Antriebstechnik

[Thomas Wawerka]

Mir gehen seit längerem Fragen zur Antriebstechnik im Kopf rum.
1. Wäre es sinnvoll, ein großes Raumschiff zu bauen, es langsam, aber permanent zu beschleunigen (z.B. durch Sonnensegel oder durch swing-by) und wie einen "Schnellbus" durchs Sonnensystem touren zu lassen? Man könnte dann in bestimmten Zeitfenstern kleine Shuttles starten und ankoppeln lassen, deren Beschleunigung weniger Geld verbraucht. Fand ich cool, bis mir klar wurde: Jeder Liter Treibstoff, jeder Liter Sauerstoff, jeder Liter Wasser, jedes Fitzelchen, was ein Astronaut braucht, muss ja ebenfalls auf die Geschwindigkeit des "Busses" beschleunigt werden, also wäre gar nichts gewonnen. Aber: Ein Astronaut braucht ja auch Equipment, das nur einmal beschleunigt und dann beliebig oft genutzt werden könnte. Weiter: Wenn im "Bus" selbst Sauerstoff oder Wasser produziert würde, z.B. durch Pflanzen an Bord oder durch Abschöpfen von Gasmasse aus der Atmosphäre von Jupiter oder Saturn (bspw. beim swing-by), wäre etwas gewonnen. (Aber das würde den Bus" ja wieder bremsen und nicht weiter beschleunigen ... hmm, Mist ...) Oder wenn man vom Mond aus unbemannte Satelliten mit Tanks starten würden (gefüllt mit Wasser oder Gas, das auf dem Mond produziert wird) und diese dann an den "Bus" ankoppeln, wäre das ebenfalls billiger wegen der geringeren Fluchtgeschwindigkeit.
2. Man könnte auch Sonden im Sonnensystem positionieren, die Laserstrahlen abfeuern und ein Raumschiff damit antreiben. Vielleicht wäre so eine "interplanetare Autobahn" möglich ...

[Gernot]

... jedes Fitzelchen, was ein Astronaut braucht, muss ja ebenfalls auf die Geschwindigkeit des "Busses" beschleunigt werden ...

Dazu fällt mir ein besonders großes Fitzelchen ein: Auf so einem langsam beschleunigenden und auf Swingby-Umwegen fliegenden Schiff müssten die Astronauten sehr lang ausharren. Deshalb müssen sie gut gegen die kosmische Strahlung geschützt werden, etwa mit riesigen, in der Hülle angebrachten Wassertanks (Wasser braucht man sowieso) oder mit Schwermetallen. Wie auch immer, so ein Raumschiff müsste man schon wegen dieser Notwendigkeit äußerst groß, geradezu gigantomanisch projektieren. Das große Gewicht geht natürlich auf Kosten der Beschleunigung.

[Thomas Wawerka]

... jedes Fitzelchen, was ein Astronaut braucht, muss ja ebenfalls auf die Geschwindigkeit des "Busses" beschleunigt werden ...

Dazu fällt mir ein besonders großes Fitzelchen ein: Auf so einem langsam beschleunigenden und auf Swingby-Umwegen fliegenden Schiff müssten die Astronauten sehr lang ausharren. Deshalb müssen sie gut gegen die kosmische Strahlung geschützt werden, etwa mit riesigen, in der Hülle angebrachten Wassertanks (Wasser braucht man sowieso) oder mit Schwermetallen. Wie auch immer, so ein Raumschiff müsste man schon wegen dieser Notwendigkeit äußerst groß, geradezu gigantomanisch projektieren. Das große Gewicht geht natürlich auf Kosten der Beschleunigung.

Nee, ich meinte das folgendermaßen: Dieses große Raumschiff wird jahrelang unbemannt auf eine gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt. Wenn es dann diese Geschwindigkeit drauf hat, sodass man - bloß mal als Beispiel - in 10 Wochen zum Mars fliegen könnte, werden bemannte kleine Shuttles gestartet. Die docken an, fliegen mit und docken wieder ab, wenn das Raumschiff den geringsten Abstand zum Mars hat. Die Shuttles fliegen zum Mars. Starten dort irgendwann wieder, wenn das Raumschiff wieder in Position kommt, docken wieder an und zurück gehts zur Erde.

[don redhorse]

Es gibt elliptische Umlaufbahnen, mit denen man in regelmäßigen Abständen zum Beispiel Erde und Mars verbinden kann. Da diese an die Sonnenschwerkraft gebunden sind, dauert es leider doch einige Monate, bis man sein Ziel erreicht. Würde man das Schiff schneller beschleunigen, würde es statt beim Mars den Umkehrpunkt zu erreichen, über ihn hinaus schießen. Schnellere Flugbahnen - sogenannte Hohmann-Orbits - sind daher auf zeitweilige Beschleunigungs- und Bremsmanöver angewiesen.
Warum aber ein "Raumschiff"?
Warum keinen kleinen Asteroiden nehmen - welche von ein paar hundert Metern Durchmesser gibt es in großen Mengen, und einige sind sogar Erdbahnkreuzer. Diese könnte man mit einem gewissen technischen Anfangs-Aufwand einfangen und in einer entfernten Erdumlaufbahn zu einem großen Habitat umbauen. Mit den vorgeschlagenen Sonnensegeln oder eventuell einem Ionenantrieb schiebt man das Ding auf die vorgeschlagene Erde-Mars-Ellipse. Diese Bahn verläuft natürlich immer och quer durchs innere Sonnensystem, und das bestimmende Element darin ist nach wie vor die Sonne, die in einem Brennpunkt der Ellipse steht. Die Positionen von Erde und Mars sind lediglich einander gegenüberliegende Positionen.
Das Problem ist, das die Ellipse zuerst einmal nur dieses eine Mal funktioniert. Erde und Mars verändern auf ihren Umlaufbahnen ihre relative Stellung zueinander, und wenn das Habitat auf den sonnennächsten Punkt seiner Ellipse zurückkehrt, hat sich die Erde zweieinhalbmal um die Sonne gedreht. Nochmals zweieinhalb Jahre später wäre ein Rendezvous wieder möglich, wenn man auf die Bahn des Asteroiden Einfluss nimmt. Mit Sonnensegeln bekommt man das aber sozusagen kostenlos. Aufgrund der Umlaufbahneigenschaften des Mars steht dieser aber trotzdem in keiner günstigen Stellung, wenn das Habitat seinen sonnenfernsten Punkt erreicht. Im Grunde genommen muss das Habitat also die ganze Zeit über mit Sonnensegeln gesteuert werden.
Ein weiteres Problem ist: wenn das Habitat seinen sonnenfernsten Punkt erreicht hat, ist es zwar in Mars-Nähe, aber sehr viel langsamer als der Mars. Wer vom Habitat zum Mars möchte, braucht definitiv Zubringer-Schiffe. Bei der Erde ist es noch ausgeprägter, wenn auch umgekehrt: das Habitat bewegt sich schneller als die Erde auf ihrer Umlaufbahn: die Reisenden müssen auf der Erde starten und ziemlich auf die Tube drücken, um ihr Habitat zu erreichen. Das ist so ähnlich, als würde man auf einen fahrenden Zug aufspringen: das Ding holt einen von hinten ein...
Die Frage ist, ob s sich kostentechnisch rechnet. Allerdings gibt es einen riesigen Vorteil: statt das die Mars-Astronauten ihre ganze Ausrüstung und Vorräte auf der Erde anfertigen und auf die Flugbahn schießen lassen, könnte man ihnen lediglich die Werkzeuge mitgeben, um alles selbst anzufertigen. Auf dem Asteroiden gibt es Rohstoffe, die man zu Treibstoff, Atemluft und Trinkwasser, etc verarbeiten kann. Vielleicht könnte man die Bauteile für eine Mars-Kolonie auf dem Asteroiden herstellen und mit einfachen Landemodulen, ebenfalls auf dem Asteroiden produziert, auf dem Mars abwerfen. In den letzten Jahren hat man Sonden mit simplen Fallschirmen und Prallsäcken auf den Mars geschickt; Raketenantrieb für den Abstieg ist also nicht zwingend nötig...
Das Asteroidenhabitat könnte mit Sonnensegeln gezielt auf Flugbahnen kreuzen, die es regelmäßig zwischen Erde und Mars pendeln lassen. Jede dieser Rundreisen würde immer noch sehr lange dauern (ich schätze, mindestens 2 Jahre), aber man hätte damit schon so etwas wie einen regelmäßigen Pendelverkehr.
Um Platzprobleme müsste man sich jedenfalls keine Gedanken machen. Ein kugelförmiger 500 Meter großer Asteroid hat 78 Hektar Oberfläche und 65 Mio Kubikmeter Volumen. Je nach Zusammensetzung besteht er aus mehr als hundert Millionen Tonnen Material. (kopfgerechnet; nicht hauen, wenn es nicht 100pro stimmt!) Das reicht für ne Menge Weltraumtouristen, die zum Mars wollen!

[Thomas Wawerka]

Wow - jetzt bin ich beeindruckt. Versteh ich das richtig: Selbst mit besseren Antrieben käme man nicht sehr viel schneller zum Mars, weil man "umlenken" müsste, was wiederum große Mengen an Energie verbrauchen würde?

[don redhorse]

Wow - jetzt bin ich beeindruckt. Versteh ich das richtig: Selbst mit besseren Antrieben käme man nicht sehr viel schneller zum Mars, weil man "umlenken" müsste, was wiederum große Mengen an Energie verbrauchen würde?

Kennt man doch vom alltäglichen Autofahren her: je schneller man ist, desto stärker muss man bremsen.
Je stärker man ein Raumschiff beschleunigt, desto überproportional höher ist der Treibstoffverbrauch - oder einfacher ausgedrückt: die Energieverschwendung. Deshalb werden ja seit Jahren Ionenantriebe von z.B. der NASA getestet: die sind zwar sehr schwach, können aber vermutlich sogar mit Solarpaneelen betrieben werden (zumindest in relativer Sonnennähe, also dem inneren Planetensystem). Ionenantrieb bedeutet schwache, aber permanente Beschleunigung. An Bord merkt man dann vermutlich nicht viel davon: selbst auf dem Mond zieht es einen noch deutlich stärker zu Boden. Aber selbst wenn das Schiff mit nur einem Hundertstel der irdischen Gravitation beschleunigt, also mit 0,1 m/sek², summiert sich das über Stunden und Tage hinweg ganz beachtlich. Eine konventionelle Rakete schafft z.B. 60 m/sek², also 600mal mehr. Nach ein paar Minuten ist aber auch schon Brennschluss; sagen wir mal nach 300 Sekunden. In dieser Zeit erreicht die Rakete 18000 m/sek Endgeschwindigkeit (natürlich ist das ein abstraktes Beispiel; in der Realität ist der Schub konstant, aber durch die Verbrennung des Treibstoffs reduziert sich stetig die Masse der Rakete, so das sie allmählich höher beschleunigt). Die Fluchtgeschwindigkeit der Erde beträgt 11.300 m/sek. Die Rakete könnte also nicht nur locker in einen Orbit einschwenken, sondern das Schwerefeld der Erde für immer verlassen und mit mehr als 6700 m/sek in den interplanetarischen Raum verschwinden.
Ein Ionenantrieb leistet wie gesagt vielleicht nur 0,1 m/sek², dies aber über ganze 24 Stunden hinweg. (Für den Start von einem Planeten ist das viel zu wenig: die Beschleunigung muss die Oberflächenschwerkraft übertreffen, damit die Rakete überhaupt abheben kann.) Am Ende hat die Ionenrakete eine Endgeschwindigkeit von 8640 m/sek, oder umgerechnet 31104 km/h.
Nicht schlecht für etwas mit einem Elektromotor!

[Thomas Wawerka]

Ich kannte die Hohmann-Orbits noch nicht, bzw. war mir nicht im Klaren über die relativen Positionen Erde - Mars, die scheinbar so beschaffen sind, dass man ohne zusätzliche Beschleunigungs- und Bremsmanöver den bstand einfach nicht schneller überbrücken kann. Das macht die ganze Sache ja noch schwieriger!

[don redhorse]

Im Grunde genommen ist jede Flugbahn eines Objekts im Sonnensystem ein Ellipsenausschnitt. Es kann durch die Einflüsse der Gravitation (Sonne, Planeten, Monde etc.) keine exakt gerade Flugbahn geben. (Ich will jetzt hier nicht auf Relativitätstheorie, Raumzeit etc. eingehen. - "Danke!" ) Hohmanns-Orbits bestehen aus mehreren solcher elliptischen Bahnausschnitte, die zusammengesetzt wurden.
Ein Raumschiff wie z.B. Apollo 11 damals hat Paradebeispiele für Hohmann-Orbits verwendet. Zuerst ist es in den Orbit geschossen worden. Diese Umlaufbahn war nicht wirklich kreisförmig, sondern schwach elliptisch, wobei der Unterschied aber gering war (das trifft auf praktisch alles zu, was Menschen ins All schießen...). Beim sogenannten Mondeinschuss wurde Apollo 11 relativ stark beschleunigt. Die Flugbahn von Apollo 11 krümmte sich dabei wie eine sehr langgezogene Ellipse. Wäre das Schiff nicht in die Mondnähe gelangt und hätte die Mondschwerkraft es nicht zu sich herangezogen, wäre Apollo 11 zwar nicht völlig aus dem Schwerefeld der Erde entkommen, hätte aber diese extrem weitgezogene Ellipse vollendet und wäre nach einigen zusätzlichen Tagen wieder zur Erde zurückgestürzt. (Daher rührt übrigens die Phrase "Rücksturz zur Erde!" in Raumpatrouille Orion - bei einem interstelllaren, überlichtschnellen Raumschiff eher ein Gag als sinnvoll verwendete Terminologie...) Das war übrigens eine der sogenannten Rückkehroptionen bei einem Missionsversagen: auch die fehlgeschlagene Apollo 13 hätte, wenn sie den Mond verfehlt hätte, eine solche langgezogene Rückkehrbahn eingeschlagen. Vermutlich hätte die Besatzung von Apollo 13 das aber nicht mehr erlebt. Apollo 11 aber hatte genug Reserven (Strom, Luft etc.), um nach einer solchen Rundreise wieder auf der Erde zu landen.
Hier erkennt man Vor- und Nachteile von Hohmann-Orbits: man fliegt ein bisschen schneller, riskiert aber beim Verfehlen des Ziels extrem weit hinauszuschießen. Man spart etwas Zeit, verfeuert aber mehr Treibstoff, was höhere Startgewichte und somit höhere Kosten bedeutet.
Die NASA verwendet heute kaum noch Hohmann-Orbits bei Missionsplanungen. Sie schießen ihre Raumsonden auf SwingBy-Manöver. Man kann z.B. eine Sonde erst um den Mond herum schwingen lassen, um sie dann Richtung Venus zu schicken, wo sie nochmal Schwung nimmt für einen Flug ins äußere Planetensystem, wo sie bis zum Saturn fliegt. Das dauert sehr viel länger - manchmal umkreisen solche Sonden mehrmals die Sonne, bis ihre schleifenförmigen Manöver sie etwa zum Merkur gelangen lassen - hat aber einen beträchtlichen Kostenvorteil, da man weniger Treibstoff kalkuliert. Den eingesparten Treibstoffanteil an der Nutzlast kann man für ein weiteres Instrument zur Erforschung des Ziels verwenden.
Der Hintergrund eines SwingBy ist, das über die Schwerkraft zwei Körper aneinander gebunden sind. Eine Raumsonde ist ein sehr, sehr kleines Objekt, ein Planet wie Venus ein sehr viel größeres. Trotzdem tauschen sie gewissermaßen Bewegungsenergie aus. Und indem sich die Sonde um die Venus herumschwingt, entzieht sie der Venus ein geringes bisschen Gravitationspotenzial und setzt es in eigene Bewegung um. (Nach dem gleichen Prinzip werden kleine Himmelskörper aus Ansammlungen von größeren herausgeschleudert; Sterne aus Kugelsternhaufen etwa, Sternhaufen aus Galaxien, Zwerggalaxien aus ganzen Galaxienclustern...) Die Venus wird sich daraufhin um eine Mikrosekunde im Jahr langsamer drehen oder um ein paar Mikrometer von ihrer Umlaufbahn abweichen.

Hohmann-Orbits müssen übrigens, wie mir gerade eingefallen ist, nicht zwangsläufig elliptisch sein. Das ist nur der Fall, solange die Fluchtgeschwindigkeit nicht übertroffen wird, sich also das Raumfahrzeug nicht schnell genug bewegt, um das Schwerefeld irgendwann zu verlassen.
Ist das doch der Fall, wird die Flugbahn hyperbolisch. Im Fall der Sonne heißt das: alles, was schneller als 72 km/sek ist, wird das solare Schwerefeld garantiert wieder verlassen.
Schnellere Triebwerke sind ja ganz gut und schön - aber der Vorteil von langsamen Flügen ist, das man am Ziel ankommt (weil es einen sozusagen einfängt) und nicht darüber hinausschießt. Ein Triebwerksversagen wäre ziemlich fatal für eine schnelle Marsmission...

Vielleicht kennt jemand ein paar interessante Links dazu und kann sie hier posten?