Nun steht es fest: Philae, derLandemission von Rosetta, istder Strom ausgegangen. DieLandung vom 12. Novemberendete in einer Felsspalte desKometen. Eine Düse, die denLander auf dem Kometen haltensollte, fiel vor der Landung aus.Nach dem ersten Kontakt mitdem Kometen machte sie einen1km hohen Sprung in dieSpalte.Die Batterien sind Leer und dieAkkus lassen sich nur laden,wenn sie wärmer als 0°C sind.Valerie Lommatsch, eineIngenieurin des Landers vomDLR, gab in einerPressekonferenz bekannt:"Wir haben 1,5 Stunden Lichtfür weniger als 1 Watt und 20Minuten für 3-4 Watt. DenComputer hochzufahren braucht5 Watt. Wir brauchen 50-60Wattstunden am Tag damit dieAkkus 0°C erreichen und nochLicht bleibt um die Akkus zuladen."

Im August wird sich der Kometder Sonne nähern und etwa fünfmal so viel Energie von ihrbekommen. Das wird reichenum den Computer und einigeInstrumente für ein paarMinuten zu betreiben, aber fürdie Akkus ist es zu wenig.Immerhin konnten Daten vonden meisten Instrumentengewonnen werden. DieAuswertung läuft.

TP1024 - Raumfahrt Spezial

23.11.2014Ausgabe 0Philae im Winterschlaf

Inhalt

Philae hat viele Erkenntnisseüber den Kometen und das Son-nensystem gewonnen. Nach demfrühen Ende der Mission kamaber die Frage nach der Ener-giequelle auf. Sollte eine Missi-on, die so weit von der Sonneentfernt ist, wirklich auf Solar-zellen setzen? Die Antwort lau-tet: Ja.Eine Radioisotopenbatterie wärein der Felsspalte vielleicht über-hitzt. Ohne Kühlung kann sie

keinen Strom erzeugen. Aber esgibt einen Mittelweg. Der Mars-rover Opportunity arbeitet seitüber 10 Jahren mit Solarzellen.Seine Elektronik trotzt den Tem-peraturen auf dem Mars mit derHilfe von kleinen Heizelemen-ten, die etwa 2 Gramm Plutoni-um enthalten. Der Strom ausden Solarzellen kann damit dieAkkus laden und muss nichterst verheizt werden.Kleine radioaktive Heizelemente

sind eine elegante Lösung fürdas Kälteproblem in Weltraum-missionen. Das oft verwendetePlutonium-238 ist allerdingsknapp. Selbst die NASA musstein Russland um einige Kilo-gramm für künftige Missionenbitten. Aber genauso hätte manauch Strontium-90 aus der Auf-arbeitung von Brennstäben neh-men können. Die Halbwertszeitvon 30 Jahren ist lang genug.Aber Rosetta ist eine europäi-

2 Gramm Plutonium für Philae

Über die Ausgabe

Philae im Winterschlaf 12 Gramm Plutonium 1Indischer Marsorbiter 2Antares Explosion 2Neue Triebwerke 3Die Ariane 6 4Ionentriebwerke 4

Die Nullnummer von TP1024,dem Newsletter mit positivemNerdgradienten und unbe-stimmten Ausgang.

Diesmal mit Raumfahrt. Philaeist auf 67P gestolpert undfriert nun. Indien fliegt einenumgebauten Satelliten zumMars. Antares fliegt in dieLuft. Neue Triebwerke werdenentwickelt und Ariane 6 mu-tiert vor sich hin. Außerdemgibt es Ionentriebwerke!

(weiter auf Seite 2)

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Seite 2 TP1024 - Raumfahrt

sche Mission. Das Problem istnicht die Verfügbarkeit, sonderndie Ablehnung radioaktiver Stoffeaus politischen Gründen.Dabei geht man keinesfalls Leicht-sinnig mit diesen Elementen um.In der Abbildung rechts kann mansehen, dass das Plutonium inmehreren Schichten gut geschütztist. Diese sind von einem Hitze-schild umgeben, das auch denWiedereintritt in die Atmosphäreoder einen Absturz der Trägerra-kete überstehen kann. SolcheKapsel wiegen deshalb 15 mal soviel wie das Plutonium selbst.Einen Wiedereintritt sicher zu

überstehen ist dabei nicht schwer.Zur Herausforderung wird er nur,wenn man ein Raumschiff bautund der Hitzeschutz möglichstdünn und leicht sein soll.Solche Fragen sind hier egal. Beieinem kleinen Heizelement kannman diesen Schutz sehr großzügigauslegen.Die Rosetta Mission hat über 1,3Milliarden Euro gekostet. Philaewar ein wesentlicher Teil derMission. Anstatt von Wochen oderMonaten blieben nur 60 Stundenum Untersuchungen am Kometenvorzunehmen. Es ist niemandengeholfen, wenn politische

Ressentiments solche Folgenhaben.

Mangalyaan - der Marsorbiter aus Indien

Am 5. November erreichte die in-dische "Mars Orbiter Mission"Mangalyaan den Mars. Nach dererfolgreichen MondmissionChandrayaan war es die ersteinterplanetare Missionder indischen Raum-fahrtbehörde ISRO.Der Orbiter ist auch diemit Abstand billigste Mars-mission aller Zeiten. WieChandrayaan wurde Mangalyaanauf der Basis eines geostationärenSatelliten gebaut und mit der äu-

ßerst preiswerten indischen PLSVRakete gestartet. Die Mission hat-te ein Budget von etwa 60 Millio-nen Euro, wovon die Rakete nur

etwa 12 Millionen Euro aus-macht.Die Instrumente vonMangalyaan sind nicht mitdenen fortgeschrittenerer

Sonden wie Maven oder MarsExpress vergleichbar. Aber dasKonzept die ausgereifte Technikeines kommerziellen Satelliten alsGrundlage für eine kostengünstige

interplanetare Sonde zu nutzen,ist allen anderen weit voraus.Auch mit besseren Instrumentenkann man mit dem gleichen Kon-zept noch große Einsparungen er-warten.Forschung im Weltraum wird nieso billig wie auf der Erde sein.Trotzdem sollte man Kritik an ih-ren Kosten ernst nehmen. Und eswäre auch im Interesse der For-schung, wenn einzelne Missionenbilliger werden und dafür mehrMissionen geflogen werden.

Antares - Explosion auf der Startrampe

Im Jahr 2008 unterzeichnetenOrbital Sciences und die NASAeinen Vertrag zur Versorgung derISS. Der dafür entwickelte CygnusTransporter sollte mit einer neuenRakete namens Taurus II in denOrbit gelangen. Aber schon imJahr 2009 schlug ein Start desVorgängers, der Taurus XL fehl.Nach einem weiteren Fehlstart imJahr 2011 wurde die Taurus IIschließlich in Antares umbenannt.Leider schützte sie auch das nichtvor dem gleichen Schicksal. Beiihrem vierten Flug zur ISS versag-

te eine Turbopumpe der beidenAJ-26 Triebwerke in der erstenStufe. Mit dem halben Schubstürzte sie langsam zurück aufden Boden und schlug neben derStartrampe auf.Bis 2013 gab es kein Raketen-triebwerk, das mit so wenig Ge-wicht so viel Schub entwickelnkonnte wie das AJ-26. Tatsächlichhandelt es sich um Triebwerke diein den 1970er Jahren in der So-vietunion für deren Mondraketegebaut wurden.Erst 40 Jahre später wurden sie

tatsächlich in Raketen verbaut.Ihre Zuverlässigkeit wurde wegender langen Lagerzeit von Anfangan in Frage gestellt. Leider wur-den diese Zweifel nun bestätigt.Diese Triebwerke arbeiten imHauptstromverfahren. Die größ-tenteils unverbrannten Abgaseder Treibstoffpumpe werden inder Brennkammer mit verbrannt.Was viel effizienter als herkömm-liche Verfahren ist. Bis in die90er Jahre wurde es im Westenfür unmöglich gehalten, das mitKerosin zu machen.

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Neue Triebwerke für die RaumfahrtDie Krise in der Ukraine hat auchAuswirkungen auf die US Raum-fahrt. Die Verbindungen zwischender russischen und der amerikani-schen Raumfahrt sind gehen weitüber Passagiere in Soyuz Raum-schiffen hinaus.Die Entwicklung von Raketen-triebwerken konzentrierte sich inEuropa, Japan und den USA aufdie hocheffizienten Wasserstoff-triebwerke. Man kennt sie vomSpaceshuttle, der Delta IV, derAriane 5 und der japanischen H-2. Dabei ist der Umgang mit flüs-sigem Wasserstoff schwierig. SeineTemperatur ist extrem niedrig, di-cke Isolierung ist notwendig umzu verhindern, dass er verdampft.Dazu kommt die niedrige Dichte.Ein Liter Wasserstoff wiegt nur 70Gramm. Die Effizienz wird mit ei-nem hohen Preis bezahlt.In der Sovietunion wurden zurgleichen Zeit Kerosintriebwerkeperfektioniert. Das scheint zu-nächst ein Rückschritt zu sein.Für den gleichen Schub brauchensie ein Drittel mehr Treibstoff proSekunde. Aber Kerosin hat einehohe Dichte und ist leicht zuhandhaben. Kerosintriebwerkehaben weniger Gewicht und dieTanks können ein kleineres Volu-men haben. Eine solche Raketen-stufe ist nicht nur leichter,sondern auch billiger.Aus diesem Grund setzt auchSpaceX mit dem Merlin Triebwerkauf Kerosin Treibstoff. Das Ergeb-nis war die Falcon 9 Rakete, diein ihrem Marktsegment zu einemkonkurrenzlosen Preis von unter50 Millionen Euro angebotenwird. Durch Wiederverwendungder ersten Stufe soll er noch wei-ter sinken.Das Merlin Triebwerk arbeitetaber im Nebenstromverfahren. DieTreibstoffpumpen großerRaketentriebwerke werden miteiner Turbine angetrieben. Würdeman das mit einer perfektenMischung aus Kerosin undSauerstoff machen, würde die

Turbine schmelzen. Also benutztman einen Überschuss von Kerosinoder Sauerstoff um dieTemperaturen niedrig zu halten.Ein Kerosinüberschuss führt aberzu starker Rußbildung undVerstopfungen, weshalb man dieAbgase möglichst schnell ausstößt.Ein Überschuss von Sauerstoffführt zu starker Korrosion. In derSovietunion arbeitete man solange an der Metallurgie derBauteile, bis sie dieSauerstoffreichen Turbinenabgaseüberstanden. Jetzt konnten sie indie Brennkammer weitergeleitetund mitverbrannt werden. Bis

zum Fall des Warschauer Paktshielt man das für sovietischePropaganda.Das russische RD-180 Triebwerkbasiert auf dieser Technik undtreibt die erste Stufe deramerikanischen Atlas V Rakete an.Seit der Ukraine Krise ist mansich in den USA aber nicht mehrsicher, ob diese Triebwerke auchweiterhin geliefert werden. Mansucht nach Alternativen.Aerojet Rocketdyne bietet seit ge-raumer Zeit an, das RD-180Triebwerk unter dem Namen AR-1nachzubauen. Aber schon die Ent-wicklungskosten dafür werden aufeine Milliarde Dollar geschätztund Käufer wurden noch nicht ge-funden.Im November überraschte ULA,der Betreiber der Atlas V Rakete,

mit der Ankündigung ein völligneues Triebwerk nutzen zu wol-len. Es stammt von Blue Origin,deren Besitzer auch der Chef vonAmazon ist: Jeff Bezos. DieÜberraschung entsteht vorallemdadurch, dass Blue Origin bishersehr wenig über die eigenenProjekte preisgegeben hat.Auch das BE-4 Triebwerk arbeitetim Hauptstromverfahren. Aberstatt Kerosin verwendet esMethan. Man hofft damit dieRußbildung im Triebwerk besserkontrollieren zu können.Flüssiges Methan ist ähnlich kaltwie flüssiger Sauerstoff und bringteine etwas höheren Effizienz alsKerosin. Das erkauft man sichaber mit einer etwas geringerenDichte von 450 Gramm pro Liter.Ob die daraus entstehende Raketeletztlich mit der stürmischen Ent-wicklung bei SpaceX mithaltenkann, muss sich noch zeigen.Zumindest wird man die teureDelta IV Rakete ersetzen können,die zur Zeit noch die einzigeAlternative zur Atlas V.Auch SpaceX will für das neue"Raptor" Triebwerk Methan alsTreibstoff verwenden. Es solleinmal eine Rakete antreiben, dieheute unter dem ProjektnamenMCT entwickelt wird: MarsColonial Transport. Sie soll dieVision verwirklichen, mit der ElonMusk die Firma SpaceX gegründethat: Eine Kolonie von Menschenauf dem Mars.Egal für wie unrealistisch man dasauch halten mag: Bisher führte eszu sehr realen Ergebnissen.

Das Merlin 1CTriebwerk aufdem Teststand.Links ist derAuspuff derTurbopumpe, mitstark rußendemAbgas ausunverbranntemKerosin.Quelle: SpaceX

Ein RD-180 Triebwerk mit 2 Düsenauf dem Teststand.Quelle: Wikipedia.

Die ESA will eine neue Rakete.Aus gutem Grund, denn die Aria-ne 5 muss schon jetzt jedes Jahrmit 100 Millionen Euro subventio-niert werden. Eine Verbesserungist nicht in Sicht. Ein Satelliten-start mit der Falcon 9 wird fürunter 50 Millionen Euro angebo-ten. Es fällt immer schwerer, klei-nere Satelliten für den unterenLadeplatz der Ariane 5 Rakete zufinden.Vor über 10 Jahren fing man des-halb an, die ECB zu entwickeln,eine stärkere Oberstufe. Damitsollte die Ariane 5 zwei große Sa-telliten tragen können, anstatt ei-nes großen und eines kleinen. DieECB ist die kleine Stufe über dergroßen Zentralstufe mit dem Vul-cain II Triebwerk. Rechts undlinks von ihr befinden sich diezwei großen P230 Feststoffboos-ter. (P230 steht für "poudre", alsoFeststoff, mit 230 Tonnen Treib-stoff.)Die Entwicklung der ECB wurdenun zum zweiten mal beendet.Stattdessen soll sie zur Oberstufeder neuen Ariane6 werden. Dasist weniger tragisch als es sich

zunächst anhört, denn die Ariane6 ist inzwischen mutiert.Bis vor kurzem sollte sie noch auseiner ersten Stufe mit drei paral-lelen P145 Feststoffboostern be-stehen und einem weiteren P145als zweiter Stufe. Kein schlechterPlan, denn Feststoffbooster wer-den um so billiger, um so mehrman davon baut.Das würde aber dem (deutschen)Hersteller der bisherigen Zentral-stufe aber nicht gefallen. Deshalbgab es von Deutschland ein Veto.Nach einem neuen Vorschlag soll-te die Ariane 6 mit zwei P145Boostern werden, die entwedereine billige (Hydrazin) oder teure(Wasserstoff) Oberstufe habensollte.Die aktuelle Mutation der Ariane6 soll nun noch kleinere P120Booster haben, dafür aberentweder 2 oder 4 davon. DerP120 in Zukunft auch die ersteStufe der Vega Rakete sein. Diefliegt zur Zeit mit einem P80.Die Ariane 62, 2 Boostern, soll7t GTO Nutzlast haben. DieAriane 64 soll 11t Nutzlastschaffen. Details zur Zentralstufe

sind noch nicht bekannt. Aber:Sie soll billiger werden!Im Resultat soll eine Rakete sein,die 65 bis 90 Millionen Euro kos-ten soll. Der Flug, dessen Vorbe-reitung und die Versicherungkosten aber zusätzlich Geld. Obdie angegebenen Preise realistischsind muss sich noch zeigen. Denndie Zentralstufe ist der teuersteTeil der Ariane 5, nicht die Boos-ter.

Ionentriebwerke für geostationäre Satelliten

Und täglich grüßt die Ariane 6

Ionentriebwerke kommen endlichauch in der Welt der Nachrichten-satelliten an. Warum ist das wich-tig?Zur Zeit bestehen Satelliten zumehr als der Hälfte aus Treibstoff.Den größten Teil braucht man umden Satelliten vom Übergangsorbitzum Geostationären Orbit zu brin-gen. Dazu muss der Satellit noch-mal um 1,5-1,8 km/s beschleunigtwerden. Die Ausströmgeschwin-digkeiten der Satellitentriebwerkeliegen aber nur bei etwa 2km/s.Deshalb muss allein für diesesManöver ungefähr die Hälfte derMasse des Satelliten als Treibstoff

ausgestoßen werden. Den restli-chen Treibstoff verbraucht der Sa-tellit im Lauf der Zeit fürKorrekturmanöver, um an seinemangestammten Ort im geostatio-nären Orbit zu bleiben.Ionentriebwerke erreichen Aus-strömgeschwindigkeiten von 20 bis50 km/s. Der notwendige Masse-anteil des Treibstoffs ist damitsehr klein. Das Resultat sind ent-weder Satelliten mit ungefähr hal-ber Masse und gleicher Nutzlastoder Satelliten mit gleicher Masseund doppelter Nutzlast. Zur Zeitgeht der Trend zu leichteren Sa-telliten. So sollen Anfang 2015

zwei Satelliten auf Basis des Boe-ing 702SP mit einer Falcon 9Rakete gestartet werden. Dieniedrige Masse bedeutet natürlichauch niedrigere Startkosten, diebei Kommunikationssatelliten biszu 40% der Gesamtkosten ausma-chen können.Allerdings erkauft man sich dasmit einem längeren Flug bis zumOrbit. Anstatt weniger Wochenwird es wenigstens ein halbesJahr brauchen, bis der Satellit inseinem Orbit ankommt. Ionen-triebwerke brauchen auch vielStrom. Aber das gilt auch für dieNutzlast, eine ideale Ergänzung.

Links: Die "alte"Ariane 6 mitFeststoffboostern, imVergleich zur Ariane5. (Quelle: DLR)

Unten: Der aktuelleVorschlag zur Ariane6 mit 2 oder 4Feststoffboostern.(Quelle: Le Figaro)