Tanker-Raumschiff

Für die Raumfahrt ist der Transport von der Erde in den Orbit ein grosses energetisches Problem.
Wäre folgendes denkbar: Um in naher Zukunft Weltraumstationen und Habitate mit Sauerstoff, Stickstoff (als Füllgas) und Wasser zu versorgen, entwickelt man ein Sammel- und Tankschiff. Dieses Raumschiff mit leeren Tanks wird in den Orbit gebracht. Dort begibt es sich in eine spezielle Umlaufbahn, die die Hochatmosphäre streift (ähnlich dem Aerobraking-Vorgehen bei Marssonden). Bei diesen Abbremsungen in der Hochatmosphäre nimmt das Raumschiff die Gase der Hochatmosphäre auf und sammelt sie in seinem Tank.
Sind genügend gasförmige Rohstoffe gesammelt, gibt es nach einer Bahnkorrektur die benötigten Stoffe an andere Raumschiffe ab.
Mit einem solchen System könnte mit einem kleineren Energieaufwand ein grosser Teil des Bedarfes an Sauerstoff, Stickstoff, vielleicht auch etwas Wasser , gedeckt werden. Mögliche Abnehmer wären Raumstationen, Raumschiffe mit leeren Tanks. Das System könnte als Geschäft betrieben werden.

Glaube nicht das es ein provitables System wäre. Denn wenn ein Raumschiff die Athmosphäre streift, bräuchte es eienn sehr hohen Energieaufwand um wieder in eine höhere Umlaufbahn zu kommen. Und ich denke das diese Energie weit aus höher wäre als die Energie die man mit dieser Methode gewinnen könnte.
John

Hallo John

Ich denke, man müsste 3 Fragen klären:

1. Wäre ein solches Sammelsystem technisch machbar, d.h. könnten Gase beim Abbremsen aufgenommen werden?

2. Könnte dieses Schiff von einer Kreisbahn mit vertretbarem Energieaufwand in eine elliptische Bahn gebracht werden, die die Hochatmosphäre nur streift ohne vollständiges Abbremsen? In den letzten Jahren hat man bei der Gestaltung von Umlaufbahnen grosse Fortschritte gemacht, vergleiche die SMART-Mission zum Mond.

3. Wenn die ersten beiden Fragen positiv beantwortet weden können, käme die Frage der Wirtschaftlichkeit. Einen Teil der Gase wird das System selber benötigen. Gase müssen getrennt und in separaten Drucktanks gelagert werden. Wenn mit diesem System bei einem Einsatz 10 Tonnen brauchbare Gase gewonnen werden könnten, hätten diese bei den Nutzlast-Transportkosten des Shuttle von 18'000 Dollar pro Kg einen Wert von 180 Mio Dollar. Zudem könnte das System mehrmals eingesetzt werden.

mfg EM

Hallo EM und John,

ein solches System kann nicht funktionieren. Nehmen wir an, der Tanker hat eine Masse von 10 Tonnen und er soll weitere 10 Tonnen Gase in sich aufnehmen. Dann würde seine Geschwindigkeit schon aufgrund der Massezunahme auf die Hälfte sinken (Impulserhaltung). Hinzu käme noch die Bremswirkung durch die Atmosphäre. Er würde also schon viel eher abstürzen.

Die aufgenommenen Gase könnten auch nicht dazu verwendet werden, wieder in eine höhere Umlaufbahn zu gelangen, es ist ja kein Brennstoff.

GG

Hallo GG

Impulserhaltung: Damit der Tanker nicht abstürzt, müsste er wegen der Impulserhaltung folglich vorher auf eine elliptische Umlaufbahn mit höherer Geschindigkeit gebracht werden. Dies bräuchte zwar zusätzliche Energie. Eine solche Bahn könnte aber über einen längeren Zeitraum energiesparsam durch mehrmaliges Zünden im tiefsten Bahnpunkt erreicht werden (so hoffe ich).

Zudem scheint es auf das richtige Verhältnis Leermasse des Schiffs und Tankfüllung anzukommen. Optimal wäre eine Bahngeometrie, bei der die Abbremsung durch die Gasaufnahme das Schiff wieder in eine Kreisbahn bringen würde.

Die aufgenommenen Gase sind kein Brennstoff - richtig. Es wäre auch schade, sie alle zu verbrauchen. Ein Teil wäre Sauerstoff und somit Teil eines chemischen Antriebes. Bei ausgeklügelter Bahngeometrie könnte man vielleicht ohne Antrieb wieder in eine Kreisbahn gelangen.

Jedoch könnte auch ein Teil der Gase für einen einfachen Antrieb verwendet werden. Dabei würde ein spezieller Druck-Gasbehälter (Brennkammer) von aussen durch Solar-Parabol-Spiegel heissglühend erhitzt und die erhitzten Gase beim Austritt durch eine Schubdüse erzeugten den Antrieb. Wie gross (oder besser wie klein) der spezifische Impuls einer solchen Heissgasrakete sein könnte, müssten die Physiker der community sagen.

mfg EM

Noch eine Ergänzung zur Heissgasrakete:
Zusätzlich könnte auch die Leitung zur Schubdüse, bestehend aus Wolfram, im Brennpunkt (Brennlinie) einer gebogenen Spiegelfläche liegen. Dadurch erfolgte eine Erhitzung bis unterhalb des Schmelzpunktes von Wolfram (3410 Grad C). Dadurch steigt die Ausströmgeschwindigkeit. Das System wäre mit verschiedenen Gasen möglich. Kennt jemand Projekte solcher solarthermischer Antriebe?

Hallo EM,

ich bin trotzdem eher skeptisch. Riskiert man eine Reduzierung der Bahngeschwindigkeit von der maximal möglichen zur minimalen, so kann man etwa 3/8 der Masse des Raumschiffes an Gasen aufnehmen. Rechnen wir mal mit einer Masse von 8 Tonnen für das Raumschiff und damit 3 Tonnen Gas. Dann sind davon vielleicht 10% Sauerstoff, also 300 kg. Um das Raumschiff anschließend zurück auf die Ausgangsbahn zu bringen, wären sicherlich mehr als 300 kg Brennstoff nebst Oxydator erforderlich. Also bringen wir die 300 kg Sauerstoff lieber konventionell zur Station.

Zu der Variante mit dem Heißluftantrieb kann ich nicht viel sagen, da ich davon zu wenig Ahnung habe. Ich frage mich allerdings, wie groß die Spiegel sein müssten, um das Gas tatsächlich auf mehr als 1000 °C zu erwärmen.

Du kannst die Idee aber auch mal den Profis anbieten. Vielleicht hat sie nur noch keiner durchgerechnet.

GG

Hallo GG

Es würde mich natürlich freuen, wenn ein Profi diese Idee durchrechnen würde.

Am optimalsten wäre es, wenn man allein durch die Bahngeometrie nach dem Abbremsen in eine Kreisbahn geriete.

Übrigens: Wenn das System Gasaufnahme beim Abbremsvorgang funktioniert, könnte man es z.B. auch beim Aerobraking beim Mars einsetzen. Dann könnte es (anlog der Beschreibung von R.Zubrin in Unternehmen Mars) in der Marsumlaufbahn für die sogenannte in situ Produktion von Treibstoff Methan (aus mitgeführten H2 und dem Kohlendioxyd des Mars) eingesetzt werden. Mit dem dadurch gewonnenen Treibstoff könnte eine Erforschung und Landung auf den beiden Marsmonden vorgenommen werden.