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.<\/p>\n
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:<\/p>\n
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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
Die Titanatmosphäre besteht vor allem aus Stickstoff (mittlere Atommasse 28) und hat am Boden eine Dichte von 6,9 kg\/m\u00b3, 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.<\/p>\n
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.<\/p>\n
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:<\/p>\n
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.<\/p>\n
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\u00b0C in die Elemente zerfällt, da es aber auch bei Temperaturen über -92\u00b0C gasförmig ist, bietet es keine Vorteile gegenüber Wasserstoff oder Helium.<\/p>\n
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 \u00b0C 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 \u2013 und das kann auch das dreckige Wasser vom Titan sein \u2013 zu Hydroxiden und setzen dabei Wasserstoff frei:<\/p>\n
LIH + H2<\/sub>O \u2192 LiOH + H2<\/sub><\/p>\n BeH2<\/sub> + 2 H2<\/sub>O \u2192 Be(OH)2<\/sub> +2 H2<\/sub><\/p>\n 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 %.<\/p>\n 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.<\/p>\n 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.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" 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.<\/p>\n","protected":false},"author":169,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[3],"tags":[229,4379,4378,4380,3191,133,258],"class_list":["post-14190","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-raumfahrt","tag-ballon","tag-berylliumhydrid","tag-helium","tag-lithiumhydrid","tag-methan","tag-titan","tag-wasserstoff","entry"],"a3_pvc":{"activated":false,"total_views":765,"today_views":0},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack-related-posts":[{"id":5216,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2011\/08\/10\/fcea2\/","url_meta":{"origin":14190,"position":0},"title":"FCEA2","author":"Bernd Leitenberger","date":"10. August 2011","format":false,"excerpt":"CEA2 (Chemical Equilibrium with Applications) ist ein seit gut 30 Jahren entwickeltes NASA Programm mit dem verschiedenste Probleme bei Gasphasen berechnet werden k\u00f6nnen. Ich beschr\u00e4nke mich auf das, was Raumfahrtliebhaber wohl am meisten machen: Die Berechnung der Performance von Triebwerken bei Raketen. Ich will die Benutzung des Programmes einmal erl\u00e4utern,\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/89efc24160614a1a93d97d19447e81a6","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18634,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/04\/11\/wie-kommt-galileo-zu-jupiter\/","url_meta":{"origin":14190,"position":1},"title":"Wie kommt Galileo zu Jupiter?","author":"Bernd Leitenberger","date":"11. April 2026","format":false,"excerpt":"Inzwischen habe ich beim Schreiben des Buchs \u00fcber die Raumsonde Galileo die Computer hinter mir gelassen und bin gerade beim Durcharbeiten der wechselvollen Geschichte der Mission. Damit wir alle auf dem gleichen Stand sind, mal hier eine kleine Zusammenfassung, wie Galileo zum Jupiter kommen sollte: Bei Projektbeginn war ein Start\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg06.met.vgwort.de\/na\/67742b596a42421d95a9f5f4ec0d8b69","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18430,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2025\/10\/06\/treibstoffgewinnung-auf-dem-mars\/","url_meta":{"origin":14190,"position":2},"title":"Treibstoffgewinnung auf dem Mars","author":"Bernd Leitenberger","date":"6. Oktober 2025","format":false,"excerpt":"Bis es eine Kolonie auf dem Mars gibt wird es sicher noch Jahrzehnte dauern, wenn \u00fcberhaupt. Ich bin jetzt 60 und glaube nicht, das ich dies noch erleben werde. Chancen g\u00e4be es f\u00fcr eine Expedition, also einen Flug zum Mars, einen Aufenthalt dort, der aus himmelsmechanischen Gr\u00fcnden etwa eineinhalb Jahre\u2026","rel":"","context":"In "Chemie"","block_context":{"text":"Chemie","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/chemie\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/1098a0be1f3743bcb77eed3bd08301c5","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18504,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2026\/01\/25\/die-glorreichen-10-satellitenrekorde\/","url_meta":{"origin":14190,"position":3},"title":"Die glorreichen 10 – Satellitenrekorde","author":"Bernd Leitenberger","date":"25. Januar 2026","format":false,"excerpt":"Ich denke, es wird mal wieder Zeit f\u00fcr etwas leichte Unterhaltung die etwas Wissen vermittelt. Also einen Blog \u00fcber 10 Rekorde bei Satelliten, die ihr vielleicht noch nicht kennt. Um eines klarzustellen - es geht nur um Satelliten. Raumsonden sind au\u00dfen vor, weil bei ihnen vieles anderes ist, so kann\u2026","rel":"","context":"In "Die Glorreichen 10"","block_context":{"text":"Die Glorreichen 10","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/allgemein\/die-glorreichen-10\/"},"img":{"alt_text":"","src":"\/img\/1kgsats.png","width":350,"height":200,"srcset":"\/img\/1kgsats.png 1x, \/img\/1kgsats.png 1.5x, \/img\/1kgsats.png 2x, \/img\/1kgsats.png 3x"},"classes":[]},{"id":18458,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2025\/10\/23\/die-agena-c-2\/","url_meta":{"origin":14190,"position":4},"title":"Die Agena C","author":"Bernd Leitenberger","date":"23. Oktober 2025","format":false,"excerpt":"Wie ihr sicher bemerkt habt, war es etwas ruhig hier im Blog. Der Grund ist ganz einfach, ich habe mich endlich entschlossen, einen Schlussstrich zu ziehen. Nein, nicht unter dem Blog. Seit f\u00fcnf Jahren will ich Band 2 des Apolloprogramms fertigstellen und habe in den letzten Jahren eigentlich immer nur\u2026","rel":"","context":"In "Raumfahrt"","block_context":{"text":"Raumfahrt","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/raumfahrt\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg04.met.vgwort.de\/na\/d6474dec02b34cf385a0dfced0cffb64","width":350,"height":200},"classes":[]},{"id":18406,"url":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2025\/09\/23\/der-blogautor-von-der-ki-beurteilt\/","url_meta":{"origin":14190,"position":5},"title":"Der Blogautor von der KI beurteilt","author":"Bernd Leitenberger","date":"23. September 2025","format":false,"excerpt":"Ich nutze inzwischen auch eine KI. Prim\u00e4r zu Recherche, im Browser https:\/\/www.perplexity.ai die f\u00fcr Recherchen (nach Eigenauskunft) spezialisiert ist. Seit ich vor mehr als zwei Jahren die KI zum ersten Mal getestet habe, hat diese sich enorm gebessert. Sie fabuliert weniger und ist intelligenter. Damals konnte man noch die AI\u2026","rel":"","context":"In "Allgemein"","block_context":{"text":"Allgemein","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/category\/allgemein\/"},"img":{"alt_text":"","src":"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/c334c52e97b74da9b82424a9e80c6d97","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\/14190","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=14190"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/14190\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=14190"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=14190"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=14190"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}Mögliche Szenarien<\/h3>\n