{"id":13910,"date":"2019-05-01T01:11:05","date_gmt":"2019-04-30T23:11:05","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=13910"},"modified":"2019-04-29T13:13:43","modified_gmt":"2019-04-29T11:13:43","slug":"treibstofferzeugung-auf-dem-mars-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/05\/01\/treibstofferzeugung-auf-dem-mars-2\/","title":{"rendered":"Treibstofferzeugung auf dem Mars"},"content":{"rendered":"<p>Seit Zubrin ist die Treibstofferzeugung auf dem Mars Bestandteil der Planungen. Vorher dachte man nicht daran, was nat&uuml;rlich auch die Pflicht zur Minimierung der Masse mit sich bringt. Hier mal die Geschwindigkeitsbilanz f&uuml;r eine konventionelle Mission, die folgende Elemente mit Treibstoffbedarf hat:<\/p>\n<ul>\n<li>Deep Space Transport (DST): Eine Raumstation die die Besatzung von der Erde zum Mars bringt. Sie schwenkt beim Mars in eine elliptische Umlaufbahn ein, um den Treibstoffverbrauch f&uuml;r die schwere Station mit Vorr&auml;ten (NASA Ansatz: 50 t) zu minimieren.<\/li>\n<li>Mars-Orbit-Transport (MOT): Eine Kapsel mit Raketenstufe die aerodynamisch abgebremst landet und die Besatzung zum Deep Space Transport bringt. Dort wird angekoppelt. Die Kapsel wird auch zur Landung auf der Erde genutzt, der DST geht verloren.<\/li>\n<\/ul>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/390f9afb1c4d47429366a89b555b17ae\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><br \/>\n<!--more--><\/p>\n<p>F&uuml;r einen DST in einem marssynchronen Orbot (300 x 40.000 km) ben&ouml;tigt man bei 3 km\/s Differenzgeschwindigkeit in einer Sonnenumlaufbahn (typisch f&uuml;r Ankunft und Abreise) ein <span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">\u0394<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">v von <\/span>1,1 km\/s. F&uuml;r Hin- und Zur&uuml;ck also 2,2 km\/s.<\/p>\n<p>F&uuml;r einen Start vom Mars bei Gravitationsverlusten von 600 m\/s (aus einer Simulation) kommt man auf eine Zielgeschwindigkeit von 5,5 km\/s von der Marsoberfl&auml;che zum DST im 300 x 40.000 km Orbit.<\/p>\n<p>Nehme ich mal 7 t f&uuml;r die Kapsel an, so sind dies rund 50 t (davon 38,7 t Treibstoff) Startmasse f&uuml;r die MOT und bei 50 t f&uuml;r das DST ben&ouml;tigt dieses 110 t Startmasse, davon 55 t Treibstoff f&uuml;r das Einschwenken\/Verlassen der Marsumlaufbahn. Beim Start vom Mars bin ich von einem spezifischen Impuls von 3600 m\/s (Methan\/LOX) und bei dem DST von 3200 m\/s (UDMH\/NTO) ausgegangen.<\/p>\n<p>Man k&ouml;nnte rein theoretisch auch den Treibstoff f&uuml;r das DST auf dem Mars produzieren und dann zum DST hochtransportieren. Doch da von 50 t Startmasse gerade mal 7 t Nutzlast im Orbit ankommen ist das sehr aufwendig. F&uuml;r die rund 12 t Treibstoff f&uuml;r die R&uuml;ckkehr ben&ouml;tigt man dann eine Rakete mit einer Startmasse von 86 t. Das ist also nicht wirklich lukrativ, da schon die Leermasse der Rakete dann bei 8,6 t liegt, und sie muss auch noch gelandet werden, wof&uuml;r man einen Schutz und weiteren Treibstoff braucht.<\/p>\n<p>Realistischerweise wird man also den Treibstoff nur f&uuml;r das MOT auf dem Mars produzieren.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Die Chemie<\/h3>\n<p>Die Chemie ist eigentlich relativ einfach. Wir haben auf dem Mars Kohlendioxid, also oxidierten Kohlenstoff in der Atmosph&auml;re und man findet zumindest an bestimmten Stellen Wassereis unter der Oberfl&auml;che, das man f&ouml;rdern k&ouml;nnte. Das ist Wasserstoff in der oxidierten Form. Sauerstoff, den Oxidator ist in beiden Molek&uuml;len vorhanden.<\/p>\n<p>Der erste Ansatz war von Zubrin, der vorschlug Wasserstoff zum Mars zu bringen. Er reagiert mit dem Kohlendioxid nach der Sabatier:<\/p>\n<p>3 CO<sub>2<\/sub> + 6 H<sub>2<\/sub> \u2192 CH<sub>4<\/sub> + 4 H<sub>2<\/sub>O + 2 CO<\/p>\n<p>Das Wasser wird dann durch Elektrolyse aufgespalten:<\/p>\n<p>4 H<sub>2<\/sub>O \u2192 4 H<sub>2<\/sub> + 2 O<sub>2<\/sub><\/p>\n<p>Der Wasserstoff kann in den Prozess zur&uuml;ckgef&uuml;hrt werden, sodass die Summe g&uuml;nstiger wird:<\/p>\n<p>3 CO<sub>2<\/sub> + 2 H<sub>2<\/sub> \u2192CH<sub>4<\/sub> + 2 O<sub>2<\/sub> + 2 CO<\/p>\n<p>Man erh&auml;lt ein Verh&auml;ltnis von O<sub>2<\/sub>\/CH4 von 4. Das ist das st&ouml;chiometrische Verh&auml;ltnus. Man verbrennt normalerweise Methan im leichtem &Uuml;berschuss (3 bis 3,5), aber den Sauerstoff kann man als Bestandteil der Atmosph&auml;re f&uuml;r die Besatzung nutzen.<\/p>\n<p>Aus 1 t Wasserstoff gewinnt man so 40 t Treibstoff. Gibt es die nachgeschaltete Elektrolyse von Wasser nicht, so sind es nur 2,7 t Treibstoff.<\/p>\n<p>Wasserstoff ist aber nur bei tiefen Temperaturen fl&uuml;ssig und sehr volumin&ouml;s. Ihn &uuml;ber interplanetare Distanzen zu transportieren, ohne das er verdampft ist eine ziemliche Herausforderung.<\/p>\n<p>Betreibt man die Elektrolyse von Wasser, so kann man aber nat&uuml;rlich auch das Wasser auf dem Mars nutzen. Das schr&auml;nkt nat&uuml;rlich die Wahl der Landegebiete auf die Stellen ein, wo es Wasser im Untergrund gibt. Das ist relativ sicher nahe der Pole der Fall. <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/phoenix.shtml\">Phoenix<\/a> fand schon beim Graben direkt unter der Oberfl&auml;che Eis. Wenn man tiefer bohren kann, d&uuml;rfte man aber mehr Landepl&auml;tze haben. Mit der Hydrolyse von Wasser sieht es so aus:<\/p>\n<p>CO<sub>2<\/sub> + 2 H<sub>2<\/sub>O \u2192 CH<sub>4<\/sub> + 2 O<sub>2<\/sub><\/p>\n<h3 class=\"western\">Die Umsetzung<\/h3>\n<p>Von den chemischen Prozessen her ist das einfach. Diese sind seit mindestens einem Jahrhundert bekannt. Doch in der praktischen Umsetzung stehen dann doch einige Herausforderungen an. Beim <a href=\"http:\/\/Sabatierprozess\/\">Sabatierprozess<\/a> ben&ouml;tigt man reines Kohlendioxid das eine Temperatur von 300 bis 400 \u00b0C hat. Die Reaktion findet bei 25 bis 45 Bar Druck statt. Auf der Erde stammt das Kohlendioxid aus Verbrennungen von Kohle oder organischem Material. Die d&uuml;nne Marsatmosph&auml;re m&uuml;sste man erst unter Druck setzen und dann erhitzen. Immerhin st&ouml;ren die kleinen Beimischungen anderer Gase in der Marsatmosph&auml;re, vor allem Stickstoff nicht den Prozess.<\/p>\n<p>Anders sieht es beim Wasser aus. Das findet sich in Form von Eis im Boden. Es wird daher gel&ouml;ste Mineralien enthalten, daneben wei&szlig; man das Mars-Eis oxidierende Substanzen wie Perchlorate und Wasserstoffperoxid enth&auml;lt. Diese zersetzen sich zwar bei Erhitzung, zumindest das Chlor st&ouml;rt aber bei dem Prozess. Man wird in der Praxis daher das Wasser aufbereiten m&uuml;ssen, entweder durch Umkehrosmose oder Destillation.<\/p>\n<p>Ein Vorteil ist, das man sowohl Methan wie auch Sauerstoff relativ gut lagern kann. Sie sind bei h&ouml;heren Temperaturen fl&uuml;ssig als Wasserstoff und der Temperaturbereich, in dem sie fl&uuml;ssig sind, ist gr&ouml;&szlig;er. Durch gut isolierte Tanks und eine R&uuml;ckverfl&uuml;ssigungsanlage sollten sie lagerbar sein. Methan ist sogar bei hohem Druck (46 Bar) und Temperaturen unter 190 K verfl&uuml;ssigbar. Das ist immerhin 100\u00b0C &uuml;ber dem Siedepunkt bei 1 Bar.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Energiebetrachtung<\/h3>\n<p>Relativ einfach sind noch die Energien zu berechnen. F&uuml;r die Hydrolyse von Wasser resultiert:<\/p>\n<p>H<sub>2<\/sub>O \u2192 H<sub>2<\/sub> + \u00bd O<sub>2<\/sub> <span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">\u0394<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">H \u2013 268,8 kJ\/Mol<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Und f&uuml;r die Reduktion von Kohlendioxid<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">CO<\/span><sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">2<\/span><\/sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> + 4 H<\/span><sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">2<\/span><\/sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> \u2192 CH<\/span><sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">4<\/span><\/sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> + 2 H<\/span><sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">2<\/span><\/sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">O <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">\u0394<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">H \u2013 165 kJ\/Mol<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Insg<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">esamt hat man 4 Hydrolysereaktionen und die Reduktion von Kohlendioxid: 4 x 268,8 kJ und 165 kJ = 1.240 <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">kJ<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> f&uuml;r 1 Mol CH<\/span><sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">4<\/span><\/sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> und 2 Mole O<\/span><sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">2<\/span><\/sub><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">, also zusammen 80 g Treibstoff oder 15.502 MJ\/kg Treibstoff.<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">In <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">K<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">ilowattstun<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">d<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">en umgerechnet sind das rund 4,3 <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">kW<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">h\/kg <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Energieaufwand pro <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Treibstoff. Wenn eine Anlage also kontinuierlich arbeitet, dann <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">w&uuml;rde man nur eine Stromversorgung von ~ 1<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">4<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> kW <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">ben&ouml;tigen, um<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> in 500 Erdtagen die ben&ouml;tigen <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">38,6<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> t Treibstoff f&uuml;r die 7 t schwere Kapsel zu produzieren.<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">In der Praxis braucht man nat&uuml;rlich mehr. Die <a href=\"https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Elektrolyse\">Elektrolyse<\/a> hat bei guten Anlagen auf der Erde eine Effizienz von 60 bis 70 %. Wenn man dieselbe <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Effizienz<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> f&uuml;r den Sabatierprozess <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">annimmt, braucht<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> man rund <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">6<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">0 <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">bis <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">70 % mehr Energie. Man wird die Marsatmosph&auml;re mit einem Kompressor <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">auf 45 Bar<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> komprimieren m&uuml;ssen und das Wasser vorher reinigen. <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Daneben muss man die Gase nach dem Prozess, wo sie 300 bis 400 \u00b0C hei&szlig; sind, verfl&uuml;ssigen also auf rund -180\u00b0C abk&uuml;hlen und dann <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">bei einer immer weiter steigenden Treibstoffmenge dauerhaft<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> fl&uuml;ssig halten, was auch Energie kostet.<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Realistisch w&uuml;rde ich eine Verdopplung, <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">eher Verdreifachung<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> des Energiebedarfs vorschlagen. Trotzdem ist man dann bei etwa <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">40 bis 45<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> kW Strombedarf, eine Gr&ouml;&szlig;e die auch so die Besatzung ben&ouml;tigt f&uuml;r den Betrieb ihres Habitats, <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Aufladen<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> von Akkus von Elektrofahrzeugen etc. Die ISS hat z.B. eine Stromversorgung von 220 <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">kW<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> Leistung. F&uuml;r Marsmissionen w&auml;ren aber Kernreaktoren g&uuml;nstiger, da sie dauerhaft Strom liefern, auch bei <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Nacht<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">, keine gro&szlig;en <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Fl&auml;chen haben, die verstauben k&ouml;nnen<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> und mehr <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">a<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">ls genug <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">W&auml;rme produzieren, mit denen man das Habitat heizen kann<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">.<\/span><\/p>\n<h3 class=\"western\">Meine Meinung<\/h3>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Da der Prozess sowieso automatisiert ablaufen soll, <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">bietet<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> es sich an, ihn vorher unbemannt zu erproben. Ich w&uuml;rde dies in zwei Schritten angehen. Zuerst mit einer kleinen <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Testanlage, die den Treibstoff nicht nutzt, sondern<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> nur das Prinzip und die &Ouml;konomie testet. Das kann bei einer <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Raumsonde<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> als Experiment geschehen, die wie Phoenix leicht an Wasser herankommt.<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Der <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">zweite<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> Schritt w&auml;re <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">eine<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> Treibstoffproduktion f&uuml;r <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">eine<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> unbemannte <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Marsexpedition<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> z. <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">B<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">. die Bodenprobengewinnung <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">und R&uuml;ckf&uuml;hrung zur Erde<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">. Daf&uuml;r ben&ouml;tigt man schon einige Tonnen Treibstoff, aber sicher <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">mindestens <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">zehnmal weniger als bei einer bemannten Mission. Wenn es dann dort funktioniert, kann man es bemannt angehen. Wenn man auf Nummer Sicher gehen will, startet man die Anlage ein Startfenster vorher und <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">dimensioniert<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> sie so, das der Treibstoff <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">bereitsteht, bevor<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> die Besatzung startet, denn die w&uuml;rde sonst auf dem Mars festsitzen.<\/span><\/p>\n<p><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Auf der anderen Seite sind <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">38,6<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> t <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Treibstoff, die man im Beispiel f&uuml;r eine 7 t schwere Kapsel braucht<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> bei einer Gesamtstartmasse von 200 bis 300 t zum Mars ein relativ kleiner Posten, aber der R&uuml;ckstart ist missionskritisch. <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Klappt er nicht, so sitzt die Besatzung auf dem Mars fest. <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">F&uuml;r die konventionellen Szenarien <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">(kleine Kapsel startet vom Mars)<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> lohnt sich daher meiner Ansicht nach eine solche Anlage nicht. <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">Man wird aber nicht um sie herumkommen, wenn<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> man wirklich schweres vom Mars starten will wie das Habitat bei Mars <\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\">direkt<\/span><span style=\"font-family: Liberation Serif, serif;\"> oder die Raketenstufe der BFR.<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Seit Zubrin ist die Treibstofferzeugung auf dem Mars Bestandteil der Planungen. Vorher dachte man nicht daran, was nat&uuml;rlich auch die Pflicht zur Minimierung der Masse mit sich bringt. 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In der Unterhaltung nach dem Vortrag meinte der inzwischen emittierte Wissenschaftler, dass sich sogar Elon Musk f\u00fcr die Ergebnisse interessiert\u2026","rel":"","context":"In &quot;M\u00fcnchhausens Kolumne&quot;","block_context":{"text":"M\u00fcnchhausens Kolumne","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/satire\/muenchhausen\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/644d63c4123243a3900cf5c92fa7398b","width":350,"height":200},"classes":[]}],"jetpack_sharing_enabled":true,"amp_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/13910","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/169"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=13910"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/13910\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=13910"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=13910"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=13910"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}