{"id":5238,"date":"2011-08-16T00:05:07","date_gmt":"2011-08-15T22:05:07","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=5238"},"modified":"2011-08-14T18:36:28","modified_gmt":"2011-08-14T16:36:28","slug":"der-mehrstufenplan-fur-ionentriebwerke","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2011\/08\/16\/der-mehrstufenplan-fur-ionentriebwerke\/","title":{"rendered":"Der Mehrstufenplan f&uuml;r Ionentriebwerke"},"content":{"rendered":"<p>Es gibt immer wieder Dinge die mich &uuml;berraschen. Eines ist das Beharren in eingetretenen Pfaden. Wer B&uuml;cher vor 40-50 Jahren liest, der stolpert &uuml;ber die exzellenten Zukunftsaussichten von Ionentriebwerken. Doch was ist daraus geworden? Nicht viel. Es ist zum Teil erkl&auml;rbar. Ionentriebwerke ben&ouml;tigen viel Strom und in den sechziger Jahren meinte man diesen nur durch Kernreaktoren bereitstellen zu k&ouml;nnen. Doch deren Entwicklung wurde in den USA eingestellt und in den UdSSR erreicht man auch nur m&auml;&szlig;ige Leistungswerte.<\/p>\n<p>Doch mittlerweile haben Solarzellen enorme Fortschritte gemacht. Die Solarpanels der ISS haben eine Leistungsdichte von 30 W\/kg. Also die Solarzellen die 30 Watt Strom erzeugen, wiegen ein Kilogramm. Bei Dawn sind es schon 80 Watt\/kg. Bei dem Technologie-Satelliten ST-8 sollten faltbare Solarzellen mit wesentlich leichterer Tr&auml;gerstruktur mit einer Leistung von 175 W\/kg erprobt werden. Nach diesem <a href=\"http:\/\/slasr.com\/Papers\/SLA-SEP-WCPEC4.pdf\">Papier<\/a> soll ein Prototyp mit einer Leistung von 300 W\/kg existieren. Die Stromversorgung ist der Dreh- und Angelpunkt eines Ionentriebwerks, da sie viel Strom brauchen. Ein Modell, RIT-22 von EADS, wiegt 7 kg und ben&ouml;tigt 5000 Watt Leistung. Selbst bei 175 Watt pro Kilogramm wiegen aber die Solarzellen die eine solche Leistung liefern 28,6 kg. Ber&uuml;cksichtigt man, dass man bei Missionen ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem aufgrund der absinkenden Leistung eine noch gr&ouml;&szlig;ere Fl&auml;che braucht zeigt dies das hier noch Optimierungsbedarf besteht. Trotzdem gab es in den letzten Jahrzehnten bei Solarzellen deutlich Fortschritte, w&auml;hrend Kernreaktoren praktisch immer noch die gleichen Leistungswerte wie vor 40 Jahren haben. Die besten kommen auf 10 Watt\/kg.<!--more--><\/p>\n<p>Bei den Ionentriebwerken ist es so, dass die heutigen Modelle mit einem Leistungsbedarf von einigen Kilowatt sicher ausreichen f&uuml;r kleine unbemannte Sonden. Heute setzt Dawn 5 Triebwerke ein. Mit leistungsf&auml;higerer Stromversorgung k&ouml;nnte eine Sonde mehr dieser Triebwerke einsetzen und schneller ihr Ziel erreichen, bzw. auch von einer Erdumlaufbahn aus starten. Der Vorteil vieler kleiner Triebwerke ist auch, das bei abnehmender Leistung mit zunehmender Entfernung von der Sonne, man einfach weniger Triebwerke betreiben kann und sich so besser den Verh&auml;ltnissen anpassen kann. Wenn es aber deutlich &uuml;ber 10-20 Triebwerke geht, dann ist sicher eine Weiterentwicklung zu gr&ouml;&szlig;eren n&ouml;tig.<\/p>\n<p>Im Prinzip ist die Leistung steigerbar indem man den Auslass vergr&ouml;&szlig;ert. EADS hat ja schon Triebwerke mit 10 &#8211; 22 cm Auslass&ouml;ffnung im Angebot. Noch gr&ouml;&szlig;erwer Durchmesser = mehr Schub. Physikalisch ist die Stromdichte pro Fl&auml;che begrenzt, das hei&szlig;t vierfache Leistung erfordert den doppelten Durchmesser. Leider steigt aber das Gewicht nicht so, sondern doppelter Durchmesser bedeutet meistens achtfaches Gewicht. Weiterhin wird sp&auml;testens bei bemannten Raumfahrzeugen dann auch das Volumen ein Problem. Die L&ouml;sung ist es neue Techniken einzusetzen. Die ESA hat eine <a href=\"http:\/\/www.esa.int\/gsp\/ACT\/pro\/pp\/DS4G\/background.htm\">Studie<\/a> gemacht, die vier Gitter in der Beschleunigungsstufe einsetzt anstatt nur zwei. Das entspricht praktisch zwei hintereinander geschalteten Beschleunigungsstufen. Die Folge ist dass ein Triebwerk mit 20 cm Durchmesser nun 250 kW Leistung verbraucht und 2,5 N Schub erzeugt. Konventionelle Triebwerke liegen dagegen bei 7 kW nur 0,2 N Schub. Die magnetoplasmadynamische Triebwerke, die so gerne als Alternative postuliert werden sind in meinen Augen keine Alternativen, da sie nicht wesentlich leichter oder leistungsf&auml;higer als konventionelle Triebwerke sind. Schon der 50 kW Prototyp hat einen Durchmesser von 1 m.<\/p>\n<p>Bei vielen Triebwerken gewinnt auch die Frage der K&uuml;hlung an Bedeutung. Typisch erreichen Triebwerke Wirkungsgrade von 60 &#8211; 75%. Bei 100 kW Eingangsleistung gibt es also noch 25 &#8211; 40 kW Abw&auml;rme die abgef&uuml;hrt werden muss. Bei dem Einsatz von Solarzellen w&auml;re es sicher eine gute L&ouml;sung auf der R&uuml;ckseite eines Teiles der Paneele Radiatorfl&auml;chen\u00a0 zu platzieren, da so Strukturmasse eingespart wird und die Fl&auml;che auf der Schattenseite sind.<\/p>\n<p>Als Treibstoff wird heute Xenon verwendet. Es hat den Vorteil, dass es als Gas leicht f&ouml;rderbar ist. Es gibt auch Alternativen wie C&auml;sium und Quecksilber. Sie sind schwerer zu f&ouml;rdern, doch k&ouml;nnten sie von Bedeutung sein, wenn auch das Gewicht der Tanks, die bei Xenon etwa ein F&uuml;nftel bis ein Achtel des Inhalts betragen, eine Rolle spielt, was bei Missionen mit hohem Antriebsbedarf gegeben ist.<\/p>\n<p>Wie k&ouml;nnte meiner Meinung nach die weitere Entwicklung aussehen? Ich konzentriere mich auf die staatlich gef&ouml;rderte Raumfahrt. Der Privatsektor ist ja eher noch konservativer (es gibt schon Ionentriebwerke f&uuml;r geostation&auml;re Satelliten zur Lagereglung, aber eingesetzt werden sie selten). Der Plan:<\/p>\n<p>allgemein: Steigerung der Leistung aller Subsystem. Ionentriebwerke mit h&ouml;herer Leistung, niedrigerem Gewicht oder Volumen. Leistungsf&auml;higere Stromkonverter mit h&ouml;herer Lebensdauer (Hochspannung muss erzeugt werden), Leistungsf&auml;higere Solarzellen mit niedrigerem Fl&auml;chengewicht, geringere Tankmassen &#8230;<\/p>\n<p>Erprobung in Demonstrationsmissionen:<\/p>\n<ul>\n<li>Demonstrationsmission 1: LEO \u2192 GEO Transfer. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf 5 km\/s. Passage des Van Allen G&uuml;rtels. Vorteile: beliebig viel Zeit steht zur Verf&uuml;gung. Arbeit nur in Erdentfernung. Daraus k&ouml;nnte ein kommerzielles Produkt eines LEO \u2192 LEO Shuttles f&uuml;r Kommunikationssatelliten erwachsen.<\/li>\n<li>Demonstrationsmission 2: LEO \u2192 Mars Transfer. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf &gt;11 km\/s. Abnehmende Leistung mit steigender Entfernung. Zeitkritisch (Startfenster). Vorteil: Nach Verlassen der Erde kann in einer Sonnenumlaufbahn geparkt werden, bis man die richtige Position zum Erreichen des Mars erreicht hat.<\/li>\n<li>Demonstrationsmission 3: LEO \u2192 &auml;u&szlig;eres Sonnensystem. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf &gt;13 km\/s. Abnehmende Leistung mit steigender Entfernung ohne M&ouml;glichkeit Extrarunden zu drehen, wenn man die Zielgeschwindigkeit nicht rechtzeitig erreicht.<\/li>\n<li>Demonstrationsmission 4: LEO \u2192 Marsbodenprobenr&uuml;ckf&uuml;hrung. Herausforderungen: Geschwindigkeitsbedarf &gt;14 km\/s. Zwei Startzeitpunkte m&uuml;ssen eingehalten werden. Erheblich gr&ouml;&szlig;ere Startmasse<\/li>\n<\/ul>\n<p>Trotzdem wird eine bemannte Mission nochmals zehnmal leistungsf&auml;higer sein m&uuml;ssen und sie ist zeitkritischer als alle unbemannten Missionen. Doch immerhin hat man bis dahin einen Quantensprung zu dem was man heute erreicht hat (Dawn: ca. 1 t Startmasse, 11 km\/s Geschwindigkeitskorrektur in rund 4 Jahren &#8211; Demonstrationsmission 4: 20 t Startmasse, 14 km\/s, 14 km\/s in ca. 1-1,5 Jahren.<\/p>\n<p>Vor allem aber entsprechen die Demonstrationsmissionen Anforderungen die es gibt: Start von Raumsonden zum Mars, Jupiter bis Pluto, Bodenprobenr&uuml;ckf&uuml;hrung vom Mars,. Aus Demonstrationsmission 1 k&ouml;nnte sogar ein kommerzielles Produkt werden. Als Nebeneffekt k&ouml;nnte die bisherige Praxis Raumsonden mit schubstarken Tr&auml;gerraketen zu ihren zielen zu bef&ouml;rdern eingestellt werden und man stattdessen sie mit ihrem eigenen Antrieb langsam zum Ziel hin spiralt. Bei Juno w&uuml;rde es sogar schneller gehen und Zeit sparen. Aber so ofrtschrittlich sind ESA und NASA nicht. Sie entwickeln lieber neue Schwerlastraketen&#8230;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Es gibt immer wieder Dinge die mich &uuml;berraschen. Eines ist das Beharren in eingetretenen Pfaden. Wer B&uuml;cher vor 40-50 Jahren liest, der stolpert &uuml;ber die exzellenten Zukunftsaussichten von Ionentriebwerken. Doch was ist daraus geworden? Nicht viel. Es ist zum Teil erkl&auml;rbar. 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