{"id":5411,"date":"2011-10-10T00:41:36","date_gmt":"2011-10-09T22:41:36","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=5411"},"modified":"2011-10-09T11:06:44","modified_gmt":"2011-10-09T09:06:44","slug":"kleinvieh-macht-auch-mist","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2011\/10\/10\/kleinvieh-macht-auch-mist\/","title":{"rendered":"Kleinvieh macht auch Mist"},"content":{"rendered":"

Ihr wisst ja, ich bin ein Ionentriebwerk-Fan. Ich denke pragmatisch und sie sind verfügbar, haben das Potential viel Treibstoff einzusparen und sie teilen etwas mit Unix\/Linux: Sie sind die Triebwerke\/das Betriebssystem der Zukunft – und das schon seit 40 Jahren ….<\/p>\n

Also Zeit sie behutsam einzuführen. Da fiel mir wieder etwas ein. Heutige Planetensonden haben eine sehr großzügige Stromversorgung. Sie muss dem Rechnung tragen, dass alle Systeme zur Stromversorgung im Laufe der Zeit weniger Leistung liefern und vor allem alle Fälle abgedeckt werden müssen, also z.B. der Betrieb mehrerer Instrumente zur gleichen Zeit und eine Dehnung des Körpers. Während des Flugs zum Planeten ist eine Raumsonde aber weitgehend inaktiv und die Instrumente abgeschaltet und es gibt kaum Kommunikation mit der Erde – die nicht benötigte Leistung liegt brach.<\/p>\n

Warum nicht diese für ein Ionentriebwerk nutzen? Sicher ist es nicht viel für diese stromhungrigen Triebwerke, aber die Reisezeiten können Jahre betragen. Über Jahre hinweg macht ein kleiner Schub auch einen großen Impuls. Warum nicht diese überschüssige Leistung nutzen. Also mal einen Fall durchspielen.<\/p>\n

New Horizons benötigt 9,5 Jahre um von der erde zu Pluto zu kommen. Die Startgeschwindigkeit von der Erde betrug sensationelle 16,9 km\/s, was schon ohne die Passage von Jupiter über der Fluchtgeschwindigkeit des Sonnensystems liegt. Dafür wiegt die Sonde aber auch weniger als 500 kg. Die Atlas 551 hätte über 20 t in eine LEO Bahn befördern können.<\/p>\n

Hier nun ein Plan für „Ionentriebwerke im Kleinen“. Die Idee ist ganz einfach: Ein Ionentriebwerk wird dauernd betrieben. Aber nur mit dem Strom, der während der Reise zur Verfügung steht. New Horizons startet mit einer Anfangsleistung von 245,7 Watt die bis Pluto auf 202 Watt sinkt. Im Mittel stehen also 224 Watt zur Verfügung. Sie benötigt während der Cruise Phase rund 155 Watt. Rechnen wir 159 Watt, da diese auch ab und an von Kommunikationssessions unterbrochen ist. So werden 65 Watt an Leistung zur Verfügung stehen. Das ist nicht viel. Es ist weitaus weniger als die kleinsten Ionentriebwerke benötigen. Doch man kann auf Basis eines existierenden Triebwerks ein neues konstruieren:<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Bezeiechnung<\/th>\nRIT-10 (existent)<\/th>\nRIT-4 (hypothetisch)<\/th>\n<\/tr>\n
Gewicht:<\/td>\n1,2 kg<\/td>\n0,5 kg<\/td>\n<\/tr>\n
Leistungsaufnahme<\/td>\n275 Watt<\/td>\n<65 Watt<\/td>\n<\/tr>\n
Schub:<\/td>\n0,01 N<\/td>\n<0,0023 N<\/td>\n<\/tr>\n
Ausströmgeschwindigkeit<\/td>\n38.500 m\/s<\/td>\n38.500 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n
Treibstoffverbrauch:<\/td>\n0,32 mg\/s<\/td>\n0,075 mg\/s<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Dieses Triebwerk wird wenn es neun Jahre lang betrieben wird nur rund 21,2 kg Treibstoff verbrauchen. Sehr wenig. Doch wenn man für das ganze System (mit Treibstofftanks, Spannungskonverter etc.) 30 kg rechnet und so von einer beim Start 508 kg schweren Raumsonde ausgeht, so sind dies einer Geschwindigkeitssteigerung um 1.600 m\/s. Das bedeutet, dass man entweder eine kleinere Trägerrakete benötigt (die kleinste Version der Atlas V (401) hätte ausgereicht), oder man die Reisedauer bedeutend absenken kann.<\/p>\n

Warum macht man es nicht? Nun neben der der Raumfahrt inhärenten Beharrlichkeit und des konservativen Denkens, ist es auch nicht ohne Risiko. Beim chemischen Antrieb ist es relativ einfach. Nach wenigen Stunden steht die Bahn fest. Sie kann vorausberechnet werden und Abweichungen können durch kleine Korrekturen vorgenommen werden. Dagegen verändert ein Ionentriebwerk dauernd den Kurs. Wenn es kurzzeitig ausfällt oder pausieren muss, so muss man dies kompensieren. Ansonsten ist der Pluto wenn seine Bahn kreuzt wird nicht dort wo er sein sollte. Doch auch dafür gibt es Lösungen. Man setzt eben einfach nur einen Teil der Zeit die zur Verfügung steht für den Betrieb an, also z.B. nur 7 von 8 Jahren. Wenn alles erfolgreich lief, so verzichtet man einfach auf ein Jahr Betriebszeit. Ansonsten nutzt man das letzte Jahr. Natürlich ist dies sehr vereinfachend dargestellt, da in der Praxis sich laufend Geschwindigkeit und Ort ändern und man so den Kurs laufend neu berechnen muss, doch genauso ist man auch bei Dawn verfahren. Als die Raumsonde startete gab man als Ankunftsdatum bei Vesta den August 2011 an. Tatsächlich erreichte die Raumsonde schon am 15.7.2011 den Planetoiden. Das Triebwerk konnte also den Ankunftszeitraum verschieben und erlaubt so auch ein späteres Verlassen von Vesta (Juli 2012 anstatt Mai 2012).<\/p>\n

Es ist also Stand der Technik. Einsetzbar wäre es bei allen Missionen bei denen sehr lange Reisezeiten vorliegen wie ins äußere Sonnensystem oder zu Merkur. Auch für Messenger wäre es eine Option gewesen, ja dort angesichts der nahe der Sonne schnell zunehmenden Leistung der Solarzellen sogar noch effektiver. Wegen des nur geringen Geschgwindigkeitsbedarfs für Venus und Mars ist es dort sinnlos, aber man kann ein Ionentriebwerk nutzen um den sonnennächsten Punkt anzuheben (Mars) oder den sonnenfernsten Punt abzusenken (Venus), während man zum Planeten fliegt. Der Nutzen liegt dann darin, dass die Differenzgeschwindigkeit um in einen Orbit einzuschwenken dann kleiner ist.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Ihr wisst ja, ich bin ein Ionentriebwerk-Fan. Ich denke pragmatisch und sie sind verfügbar, haben das Potential viel Treibstoff einzusparen und sie teilen etwas mit Unix\/Linux: Sie sind die Triebwerke\/das Betriebssystem der Zukunft – und das schon seit 40 Jahren …. Also Zeit sie behutsam einzuführen. Da fiel mir wieder etwas ein. 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