Für Problem 2 gibt es schon eine Lösung: Eine Unterkategorie der elektrischen Antriebe, die Plasmaantriebe<\/a> erzeugen ein Plasma aus dem Wasserstoff. Nur haben diese Triebwerke einen sehr niedrigen Schub. Ich dachte daher auch an Spiegel, die die Sonneneinstrahlung bündeln und in die Brennkammer reflektieren. Diese haben zwei Vorteile: Das eine ist, das sie leichter sein könenn als Solarzellen, die für Plasmatriebwerke den Strom erzeugen und es entfällt, der Verlust der Energieumwandlung Sonne \u2192 Strom \u2192 Wärmenergie.<\/p>\n Zum ersten Teil: Eine herkömmliche Brennkammer scheidet aus. Wir müssen ja durch Spiegel den Wasserstoff erhitzen. Eine \u201enormale\u201c Brennkammer ist aber undurchsichtig. Idee Nummer 1: Die Brennkammerwand ist durchsichtig. Man könnte sie z.B. aus Quarz fertigen. Quarz schmilzt bei rund 2000 K, in etwa die gleiche Temperatur wie man bei nuklearen Triebwerken erreicht. Mit Kühlung kann die Brennkammer natürlich eine viel höhere Temperatur innen aufweisen. Da der Wasserstoff allerdings auch durchsichtig ist, benötigt man in der Mitte, wo er sich befindet, eine Möglichkeit ihn zu erhitzen. Mein Vorschlag wäre eine Röhrenstruktur, genauer gesagt, ein Röhrenmantel, der vom Wasserstoff durchflossen wird. Er besteht aus einem Material mit niedriger Albedo. Spontan fällt mir Graphit ein. Graphit sehr dunkel, absorbiert also den Großteil der eingestrahlten Sonnenstrahlung und er sublimiert erst bei 3750\u00b0C. Graphit wird daher auch als Ablationsmaterial für Triebwerke genutzt. Doch dort muss er nicht die strukturelle Festigkeit aufweisen, das tut das Metall, auf dem er aufgebracht ist. Aufgrund der geringen Härte dürfte eine Röhrenstruktur aus Graphit sehr anfällig gegenüber äußeren Kräften sein. Graphit kann man aber nutzen, um die Röhren zu belegen und so die Energie zu absorbieren. Schaut man nach bearbeitbaren Werkstoffen mit höherer Festigkeit, so gibt es einige Metalle: Tantal und Wolfram mit Schmelzpunkten von 3270 und 3685 K und keramische Werkstoffe wie Zirkoniumborid (3320 K), Titancarbid (3620 K) oder Tantalcarbid (4150 K). Nimmt man Wolfram, das als Metall erheblich einfacher zu verarbeiten ist als die keramischen Werkstoffe, so müsste man sehr viel höhere Temperaturen erreichen als in einem nuklearen Reaktor. Selbst bei 500 K Sicherheitsgrenze liegt die mögliche Temperatur 1000 K über den Temperaturen von Kernreaktoren.<\/p>\n Der zweiet Ansatz ist, wenn man sowieso eine solche Struktur benötigt man drum herum keine Brennkammer braucht, sondern der Brennkammermantel daraus besteht. Der Wasserstoff würde daher nur in der Wand zirkulieren. Die Düse würde sich dann nach innen und außen aufweiten. Der Volumenstrom wäre wegen der kleineren Fläche so viel kleiner als bei einer Brennkammer, aber da ich befürchte, dass man sehr viel Energie braucht, um den Wasserstoff innerhalb kurzer Zeit so hoch zu erhitzen denke ich ist das kein Nachteil.<\/p>\n Damit hätte ich einen praktikablen Vorschlag für die Brennkammer: Sie besteht aus einer doppelwandigen Kreisring-Wolfram-Struktur, die bei der Düse sich nach innen und außen aufweitet. Zur Erhöhung der Energieaufnahme ist sie außen mit Graphit belegt.<\/p>\n Punkt 2 ist schwieriger. Ich habe zuerst mal mit FCEA den theoretischen spezifischen Impuls von einem Antrieb berechnet, der mit Wasserstoff von 3300 K Temperatur arbeitet, 10 Bar Anfangsdruck und Expansionsverhältnis 40. Das Mittel aus eingefrorenem und festem Gleichgewicht sind 10.300 m\/s. Das ist eine Ansage. Mang gewinnt übrigens anders als bei chemischen Antrieben wenig durch höheren Brennkammerdruck oder Expansionsverhältnis: Bei 30 Bar \/ Expansionsverhältnis von 240 steigt es nur auf 10.470. Dagegen bringen 100 K mehr deutlich mehr: 10.670 m\/s. Vor allem weil sich der Anteil an atomaren Wasserstoff von 6,5 auf 1,35 % verdoppelt.<\/p>\n Doch wie viel Energie braucht man um das zu erzeugen? Nun die Energie im Abgasstrahl kann man berechnen. Sie beträgt nach E = \u00bd mv\u00b2 54 MJ\/kg Treibstoff bei v=10.400 m\/s. In der Praxis ist es mehr, da auch ein Raketentriebwerk keinen Wirkungsgrad von 100% hat. Das Vinci erreicht z.b. einen Wirkungsgrad von 67,7 %. Nehmen wir mal nur 50% Wirkungsgrad an, so müssen für pro Kilogramm Treibstoff rund 108 MJ aufbringen.<\/p>\n Nun die einfache Gegenrechnung, Die Energie kommt von der Sonnenstrahlung. Die sendet 1355 W\/m\u00b2. Könnte man die volle Energie über Spiegel in die Brennkammer leiten, so braucht man rund 80.000 m\u00b2, wenn man ein Triebwerk bauen will, das 1 kg Wasserstoff pro sekudne umsetzt. Dabei hätte dieses nur einen Schub von 10,4 kN.<\/p>\n Nun 80.000 m\u00b2 \u2013 das dürfte heute eine unrealsistische Größe sein, doch wenn man herunterskaliert? Chemische Antriebe für Satelliten haben einen Schub von 10 bis 400 N. Dann sind es \u201enur\u201c noch 80 bis 3.200 m\u00b2 \u2013 eine realistische Größe, die man mit Spiegeln realisieren kann. Das Problem ist jedoch nicht die Fläche. Das Problem ist ein anderes: Die Spiegel müssen so gut sein, dass sie das ganze Licht das auf diese Fläche fällt, auf eine kleine Brennkammer fokussieren können. Ein 400-N-Hydrazintriebwerk, das heute eingesetzt wird, hat z.b. einen Düsenenddurchmesser von 6,7 cm, die Brennkammer ist dann noch kleiner. Man kommt so auf eine Fläche von vielleicht 10 bis 15 cm\u00b2, auf der sich die Energei verteilt. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz<\/a> müsste ein idealer scharzer Strahler der 3300 K heiß ist eine Energie von 672 W\/cm\u00b2 abgeben. Entsprechend müsste ein idealer schwarzer Körper, den man auf diese Temperatur aufheizt, (Albedo 0, Graphit liegt aber nahe an diesem Wert) 672 W\/cm\u00b2 aufnehmen. Schafft man also fokussierende Spiegel zu konstruieren, die das Sonnenlicht das auf einen Quadratmeter Fläche fällt, auf 2 cm\u00b2 zu fokussieren \u2013 dann würde es gehen. Bei einem Triebwerk mit 10 N Schub wären das 80 m\u00b2 \u2013 eine schwierige Aufgabe. 80 m\u00b2 entsprechen z.B. einer Kreisfläche von 5,1 m Radius um das Triebwerk, das nur einige Zentimeter groß ist \u2013 das ist eine ziemliche Fläche für einen geringen Schub.<\/p>\n Der Flächenbedarf ist natürlich bei Ionentriebwerken noch größer \u2013 die Solarpaneele, die bei 25 % Wirkungsgrad und einem spezifischen Impuls von ebenfalls 10.400 m\/s bei elektrostatischen Triebwerken den Strom für 10 N Schub erzeugen, wären rund 220 m\u00b2 groß. Vergleicht man es mit Plasmatriebwerken, so ist der Vorteil noch größer, weil deren Wirkungsgrad kleiner ist, als der von elektrostatischen Ionentriebwerken.<\/p>\n Nachteilig ist die geringe Dichte von flüssigem Wasserstoff. Bei einem Berstdruck von 3 Bar wiegt ein Kugeltank schon 1 \/ 4.3 des Inhalts. (Werkstoff: Stahl). Er braucht noch eine gute Isolierung den es dauert so Tage bis Wochen, bis der Treibstoff verbraucht ist. Die kommt zum Gewicht noch hinzu oder eine Rückverflüssigungsanlage. Leicht sind die Tanks für Xenon als Arbeitsmedium für elektrostatische Triebwerke auch nicht \u2013 ein Fünftel des Tankgewichts für das Arbeitsgas sind üblich. Allerdings würden Plasmatriebwerke als direkte Konkurrenz auch mit Wasser, Ammoniak und andere niedermolekularen Stoffen funktionieren, die man leicht verflüssigen kann. Dann spart man an diesem System wieder viel Gewicht ein.<\/p>\n