Treibstoffdepots

Ein altes Thema, das jetzt mit dem neuen NASA Budget neuen Aufwind bekommen hat, sind die Treibstoffdepots im All. Das Thema hatten wir schonmal im HSf-Komitee Thread andiskutiert, aber es ist Zeit einen Thread dafür zu machen.

Treibstoffdepots sind Depots im All, die Treibstoff lagern, also z.B. LOX und LH2. Diese Treibstoffkombination kann im Weltall ihren hohen spezifischen Impuls voll ausspielen und ist daher sicher eine der sinnvollsten.

Was bringt ein Treibstoffdepot?
An einem Treibstoffdepot kann ein anfliegendes Raumfahrzeug Treibstoff nachtanken um weiter entfernte Ziele zu erreichen. Damit ist es nicht nötig so große Schwerlastraketen zu entwickeln. Beispielsweise könnte man eine Kapsel mit teilweise einer gefüllten/leeren Antriebsstufe auf einer existierenden Trägerrakete starten und dann an einem Depot nachfüllen und zum Mond fliegen. Auch für Raumsonden wären weiter entfernte Ziele schneller erreichbar.

Wie kommt der Treibstoff da hoch?
Der Treibstoff wird von der kommerziellen Trägerraketenindustrie transportiert. Dadurch entsteht ein Wettbewerb und der günstigste Anbieter bekommt den Vorzug bei der Auftragsvergabe. Weiterhin kann so die Nutzlastkapazität jeder Rakete voll ausgenutzt werden. Für den Treibstofftransporter schlägt die ULA eine Fusion von Tanker und Oberstufe vor, sodass die Oberstufe mehr Treibstoff hat als sie braucht und den restlichen einfach an das Depot ablädt. Auf diese Weise kann die Nutzlastkapazität existierender Raketen deutlich gesteigert werden, denn nach dem Start in den Orbit ist die Leermasse der Oberstufe nicht mehr nutzlos, denn sie ist ja auch gleichzeitig der Tanker.

Bis es soweit ist, müssen natürlich noch mehrere Probleme gelöst werden, z.B. die Langzeitlagerfähigkeit von LH2, Treibstoffransfer von kryogenen Treibstoffen etc.... Aber mit dem neuen NASA Budget soll die Erforschung dieser wichtigen Technologien ja jetzt begonnen werden.

Die United Launch Alliance hat mehrere Veröffentlichungen auf ihrer Seite zu diesem Thema:
http://www.ulalaunch.com/index_published.html

Z.B. dieses Abhandlung zum Thema:
http://www.ulalaunch.com/docs/publications/PropellantDepots2009.pdf

oder kurz und bündig diese Präsentation:
http://www.ulalaunch.com/docs/publications/PropellantDepotJPC2009.pdf

Eine Explorationskonzept könnte dann so aussehen:
http://www.ulalaunch.com/docs/publications/AffordableExplorationArchitecture2009.pdf

Hier ein Zusammenfassung des Konzeptes auf Deutsch bei Raumfahrer.net:
http://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/12092009212625.shtml

Vielleicht währe in dem Zusammenhang folgendes eine Überlegung wert: Ein bemannter Flug zum Mars mit Treibstoffdepots an folgenden Punkten:

Erdeorbit

ein Lagrange-Punk des Erde-Mond-Systems

Marsumlaufbahn

Marsoberfläche

Dadurch könnte man das Marsraumschiff sicher relativ klein halten. Außerdem Lassen sich die ersten beiden Depots auch für Raumfahrt im Erde-Mond-System verwenden. Ich denke aber für alle Depots außerhalb des Erdorbits braucht man trotzdem eine Schwerlastrakete, wenn man den Treibstoff in „vernünftig großen Einheiten“ dorthin transportieren will.
Zur dauerhaften Lagerung von LOX und H2 währe wohl folgendes am sinnvollsten: Der verdampfe Treibstoff wird abgesaugt, mit einem Kondensator (meine natürlich nicht den Elektrischen  ) verflüssigt und in den Tank zurückgeführt. Wenn der Kondensator über Solarzellen mit Energie versorgt wird, könnte so der Treibstoff „ewig“ gelagert werden.   

Ich halte nichts von Treibstoffdepots - weil ich nicht denke das es sinnvoll ist mit chemischen Antrieben zum Mond/Mars zu fliegen.

Eine nachhaltige interplanetare Transportinfrastruktur wird auf anderen Energie Quellen aufbauen. Aktuell halte ich Nuklearenergie in Kombination mit elektrischen Antrieben am wahrscheinlichsten.

Selbst dafür benötigt man Stützmasse, und bei den Nutzmassen gar nicht mal so wenig. Diese ließen sich sogar leichter lagern als kryogene Stoffe.

Selbst dafür benötigt man Stützmasse, und bei den Nutzmassen gar nicht mal so wenig. Diese ließen sich sogar leichter lagern als kryogene Stoffe.

Ja, das mag stimmen.

Wenn ich sage, das ich nichts von Treibstoffdepots halte - meine ich damit auch nicht, das NASA dieses Projekt sein lassen soll - da ist mein vorerriger Beitrag zu kurz gedacht gewesen.

Ich denke, Treibstoffdepots gibt der NASA die Gelegenheit viele wichtige Schlüsseltechnologien zu entwickeln: Automatisches Docking - effiziente LOX und H2 tanks - modulare Stationen - robotische Wartung - das sind Technologien die über das konkrete Konzept "Treibstoffdepot" hinaus notwendig sind und von der NASA lange genug vernachlässigt wurden.

Ein großes Problem von LH2 ist ja, das es durch alle Wände durch kriecht und damit nicht wirklich Lagerfähig ist. Könnte da folgende Konstruktion keine Abhilfe sein:

Der LH2 Tank wird aus 2 Schalen aus (dünnem) Metall geformt. Der Zwischenraum wird mit Helium unter (hoch) druck gesetzt.
Dadurch sollte das LH2 im inneren Tank gehalten werden können - und durch die hohen Drücke sollte das ganze Gebilde auch stabil sein. Ähnliches gibt es wohl schon im Intertankbereich der Centaur Stufe.

Würde das Helium auch zusätzlich als Isolierung dienen?

Eine gute Idee,

Jedoch sind es eben nicht nur die Drücke, die eine Rolle spielen, sondern auch die Permeabilität der Wandung sowie der bestehende Diffusionsgradient. Und da LH2 sehr kleine Moleküle hat, ist es mit der Lagerfähigkeit so kompliziert.

Gruß an alle

man könnte vielleicht eine Bleiwand nehme. Die hat eine hohe Dichte und lässt nicht so viel durch.

mfg STS-125

man könnte vielleicht eine Bleiwand nehme. Die hat eine hohe Dichte und lässt nicht so viel durch.

Ne Rakete aus Blei...hm...was könnte daran wohl problematisch werden? 

ich hatte jetzt eher an eine LAgerung in den Vorratstanks außerhalb der Rakete gedacht.

mfg STS-125

Kenne mich mit Ionisierung nicht aus, aber wäre es möglich ionisierten Wasserstoff zu verflüssigen und ihn in einem permanentmagnetischen Tank zu lagern?

Jetzt spekuliert nicht wild durch die Gegend ... Blei, Ionisierung, Helium. Außerdem was hat Ionisierung (Elektrostatik) mit Magnetismus zu tun? Ionen bleiben auch nicht wirklich gerne "beisammen".

Im Internet gibt es Quellen zu den Technologien und Konzepten von Treibstoffdepots im All und auch zum Umgang mit kryogenen Treibstoffen. Wir sollten eine Diskussion auf solche fundierten Ideen stützen.

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

Die Idee Wassereis mitzunehmen hatte wir im Forum auch schon mal (auch da war knt beteiligt ). Ich halte die Idee für interessant, immerhin transportieren Kometen ihre Fracht so stabil durchs äußere Sonnensystem.

Aber das sind Zukunftsfantasien. Wie lässt sich mit aktueller Technologie kryogener Treibstoff im All aufbewahren und halten? Die Centaur-Oberstufe zeigt, was man momentan "kann", und das sind ein paar Stunden. Die Centaur mit EMK (Extended Mission Kit) auf der Atlas V 500 bekommt einen zusätzlichen Strahlenschild, Batterien und Heliumtanks.

So ein großer mehrlagiger Schild wie bei JWST könnte eine interessante Technologie sein, um den Wärmeeintrag aus der Sonnenstrahlung zu minimieren.

Wenn Ionisierung nichts mit Magnetismus dann erkläre mir bitte wieso ein Ionentriebwerk funktioniert bzw. man bei Kernfusionsreaktor, von wo ich den Gedanken hatte, man Magnetfelder benutzt um das heiße Ionengas von den Reaktorflächen fern zu halten.

Ein Ionentriebwerk funktioniert mit Spannung, einem elektrischen Potentialgefälle, zumindest in der einfachsten Form.
Die magnetische Flasche und der magnetische Einschluss, die du bei der Kernfusion "zitierst", funktionieren bei schnellen Ladungen. Magnetfelder wirken auf Ladungen, wenn diese sich bewegen. Und auch dann "nicht einfach so", sondern die Feldgeometrie muss auf die Bewegungsrichtung abgestimmt sein. Eine einfache Ladung wird von einem Magnetfeld so nicht beeinflusst.

Nach meinem Wissen wird man aktive Kühlmechanismen für Langzeitlagerung einführen müssen. Heute überschlägt man die Verdampfungsverluste eins kryogenen Tanks mit ca. 3% pro Monat, mit besserer passiver Kühlung (Isolation) erwartet man immer noch 1% pro Monat.
Neben einem Sonnenschild und einer optimierten Geometrie (optimal wären Kugeln), käme wohl auch ein Kühlsystem mit Wärmepumpe und Kühlkreislauf à la Kühlschrank zum Einsatz.

Da stellt sich wieder die Frage des Abwägens: eingesparte Treibstoffmasse vs. Zusatzmasse der notwendigen Systeme und die Komplexität und Sicherheit neuer Systembestandteile. Auch dass es Kugeln sein könnten, relativiere ich gleich wieder. Dabei spielt unter anderem eine Rolle, wie effizient ich etwas pro Start in den Orbit bekomme: eine großen Tank vs. 4 (insgesamt kleinere) Kugeln?

Die Frage nach der Lagerfähigkeit stellt sich wohl am meisten bei Treibstoffdepots im Orbit. Wenn man solche Systeme hat, ist es nicht so wichtig, wie groß die Zusatzmasse ist, wenn man das Depot lange verwendet, weil dann die Zusatzmasse relativiert wird.

Bei einzelnen Missionen wäre ein Verlust von 1%LH2 im Monat wohl meistens akzeptabel, weil dies ein geringer Anteil ist und LH2 nur 15-20% des Gesamttreibstoffs ausmacht.

Um kugelförmige Tanks verwenden zu können, wäre wohl eine Konstruktion wie die N1 von der Form her optimal, um diese effizient starten zu können.

mfg websquid

An den Orbit habe ich auch gerade gedacht. Da kommt ein Aspekt des Thermalhaushalts in niedrigen Umlaufbahnen hinzu: Die eine "Hälfte" des Himmels ist die Erdkugel, welche sich als starke Wärmequelle zeigt. Das macht es zumindest nicht einfacher.

Und 1% Verlust hört sich vielleicht ich nicht viel an, eben weil LH der "kleinere" Massenbestandteil der beiden Komponenten ist. Aber er ist der volumengrößte, jede extra Reserve macht hier die Konstruktion deutlich größer.

Dafür hat man aber auch Erdschatten, in dem es relativ geringe Strahlung gibt. Ich glaube, das gleicht sich ziemlich aus. Bedingung ist aber wohl, dass man keine Beta-Cutouts wie bei der ISS hat - da kommt dann nur extra Strahlung von der Erde dazu.

Ja, man hat den Schatten, aber selbst da ist die Erde noch "warm". Auf der Tagseite wird es dann "von beiden Seiten" sehr warm. Kryogene Technik reagiert deutlich empfindlicher auf Wärmeeintrag, eben auch auf "kleine" Intensitäten.

Der LH2 Tank wird aus 2 Schalen aus (dünnem) Metall geformt. Der Zwischenraum wird mit Helium unter (hoch) druck gesetzt.  [....] Würde das Helium auch zusätzlich als Isolierung dienen?

Vakuum isoliert besser.
Aber ich würde das mit Stickstoff,Krypton oder noch schwereren größeren Gasen füllen, dann diffundieren diese nicht so leicht.

Wasserstoff könnte dann auch nicht so leicht rausgehen, bzw. würde der rausgekommene auch auf lange Frist wieder reingedrückt, da aussen ein höherer Druck herrschen sollte...



Ich habe mal gelesen, dass man Graphen (ähnlich wie Graphit, nur die Struktur war anders) gefunden hat, durch das nicht einmal Heliumatome diffundierten. Also sollte es minimale Porösität haben... Ob es Wasserstoff dauerhaft zu halten vermag, ist nicht dringestanden.... (Wohl eher nicht)
Mal schaun ob ich den Link noch finde...

Kann man nicht einfach eine Doppelhülle machen wo der Wasserstoff, welcher die erste Wand durchdringt mit einer Pumpe wieder zurück in den inneren Tank befördert wird?

Kling für mich ziemlich logisch 

Gruß, Klaus

Hallo Klaus,

es liegt anders: was hilft mir gasförmiger Wasserstoff? Wegen seines Drucks wird er mir im Tank sogar gefährlich. Man muss schon das Sieden verhindern. Die Siedeverluste (1-3%) sind schwer zu kontrollieren und werden abgeführt/ausgelassen, bevor der Druck zu hoch wird.

Hab mich mal etwas schlau gemacht. Nur bewegt Ionen lassen sich also mit Magnetfeldern kontrollieren, unbewegte aber mit Ladung. Wenn man jetzt die Tankhülle Positiv aufladet und das Gas auch Positiv ionisiert dürfte es gar nicht die Tankwand erreichen und könnte deshalb auch nicht diffusionieren.