Treibstoffdepots

Lasst uns jetzt bitte realistisch diskutieren ... nicht alles was auf den ersten Blick physikalisch möglich scheint, ist wirklich sinnvoll oder gar realistisch.

Gut, gehen wir einmal von einem orbitalem Treibstoffdepot aus - scheint mir auch die interessantestes Anwendung zu sein.

Das Problem scheint in zwei Teile zu zerfallen: Einmal die Kühlung damit der Wasserstoff flüssig bleibt und einmal die Verhinderung des diffundierens. Sehe ich das richtig? Da das Vakuum um das Depot herum eh keine Wärmeleitfähigkeit hat, geht es bei der Kühlung weniger um "Dämmung" sondern vorallem darum die eingehende Wärmestrahlung zu reflektieren?

Gut, gehen wir einmal von einem orbitalem Treibstoffdepot aus - scheint mir auch die interessantestes Anwendung zu sein.

Richtig. Man geht ja heute davon aus, Mond- oder Marsmissionen im Erdorbit zu komplettieren und von dieser Parkposition zum jeweiligen Ziel zu starten.
Im Erdobit angekommen ist die Oberstufe leer und wird als nutzlos abgetrennt.
Könnte man sie dort auftanken, kann man sie weiterverwenden als Transferstufe.
Nützlich wäre auch eine Tankstelle im Mondorbit.
Dann könnte man benutzte Mondlandefähren im Mondorbit parken, die Landestufe erneuern, die Aufstiegsstufe betanken und somit wiederverwenden.

Das Problem scheint in zwei Teile zu zerfallen: Einmal die Kühlung damit der Wasserstoff flüssig bleibt und einmal die Verhinderung des diffundierens. Sehe ich das richtig? Da das Vakuum um das Depot herum eh keine Wärmeleitfähigkeit hat, geht es bei der Kühlung weniger um "Dämmung" sondern vorallem darum die eingehende Wärmestrahlung zu reflektieren?

Aus diesen Gründen sollte die Lagerzeit für kryogene Treibstoffe (LH2) und Oxidator (LOX) möglichst kurz gehalten werden.

Diffundieren (also das durchdringen des Wasserstoffs durch die Tankwand) ist dabei das kleinere Problem und betrifft nicht so große Verlustmengen.
Wasserstoff hat bei Raumtemperatur (20°C) das größte Diffusionsvermögen.
Aber Raumtemperatur kommt eh nicht in Frage, weil wir ja möglichst große Mengen auf kleinen Raum brauchen - und das geht nur in flüssiger Form.
Wasserstoff ist nur bei einer Temperatur von -252 bis -259°C flüssig.
Bei dieser Temperatur ist das Diffusionsvermögen und die Molekularbewegung stark eingeschränkt und nicht mehr vordergründig.
Außerdem diffundiert Wasserstoffe durch verschiedene Materialien unterschiedlich stark.
Sehr gut kann es Tankwände aus Kunststoffen, wie Polyethylen, Eisen oder Platin durchdringen.
Weniger gut kommt es durch Werkzeugstahl (CrNi) und fast gar nicht kommt es durch Kohlenstofffaser-Komposit/Metall.

Viel wichtiger ist es, die extrem niedrige Temperatur zu halten, damit der Wasserstoff (und auch der Sauerstoff) flüssig bleibt.
Vor dem Start wird erstmal richtig runtergekühlt und dann muß man eigentlich nur verhindern, daß wieder Wärme hinzu kommt.
Wie knt schon richtig schrieb, hat das Vakuum keine Wärmeleitfähigkeit.
Es kommt also nur Wärmestrahlung in Frage.
Ein großer, vorgelagerter Sonnenschutzschirm kann die stärkste Wärmequelle recht wirkungsvoll abschirmen.
Wenn Wasserstoff und Sauerstoff direkt nebeneinander durch eine gemeinsame Tanktrennwand gelagert werden, wird kein Sauerstoff verdampfen, weil Sauerstoff für die flüssige Phase nicht so niedrige Temperaturen braucht.
Die äußeren Tankwände müssen durch verschiedene Materialien gut reflektiert und gedämmt werden.
Dann kann nur noch eine geringe Menge Wasserstoff verdampfen und die muß wieder aktiv herunter gekühlt werden.
Die Energie dafür könnte man durch Solarzellen auf den großen Sonnenschutzschirm gewinnen.

Für eine begrenzte Zeit - also missionsspezifisch sollte das durchaus machbar sein.

Danke eumel für die erleuterungen einiger basics - nun sehe ich etwas klarer

Bezüglich des "Sonnenschutzschildes" ist wohl das James Webb Teleskop interessant. Dort geht es nämlich auch darum, Wärmestrahlung effektiv von den Instrumenten abzuhalten:

Um sicherzustellen, dass die Beobachtungen nicht von der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) des Teleskops und der Instrumente selbst verfälscht werden, muss die gesamte Beobachtung in einem sehr kalten Zustand, besonders geschützt vor Sonnenstrahlen bei unter −220 °C (50 Kelvin) ablaufen. Deswegen verfügt das JWST über einen 12,2 m mal 19,8 m großen mehrlagigen Sonnenschild, der das Teleskop vor den Wärmestrahlen von Sonne, Mond und Erde abschirmt. Dieser Sonnenschild besteht aus fünf Lagen Kapton, einem Polyimid, das mit Aluminium und dotiertem Silizium beschichtet wurde.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

Noch eine sehr spekulative Frage: Es gab vor einiger Zeit mal ein Experiment, bei dem ein Material entwickelt wurde, das im Mikrowellenbereich "durchsichtig" ist. Ich glaube das hatte irgendetwas mit "negativer Brechung" zu tun. Könnte soetwas für uns interessant sein?

Guten Morgen,

wie sollen diese durchsichtigen Meta-Materialien helfen? Die Idee kann ich noch nicht ganz nachvollziehen.

Edit:
Geht es um die Idee Strahlung um ein "eingebettetes" Objekt herum zu "brechen"?

Geht es um die Idee Strahlung um ein "eingebettetes" Objekt herum zu "brechen"?

Falls es um diese Idee geht:
Bisher können Materialien mit negativem Brechungsindex nur für einen ganzganz engen Wellenlängenbereich konstruiert werden. Außerdem wird es um so schwieriger, je kleiner die Wellenlänge ist. Meines Wissens ist man noch nicht bei Licht-Wellenlängen angekommen.

Die Idee dürfte also in absehbarer Zeit nicht verwendbar sein. Gerade für größere Wellenlängenbereiche sind "Tarnkappen" noch weit weg.
Aber jeder kann sich sicher vorstellen, wie gerne das Militär sowas haben will und demzufolge daran forscht.

Wenn es rein um den Thermalhaushalt ginge, wäre eine Position "weit" von der Erde interessant, L2 bspw. Dort muss man sich nicht um Licht-Schatten-Spiele kümmern, kann seinen Strahlenschild einseitig ausrichten und kann Radiatoren eines aktiven Kühlsystems einfach ausrichten.

Aber man muss das Depot ja auch effizient erreichen, befüllen und nutzen können ... den ganzen Treibstoff erst die ganze Potentialsenke zum L2 hinauf zu schaffen, um ihn erst dann nutzen zu können, dürfte ineffizient sein.

Wobei ... der Großteil des "Energieaufwands" für einen Start fällt schon für den LEO an.

Geht es um die Idee Strahlung um ein "eingebettetes" Objekt herum zu "brechen"?

Ja, das war die Idee. So wie ich das verstanden habe, kann dieses Material EM-Strahlung um ein Objekt herum ablenken. Sicher noch Zukunftsmusik - war ja wohl das erste Expermiment das in dieser Richtung geglückt ist. Fand es aber in unserem Zusammenhang interessant. Wobei für unseren Zweck wohl eine gute Reflektion schon ausreichen würde.

Es ist die Frage, was man genau machen will. Will man nur, ganz kurz bevor man es braucht, den Treibstoff mit einer anderen Rakete starten und dann mit der EDS nach weniger als einem Tag zum leertanken andocken? Oder will man ein dauerhaftes Depot, das immer wieder befült wird und mehrfach genutzt wird?
Für ein dauerhaftes Depot lohnt sich natürlich mehr Aufand und mehr Kühltechnik, aber dann muss man es ja auch mehr als viermal im Jahr nutzen. So oft wird man auf recht lange Zeit nicht die Erdumlaufbahn verlassen...
Ich sehe eher Bedarf für einmal verwendbare "Tanker", die mit einer anderen Rakete gestartet werden als die EDS, von dieser nach kurzer Zeit im Orbit leer getankt werden und dann verglühen.
Klar, wären dauerhafte Einrichtungen schöner, aber die braucht man halt erst bei einem nennenswerten Verkehrsaufkommen.

Ein niedriger Erdorbit, der auch konstante Beleuchtungsverhältnisse bietet, ist ein sonnensynchroner Orbit  entlang des Terminators. Dabei dreht sich die Orbitebene durch die "platte" Erdform immer passend mit dem Terminator mit. Auf diesem Orbit scheint von "rechts" immer die Sonne, "links" ist das dunkle All und unter einem ist der Terminator, also eine Hälfte der sichtbaren Erdscheibe ist hell, die andere Hälfte ist dunkel.
GOCE und TerraSAR-X fliegen solche Orbits.

Aber ein polarer retrograder Orbit erscheint nicht wirklich sinnvoll für ein Depot .

LH2-Lager im All befasst sich nicht nur mit einem Depot in der Umlaufbahn. Auch (oder gerade) ein zweijähriger (chemischer) Marsflug kann diese Technik benötigen.

LH2-Lager im All befasst sich nicht nur mit einem Depot in der Umlaufbahn. Auch (oder gerade) ein zweijähriger (chemischer) Marsflug kann diese Technik benötigen.

Dafür lohnt sich natürlich eine aufwendigere Kühltechnik. Für den Flug vom/zum Mars hat man ja konstante Beleuchtungsverhältnisse. Nur in der Marsumlaufbahn hat man natürlich wieder das selbe Problem wie auf einer Erdumlaufbahn, auch wenn die Wärmestrahlung etwas geringer seien dürfte.
Ein Sonnensyncroner Marsorbit dürfte nicht gerade günstig für eine Landung auf der Oberfläche sein. Man will ja außerdem auch die Atmosphäre zum bremsen nutzen.

Für eine begrenzte Zeit - also missionsspezifisch sollte das durchaus machbar sein.

Wie lange soll denn die Lebenszeit eines Lagers sein? Oder besser: wie lange kann sie sein?

LH2-Lager im All befasst sich nicht nur mit einem Depot in der Umlaufbahn. Auch (oder gerade) ein zweijähriger (chemischer) Marsflug kann diese Technik benötigen.

Umlaufbahn dürfte ähnliche Verhältnisse bieten wie der Weg zum Mars und zurück. Nur auf der Oberfläche kann man ihn nicht benutzen...

Außerdem denke ich nicht, dass es notwendig ist, am Boden lagerfähigen Wasserstoff zu haben, denn gerade beim Aufstieg wird er nicht so effizient genutzt. Dazu kommt noch wärmende Atmosphäre, etc. Im All entfaltet er sein ganzes Potential, außerdem ist dort Vakuum, daher einfacher zum kühl halten...


Wird daran schon geforscht (laut Obama's Nicht-Plan), und wann wird es die erste Demonstrator-Mission geben?

Hallo runner,

Umlaufbahn dürfte ähnliche Verhältnisse bieten wie der Weg zum Mars und zurück.
...
Im All entfaltet er sein ganzes Potential, außerdem ist dort Vakuum, daher einfacher zum kühl halten...

hast du mitgelesen? Die "Beleuchtungsgeometrie" in der Umlaufbahn ist eben genau nicht ähnlich wie ein Flug im freien Raum. Außerdem, Vakuum macht Kühlen nicht einfach, eher das Gegenteil, da man alles über Strahlung machen muss (das hatte ich dir auch schon mal in einem anderen Thema erklärt).

Nur in der Marsumlaufbahn hat man natürlich wieder das selbe Problem wie auf einer Erdumlaufbahn, auch wenn die Wärmestrahlung etwas geringer seien dürfte. Ein Sonnensyncroner Marsorbit dürfte nicht gerade günstig für eine Landung auf der Oberfläche sein. Man will ja außerdem auch die Atmosphäre zum bremsen nutzen.

Man muss das Depot vielleicht garnicht bis in die Marsumlaufbahn mit nehmen. Der Mars hat doch auch Lagrangepunkte? Wäre es möglich dort auf dem Hinflug ein Depot mit dem Treibstoff für den Rückflug zu plazieren? Da kommt man doch wahrscheinlich eh vorbei (Siehe auch: http://www.physorg.com/news172302860.html)

Natürluch würde das die Mission viel komplexer machen - ein Grund weshalb ich nicht denke, das wir eine Marsmission mit chemischem Antrieb sehen, aber gut - dasn anderes Thema...

Richtig. Man geht ja heute davon aus, Mond- oder Marsmissionen im Erdorbit zu komplettieren und von dieser Parkposition zum jeweiligen Ziel zu starten.
Im Erdobit angekommen ist die Oberstufe leer und wird als nutzlos abgetrennt.
Könnte man sie dort auftanken, kann man sie weiterverwenden als Transferstufe.
Nützlich wäre auch eine Tankstelle im Mondorbit.
Dann könnte man benutzte Mondlandefähren im Mondorbit parken, die Landestufe erneuern, die Aufstiegsstufe betanken und somit wiederverwenden.

Eine Anmerkung zu der wiederauftankbaren Oberstufe: Das kann doch eigentlich nur dann Sinn machen, wenn diese Oberstufe eine sehr lange zugesicherte Einsatzdauer hat und das Nachtankfahrzeug erheblich erheblich billiger ist, oder? Trifft eine dieser beiden Voraussetzungen nicht zu, wäre es sicherer und preiswerter, die Stufe immer frisch und vollgetankt von der Erdoberfläche zu starten.

Man denkt sich so, daß die Privaten diesen Tankservice übernehmen und geht davon aus, daß die billiger sind.
Vielleicht wären die langfristig auch nicht abgeneigt.
Das wäre doch eine großartige Werbung für die Leistungsfähigkeit der großen Energiekonzerne, wenn sie sogar Raumschiffe im Weltraum betanken.

Durch Nachtanken erlangte Wiederverwendbarkeit von Mond-Landefähren würde sicher billiger werden.

Guten Abend,

auch wenn es ein klitzekleines Bissel vom Thema wegführt, aber ... . Wieso diesen Lagerungsaufwand langfristig betreiben wollen, wenn man das nötige Wasserstoff direkt vor Gebrauch gewinnen kann? Damit bräuchte man auch kein LH2 dauerhaft zu lagern, sondern das Wasser.

Gruss aus Würselen,
Igor.

So "leicht" gewinnen sich Wasserstoff und Sauerstoff nicht aus Wasser ... vor allem nicht in den Mengen und so schnell und im All, wie wir es hier auf der Erde können.

Wasserstoff wird als Treibstoff benutzt, weil bei dessen Verbrennung (Oxydation mit Sauerstoff) große Energiemengen im Bezug auf eine relativ kleine Masse freiwerden.

Bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser muß diese Energiemenge aufgebracht werden. Sogar noch einiges mehr.
Das dabei entstehende Gas müsste dann sofort auf -257°C abgekühlt werden, um es zu verflüssigen.
Das Gas hat eine sehr geringe Dichte und deshalb ein extrem großes Volumen.
Die für die Raumfahrt erforderlichen Mengen können also nur im flüssigen Zustand gelagert werden.
Für diese Abkühlung werden zusätzlich große Energiemengen erforderlich.

Woher sollten diese großen Energiemengen im Weltraum kommen?
Abgesehen von den zusätzlichen Produktions- und Kühlanlagen.
Daran ist überhaupt nicht zu denken.

So gesehen ist die Verwendung von Wasserstoff selbst ein Energiespeicher.
Zur Gewinnung muß man sehr viel Energie hineinstecken, die man dann kurzfristig bedarfsgerecht wieder nutzbar machen kann.

Diese Idee erinnert mich daran, wie mir jemals einmal erzählt hat, man könne ein Auto nur mit Wasser betreiben. Natürlich würde diese Idee von den Mineralölkonzernen bekämpft!

Das Problem ist aber leider eben, dass Wasser (H₂O) chemisch eine Energiesenke ist. Bei der Erzeugung von Wasser wird Energie frei, die man dann auch wieder zur Zerlegung hineinstecken muss. Dasselbe gilt für Kohlendioxid (CO₂), das ein Soziologieprofessor vor einiger Zeit im Gespräch mit einem Journalisten ganz leicht abtrennen oder sogar in neuen Brennstoff umwandeln wollte. Leicht ist daran aber für beide Verbindungen überhaupt nichts.

Diese Idee erinnert mich daran, wie mir jemals einmal erzählt hat, man könne ein Auto nur mit Wasser betreiben.

Aber meine Herren ...

Ich kann mich noch vage daran erinnern, dass das MIT vor einigen Jahren einen Katalysator vorgestellt hat welcher die Effizienz der Wasserelektrolyse auf nahezu 100% steigern soll. Ob ich dazu noch was finde... .

Jepp, hab ich:

http://web.mit.edu/newsoffice/2008/oxygen-0731.html

Das, nur auf das Wasserstoff bezogen war auch der Anreiz für die Frage.

Und nun klicke ich mich aus, denn das - wie bereits angesprochen - ist nicht das Thema des Threads.

Nix für Ungut,
Igor.

Theoretisch könnten ionisierter Wasserstoff durch ein starkes el. Feld zusammengehalten werden.
Aber das Feld währe so energieaufw., dass der Wasserstoff auch als Verbindung mitgenommen und vor Ort daraus gewonnen werden könnte.

G holleser

Den ionisierten Wasserstoff, den Du meinst, der heißt Plasma und ist allgemein als 4. Aggregatzustand bekannt. In den Versuchsreaktoren wird genau dieser Wasserstoff auf einige Millionen Grad erhitzt, damit er fusionieren soll. Die angesprochene elektromegnetische Falle ist hochkomplex, hochkompliziert und extrem energieintensiv. Genaueres solltest Du bitte mal unter Fusionsreaktor http://de.wikipedia.org/wiki/Fusionsreaktor nachlesen.

Um LH2 besser zu lagern, braucht auch kein Behälter aus Blei hergestellt zu werden. Ein Tank aus einer leichten Aluminiumlegierung, die auf der Innenseite mit einem sehr dichtem Element (von mir aus Blei) beschichtet ist, könnte ähnliche Effekte bringen.

Sicherlich sollten hier einige Materialien ausprobiert werden. Auch hochverdichteter Graphit könnte sich eignen.

So schwierig ist eine Protonenfalle nun auch wieder nicht. Trotzdem erfordert sie ständige Energiezufuhr. Außerdem erreicht man damit niemals die Teilchendichte einer Flüssigkeit. Wir wollen (können) ja keinen Fusionsreaktor bauen.

Die Idee ist im Zusammenhang mit Triebstoffdepots vollkommen daneben. Ich denke, wir sollten sie komplett verwerfen.

Bleibt bitte, wie schon mal gesagt, bei "normalen" Konzepten und Technologien, kein freies Spekulieren der Art: was wäre wenn ... was wäre schön ... wie wäre es damit?

Wasserstoff aufsaugendes Platin wurde entfernt.