{"id":13962,"date":"2019-05-18T08:02:57","date_gmt":"2019-05-18T06:02:57","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=13962"},"modified":"2019-05-18T08:02:57","modified_gmt":"2019-05-18T06:02:57","slug":"mit-safe-zur-heliopause","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/05\/18\/mit-safe-zur-heliopause\/","title":{"rendered":"Mit SAFE zur Heliopause"},"content":{"rendered":"<p>Eines meiner <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2017\/07\/11\/zum-kuiper-belt-und-in-die-heliopause\/\"> Dauerrechenprojekte<\/a> ist eine Mission bei der eine Raumsonde zur Heliopause gelangt. Zur Erkl&auml;rung: Von der Sonne geht ein Strom von Teilchen aus, der Sonnenwind. Er wird immer d&uuml;nner und irgendwann durch das interstellare Medium abgebremst. An dieser Stelle endet die Einflusssph&auml;re der Sonne, zumindest die der Strahlung. Gravitativ reicht sie noch weiter hinaus. Die <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2010\/05\/27\/heliopause\/\"> Heliopause<\/a> muss man sich wie die Magnetosph&auml;re der Erde vorstellen. Auch bei ihr gibt es eine Schockzone in Bewegungsrichtung und einen Schweif. Voyager 1+2 als einzige Raumsonden sind derzeit in einer &Uuml;bergangszone, in der sich beide Einflusssph&auml;ren durchmischen. Voyager 1 k&ouml;nnte eventuell noch funktionsf&auml;hig das interstellare Medium erreichen, das man ab 150 astronomischen Einheiten vermutet.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/1e2579a9d9c640358da52261fafcc012\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><!--more--><\/p>\n<p>Nur wird Voyager 1 daf&uuml;r fast 50 Jahre brauchen. Mein Ziel ist es, mehrere Sonden in verschiedene Richtungen zu starten, die das Medium schneller erreichen. Ideal w&auml;ren alle sechs Raumrichtungen, entsprechend den Fl&auml;chen eines W&uuml;rfels. Es w&uuml;rden bei symmetrischer Ausdehnung der <a href=\"https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Heliosph&auml;re\">Heliosph&auml;re<\/a> auch drei reichen \u2013 eine in Bewegungsrichtung, eine dagegen und eine senkrecht dazu. Die Raumsonden sollten 150 AE Distanz m&ouml;glichst schnell erreichen.<\/p>\n<p>Ich habe das schon mal untersucht. Als Optimum mit solarer Stromversorgung ist folgendes Szenario:<\/p>\n<ul>\n<li>Starten von der Erdbahn aus in eine Sonnenumlaufbahn<\/li>\n<li>Absenken des Perihels auf Venusentfernung, dann Abschalten des Antriebs<\/li>\n<li>Vorbeiflug an der Venus um Geschwindigkeit zu gewinnen<\/li>\n<li>Erneutes Betreiben des Ionenantriebs bis Treibstoff verbraucht<\/li>\n<li>Abwerfen des Ionenantriebs, Vorbeiflug an Jupiter<\/li>\n<\/ul>\n<p>Betrieb eines kleineren Antriebs mit &Uuml;berschussstrom der RTG solange verf&uuml;gbar<\/p>\n<p>Mit konstanter Stromversorgung, ohne den Bedarf nahe an der Sonne zu sein, kann man die Mission deutlich vereinfachen:<\/p>\n<ul>\n<li>Starten von der Erdbahn aus in eine Sonnenumlaufbahn<\/li>\n<li>Beschleunigung bis Treibstoff verbraucht<\/li>\n<\/ul>\n<p>F&uuml;r die Sonden, die senkrecht zur Ekliptik das Sonnensystem verlassen w&auml;re, noch ein <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/swingby.shtml\">Swing-By<\/a> an Jupiter denkbar, aber nur zur Bahnumlenkung um 90 Grad.<\/p>\n<h3>Konzeption<\/h3>\n<p>Da man mit einem Reaktor eine konstante Stromversorgung hat, sollte man die Treibstoffmasse maximieren, um eine m&ouml;glichst hohe Geschwindigkeit zu erreichen. Der Reaktor SAFE ist fix, er hat 100 kW Leistung bei 519 kg Gewicht. Bei den Ionentriebwerken wird man ebenfalls wegen der gew&uuml;nschten hohen Geschwindigkeit (Betriebsdauer ist egal) das mit dem h&ouml;chsten spezifischen Impuls, das HIPEP. Rein theoretisch w&uuml;rde ein Triebwerk ausreichen, um das Gewicht zu minimieren. Doch Ionentriebwerke haben auch eine begrenzte Lebensdauer &uuml;blich sind 10.000 Stunden, etwas mehr als 1 Jahr Mindestbetriebsdauer. Ebenso leben die Spannungswandler f&uuml;r die Hochspannung nicht ewig. Ein Triebwerk kann so maximal 252 kg Treibstoff verbrauchen. Andererseits basiert HIPEP auf dem NEXT-Antrieb, der 30.000 Stunden erreichte. Er ist f&uuml;r eine Dauermission ausgerichtet und HIPEP ebenso, daher ging ich auch von 30.000 Stunden aus. Das reduziert den Bedarf auf 3 Triebwerke.<\/p>\n<p>Bleibt noch die Sonde. Ich dachte an eine Sonde &auml;hnlich Voyager. Zieht man von <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/voyager-sonde.shtml\">Voyager<\/a> die RTG und das Antriebssystem ab, denn Strom liefert ja der Kernreaktor und der Ionenantrieb kann mit kleineren Triebwerken (ohne viel Zusatzgewicht) auch die Lageregelung durchf&uuml;hren, dann wiegt die Sonde noch 600 kg. Ich habe mit 700 kg gerechnet, weil die Sonde auch eine gr&ouml;&szlig;ere Antenne bekommt und einen st&auml;rkeren Sender, das l&auml;sst auch noch etwas mehr Luft f&uuml;r die Instrumente. So kommt man zu folgenden Daten zum Antrieb:<\/p>\n<table>\n<colgroup>\n<col \/>\n<col \/> <\/colgroup>\n<tbody>\n<tr>\n<td>Startgewicht:<\/td>\n<td>3.000,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Nutzlast<\/td>\n<td>700,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Stromversorgung:<\/td>\n<td>96.914,5 Watt @ 1 AE<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Strom beim Start:<\/td>\n<td>100.000 Watt @ 1 AE<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Eigenstromverbrauch:<\/td>\n<td>1.000,0 Watt<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Maximal nutzbar:<\/td>\n<td>100.000,0 Watt<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Gewicht Stromversorgung:<\/td>\n<td>519,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Spezifisches Gewicht Stromversorgung:<\/td>\n<td>190,0 W\/kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff beim Start:<\/td>\n<td>1.384,7 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Tanks:<\/td>\n<td>152,3 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Tankanteil:<\/td>\n<td>0,11 Prozent<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoff f&uuml;r maximal:<\/td>\n<td>59.256 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Anzahl Triebwerke:<\/td>\n<td>3 St&uuml;ck<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Gewicht Triebwerke:<\/td>\n<td>94,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Gewicht Strukturen:<\/td>\n<td>150,0 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Stromversorgungsart:<\/td>\n<td>Nuclear<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Triebwerkseinstellungen<\/td>\n<td>&nbsp;<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Bezeichnung Triebwerk:<\/td>\n<td>HIPEP High Trust<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Spezifischer Impuls:<\/td>\n<td>95.714,0 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Schub pro Triebwerk:<\/td>\n<td>0,670 Newton<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Treibstoffverbrauch pro Triebwerk:<\/td>\n<td>0,605 kg\/d<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Strom pro Triebwerk:<\/td>\n<td>39.300 Watt<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Gewicht Triebwerk:<\/td>\n<td>47,00 kg<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Effizienz:<\/td>\n<td>81,59 Prozent<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<h2>Mission<\/h2>\n<p>Zuerst wird die Erde verlassen. Ich gehe von einer Atlas V 401 aus, drei Sonden von je 3.000 kg Gewicht in einer 400 x 1000 km Bahn entl&auml;sst. Zwei Starts k&ouml;nnten so alle sechs Sonden starten. Nach 176 Tagen wird die Erde verlassen und eine Sonnenumlaufbahn erreicht. Die Sonde wiegt noch 2.787 kg und hat eine &Uuml;berschussgeschwindigkeit von 94 m\/s. Nun wird 2 Jahre 238 Tage lang beschleunigt. Schon nach 14 Jahren 363 Tagen nach dem Start ist eine Distanz von 22.500 Millionen km, also 150 AE erreicht, die Voyagers brauchten dreimal so lange. Weiterhin fliegt die Sonde auch jetzt noch schneller. Sie hat sensationelle 51 km\/s drauf. Das bedeutet, dass sie pro Jahr dreimal schneller sind als Voyager 1, die mit knapp 17 km\/s unterwegs ist. In 25 Jahren k&ouml;nnen sie 43,3 Mrd. km 290 AE erreichen. Damit w&auml;re diese interstellare Mission in einem auch heute f&uuml;r Langezeitmissionen &uuml;blichen Zeitrahmen umsetzbar (New Horizons wird bis Ende n&auml;chsten Jahres betrieben, das sind fast 15 Jahre nach dem Start).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Eines meiner Dauerrechenprojekte ist eine Mission bei der eine Raumsonde zur Heliopause gelangt. Zur Erkl&auml;rung: Von der Sonne geht ein Strom von Teilchen aus, der Sonnenwind. Er wird immer d&uuml;nner und irgendwann durch das interstellare Medium abgebremst. An dieser Stelle endet die Einflusssph&auml;re der Sonne, zumindest die der Strahlung. Gravitativ reicht sie noch weiter hinaus. 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