Raumschlepper für Servicedienste im All

Ein Solarzellenmodul der ISS bringt eine Leistung von 25 kW über etwa 60% einer Erdumkreisung und wiegt 17 t. Natürlich benötigt man Energiespeicher und Struktur für die Zellen und die sind deutlich schwerer.

VASIMR ist eine noch unerprobte Technologie, die sicherlich noch viele Verbesserungen/Anpassungen benötigt, bis sie für einen Dauerbetrieb geeignet ist. Da gibt es andere elektrische Antriebe, die weiter entwickelt sind. Allerdings noch nichts in dem nötigen Leistungsbereich.

Man wird also auf chemische Antriebe setzen und hin und wieder ein Tankmodul rauf bringen müssen.

Das VASIMR noch unerprobt ist stimmt natürlich, leider gibt es da auch keine Informationen über Langzeitstabilität und auch keinen Versuch im Orbit bis heute.
Ich hoffe das dies 2015 endlich auf der ISS gemacht wird.
Ob kommerzielle Technologie für den Weltraum geeignet sind, oder modifiziert werden kann weiß ich leider auch nicht. Aber vielleicht ist das wie bei SpaceX, man arbeitet vielleicht nur noch nicht intensiv genug. 17t für 25kW ist einfach grottenschlecht.

Ein Solarzellenmodul der ISS bringt eine Leistung von 25 kW über etwa 60% einer Erdumkreisung und wiegt 17 t. Natürlich benötigt man Energiespeicher und Struktur für die Zellen und die sind deutlich schwerer.

Das ist aber schon ein überaus schweres Modul....

Zum Vergleich, Junos Solarzellenmodul generiert in Erdnähe 18 kW, hat etwa 60 m^2 Fläche und wiegt gute 350 Kg. Und das ist eher robust ausgelegt und wegen Strahlenschutz nicht so energieeffizient wie heute möglich.

Davon ausgehend bräuchte man für einen 200 kW VASIMR etwa 670 m^2 Fläche bei sagen wir mal 4000 Kg Masse. Ok, bisschen mehr wird für etwas mehr Struktur hinzukommen, aber sicher nicht soviel wie bei den ISS-Modulen. Batterien bräuchte man doch nicht unbedingt, auf der Nachtseite läuft das Triebwerk halt nicht, dann dauert es halt ein wenig länger, aber mit zunehmender Bahnhöhe wird der Aufenthalt in der Nachtseite doch immer kürzer.

und wegen Strahlenschutz nicht so energieeffizient wie heute möglich.

Wie kommst Du denn auf dieses dünne Brett?

Folgende Links geben eventuell etwas mehr Aufschluss zu heutigen Solarzellenkapazitäten (in der Raumfahrt). Die Solarflächen der ISS sind längst nicht die Messlatte.
Silizium hat in der Raumfahrt schon längere Zeit weitgehend ausgedient, wird aber noch verwendet. Gallium-Arsenid ist wohl auch nicht mehr Stand der Technik als vielmehr Triple-Junction-Zellen (die für Heimanwendungen auf der Erde (noch) eher teuer sind).
In Verbindung mit sogenannten Konzentratorzellen (ebenfalls auf der Erde bereits erhältlich) ist zukünftig durchaus noch Luft nach oben.... , was die Leistung pro Kilogramm angeht: Der Weltrekord für Konzentratorzellen kommt mit einem Wirkungsgrad von 44,7% übrigens aus Deutschland und wird gehalten vom Fraunhofer Institut für solare Energien. Dass die NASA bereits über Konzentartorzellen nachdenkt bzw. schon eingesetzt hat, sieht man u.a in folgender Präsentation:

http://archive.asertti.org/events/fall/2011/presentations-workshop/Landis.pdf

In der Präsentation finden sich auch sehr anschauliche bzw. ernüchternde Graphen zur Verstaubung von Solarflächen auf dem Mars.

Etwas ausführlicher wird das Thema Solartechnik schließlich in folgendem Buchkapitel behandelt:

http://www.kepu.dicp.ac.cn/photo/07sl02/Handbook%20of%20Photovoltaic%20Science%20and%20Engineering/10.%20Space%20Solar%20Cells%20and%20Arrays.pdf

Silizium hat in der Raumfahrt schon längere Zeit weitgehend ausgedient, wird aber noch verwendet. Gallium-Arsenid ist wohl auch nicht mehr Stand der Technik als vielmehr Triple-Junction-Zellen (die für Heimanwendungen auf der Erde (noch) eher teuer sind).

Zur Info: Die derzeit üblicherweise in der Raumfahrt verwendeten Zellen sind TJ GaAs Zellen...

In Verbindung mit sogenannten Konzentratorzellen (ebenfalls auf der Erde bereits erhältlich) ist zukünftig durchaus noch Luft nach oben.... , was die Leistung pro Kilogramm angeht: Der Weltrekord für Konzentratorzellen kommt mit einem Wirkungsgrad von 44,7% übrigens aus Deutschland und wird gehalten vom Fraunhofer Institut für solare Energien.

Man muß "bloß" noch das Problem des Pointings und der Kühlung in den Griff bekommen....

Dass die NASA bereits über Konzentartorzellen nachdenkt bzw. schon eingesetzt hat,

Hat Boeing auch, mit fatalen Folgen...

Es gibt durchaus Entwicklungen hin in Richtung flexible Trägersubstrate, die man wie einen Schirm zusammen- und entfalten kann; bislang werden solche Strukturen allerdings eher selten eingesetzt. In Verbindung mit Konzentratorzellen sind diese auch nicht ohne weiteres einsetzbar.

http://archive.asertti.org/events/fall/2011/presentations-workshop/Landis.pdf

In der Präsentation finden sich auch sehr anschauliche bzw. ernüchternde Graphen zur Verstaubung von Solarflächen auf dem Mars.

Etwas ausführlicher wird das Thema Solartechnik schließlich in folgendem Buchkapitel behandelt:

http://www.kepu.dicp.ac.cn/photo/07sl02/Handbook%20of%20Photovoltaic%20Science%20and%20Engineering/10.%20Space%20Solar%20Cells%20and%20Arrays.pdf

Danke für die Links.

Die Daten zur Verstaubung finde ich allerdings überraschend gut. Maximal gut 20% Verlust durch Staub sind viel besser als ich gedacht hätte. Seite 55 des ersten Dokuments.

Zur Info: Die derzeit üblicherweise in der Raumfahrt verwendeten Zellen sind TJ GaAs Zellen...

Hab ich denn was anderes behauptet?

Man muß "bloß" noch das Problem des Pointings und der Kühlung in den Griff bekommen....

Sicher gibt es noch eine Menge Hürden zu nehmen. Hab ja nirgendwo erwähnt, dass demnächst Solarflächen mit 44% Wirkungsgrad im Weltraum zum Einsatz kommen. Nur wo aktuell die Messlatte sitzt und die ist deutlich höher als bei Si oder "reinen" GaAs-Zellen.

Hat Boeing auch, mit fatalen Folgen...

Und nur weil kryogene Treibstofftanks aus Kompositmaterialien beim Venture Star fehlgeschlagen sind, wird man das Material nie mehr wieder dafür verwenden, oder wie darf ich die Aussage verstehen?

Es gibt durchaus Entwicklungen hin in Richtung flexible Trägersubstrate, die man wie einen Schirm zusammen- und entfalten kann; bislang werden solche Strukturen allerdings eher selten eingesetzt. In Verbindung mit Konzentratorzellen sind diese auch nicht ohne weiteres einsetzbar.

Eine flexibles Trägersystem kann doch ebenfalls aus Triple Junction Zellen aufgebaut werden. Konzentratorzellen auf der Erde verwenden meist Fokussierungslinsen, der NASA-Ansatz lediglich konzentrierende Spiegel. Weshalb sollten Dünnschichtzellen nicht in Kombination mit Konzentratoren einsetzbar sein?

Sicher gibt es noch eine Menge Hürden zu nehmen. Hab ja nirgendwo erwähnt, dass demnächst Solarflächen mit 44% Wirkungsgrad im Weltraum zum Einsatz kommen. Nur wo aktuell die Messlatte sitzt und die ist deutlich höher als bei Si oder "reinen" GaAs-Zellen.

Naja, Meßlatte ist alles relativ. Da muß man schon zwischen Labor und Produktion unterscheiden, nicht alles was im Labor geht läßt sich (noch) in der Serie leicht herstellen und auch bezahlen. Ich erwarte nicht, daß in den nächsten 5 Jahren ein Quantensprung beim Wirkungsgrad erfolgt, derzeit ist man in der Serie bei ca. 28%, Zellen mit 30% werden derzeit untersucht (zumindest der Stand in Europa). Auch bei Emcore ist man in etwa bei diesen Leistungswerten.

Hat Boeing auch, mit fatalen Folgen...

Und nur weil kryogene Treibstofftanks aus Kompositmaterialien beim Venture Star fehlgeschlagen sind, wird man das Material nie mehr wieder dafür verwenden, oder wie darf ich die Aussage verstehen?
[/quote]
Nein, die Aussage ist so zu verstehen, daß nicht alles, was einfach erscheint, es auch tatsächlich ist.

Zitat von: Zoe am 18. Februar 2014, 10:31:05

Es gibt durchaus Entwicklungen hin in Richtung flexible Trägersubstrate, die man wie einen Schirm zusammen- und entfalten kann; bislang werden solche Strukturen allerdings eher selten eingesetzt. In Verbindung mit Konzentratorzellen sind diese auch nicht ohne weiteres einsetzbar.

Eine flexibles Trägersystem kann doch ebenfalls aus Triple Junction Zellen aufgebaut werden.

Natürlich, steht ja auch nix gegenteiliges da.

Konzentratorzellen auf der Erde verwenden meist Fokussierungslinsen, der NASA-Ansatz lediglich konzentrierende Spiegel. Weshalb sollten Dünnschichtzellen nicht in Kombination mit Konzentratoren einsetzbar sein?

Terrestrisch sicher kein Problem; das Problem ist wie schon erwähnt das "pointing"; wenn die Zelle nicht direkt in die Sonne ausgerichtet ist, wird das Licht "daneben" fokussiert, und wenn die Konzentierung hoch genug ist, zeigt das schon mal feurige Resultate. Zitat "wer mit Konzentratorzellen im Labor noch nie ein Feuer hatte, hat nicht genug geforscht"  Der andere Punkt ist, daß man dann die Zellen gut kühlen muß. Ist beides terrestrisch machbar, aber selbst da mit Aufwand (und Risiko) verbunden.

Naja, Meßlatte ist alles relativ. Da muß man schon zwischen Labor und Produktion unterscheiden, nicht alles was im Labor geht läßt sich (noch) in der Serie leicht herstellen und auch bezahlen. Ich erwarte nicht, daß in den nächsten 5 Jahren ein Quantensprung beim Wirkungsgrad erfolgt, derzeit ist man in der Serie bei ca. 28%, Zellen mit 30% werden derzeit untersucht (zumindest der Stand in Europa). Auch bei Emcore ist man in etwa bei diesen Leistungswerten.

Bitte vergiss doch die kommerziellen Zellen. Gerade hier liegt in meinen Augen das Missverständnis, Solarzellen wurden in der Raumfahrt bereits eingesetzt, lange bevor irgendeine Serienreife auf der Erde vorhanden war. Neben vielen weiteren Vorteilen ist auch darin der Grund zu sehen, dass schon sehr lange GaAs-Zellen im All zum Einsatz kamen, während diese kostentechnisch auf der Erde schlicht unwirtschaftlich waren. Der Kostenanteil der Photovoltaik eines Raumflugkörpers fällt aber im Vergleich zu den Gesamtkosten über Bord. Es spielt daher wenn überhaupt eine sehr viel kleinere Rolle, ob man Labormuster zum Einsatz bringt.

Nein, die Aussage ist so zu verstehen, daß nicht alles, was einfach erscheint, es auch tatsächlich ist.

Da stimm ich dir zu.....sonst wären wir heute schon ganz woanders.

Natürlich, steht ja auch nix gegenteiliges da.

Dann sorry, habe deinen Beitrag da falsch interpretiert....

Terrestrisch sicher kein Problem; das Problem ist wie schon erwähnt das "pointing"; wenn die Zelle nicht direkt in die Sonne ausgerichtet ist, wird das Licht "daneben" fokussiert, und wenn die Konzentierung hoch genug ist, zeigt das schon mal feurige Resultate. Zitat "wer mit Konzentratorzellen im Labor noch nie ein Feuer hatte, hat nicht genug geforscht"  Der andere Punkt ist, daß man dann die Zellen gut kühlen muß. Ist beides terrestrisch machbar, aber selbst da mit Aufwand (und Risiko) verbunden.

Das kommt meines Erachtens nach schwer auf die Methode an. Fakt ist natürlich, dass derartige Zellen nachgeführt werden müssen, aber das gilt für die ISS-Panele ja auch. Radiatives Kühlen ist immer ein großes Problem, aber wenn das schon bei Solarzellen nicht in den Griff zu bekommen ist (z.B: wird das ja auf der ISS mit ammoniakzirkulierenden Kühlflächen genahdhabt), wie soll ein Raumschlepper dann die massiv höhere Verlustwärme eines "heißen" elektrischen Antriebs im Format eines VASIMRs erst loswerden? Die Antriebe haben doch auch nur einen Wirkungsgrad von um die 60%. Folglich wird der Rest der zum Betrieb notwendigen elektr. Leistung direkt in Wärme umgewandelt.

Zitat von: Gerry am 18. Februar 2014, 05:22:36

und wegen Strahlenschutz nicht so energieeffizient wie heute möglich.

Wie kommst Du denn auf dieses dünne Brett?

Die Panels sind ein paar Zehntel Millimeter dick mit Zinnoxid beschichtet um gegen die harte Strahlung in Jupiterumgebung abzuschirmen. Das reduziert natürlich auch die Durchlässigkeit für das wirksame Licht.

PS: Es geht auch ein wenig netter als "Wie kommst Du auf diese dünne brett?"...

EDIT: Ich hatte bei meiner ursprünglichen AUssage auch gemeint aber wohl vergessen explizit zu erwähnen dass die Solarpanels nicht nur wegen Strahlenschutz etwas weniger effektiv sind sondern auch etwas schwerer als normal notwenig sind da erstens die Sonde stark rotiert und die Panels robuster gebaut sein müssen und zweitens ein Solarpanel am Ende ein Instrument (Magnetometer glaub ich) trägt. So hat das Solarmodul auch etwas weniger W/kG als heute möglich.

Konzentratorzellen halte ich wegen der Bildung von Hot-Spots im All für ungeeignet, weil man die Wärme nur über Abstrahlung los wird.
Si-Mono- und Polykristalline Zellen halte ich war für besser, aber immer noch schlecht, wegen ihrem starken Temperaturkoeffizient.
Soweit ich weiß sind Dünnschicht Si-Zellen da viel unempfindlicher. Ob man in der Lage ist hocheffiziente Zellen auf z.B. GaArs Basis, als Dünnschichtmodule herzustellen und was das dann kostet, weiß ich leider nicht.

Die Frage ist letztendlich nicht, der Wirkungsgrad der Zellen, sondern die Leistung/Kilogramm für das Gesamtsystem.
Selbst wenn man wie in meiner Rechnung dargestellten 5MW/132N hätte, müsste die Struktur ja nur die 132N abfangen können
und seien wir doch mal realistisch, selbst 500N ist sehr sehr wenig für eine wie immer geartete Gitterstruktur.
Ich denke doppelte eine Rahmenkonstruktion in Form wie "TT" mit abgespannten Seilen ähnlich einer Hängebrücke wo die Zellenbahnen zwischen den senkrechten T-Strichen befestigt sind, ist statisch sehr stabil und mit wenig Materialmasse konstruierbar.

Ein Trägermaterial gibt es ja wohl schon, die ISS hat zumindest ein Segel mit dünnem Material das offensichtlich geeignet ist.
Mein Ziel wäre zweimal die Größe eines Fußballfeldes, bei gut 25% Wirkungsgrad hätte man 5MW zur Verfügung, aber selbst 50MW halte ich für machbar.
Damit schiebt man dann auch 500t aus dem LEO zum Mars.

Zitat von: Zoe am 18. Februar 2014, 08:55:03

Zitat von: Gerry am 18. Februar 2014, 05:22:36

und wegen Strahlenschutz nicht so energieeffizient wie heute möglich.

Wie kommst Du denn auf dieses dünne Brett?

Die Panels sind ein paar Zehntel Millimeter dick mit Zinnoxid beschichtet um gegen die harte Strahlung in Jupiterumgebung abzuschirmen. Das reduziert natürlich auch die Durchlässigkeit für das wirksame Licht.

PS: Es geht auch ein wenig netter als "Wie kommst Du auf diese dünne brett?"...

EDIT: Ich hatte bei meiner ursprünglichen AUssage auch gemeint aber wohl vergessen explizit zu erwähnen dass die Solarpanels nicht nur wegen Strahlenschutz etwas weniger effektiv sind sondern auch etwas schwerer als normal notwenig sind da erstens die Sonde stark rotiert und die Panels robuster gebaut sein müssen und zweitens ein Solarpanel am Ende ein Instrument (Magnetometer glaub ich) trägt. So hat das Solarmodul auch etwas weniger W/kG als heute möglich.

Sorry, meine Formulierung war ja nicht bös gemeint. Über den Juno kann ich nichts sagen weil ich mich mit dessen Eigenheiten nicht beschäftigt habe. Im Allgemeinen ist es jedoch so, daß die Zellen in der Raumfahrt per se schon weitgehend strahlungstolerant sind, das Deckglas hat noch eine UV Beschichtung drauf und das wars dann schon. Mag natürlich sein daß der Juno "normale" Zellen hat. Im allgemeinen sind jedoch Geschichten wie auch die radpacks für Elektronik zwiespältig zu bewerten; man reduziert einerseits etwas die Hintergrundstrahlung die auf dem die noch ankommt, handelt sich aber auch Nebeneffekte ein....

Zoe

Bitte vergiss doch die kommerziellen Zellen. Gerade hier liegt in meinen Augen das Missverständnis, Solarzellen wurden in der Raumfahrt bereits eingesetzt, lange bevor irgendeine Serienreife auf der Erde vorhanden war. Neben vielen weiteren Vorteilen ist auch darin der Grund zu sehen, dass schon sehr lange GaAs-Zellen im All zum Einsatz kamen, während diese kostentechnisch auf der Erde schlicht unwirtschaftlich waren. Der Kostenanteil der Photovoltaik eines Raumflugkörpers fällt aber im Vergleich zu den Gesamtkosten über Bord. Es spielt daher wenn überhaupt eine sehr viel kleinere Rolle, ob man Labormuster zum Einsatz bringt.

Vielleicht wirklich ein Mißverständnis; aber auch wenn in der Raumfahrt im Vergleich zu terrestrischen Anwendungen die Produktionsmengen eher homöopathisch sind, auch hier muß man zwischen Labormustern und Produktionszellen unterscheiden.
Das, über das in Konferenzen, Tagungen und Publikationen als neue Rekordwerte berichtet wird, ist nicht das, was Du z.B. bei AZUR oder Emcore kaufen kannst. Deren Produktionszellen sind eben auch "kommerzielle" Produkte wenn Du so willst, aber eben für Raumfahrt und nicht für terrestrische Anwendungen.

Zoe

Zitat von: Gerry am 18. Februar 2014, 14:13:42

Zitat von: Zoe am 18. Februar 2014, 08:55:03

Zitat von: Gerry am 18. Februar 2014, 05:22:36

und wegen Strahlenschutz nicht so energieeffizient wie heute möglich.

Wie kommst Du denn auf dieses dünne Brett?

Die Panels sind ein paar Zehntel Millimeter dick mit Zinnoxid beschichtet um gegen die harte Strahlung in Jupiterumgebung abzuschirmen. Das reduziert natürlich auch die Durchlässigkeit für das wirksame Licht.

PS: Es geht auch ein wenig netter als "Wie kommst Du auf diese dünne brett?"...

EDIT: Ich hatte bei meiner ursprünglichen AUssage auch gemeint aber wohl vergessen explizit zu erwähnen dass die Solarpanels nicht nur wegen Strahlenschutz etwas weniger effektiv sind sondern auch etwas schwerer als normal notwenig sind da erstens die Sonde stark rotiert und die Panels robuster gebaut sein müssen und zweitens ein Solarpanel am Ende ein Instrument (Magnetometer glaub ich) trägt. So hat das Solarmodul auch etwas weniger W/kG als heute möglich.

Sorry, meine Formulierung war ja nicht bös gemeint. Über den Juno kann ich nichts sagen weil ich mich mit dessen Eigenheiten nicht beschäftigt habe. Im Allgemeinen ist es jedoch so, daß die Zellen in der Raumfahrt per se schon weitgehend strahlungstolerant sind, das Deckglas hat noch eine UV Beschichtung drauf und das wars dann schon. Mag natürlich sein daß der Juno "normale" Zellen hat. Im allgemeinen sind jedoch Geschichten wie auch die radpacks für Elektronik zwiespältig zu bewerten; man reduziert einerseits etwas die Hintergrundstrahlung die auf dem die noch ankommt, handelt sich aber auch Nebeneffekte ein....

Zoe

Ich weis nicht genau was du mit "normale" Zellen meinst. Juno verwendet GaAs-Zellel, das Deckglas ist einerseits mit UV-Schutz beschichtet andererseits mit dem Strahlenschutz (Zinnoxid). Die Zellen müssen einerseits bei 0,8 AE Abstand funktionieren sowie auch beu Jupiterdistanz wo nur noch 3% soviel Licht von der Sonne ankommt. Ausserdem eben die harte Strahlenbelastung in Jupiternähe.

Was ich grundsätzlich meinte ist dass heutige Solarzellen die auch schon in der Raumfahrt im Einsatz sind deutlich leichter und leistungsstärker sind als das was an der ISS verbaut ist. Juno war ja nur ein Beispiel. Mit ein wenig Entwicklungsarbeit sollte es also von Seiten der Photovoltaik möglich sein einen 200 kW VASIMR anzutreiben und dabei nicht zu schwer zu werden.

Was ich grundsätzlich meinte ist dass heutige Solarzellen die auch schon in der Raumfahrt im Einsatz sind deutlich leichter und leistungsstärker sind als das was an der ISS verbaut ist. Juno war ja nur ein Beispiel. Mit ein wenig Entwicklungsarbeit sollte es also von Seiten der Photovoltaik möglich sein einen 200 kW VASIMR anzutreiben und dabei nicht zu schwer zu werden.

Häng Dich doch nicht an der Masse einer Einzelzelle auf; nur mal als grobes Beispiel, wenn Du die Masse einer Zelle um 1 Gramm reduzieren würdest, kämst Du bei einem typischen Comsat Generator auf eine Massenersparnis von vielleicht 20 kg.
Vergiß nicht, daß Du noch die Strukturen, Mechanismen, Dioden, Kabel(!), Stecker, Deckgläser brauchst; der Drive Mechanismus wiegt auch noch ordentlich etwas.
Es ist verlockend, die Strukturen durch leichtere (idR flexible) Träger zu ersetzen, aber bislang hat sich das noch nicht so recht durchgesetzt da die Schwierigkeiten doch nicht trivial sind. Ich würde mir punkto Massenersparnis eher in diese Richtung was erwarten, allerdings hast Du dann natürlich einen recht weichen und schwingungsfreudigen Generator, das mögen auch nicht alle Systeme.

Ich glaube, inzwischen sind wir zum Thema Spacetraktor schon etwas OT abgedriftet...

Zoe

Zitat von: Gerry am 18. Februar 2014, 15:20:20

Was ich grundsätzlich meinte ist dass heutige Solarzellen die auch schon in der Raumfahrt im Einsatz sind deutlich leichter und leistungsstärker sind als das was an der ISS verbaut ist. Juno war ja nur ein Beispiel. Mit ein wenig Entwicklungsarbeit sollte es also von Seiten der Photovoltaik möglich sein einen 200 kW VASIMR anzutreiben und dabei nicht zu schwer zu werden.

Häng Dich doch nicht an der Masse einer Einzelzelle auf; nur mal als grobes Beispiel, wenn Du die Masse einer Zelle um 1 Gramm reduzieren würdest, kämst Du bei einem typischen Comsat Generator auf eine Massenersparnis von vielleicht 20 kg.
Vergiß nicht, daß Du noch die Strukturen, Mechanismen, Dioden, Kabel(!), Stecker, Deckgläser brauchst; der Drive Mechanismus wiegt auch noch ordentlich etwas.
Es ist verlockend, die Strukturen durch leichtere (idR flexible) Träger zu ersetzen, aber bislang hat sich das noch nicht so recht durchgesetzt da die Schwierigkeiten doch nicht trivial sind. Ich würde mir punkto Massenersparnis eher in diese Richtung was erwarten, allerdings hast Du dann natürlich einen recht weichen und schwingungsfreudigen Generator, das mögen auch nicht alle Systeme.

Ich glaube, inzwischen sind wir zum Thema Spacetraktor schon etwas OT abgedriftet...

Zoe

Du hast recht, wir sind schon etwas OT, nur noch eine kleine letzte Anmerkung von mir. Nun ich häng mich ja net an der Masse der Einzelzellen auf sondern zeige mit meinem Beispiel eines kompletten Systems auf das heute einfach mehr geht. Das einzige was bei so einem Raumschlepper noch hinzukommen würde wäre der Schwenk/Nachführmechanismus der Solarpanels.

Ich glaube, inzwischen sind wir zum Thema Spacetraktor schon etwas OT abgedriftet...

Ich bin sowieso dafür, daß wir sauber trennen (vlt. sogar threadmäßig) zwischen Traktor für den erdnahen Bereich, also nicht nur LEO (z.B. Sat. Reparatur, Sat. versetzen, ISS, Weltraumschrott) und Schlepper (z.B. zum Anschieben von Sonden und vielleicht (!) Raumschiffe zum Mars)

Die Diskussion immer unter dem Aspekt, daß man Dinge erfährt, anhand deren man eigene falsche Ideen korrigieren kann, sofern man da keine Sperre im Hirn hat. Und ein bissel SF sollte erlaubt sein ....

Die Masse/kW des Solarsystems ist für Flüge im inneren Planetensystem fest immer gleich bedeutend, für Missionen ins äusere Sonnensystem aber nicht, weil man zwar erstmal rausbeschleunigen kann, aber aussen halt die Leistung für solch hohen Energiebedarf wohl kaum Solar gedeckt werden kann.
Ein schlechtes Verhältnis kW/Masse hat ja nichtnur auf die mögliche Beschleunigung einfluß, sondern man muss braucht auch mehr Treibstoff und der muss auf absehbare Zeit halt vom Erdboden erstmal in ein LEO gehoben werden.

Man kann, je nachdem wie klein man das Verhältnis Masse/kW bekommt, ausrechnen was für ein optimalen ISP man bei VASIMR einstellen müsste, damit man ein optimum zwischen Beschleunigungszeiten zum Nutzlastverhältnis herauskommt. Man kann das auch grafisch als Diagramme mit dem Verhältnis deltaV/Treibstoffmasse bei konstanter Beschleunigung berechnen.
Optimal wäre es natürlich wenn man Solarsysteme mit sehr kleiner Masse herstellen könnte, so das man VASIMR-Triebwerke immer mit dem höchsten ISP (300km/s?) betrieben könnte. In dem Fall wäre die erzielbare Beschleunigung fast nur noch von dem maximalen Massedurchsatz der Triebwerke abhängig bei einer definnierten Nutzlast. Man könnte dann entweder schnelle Tranfers für Passagiere haben, oder langsamme Systeme aber mit sehr hoher Nutzlast.
   

Mein Ziel wäre zweimal die Größe eines Fußballfeldes, bei gut 25% Wirkungsgrad hätte man 5MW zur Verfügung, aber selbst 50MW halte ich für machbar.
Damit schiebt man dann auch 500t aus dem LEO zum Mars.

Sorry für den späten Bezug (sauspäter Feierabend) auf deinen Beitrag. Ich muss aber noch einmal darauf zurückkommen, weil bei vielen, wenn sie auf die elektr. Leistungen eines Raumfahrtsystems zu sprechen kommen, eine Sache der Überlegung zu enteilen scheint:
Wenn ein System 50MW generiert und diese gerade nicht gebraucht werden, muss ergo 50MW mittels Wärme ins All abgestrahlt werden......sonst stimmt was nicht bei der Energieerhaltung.
Jeweils vier Photovoltaik-Paneele der ISS haben einen eigenen PVR (photovoltaic radiator). Dieser wiegt aufgrund des internen Flüssigkeitsröhrensystems schlappe 750kg, hat eine Fläche von knapp 42m² und kann bis zu 9kW abstrahlen. Ähm, viel Spaß beim Ausrechnen der Masse oder der Fläche eines Radiators, der 50MW abstrahlen kann.... Heißere und somit effizientere Radiatoren müssten anders augebaut sein, wiegen würden die dann aber immer noch was.
Was ich eigentlich sagen möchte: Ohne dass ich ein Konzept sehe, das sehr viel effizienter Wärme abgeben kann, als diese Ammoniakkreisläufe der ISS, kann ich nicht daran glauben, dass Antriebe wie VASIMR oder nukleare Energiequellen hocheffizient betrieben werden können......auch nicht bei einem Raumschlepper.
Man möchte ja nicht mit Endlosflächen rechts und links neben des Raumfahrzeugs durchs All fliegen, oder im erdnahen Orbit operieren. Wenn man tatsächlich einmal höhere Energien bereitstellen möchte (is ja erst einmal egal für was), braucht man definitiv was Neues. Da gab's mal nen interessanten Ansatz (NASA?), der da glaube ich Liquid Droplet Radiator hieß. Lustige Sache.

@Doc Hoschi

Ich kann mich irren und wenn, dann werden die ISS-Experten mich korrigieren. Die in die ISS-Solarflächen integrierten Kühlflächen dienen der Kühlung der ISS, nicht der Solarpaneele.

Wenn die Energie der Paneele nicht gebraucht wird, dann kann man sie so orientieren, daß sie keine Energie produzieren. Außerdem haben sie so viel Fläche, daß sie selbst Überschußenergie abstrahlen können. So 80% müssen sie wegen ihres eigenen Wirkungsgrades sowieso wieder abstrahlen.

Das Radiatoren-Problem hätte man mit nuklearen Antrieben. Da wird jede Menge Abwärme produziert, die man loswerden muß.

Hallo Führerschein.
die Radiatorflächen für die eigentliche ISS-Kühlung heißen HRS (heat rejection system), sind bis auf die Abmaße baugleich mit den PVRs. Wenn man sich die ISS auf einem Gesamtbild anschaut, so sind finden sich die vier PVRs direkt an den Solarflächen (Einzelfinger) und die sechs HRS-Panele (zwei Dreierverbünde) im zentraleren Bereich der Station.
So ein HRS-Dreierverbund kann 36kW abstrahlen, wiegt aber auch 3,3t.....
Bei den Solarflächen geht es dann auch nicht um die Wärme, die die Solarzellen durch das Sonnenlicht aufnehmen (denn die können tatsächlich wieder über die Fläche gut abgestrahlt werden), sondern vielmehr um die elektrische Energie, die bei Nichtgebrauch wieder über Wärme abgegeben werden muss. Das geschieht direkt vor Ort am Solarausleger ausschließlich über Wärmetauscher und Ammoniakwärmetransport in die PVRs.

Bei den Solarflächen geht es dann auch nicht um die Wärme, die die Solarzellen durch das Sonnenlicht aufnehmen (denn die können tatsächlich wieder über die Fläche gut abgestrahlt werden), sondern vielmehr um die elektrische Energie, die bei Nichtgebrauch wieder über Wärme abgegeben werden muss. Das geschieht direkt vor Ort am Solarausleger ausschließlich über Wärmetauscher und Ammoniakwärmetransport in die PVRs.

Also ich kann mich ja wahnsinnig irren, die Kühlung brauchen aber meiner Meinung nach nur die Steuerungskomponenten und das nur während Strom abgenommen wird. Solarzellen produzieren doch keinen Strom, wenn man ihn nicht abnimmt, also kein Verbraucher angeschlossen ist. Nur Spannung. Sonst könnte man die dort doch überhaupt nicht installieren, weil die ja sicher nicht komplett mit Kühlung usw. installiert werden. Die müßten doch sonst sofort überhitzen.

Das "Abklemmen" nicht benötigter Solarzellen sollte daher jederzeit möglich sein, natürlich auch das "aus dem Wind drehen" wie oben beschrieben.

Hallo Kelvin, du hast vollkommen Recht.
Wenn man so drüber nachdenkt, muss das wohl stimmen......bei Solarflächen, die lastabhängig Strom liefern.
Bei Lockheed Martin lässt sich schließlich auch was finden:

The company also produced four photovoltaic radiator assemblies for cooling the current early ISS systems, as well as the ISS photovoltaic electrical power system components

Quelle: http://www.lockheedmartin.com/us/products/HeatRejectionRadiators.html

Also werden hier bei den PVRs die Photovoltaik-Subsysteme im Truss gekühlt.
Dann sind große Solarflächen also letztlich doch fein raus, da keine (!) nicht verbrauchte Energie abgestrahlt werden muss......eben bis auf die Kühlung der Subsysteme. Sorry, da war ich auf dem Holzweg. Bei Antrieben wie VASIMR, die im Betrieb ordentlich Energie benötigen und auch Verlustwärme erzeugen, bleibt das Problem großer Kühlflächen auf jeden Fall bestehen. Im Fall einer nuklearen Energiequelle addiert sich das dann mit deren thermischer Verluste negativ auf. Je mehr Energie die Quelle liefern soll, umso mehr Energie fällt aufgrund des "geringen" Wirkungsgrades zum Abstrahlen ab. Dann wäre eine lastabhängige Energieerzeugung über Solarzellen dort also doch eher erstrebenswert, oder? Abgesehen von der immensen dafür notwendigen Solarfläche.



 

Solarzellen produzieren doch keinen Strom, wenn man ihn nicht abnimmt, also kein Verbraucher angeschlossen ist. Nur Spannung. Sonst könnte man die dort doch überhaupt nicht installieren, weil die ja sicher nicht komplett mit Kühlung usw. installiert werden. Die müßten doch sonst sofort überhitzen.

Ja und nein. Die Zellen liefern bei Illumination Ladungsträger, die nun mal irgendwo hin müssen. Beim Voc werden sie extern nicht abgenommen, also werden sie innerhalb der Zelle rekombiniert. Im Normalfall ist das unkritisch, wenn jedoch die Beleuchtungsintensität sehr groß wird (und die Zelle vielleicht auch noch sehr heiß), kann das die Zelle durchaus zerstören.

Wie so häufig wird es keine allgemeingültige Antwort geben. Im Bereich Erde und vielleicht bis zum Mars können ultraleichte Solarzellenflächen durchaus im Voreil sein. Darüber hinaus, bis zum Jupiter und weiter haben nukleare Energiequellen Vorteile. Günstig wären wahrscheinlich Hochtemperaturreaktoren. Da bleibt der Wirkungsgrad noch erträglich, auch wenn man für bessere Abstrahlung höhere Temperaturen der Abwärme wählt, um die Kühlflächen klein halten zu können.

Eine leichte Aufgabe wird die Konstruktion von Solarzellenflächen nicht. Auch wenn die Beschleunigung niedrig ist, bei Fußballfeld-großen Flächen stelle ich es mir nicht einfach vor. Wahrscheinlich müßten sie im Orbit montiert werden. Ausfalten wie bei herkömmlichen Satelliten wird nicht masse-optimal sein. Aber bei tausendfach gleichen Arbeitsschritten sollte ein geeigneter Montagerobot auch machbar sein.