{"id":2619,"date":"2010-05-21T01:53:14","date_gmt":"2010-05-20T23:53:14","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=2619"},"modified":"2010-05-20T11:51:09","modified_gmt":"2010-05-20T09:51:09","slug":"mit-dem-ionenantrieb-bemannt-zum-mars","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2010\/05\/21\/mit-dem-ionenantrieb-bemannt-zum-mars\/","title":{"rendered":"Mit dem Ionenantrieb bemannt zum Mars?"},"content":{"rendered":"<p>Ich m&ouml;chte mich heute mal mit der M&ouml;glichkeit eines Ionenantriebs f&uuml;r eine Marsexpedition befassen. Zuerst einmal warum? Nun es gibt einige Gr&uuml;nde daf&uuml;r. Das erste ist der Zeitplan einer Marsexpedition. Sie besteht aus mehreren Teilen. Welche das h&auml;ngt von dem genauen Design ab. Aber so k&ouml;nnte eine konventionelle Planung aussehen:<\/p>\n<ul>\n<li>Ein Flug bringt das Marshabitat (die Behausung und das Labor f&uuml;r den Marsaufenthalt) zum Mars. Es landet direkt ohne vorher in eine Umlaufbahn einzutreten.<\/li>\n<li>Ein Flug bringt die Kapsel f&uuml;r die Landung auf der Erde, aber auch zum Verlassen des Mars mit einer Raketenstufe zum Mars. Auch hier ist eine direkte Landung m&ouml;glich<\/li>\n<li>Ein Flug beinhaltet den Transfer der Besatzung zum Mars und zur&uuml;ck zur Erde. Dazu ben&ouml;tigt man eine ausreichend gro&szlig;e Behausung sowie eine Raketenstufe zum Abbremsen in den Marsorbit und R&uuml;ckstart zur Erde.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das ist das Minimum das ben&ouml;tigt wird. Insbesondere der letzte Flug ben&ouml;tigt viel Treibstoff, sodass er eventuell zwei Fl&uuml;ge ausmacht (Raketenstufe + Landekapsel und Station). Ein weitere Flug kann n&ouml;tig werden f&uuml;r die sperrige Ausr&uuml;stung wie Fahrzeuge, Bohrer, sowie f&uuml;r Vorr&auml;te (Wasser, Gase etc.). Das sind 3-5 Fl&uuml;ge einer Schwelastrakete. Je nach Plan liegen so die Transportmengen in eine Erdumlaufbahn zwischen 615 und 1000 t.<!--more--><\/p>\n<p>Das meiste davon ist bei einer chemischen Stufe Treibstoff. Eines Ares V transportiert z.b. 187,7 t eine Erdumlaufbahn. Beschleunigt auf 11.500 m\/s sind es noch 67 t. Ionentriebwerke k&ouml;nnen die Nutzlast gravierend erh&ouml;hen. Das ist der erste Grund. Ein zweiter ist genauso wichtig: Die Starts k&ouml;nnen zeitlich entzerrt werden. Selbst wenn die H&auml;lfte der Starts ein Startfenster vorher erfolgen (schon alleine anzuraten, um ein funktionierendes Labor auf der Marsoberfl&auml;che zu haben), so m&uuml;ssen doch 2-3 Starts in einem Startfenster von 4-6 Wochen Dauer durchgef&uuml;hrt werden. Bei einem Ionenantrieb kann zuerst die Erdumlaufbahn verlasen werden und dann, wenn der Zeitpunkt f&uuml;r die Opposition gekommen ist zum Mars aufgebrochen werden. Da der Antrieb sowieso &uuml;ber Monate arbeitet machen einige Wochen Pause nichts aus &#8211; der Treibstoff kann auch nicht wie fl&uuml;ssiger Wasserstoff verdampfen.<\/p>\n<p>Doch nun zur Berechnung. Bei kurzer Betriebsdauer w&auml;re sogar der bemannte Flug mit Ionentriebwerken durchf&uuml;hrbar. Allerdings &#8211; das wird dieser Artikel zeigen, wird es problematisch werden, die ben&ouml;tigte kurze Reisezeit zu erreichen, da ein zu langer Aufenthalt im irdischen Strahlungsg&uuml;rtel nicht erw&uuml;nscht ist.<\/p>\n<p>Ich nehme mal an es wird die Ares V eingesetzt. Ihre Nutzlasth&uuml;lle hat 10 m Durchmesser, davon sind 9 m nutzbar. Zuerst einmal wie viele Ionentriebwerke sind da m&ouml;glich? Das RIT-22 Triebwerk hat einen Durchmesser von 30 cm. Rechnet man noch 1\/3 der Fl&auml;che f&uuml;r Zwischenr&auml;ume ab, So k&ouml;nnen 675 Triebwerke mit einer Leistung von 101,25 N und einem Stromverbrauch von 3.375 MW installiert werden. Gr&ouml;&szlig;ere Triebwerke bringen keinen Vorteil, da bei Ionentriebwerken der Schub von der Austrittsfl&auml;che abh&auml;ngig sind. Eine Verbesserung ist der Einsatz einer weiteren Beschleunigungsstufe, wie experimentell beim DS4G erprobt. Dann kann ein Triebwerk mit derselben Austrittsgr&ouml;&szlig;e 2,5 N anstatt 0,15 N Schub erzeugen, bei einem Stromverbrauch von 250 anstatt 5 kW. Der Platz reicht also f&uuml;r Ionentriebwerke vollkommen aus.<\/p>\n<p>Problematisch wird es aber den Strom zu erzeugen. Auch hier: Ausgangsbasis bestehende Technologie. Erreicht wurden hier 180 W\/kg. Doch problematischer ist das Volumen. Das Solararray der Raumsonde Dawn besteht aus 10 Panels von 2,2 x 1,6 m Gr&ouml;&szlig;e. Bei 2 cm Dicke zeigt sich bald, dass hier die Gr&ouml;&szlig;e limitiert ist. Die Ares k&ouml;nnte 6 x 6 m gro&szlig;e Panels transportieren. Davon 300 St&uuml;ck pro Doppelfl&uuml;gel. Das ist eine Fl&auml;che von 10.800 m?, die rund 3,16 MW liefern. Zwei Doppelfl&uuml;gel dann 6,32 MW. Das reicht f&uuml;r die herk&ouml;mmlichen Ionentriebwerke, jedoch nicht f&uuml;r den Strombedarf von Ionnetriebwerken des Typs DS4G. Zudem steigt dann auch das Gewicht rapide an. Experimentell sind aber schon Energiedichten von 300 W\/m? erreicht worden. 1000 W\/kg sollen in einigen Jahrzehnten (vorher findet sowieso kein Start zum Mars statt m&ouml;glich sein)<\/p>\n<p>Ein Rechenbeispiel:<\/p>\n<p>erreicht soll eine Geschwindigkeit von 8 km\/s werden ( 4 km\/s solar, 4 km\/s Fluchtgeschwindigkeit von der Erdumlaufbahn aus). Daraus ergeben sich aus den obigen Zahlen folgende Parameter:<\/p>\n<ul>\n<li>Startgewicht: 187,7? (Ares V Referenz)<\/li>\n<li>Treibstoff: 31,2 t<\/li>\n<li>Tanks: 3,2 t (10 % der Treibstoffmasse)<\/li>\n<li>Triebwerke:? 4,8 t (675 x 7 kg, RIT-XT)<\/li>\n<li>Struktur: 4,8 t (100 % der Triebwerksmasse)<\/li>\n<li>Solararrays:20 t (3,6 MW mit 10 % Overhead)<\/li>\n<li>Nutzlast: 123,7 t (Vergleich: chemisch 67 t)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Bei einem Betrieb von 80.000 s am Tag ist ein Betrieb &uuml;ber 170 Tagen n&ouml;tig, jeweils zur H&auml;lfte in der Erdumlaufbahn und in der Sonnenumlaufbahn. Das ist ein durchaus akzeptabler Zusatzaufwand, selbst wenn 80.000 s pro Tag recht optimistisch sind. Bei rund 730 Tagen zwischen zwei Startfenstern ist der Zeitaufwand auf keinen Fall missionskritisch.<\/p>\n<p>F&uuml;r bemannte Missionen mag es w&uuml;nschenswert sein die Betriebszeit zu minimieren. Setzt man vier Doppelfl&uuml;gel und das DS4G ein, so resultieren folgende Randparameter:<\/p>\n<ul>\n<li>Startgewicht: 187,7? (Ares V Referenz)<\/li>\n<li>Treibstoff: 7,8 t<\/li>\n<li>Tanks: 0,8 t (10 % der Treibstoffmasse)<\/li>\n<li>Triebwerke:? 1,2 t (52 St&uuml;ck, Gewicht zu 20 kg\/St&uuml;ck gesch&auml;tzt)<\/li>\n<li>Struktur: 1,2 t (100 % der Triebwerksmasse)<\/li>\n<li>Solararrays: 70,4 t (12,64 MW)<\/li>\n<li>Nutzlast: 106,3 t (Vergleich: chemisch 67 t)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Leider betr&auml;gt auch hier die Reisezeit 148 Tage &#8211; der hohe spezifische Impuls macht einen viel h&ouml;heren Stromverbrauch notwendig um den Schub zu erzeugen. Der Nutzen liegt hier eher darin, dass auch beim Mars in eine Umlaufbahn eingebremst werden muss und dann erneut zur Erde beschleunigt: Hier bringen Ionentriebwerke bedeutende Gewichtseinsparungen allerdings verbunden mit einer l&auml;ngeren Zeit in der interplanetaren Umlaufbahn und bei der erde im Strahlungsg&uuml;rtel (dies ist jedoch beim Start nicht so kritisch, da hier noch die Wasservorr&auml;te voll sind und so die Besatzung bei der Passage in Schutzr&auml;umen innerhalb der Wassertanks sich aufhalten k&ouml;nnte &#8211; unbequem aber nicht gef&auml;hrlich.<\/p>\n<p><object classid=\"clsid:d27cdb6e-ae6d-11cf-96b8-444553540000\" width=\"425\" height=\"344\" codebase=\"http:\/\/download.macromedia.com\/pub\/shockwave\/cabs\/flash\/swflash.cab#version=6,0,40,0\"><param name=\"allowFullScreen\" value=\"true\" \/><param name=\"allowscriptaccess\" value=\"always\" \/><param name=\"src\" value=\"http:\/\/www.youtube.com\/v\/KoidJVAMAVE&amp;hl=de_DE&amp;fs=1&amp;rel=0\" \/><param name=\"allowfullscreen\" value=\"true\" \/><\/object><\/p>\n<p>Nun welches Lied passt zu dem Artikel? Mir f&auml;llt da nat&uuml;rlich Major Tom ein. Aber da es ja was pers&ouml;nliches sein soll: F&uuml;r David Bowies &#8222;Major Tom&#8220; bin ich zu jung. Aber ich erinnere mich noch an die deutsche Version aus der Zeit der neuen deutschen Welle. Es war damals eines meiner Lieblingslieder und ich war auch ziemlich stolz darauf, dass Peter Schilling damit auch in den USA erfolgreich war. Peter Schilling verfasste noch einige Lieder mehr, die aber mehr und mehr untergingen, wohl auch weil sie zu &#8222;&ouml;kologisch&#8220; waren wie Terra Titanic. Schade. Nur eines nehme ich ihm nicht ab: Das er sich nicht von Bowie hat inspirieren lassen. Eigener aussage zufolge soll er &#8222;Major Tom&#8220; von Bowie nicht kennen&#8230;.<\/p>\n<p>Ansonsten noch was lustiges\/&auml;rgerliches. Ich habe mir mal &uuml;ber meinen Buchh&auml;ndler das Gemini Buch und ATV Buch bestellt. Gestern war das Gemini Buch da, ich schlage es auf &#8211; und finde einen anderen BOD Titel &uuml;ber Strahlenterror. Ich habe es dann gleich?zur&uuml;ckgegeben. Mal sehen was im ATV Buch?drin?ist&#8230; aber &auml;rgerlich ist das schon. So was sollte nicht passieren. Hat irgendwer mal von mir ein Buch bekommen, bei dem was anderes drin war? Schlie&szlig;lich ist ja mein Motto &#8222;Wo Bernd Leitenberger drauf steht ist auch?Bernd?Leitenberger drin&#8220;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Ich m&ouml;chte mich heute mal mit der M&ouml;glichkeit eines Ionenantriebs f&uuml;r eine Marsexpedition befassen. Zuerst einmal warum? Nun es gibt einige Gr&uuml;nde daf&uuml;r. Das erste ist der Zeitplan einer Marsexpedition. Sie besteht aus mehreren Teilen. Welche das h&auml;ngt von dem genauen Design ab. 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