Weltraumtourismus 2062

[darek05]

Okay, ich bin gerade dabei, eine Grafik des Shuttles mit den einzelnen Komponenten zu erstellen. Ich werde sie Dir im Laufe des Tages mit weiteren Fragen zusenden.

Beste Grüße
Darek

[mac]

Hallo Darek,

mir ist gerade aufgefallen, daß ich die Masse des Haupttriebwerkes noch nicht genannt habe. 5,5 t Die und Volumen und Masse der Stützmasse ändern sich nicht mit der Solarzellenfläche!

Du mußt die Masse Deines Shuttles eher mit der des Space-Shuttle vergleichen. Es könnte aber durchaus ein gutes Stück größer sein - an meinen Maß-angaben ändert sich damit nichts. Wenn Du es aber leichter machen willst, dann kannst Du alle meine Angaben zu Masse und Volumen (nicht die Längenangaben) proportional verkleinern. Verliere dabei aber nicht aus den Augen, daß Du mit dem Shuttle Hotel und Mondbasis versorgen mußt.

Zu den anderen Punkten aus Deinen Mails später mehr.

Herzliche Grüße

MAC

[mac]

Hallo Darek,

noch ein Konstruktionsdetail:

Lies Dir dazu erst mal diesen Artikel http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlungsg%C3%BCrtel durch. Für Deine Präsentation reicht es, wenn Du Sv (Sievert) = Gy (Gray) vereinfachst.

Bei einer Kammer für die Passagiere und die Besatzung von 10*2,5*2,1 m^3 kannst Du eine sehr wirksame Abschirmung mit einer 10 cm dicken Wasserschicht erreichen. Dafür brauchst Du 10 t Wasser.

Herzliche Grüße

MAC

[mac]

Hallo Darek,

wie komme ich auf die Dir angegebenen Volumina und Massen:

Ionentriebwerk
Ich habe mich an diesem, heute schon im Einsatz befindlichen Antrieb orientiert: Siehe: http://en.wikipedia.org/wiki/SMART-1
und http://www.snecma.com/IMG/pdf/PPS1350_Anglais.pdf

aus den

5,3 kg Masse
0,068 N Schub
16100 Ns/kg respektive 1640 s spezifischem Impuls
1 kW Leistungsaufnahme
und mit seinen Abmessungen:
104 mm Zylinderhöhe
(210mm - 135mm) = 75 mm Zylinderradius komme ich auf
r^2 * Pi * h = 0,075m ^2 * 0,104m = 0,00184 m^3 Volumen.
r steht für Radius
h steht für Höhe
Pi ist die Kreiszahl 3,1415...

Die beiden außen angeordneten Kathoden habe ich dabei nicht berücksichtigt.

mache ich folgendes:
Für die Shuttlemasse von 50 Tonnen brauche ich 4500 Newton Schub.
Daraus ergibt sich, ein 4500 N / 0,068 N = 66176 mal so großes Triebwerk.
5,3 kg * 66176 = 350,7 Tonnen
Schub hatten wir schon
der spezifische Impuls bleibt davon unverändert
66176 kW Leistungsaufnahme lasse ich auch unverändert.
und das Volumen des Zylinders wächst bei diesem Faktor auf 121,6 m^3

Die beiden roten Zahlen sind für das Shuttle entschieden zu groß! Nun muß man wissen: nicht alles bei einem solchen Triebwerk vergrößert sich linear zum Schub. Die Steuerungselektronik z.B. bleibt gleich groß, egal wie groß das Triebwerk ist. Die Wandstärken wachsen nicht linear mit.
Die Beschleunigungsstrecke wächst nicht linear mit ...
Wieviel das und wieviel der technische Fortschritt in den kommenden Jahrzehnten ausmachen wird, weiß ich natülich nicht genau, aber ich habe mal sehr optimistisch die Masse auf 5,5 t und das Volumen auf 4,2 m^3 reduziert.

Solch große Ionentriebwerke wären zurzeit sowieso noch völlig sinnlos. Noch nicht mal die ‚nackten‘ Triebwerke könnten, selbst wenn sie in der Atmosphäre funktionieren würden, von der Erde aus starten. Sie werden von der Erdanziehung viel heftiger angezogen, als sie selber Schub produzieren können (beim SMART-Triebwerk stehen 5,3kg * 9,81 m/s^2 = 52 Newton Erdanziehungskraft, den 0,068 N Schub gegenüber. Die 9,81 m/s^2 sind die mittlere Erdbeschleunigung auf Meereshöhe) Also müssen sie mit existierenden Raketen ins All transportiert werden, und die haben nun mal eine begrenzte Nutzlast, die man schon aus Stabilitätsgründen nicht beliebig vergrößern kann.

Mit einem wer weiß, hoffentlich, vielleicht, möglicherweise mal funktionierenden Weltraumlift, sieht das natürlich schon ganz anders aus.

Bei der Solarzellenfläche habe meinen Optimismus zur Entwicklung von Solarzellen auch nochmal heftig aufgebläht und gehe von rund 70% Wirkungsgrad, oder 1 kW pro m^2 im Abstand Erde-Sonne aus.



Nun noch zur Stromversorgung ohne Sonnenlicht:

Manche Menschen glauben vielleicht, daß es bei der Akkuentwicklung genau so große Fortschritte geben sollte wie z.B. bei der Miniaturisierung.

Die kurze Antwort: Nein!

Die längere: Jede Batterie, jeder Akkumulator speichert Energie über chemische Prozesse. Chemische Prozesse spielen sich in der Elektronenhülle eines Atoms ab und die Bindungsenergien für chemische Verbindungen sind bekannt und lassen sich auch nicht beeinflussen.

Ganz vereinfacht ausgedrückt, ‚Füllt‘ man einen Akku mit Strom, indem man chemische Bindungen trennt. Z.B. Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Das Wassermolekül ist, wenn ich mich richtig erinnere, die chemische Verbindung, für deren Trennung man die meiste Energie pro Masse aufwenden muß. Umgekehrt, wenn man Wasserstoff mit Sauerstoff verbrennt (Knallgas), also chemisch verbindet, wird diese Energie wieder frei, in einer Brennstoffzelle genialerweise gleich als Strom (und leider teilweise auch als Wärme). Diese Art der Speicherung baucht pro Amperestunde ungleich viel weniger Masse und Volumen, wie z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren Sie ist aber technisch sehr viel aufwändiger und darum bisher nicht weit verbreitet.

Die zur Zeit und in vorhersehbarer Zukunft erreichten Energie/Masse und Energie/Volumen Daten für Hydrogenspeicher (Wasserstoff) http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage in der ersten Tabelle finden.
Hier: http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density findest Du auch die theoretischen Grenzen für diese Daten.

Auf das durchrechnen mit Kernenergie als Erzeuger (Fission (Kernspaltung) und Fusion) und auf Radionuklidbatterien hatte ich dabei verzichtet.

Leichte Kost dazu:
http://lexikon.kfz.tu-berlin.de/kfz-...t_17112011.pdf

Eine explizite Gewichtsangabe für Brennstoffzellen habe ich nach etwas suchen noch nicht gefunden, aber aus den Daten des Opel Equinox konventionell und mit Brennstoffzelle, schätze ich rund 1 t / 100 kW, daher die 4 Tonnen für den Brennstoffzellengenerator.

Die Daten für Volumen und Gewicht des Wasserstoffträgers (Brennstoff für die Brennstoffzelle) habe ich moderat extrapoliert aus dem oben schon genannten Link http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage , darin die erste Tabelle.Und den Sauerstoff für die Brennstoffzellen muß man in einem Raumschiff auch separat mitführen. Die Problematik bei der Speicherung von Wasserstoff habe ich ignoriert, in der Hoffnung daß der technische Fortschritt hier praktikable Lösungen findet - sowohl was den Tank, als auch was den Träger und damit die Dichte des gespeicherten Wasserstoffs (Flüssig? oder in Form von Kohlenstoffverbindungen) betrifft.

Die hier eine Rolle spielenden Limitierungen haben auch sehr viel mit Chemie zu tun und auf dem Gebiet ist meine Grundausbildung als Ingenieur für biomedizinische Technik, schon etwas lange her.

Deshalb bin ich an dieser Stelle bei meinen ‚Verbesserungen‘ durch technischen Fortschritt sehr konservativ geblieben.

Herzliche Grüße

MAC

[mac]

Hallo Darek

Ich hab‘ jetzt die Bahn des Hotels soweit simuliert, daß ich sicher bin, daß dieses Konzept im Prinzip funktioniert.

Das Hotel ist in einem exzentrischen Orbit um die Erde und steigt auf, bis etwa zum Lagrangepunkt 1 des Mondes. Der befindet sich auf der Verbindungslinien zwischen Erde und Mond, etwa 56000 km über der Mondoberfläche. (Die Angabe und Berechnung in der Zusammenstellung, die Dir UMa verlinkt hatte, weicht deshalb deutlich davon ab, weil dort mit einem statischen System gerechnet wurde, so, als würde der Mond nicht um die Erde kreisen)

Dieser Orbit wird in einem Monat etwa dreimal durchlaufen. Es ist dabei aber immer nur einmal im Monat ein Anpassungsmanöver an das Mondseil in Höhe des Lagrangepunktes 1 möglich. Wenn das Hotel seine Geschwindigkeit mit dem Lagrangepunkt synchronisiert, kann es dort das Startfenster für das Erdseil abwarten (max. etwas mehr, als ein Tag Wartezeit).

Für das Hotel hab‘ ich 1000 t Masse angenommen. Es verbraucht mit allen Manövern pro Monat weniger als 500 kg Stützmasse und benötigt ein Solarzellensegel (ähnlich wie der Fallschirm, den Du mir in einer Skizze gemailt hattest) mit etwa 1400 m Kantenlänge, = 2.000.000 m^2. Die Geschwindigkeit, auf die die ionisierte Stützmasse durch das Ionentriebwerk des Hotels beschleunigt wird, habe ich dabei mit 2000 km/s angenommen - dann kann es gut durch das Shuttle versorgt werden. Sollte es durch unerwartete Ereignisse nicht möglich sein das Hotel zu versorgen, kann es mit sehr geringem Treibstoffverbrauch im Lagrangepunkt 1 des Mondes ‚parken‘.

Herzliche Grüße

MAC

[darek05]

Hallo MAC,

Danke für deine Beiträge. Die Berechnungen und Überlegungen für das Szenario des Hotels reichen völlig aus. Dennoch hätte ich ein paar Fragen dazu.

Das Hotel ist in einem exzentrischen Orbit um die Erde und steigt auf, bis etwa zum Lagrangepunkt 1 des Mondes.

Ich werde dazu noch ein Schaubild für die Dokumentation erstellen und lasse dich ein Blick darauf werfen.

Dieser Orbit wird in einem Monat etwa dreimal durchlaufen. Es ist dabei aber immer nur einmal im Monat ein Anpassungsmanöver an das Mondseil in Höhe des Lagrangepunktes 1 möglich.

Warum genau ist das Anpassungsmanöver nur einmal im Monat an das Mondseil Möglich?

Sollte es durch unerwartete Ereignisse nicht möglich sein das Hotel zu versorgen, kann es mit sehr geringem Treibstoffverbrauch im Lagrangepunkt 1 des Mondes ‚parken‘.

Das Finde ich ein tollen Gedanken und werde es sicher in meine Präsentation aufnehmen.

Zum Thema Volumina und Massen.
Vielen Dank für die Auflistung und Berechnungen. Du hast das sehr verständlich wiedergegeben!

Interessant wäre noch zu wissen, was du über die Dauer der Elevator-Fahrt denkst. Läuft es eher auf mehrere Tage mit ein paar Zwischenstationen aus, oder siehst du auch eine Möglichkeit die Fahrt mit dem Lift auf unter 6 Std. bis zum Zwischenziel zu verkürzen. Dieser Punkt bzw. die Dauer der Fahrt ist natürlich auch für das Interieur entscheidend. Wie sitzen die Passagiere während der Fahrt wenn das Shuttle am Lift hochgezogen wird? Gibt es eine Transformation des Interieurs wenn das Shuttle, oben angekommen in den horizontalen Flug wechselt? Das sind Fragen, die ich noch klären muss, um das Interieur danach zu gestalten.

Ein schönes Wochenende

Darek

[mac]

Hallo Darek,

es gibt viele Ideen, wie man den Climber antreiben könnte. Die derzeit favorisierte Idee ist Stromversorgung durch (Laser)Licht.

Dabei ist der limitierende Faktor für die Liftgeschwindigkeit, seine Fähigkeit Wärme los zu werden. Im All funktioniert das nur durch Strahlungswärme. 1 m^2 Abstrahlfläche kann eine bestimmte Energiemenge abstrahlen. Diese Menge ist proportional zur Fläche und K^4 proportional zur Temperatur in Grad Kelvin. Doppelte Temperatur führt also zu 16 facher Abstrahlleistung.

Die Temperatur eines Festkörpers ist aber durch seinen Schmelzpunkt limitiert. Daher rechne ich mit 1700 K (K=Kelvin) Temperatur für den Strahler und damit komme ich auf 473 kW pro m^2 abstrahlbare (Wärme)energie. (ich bin bei der Umrechnung über die Abstrahlleistung der Sonnenoberfläche gegangen. Siehe dazu: http://de.wikipedia.org/wiki/Sonne#W...aten_zur_Sonne und habe den Faktor für die niedrigere Temperatur durch (Temperatur der Abstrahlfläche/Temperatur der Sonnenoberfläche)^4 ermittelt.



Der Wirkungsgrad mit dem monochromatisches Laserlicht durch Photozellen in Strom umgewandelt wird, liegt derzeit bei gut 40-50% siehe auch: http://en.wikipedia.org/wiki/Wireles...r#Laser_method.

Das heißt, für jedes kW das Du in Antrieb umwandeln kannst, mußt Du ein weiteres kW als Wärme los werden.

Nehmen wir an, daß der Climber 150 t wiegt und 50 t tragen kann, dann braucht er (nach der ersten Beschleunigungsphase), 5 * 10^8 Watt Leistung, um zunächst eine vertikale Geschwindigkeit von 250 m/s zu halten. Dafür braucht er immer noch mindestens 1000 m^2 Abstrahlfläche, die bei 1700 K noch nicht schmilzt, also eine Art Heizkörper, der 15 m breit und 33 m lang ist. Damit der den Laserlichtempfang nicht stört, aber der Weg zu ihm nicht unnötig weit ist, würde ich, von unten gesehen, zuerst die Photozellen und darüber diese Abstrahlfläche anordnen. Die Photzellen sollten dann einen Durchmesser von mindestens 15 m haben. Die Abstrahlfläche kann auch wie ein Zylinder geformt sein, dessen Außenwand 1000 m^2 groß ist. Dem Seil mach diese Temperatur nichts aus, weil der Lift sich sehr schnell daran vorbei beweigt, aber die obere Liftplattform, die auf der Zylinderwand ruht, oder sie auch nur ‚sieht‘ muß außer den Photozellen auch gekühlt werden. Die eigentliche Wärmequelle sind aber die Photozellen.

Konstant mit dieser Geschwindigkeit braucht er für 36000 km rund 40 Stunden. Weiter oben geht es aber schneller, weil die Erdanziehungskraft mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Schneller als etwa 8 h wird es aber nicht gehen. Und auch das ist sehr utopisch.

Um die dafür nötige Leistung überhaupt bereit zu stellen, brauchst Du ein Kraftwerk mit mindestens 2000 Megawatt.

Ich würde daher eher darauf verzichten, Touristen vom Erboden an im Shuttle zu transportieren. Der Climber könnte bei geringerer Last, oder langsamerer Aufstiegsgeschwindigkeit, wesentlich leichter gebaut werden.

Herzliche Grüße

MAC

[darek05]

Entschuldige bitte die verspätete Antwort. Die CAD Phase beginnt Anfang nächster Woche und es gab bzw. gibt eine Menge zu tun. Ich kam deshalb auch noch nicht dazu, deinen Beitrag zu analysieren und mögliche Fragen zu stellen. Ich melde mich jedoch am Anfang der Woche nochmals.

Einen schönen Start in die Woche

Darek