und entfaltmechnaismus).<\/li>\n<li>Bei Ionentriebwerken soll gelten: Tankmasse 20% des Inhalts, Solargenerator mit 85 W\/kg Leistungsdichte (konservative Annahme \u2013 Werte von Dawn). Bei den Triebwerken probiere ich vorhandene aus. Die Strukturmasse soll 340 kg betragen \u2013 die gleiche wie beim Sonnensegel.<!--more--><\/li>\n<\/ul>\n<h2 class=\"western\">Sonnensegel<\/h2>\n<p>Die erste &Uuml;berraschung: Mit den Daten erreicht man keine Fluchtbahn, zumindest nicht in brauchbarer Zeit \u2013 nach zehn Jahren befindet sich das Sonnensegel auf einer 586 x 1224 Millionen km Bahn. Schon die Bahn zeigt das Problem an \u2013 das Segel entfernt sich von der Sonne und so wird es immer langsamer beschleunigt. Man kann dies optimieren, indem man das Sonnensegel nur bis zu einer bestimmten Distanz betreibt. Wenn man es bei 250 Millionen km Entfernung senkrecht zur Sonne stellt, so erreicht man in 10 Jahren eine 193 x 8430 Mill. Km Bahn, aber eben keine Fluchtgeschwindigkeit.<\/p>\n<p>Anstatt nun das Sonnensegel zu \u201etunen\u201c, was unfair w&auml;re, da ich beim Ionentriebwerke ja auch konservative Werte annahm, habe ich einen Trick angewandt. Die 5.500 kg sind ein konservativer Wert f&uuml;r die Nutzlast. Ariane 5 hat schon 6000 kg auf eine Fluchtbahn gebracht (Herschel und Planck) und das war 2009, als die Nutzlast noch um die 10 t in den GTO betrug. Inzwischen ist sie bei 10,9 t angekommen. Ariane 5 m&uuml;sste 5,5 t auf eine Bahn mit einem Perihel in Venusentfernung bringen k&ouml;nnen. Das bedeutet: zuerst einmal ist das Segel einige Monate n&auml;her an der Sonne und kann so Geschwindigkeit \u2013 beim Durchlaufen des Perihels hat es die doppelte Beschleunigung \u2013 aufnehmen. Mit einem Perihel in 104 Millionen km Entfernung und einer Begrenzung der Arbeit bis in 190 Millionen km Entfernung schafft es das Sonnensegel dann tats&auml;chlich in 9 Jahren 195 Tagen die Fluchtbahn zu erreichen.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Ionenantriebe<\/h3>\n<p>Bei den Ionentriebwerken ist die Berechnung deutlich schwieriger. Das Grundproblem ist eigentlich das gleiche \u2013 man sollte die Fluchtgeschwindigkeit m&ouml;glichst schnell erreichen, ohne eine spiralf&ouml;rmige Bahn zu erreichen. Wenn das der Fall ist, dann sind Freiflugphasen einzuscheiben.<\/p>\n<p>Man muss nun den spezifischen Impuls variieren \u2013 ich tue dies indem ich verschiedene Triebwerke, die existieren durchrechnen, doch das hat Einfl&uuml;sse auf andere Systeme. Der spezifische Impuls legt die Treibstoffemnge fest und die wiederum geht von der Gesamtmasse ab, der Rest bleibt dann f&uuml;r Triebwerke und Struktur (kleinster Teil) und Solargenerator (gr&ouml;&szlig;erer Teil). Zudem ist der Treibstoffverbrauch auch von der Bahn abh&auml;ngig, je schneller man die Fluchtgeschwindigkeit erreicht wird, desto kleiner ist er. Alles h&auml;ngt also voneinander ab. Ich habe mich daher entschlossen, vorhandene Triebwerke auszuprobieren:<\/p>\n<ul>\n<li>PPS-1350G (spezifischer Impuls : 1650 s)<\/li>\n<li>XIPS-8 (spezifischer Impuls: 2350)<\/li>\n<li>Nstar (spezifischer Impuls: 3150)<\/li>\n<li>Rit 2X (spezifischer Impuls: 4140)<\/li>\n<li>HIPEP (spezifischer Impuls: 5970+)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Dies ergibt:<\/p>\n<ul>\n<li>PPS-1360G \u2013 kann wegen des nierigen spezifischen Impulses keine Fluchtgeschwindigkeit erreichen. Alleine der Treibstoff wiegt mehr als man an Sondenmasse zur Verf&uuml;gung hat.<\/li>\n<li>XIPS-8: genauso, zumindest nicht im Simulationszeitraum von 10 Jahren.<\/li>\n<li>Auch beim NSTAR klappt es nicht. Hier ist der prim&auml;re Grund das der Treibstoff alleine schon die 2600 kg wiegt, es bleibt damit zu wenig Masse, f&uuml;r die restlichen System, wenige Hundert Kilogramm mehr und es klappt.<\/li>\n<li>Beim Rit-2X klappt es. Allerdings auch nicht ohne Tricks. Ohne gezielt eingeschobene Freiflugphasen erreicht man keine Fluchtbahn. In unter 9 Jahren kann man es schaffen wenn man, wie beim Sonnensegel zuerst in eine sonnenn&auml;here Bahn einschwenkt. Mit 27 Triebwerken, 61,5 kW Anfangsleistung schafft man es in 8 Jahren 35 Tagen.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Der HIPEP-Antrieb hat eine andere Herausforderung: er braucht sehr viel Strom, 39,3 kW. Damit kann man selbst mit gro&szlig;en Solarzellen nur wenige Triebwerke betrieben. Nimmt man 8 Triebwerke, 155 kW Leistung und fliegt zuerst bis in Venusentfernung, so ist man auch hier in 9 Jahren 8 Tagen auf Fluchtgeschwindigkeit. Das ist also langsamer als beim RIT-2X.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Idealer Antrieb<\/h3>\n<p>Die Annahmen sind insofern trotz realer Antriebe nicht wirklichkeitsgetreu, weil ich immer &#8222;ganze&#8220; Triebwerke nehme, also wenn man z.B. 100 kW Leistung hat und ein Triebwerk braucht 5,5 kW so errechnen sich 18,18 Triebwerke, die ich auf 18 abrunde. Daher f&auml;llt ab einer Distanz von der Sonne und abnehmender Leistung erst ein Triebwerk weg, dann zwei etc. In der Realit&auml;t sind diese aber regelbar, wenn auch meistens unter Effizienzverlust. In der Praxis wird man daher eines oder mehrere Triebwerke herunterregeln. Damit kann man schneller die Fluchtbahn erreichen.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Zwischenbilanz<\/h3>\n<p>Beide Antriebe schaffen die Fluchtgeschwindigkeit, aber nur mit aufwendiger Missionsplanung. Die Reserven sind beim Ionenantrieb h&ouml;her, vor allem wenn man bedenkt, dass ich beim letzten HIPEP &uuml;ber 100 kW ben&ouml;tigte elektrische Leistung auf der Basis der kleinen Fl&uuml;gel von Dawn und nicht modernen entfaltbaren Arrays modelliert habe. Das grunds&auml;tzliche Problem beider Antriebe ist, dass sie rasch in eine Entfernung gelangen, in denen die abnehmende Sonneneinstrahlung die Beschleunigung herabsetzt. So resultieren immer weitere Ellipsen mit immer h&ouml;herer Umlaufzeit \u2013 die Mission dauert dann extrem lange. Bei Ionenantrieben kommt hinzu, dass man f&uuml;r die mindestens 12,3 km\/s Geschwindigkeits&auml;nderung f&uuml;r eine Fluchtbahn (in der Realit&auml;t durch Anhebung der Bahn noch mehr) bei niedrigem spezifischen Impuls viel Treibstoff braucht, der dann wieder wenig Masse f&uuml;r die Solarzellen und Triebwerke &uuml;brig l&auml;sst. Bei hohem spezifischen Impuls ist der Treibstoffbedarf geringer, aber auch der Schub und diese Antriebe brauchen daher sehr lange um die Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Nur bis Jupiter.<\/h3>\n<p>Man wird in der Realit&auml;t daher wie bisher Jupiter als Sprungbrett nutzen. Es gibt bei direkten Fl&uuml;gen alle 13 Monate ein Startfenster zu Jupiter, das ist viel g&uuml;nstiger als zu Venus oder Mars. &Auml;hnliche Intervalle sind auch bei Ionenantrieben zu erwarten.<\/p>\n<p>Hauptvorteil ist des Umwegs &uuml;ber Jupiter ist, dass man nur 8,7 km\/s erreichen muss. Daher braucht man weniger Treibstoff und Ionenantriebe mit niedrigem spezifischen Impuls k&ouml;nnen ihre Vorteile ausspielen. Nimmt man einen spezifischen Impuls von 35000 an, so kann man, wenn man wieder den Umweg &uuml;ber das innere Sonnensystem nimmt, in 1 Jahr 42 Tagen eine Bahn zu Jupiter erreicht haben. Eine Freiflugphase ist nicht n&ouml;tig.<\/p>\n<p>Auch das Sonnensegel schafft es unter gleichen Bedingungen in 8 Jahren 168 Tagen ohne \u201eFreiflugphase\u201c (ohne Beschleunigung). Beschr&auml;nkt man den Betrieb auf unter 137 Millionen Km Entfernung, so schafft man es in der halben Zeit \u2013 4 Jahre 165 Tage.<\/p>\n<p>Trotzdem: Das Sonnensegel ist deutlich unterlegen. Dies wird auch nicht besser werden, denn f&uuml;r eine Verbesserung des Ionenantriebs gibt es in der Entwicklung \u2013 leichte entrollbare oder kompakt gefaltete Solarzellen sind in der Erprobung. Die ATK Flex-Arrays sind heute schon verf&uuml;gbar (werden z. B. Bei den <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/cygnus-dragon.shtml\">Cygnus<\/a> genutzt und <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/phoenix-mission.shtml\">Phoenix<\/a> hatte auch welche) und bis 30 kW skalierbar. Triebwerke mit h&ouml;herem spezifischen Impuls, aber auch h&ouml;herem Wirkungsgrad absolvieren Testl&auml;ufe. Bei Sonnensegeln ist schon der Sprung von bisher realisierten Fl&auml;chen von 100 bis 400 m\u00b2 zu den hier ben&ouml;tigten 20.000 m\u00b2 enorm. Ich glaube da wird noch einiges an Entwicklungsarbeit zu tun sein. Die 10 g\/m\u00b2 Fl&auml;chengewicht sind heute schon ein guter Wert, er ist nur wenig dr&uuml;ckbar. 8 g\/m\u00b2 habe ich in Reporten gelesen. Richtig interessant wird es erst, wenn man dazu &uuml;bergeht, das Tr&auml;germaterial (meist Mylar oder Kapton) wegzulassen. Auf der Erde wird das kaum m&ouml;glich sein, weil die d&uuml;nne Alumniumschicht, die man aufgedampft, dann nicht mehr stabil ist, doch im Orbit w&auml;re das mit einem nicht UV-best&auml;ndigen Kunststoff denkbar. Er w&uuml;rde zerfallen und damit die Masse drastisch absinken. In der Theorie denkbar, in der Praxis wird man wohl einige Tests machen m&uuml;ssen. \u201eVerdampft&#8220; das Tr&auml;germaterial nicht gleichm&auml;&szlig;ig, so wird das Sonnensegel steuerngstechnisch wohl kaum beherschbar, da die Masse der Reste die der reflektierenden Schicht weit &uuml;bersteigt \u2013 ohne Tr&auml;germaterial w&uuml;rde das Fl&auml;chengewicht von 10 auf 0,27 g\/m\u00b2 sinken, schon kleine Reste der urspr&uuml;nglichen Folie erzeugen daher eine starke Unwicht. W&uuml;rde man das allerdings erreichen &#8211; es w&auml;re der ultimative Antrieb. Die Geschwindigkeit zu Jupiter w&auml;re in 30 Tagen erreicht.<\/p>\n<p>Allerdings ist das nur theoretisch. Zum einen w&auml;re das Segel enorm gro&szlig; (etwa 1,6 km\u00b2) und zum Anderen wiegt es ja nur so wenig, wenn die Tr&auml;gerschicht weg ist, ohne wiegt es aber 40-mal mehr \u2013 220 anstatt 5,5 t und damit nicht transportierbar den es muss mit Tr&auml;gerschicht in den Orbit gelangen und entfaltet werden.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg08.met.vgwort.de\/na\/fd077b865848432e98b209d299a76892\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Nachdem ich mich letztes Mal mit dem Vergleich ins innere Sonnensystem besch&auml;ftigt hat heute ein Vergleich der beiden Systeme beim Flug ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem. Ziel soll es sein 2000 kg auf eine Fluchtbahn aus dem Sonnensystem zu bef&ouml;rdern. 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