Treibstoffdepots

BFR & SLS sind glaub ich off topic.

Wie wollen wir dann aber eine Diskussion darüber führen ob Treibstofflager im All eine sinnvolle Anwendung für die wachsende Raumfahrt ist?
Sinnvoll hängt in dem Fall stark von den Trägern ab.

Zitat von: tobi am 05. Januar 2016, 14:32:26

BFR & SLS sind glaub ich off topic.

Wie wollen wir dann aber eine Diskussion darüber führen ob Treibstofflager im All eine sinnvolle Anwendung für die wachsende Raumfahrt ist?
Sinnvoll hängt in dem Fall stark von den Trägern ab.

Aber wir nehmen bereits an, dass es günstigen Transport gibt, wie auch immer der magisch zustande kommt. Die Frage ist, welche Anwendungen von günstigem Transport profitieren, nicht wie der günstige Transport zustande kommt.

Treibstoffdepots machen erst Sinn wenn der Treibstoff im All gewonnen wurde. Und hierbei erleichtern sinkende Startkosten die Vorhaben von zB.  Planetary Resources

Bezüglich Treibstoffdepots gibts noch was anderes, was bisher nicht berücksichtigt wurde.

Die maximale Nutzlast ist nicht die einzige Beschränkung einer Rakete sondern es ist unter anderem auch die maximale Höhe des Schwerpunkts der Nutzlast fest vorgegeben. Ich hab zwar spontan keine Zahlen aber ich kann mich daran erinnern, dass der relativ niedrig ist. Bei der relativ geringen Dichte des Treibstoffs (Im Vergleich zu einem Satelliten) kann ich mir vorstellen, dass man daher gar nicht die volle Nutzlastkapazität einer Rakete ausreizen kann! Das trifft insbesondere auf die FH zu, da wahrscheinlich die maximale Schwerpunktshöhe relativ gleich wie bei der F9 ist (da die Struktur der Core-Stufen gleich ist).
Allerdings müsste man das mal durchrechnen, ich hab leider zu wenig Ahnung von typischen Dichten von Treibstoffen in Tanks und welche Treibstoffe überhaut lagerfähig sind und daher für Depots in Frage kommen.

Und, um das ganz allgemein zu behandeln und keine Namen zu nennen:
Extra Treibstofftransport plus Tankstelle macht nur Sinn, wenn die großen Transporter wesentlich teurer (in Euro pro kg) sind als die kleineren und mittleren Träger.  Das ist aber nur so, wenn bei den großen Trägern der Anteil der fixkosten pro Start überwiegen.

@Steffen
Und ich glaub nicht, dass die Zuverlässigkeit in Verbindung mit dem Preis so stark schwanken wird dass Depots durch eine Aufgabenteilung gleich schwerer Träger Sinn machen wird.
(Missionseffizienz weit unter 90 % wird auch bei günstigen Raketen nicht hinnehmbar sein)

Ich vertrete ja, wie oben schon gesagt, die Hypothese, dass nicht sinkende Startpreise zu neuen Raumfahrtanwendungen führen, sondern leistungsfähigere, ausgereifte, einfachere und billigere Technologien im Raumsegment

Die sich manchmal aber erst lohnt, wenn die Starts günstig genug sind

Treibstoffdepots machen in meine Augen nur Sinn, wenn man Raumschiffe baut/entwickelt die nicht für die Landung auf einen Planeten geeignet sind.
Also reiner Pendel Dienst zwischen den Planeten / Monden. Landung erfolgt dann mit mitgeführten Landefähren

Mfg Collins

Lager (plural), vor allem für Treibstoffe machen sehr viel Sinn und werden kommen davon bin ich fest überzeugt.

Der Aussage von Sensei stimme ich aber nicht zu, weil es weitere Gründe gibt warum Lager sogar benötigt werden wird (außer EmDrive funktioniert).

Der Punkt ist das es sehr viel Geld kostet Nutzlast aus dem Schwerkraftloch vom Erdboden in ein Orbit zu bringen
und,  an der Stelle stimmt es was Collins geschrieben hat, empfindliche Strukturen.

Und es gibt noch ein wirklich heftiges Problem, das Problem mit dem Müll im All, da man das nicht viel länger wird ignorieren können wird,
weil die Folgen exorbitant teuer werden, wird man Raumschlepper benötigen um dem Müll her zu werden.
Das geht aber wohl nur mit vielen Schleppern und die Steigerung der Missionen ins All wird das natürlich, trotz geplanten deOrbit noch zusätzlich verschärfen.
Bei der großen Zahl von Objekten die schon da oben sind und dem was durch versagen des autonomen deorbits hinzukommt, reden wir hier nicht von drei oder fünf Schleppern, ich denke 10 als Anfang zur Etablierung der Technologie und später oberhalb von 30, bei der heutigen Situation sind sicher nötig.
Diese brauchen Treibstoff, vor allem Gase für SEP und lagerfähige chemische Treibstoffe um zur Not schnell mal ausweichen zu können.
Dazu werden mehrere Stationen nötig sein die neben den Treibstoffen sicher auch Wartungsdocks zur Reparatur der Schlepper selber.
Die Frage ist natürlich auf welchen Bahnen solche Lager platziert werden?

Genau das ergibt natürlich zwei neue Raumfahrtanwendungen, die Schlepper um damit auch den Müll zu beseitigen, und Raumstationen mit Lagerfunktion.
Derzeit ist man nur dabei zu versuchen neuen Müll zu vermeiden, aber das wird und kann nicht ewig so weiter gehen.
Mit sinkenden Preisen wird das wachsen, sehr sehr stark wachsen.

Kann man Wasserstoff in gefrorendem Zustand langzeitlagerfähiger machen?

Es würde zwar extrem viel Energie kosten den Wasserstoff zu gefrieren, aber vielleicht könnte man ihn dadurch länger lagerfähig machen. Zusätzlich könnte man auf ein Stabiliersierung des Wasserstofftanks der die Beschleunigungskräfte während des Starts aushalten muss verzichten.

Ich vermute mal das die Wärmeenergie die beim Sublimierendes Wasserstoffs abgegeben wird wesentlich höher ist als die beim Verdunsten des flüssigen H2

Das jannst du knicken, es ist wohl unmöglich das sinnvoll zu realisieren.
Genau das ist einer der Gründe Methan zu benutzen, leicht zu erzeugende und auch lange aufrecht zu erhaltende Temperatur. Im All reicht da ein guter Schutz gegen das Sonnenlicht aus, das selbe wie bei LOX.

Das das gefrieren teuer wird ist mir klar. Ich komme drauf, weil bei Airbus vom Parken der Ariane 6 Oberstufe gesprochen wurde, wenn der Wasserstoff im Tank gefroren wäre, dann müsste aus ein paar Stunden doch ein längerer Zeitpunkt werden.

Hallo,

Kann man Wasserstoff in gefrorendem Zustand langzeitlagerfähiger machen?

Wasserstoff gefriert bei -259 Grad Celsius.
Damit hat sich das Konzept wohl erledigt.

Gruß,
Volker

http://www.deutschlandfunk.de/super-treibstoff-der-zukunft.676.de.html?dram:article_id=21997

zumindes angedacht war das mal

Der Punkt ist das ohne aktive Kühlung das nicht zu machen ist, dafür ist der Weltraum in Erdnähe wegen der Sonne einfach viel zu warm.
Ich hab es schonmal geschrieben, es wird im wesentlichen folgende Stoffe geben die gelagert werden:
//_________Treibstoffe für Trägersysteme______________
- LOX
- LCH4
//_________Treibstoffe für Lageregellung_______________
- "Lagerfähige Treibstoffe die ohne Kühlung auskommen"
__________Treibstoffe für SEP mit Zustandsbeispielen für eine sinnvolle Lagerung_____________
// die Daten habe ich von hier:  http://www.unternehmensberatung-babel.de/berechnungen/daten-entlang-dampfdruckkurve.php           
- LAr           (Flüssig Argon,    bei   90K, 1,34bar und 1376,92kg/m³, günstig)
- LKr           (Flüssig Krypton, bei 135K, 2,89bar und 2295,17kg/m³, teuer)
- LXe          (Flüssig Xenon,   bei  180K, 2,22bar und 2840,95kg/m³, sehr teuer)
Helium und Wasserstoff lassen sich kaum lagern, Neon vermutlich in Druckgefäßen schon, ist aber noch teurer als Helium.
Eine Anwendung wäre als lagerfähiges Druckgas als Ersatz für Helium.

Auf dem nächsten ISS-Versorgungsflug von SpaceX im April (CRS-8) wird nicht nur BEAM an Bord sein, sondern auch ein Versuchsaufbau (ZBOT - Zero Boil-Off Tank) für die ISS, welcher Aspekte des Thema Treibstoffdepots untersuchen wird.
Dabei handelt es sich um einen Aufbau des Unternehmens ZIN Technologies Inc.. Es sollen durch die Versuche (Mischen, Druckbeaufschlagung, etc.) die Methoden/Modelle der numerischen Fluiddynamik (oder auch CFD) zur Simulierung von Flüssigkeiten in Depots bei Schwerelosigkeit weiterentwickelt werden.
Genauere Details findet man unter:
http://www.spacestationresearch.com/wp-content/uploads/ZIN-ZBOT-Summary.pdf

ZIN und NASA arbeiten scheinbar schon etwas Zeit zusammen an dem Thema, wenn man folgende recht umfangreiche Veröffentlichung aus 2013 betrachtet: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20130010177.pdf

Helium und Wasserstoff lassen sich kaum lagern,

Das überrascht. Diese Behauptung scheint zumindest auch bei der ULA nicht geteilt zu werden. Sonst würde Boeing bzw. die ULA nicht schon seit geraumer Zeit an der ACES-Architektur (Advanced Cryogenic Evolved Stage) arbeiten und die befasst sich sehr wohl mit LH2-Speicherung. Hier mal zwei beispielhafte Links:

1. Link 1 (sorry. Adresse ist etwas lang)
2. http://www.ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Exploration/DepotBasedTransportationArchitecture2010.pdf

Also sind dann mit Arianespace und ULA die beiden Großen am Thema lagerfähiger Wasserstoff. Da das Ganze nicht von NASA und Esa ausgeht sondern aus der Privatwirtschaft kommt ist es kommerziell Erfolgversprechend.  Vielleicht ist man beim Thema Isolierung eien Schritt weiter als wir denken.

Die "neue " Falcon 9 heavy könnte in meinen Augen auch ein idealer Treibstofftransporter für ein eventuelles Depot sein (zumindest so lange BFR nicht fliegt).
DA könnte man die Nutzlast der Rakete in den LEO mal richtig ausnutzen und die volumenbegrenzung wirkt sich auch nicht negativ aus.

@Doc Hoschi:
Selbst wenn das funktioniert, bringt das nichts, der Grund ist folgender.
Zunächst hier die bekannte Raketengleichung.

dV=V_ISP*LN(Masseverhältnis)
das Masseverhältnis=(Treibstoff+Trockenmasse)/Trockenmasse
und
Trockenmasse=Nutzlast+Triebs+Struktur+Tankmasse

Da man bei LCH4/LOX im Verhältnis zu LH2/LOX bei gleicher Tankmasse ein mehrfaches an Treibstoff unterbringen kann,
wird eine Oberstufe mit Methantriebwerk bei gleichem dV günstiger wenn die Treibstoffkosten im LEO günstiger werden.
In einer Zeit vor der F9 würde das keinen Sinn machen, wenn ein Kilogramm in den Orbit zu bringen so saumässig teuer ist,
hat man aber die F9 und mehr viel mehr noch nachdem eine FH fliegt und alle Booster mehrfach verwendet werden, sieht das ganz anders aus.
Ein Beispiel: LCH4/LOX Triebwerk mit ISP=380s, ein LH2/LOX Triebwerk mit ISP=460s
mit dV=7km/s folgt für
LH2/LOX ein Masseverhältnis von 4,717
für
LCH4/LOX ein Masseverhältnis von 6,539
Zwar wird fast 40% mehr an Treibstoff benötigt, aber die Tankmasse für LCH4/LOX ist erheblich kleiner.

Wie gesagt, kommt der Treibstoff günstig in einen Orbit, lohnt sich LCH4/LOX nicht mehr.

Arianespace und ULA arbeiten an keinem CH4 Konzept sondern an einem H2 Konzept.

Von SpaceX gibt es hier soweit mir bekannt keinerlei Informationen, dass an einem Oberstufenparken oder an einem Depot gearbeitet wird, daher sehe ich hier SpaceX als Offtopic.

Wie das bei Arianespace oder ULA funktionieren soll ist mir auch schleierhaft, der Wasserstoff erwärmt sich zu schnell mit den herkömmlichen Mitteln.

Vielleicht kann man die Strahlung mit gestaffelten Spiegeln von der Oberstufe fernhalten. Gibt es neue Werkstoffe die eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit haben?

@Doc Hoschi:
Selbst wenn das funktioniert, bringt das nichts,

Also ich bin da einer Meinung mit holleser.
Es ist gegenwärtig nun einmal eine Tatsache, dass sowohl der neue Träger Vulcan von ULA sowie SLS der NASA und auch Arianespace auf LH2/LOX in der zweiten Stufe setzen und daher auch an einer LH2-Speicherung im Weltraum gearbeitet wird. Gerade für NEA- oder lunare Missionen scheinen die NASA-Ingenieure einer LH2-Speicherung ja durchaus zugetan zu sein.

Wenn SpaceX dereinst mit Methan-Triebwerken zum Mars fliegen möchte, ist das ja eher dem Vorteil einer Treibstoffgewinnung auf dem Mars geschuldet, als dem Vorteil einer Depotlagerung von Methan (auch wenn dieser noch positiv zum Tragen kommen könnte).

Wenn man in noch fernerer Zukunft tatsächlich effektiven Asteroidenabbau betreiben möchte...*hust*, scheint gerade ja die wirtschaftliche Gewinnung von Wasser gegenüber von Edelmetallen noch am einfachsten zu sein. Und Wasser lässt sich in LH2/LOX umwandeln. Wie man es dreht und wendet, an einer LH2-Speicherung wird man in meinen Augen nicht vorbeikommen.

Wie das bei Arianespace oder ULA funktionieren soll ist mir auch schleierhaft, der Wasserstoff erwärmt sich zu schnell mit den herkömmlichen Mitteln.

Den Ansatz von Arianespace kenne ich nicht, aber zumindest der ACES-Ansatz von ULA setzt dabei u.a. auf ein ausfaltbares hocheffektives MLI-System (Multilayer Insulation), ähnlich dem des James Webb Space Teleskops, um die Erwärmung durch thermische Strahlung zu minimieren.

Nun dann habt ihr wohl ein Problem mit Zahlen?

Es mag ja sein das z.B. ULA ein Konzept hat, aber das ändert nichts an den Fakten.
Der Verweis auf den Abbau von Wasser von Asteroiden ist leider auch falsch,
solange es keine Antriebe mit sehr viel höherem ISP für große Raumschiffe gibt,
wird es auch keinen Abbau geben der über kleine Versuche hinausgeht.
Ohne so einen Antrieb bleibt der Wasser- oder Abbau anderer Stoffe eine Illusion.

Hat man aber eine Antrieb mit hohem ISP braucht man aber kein Wasser mehr das man Nutzen kann um daraus Treibstoff herzustellen.

Und die Isolation bekommt man (zumindest hier auf der Erde) Schub sehr gut hin. Als eine Frage des Aufwands (Volumen, Preis, Stabilität gegenüber beschleunigunggen...,  Gewicht sollte nicht so das Problem sein)

Ich/wir haben sicherlich kein Problem mit Zahlen.....
Mir scheint ich werde hier als Advokat gewisser Gruppen oder Unternehmen hingestellt, nur weil ich auf deren Tätigkeiten verwiesen habe.

Es mag ja sein das z.B. ULA ein Konzept hat, aber das ändert nichts an den Fakten.

Welche Fakten meinst du denn nun? Dass sich ein LH2-Depot nicht lohnt? Darum drehte sich die Diskussion doch auch gar nicht. Nur um die pauschale Aussage "Helium und Wasserstoff lassen sich kaum lagern". Diesen (von mir technisch interpretierte) Kommentar habe ich aufgegriffen und versucht mit Hinweis auf die Tätigkeiten u.a. ULAs zu widerlegen. Ob deren Pläne nun wirtschaftlich Sinn machen, darum ging es doch gar nicht.

Auf die Asteroidenpkläne (von denen ich nicht viel halte), habe ich ebenfalls nur hingewiesen, da diese eine Lagerung von LH2 benötigen, wenn man Wasser abbauen möchte. Die Wirtschaftlichkeit/Sinnhaftigkeit steht auf einem anderen Blatt.

Hat man aber eine Antrieb mit hohem ISP braucht man aber kein Wasser mehr das man Nutzen kann um daraus Treibstoff herzustellen.

Da stimme nicht nur ich zu. Ein Dilemma, auf das auch auf ein von mir hier vor einigen Tagen verlinkter Artikel hinweist.
https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=14089.msg352648#msg352648

Kann ein Spiegel wie beim JWST das komplette Spektrum der Strahlung spiegeln?

Wenn der Spiegel einen Teil der Strahlung durchlässt kann dann ein gestaffelt angeordneter Spiegel da abhilfe schaffen?

@Doc Hoschi:
Das etwas mit einem bestimmten Aufwand realisiert werden könnte, ist schon klar, da geht natürlich auch mit LH2 oder Helium, trotz dessen das die beiden wirklich sehr aufwendig wären.
Nur die Frage warum und wo (>>>Bahntechnisch versteht sich!) sollte man irgendein Depot platzieren?
Erst die Beantwortung dieser Frage, egal von wem und warum der das machen könnte, lässt eine Realisierung in den Bereich des Möglichen rücken.

Meine Liste geht von den technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für bestimmte Stoffe und deren Benötigung aus, hat also nichts mit realen Projekten zu tun.
Hierbei ist die wichtigste Frage für was natürlich noch nicht beantwortet.
Ein Depot macht nur dann Sinn wenn ein Satellit oder Raumschiff das sich im Orbit befindet dort auftanken kann, oder ein Depot sich ihm zu einem Treffen annähert.
Hier muss man meiner Meinung nach trennen zwischen erdnahem (etwa LEO) und erdfernem Raum (z.B. GTO oder GEO) unterscheiden.
Hier mal eine Liste von möglichen Depots und ihren Einsatzzielen (ich nenne das mal jetzt Depotklassen, kurz DKs):

Pos|	Bahnbereich |	Anwendungen                    |	Primärer Bedarf
1 |	LEO              |	MCT,RedDragon,ISS            |	LCH4, LOX,H2O,LAr,LKr,LXe, lagerfähige Treibstoffe
2 |	LEO-2000km|	Müllräumer                          |	LAr,LKr,LXe
3 |	GTO              |	MCT, GEO-Sat's,DeepSpace|	LCH4, LOX,H2OLAr,LKr,LXe
4 |	GEO nahe    |	GEO-Sat's, Müllräumer         |	LAr,LKr,LXe

Derzeit besteht noch für keine dieser DK ein Bedarf, außer vielleicht für die ISS.
Es ist aber klar, dass es für allem für die DK2 einen Bedarf geben wird, weil man das Müllproblem nicht ewig wird ignorieren können.
DK1 wird sicher Thema werden wenn MCT wirklich realisiert wird, hierbei geht es auch um die größten Massen.
DK3 und DK4 kommen eher später, langfristig wird man alle realisieren weil es mit zumindest teilweise wiederverwendbarer Raketen sinnvoll ist.
Im Prinzip ist ein Depot ein Teil einer Infrastruktur für Anwendungen im All, dafür gibt es heute außer für die ISS noch keinen echten Bedarf.
Der eigentlich Grund ist das es bis heute keinen direkten Nutzen für die Betreiber gegeben hat, genau dies ändert sich aber gerade.

Kann ein Spiegel wie beim JWST das komplette Spektrum der Strahlung spiegeln?

Wenn der Spiegel einen Teil der Strahlung durchlässt kann dann ein gestaffelt angeordneter Spiegel da abhilfe schaffen?

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aja  past ja  Spiegel (Isolierung) wie beim JWST