Materialien einer Raumstation

Hallo allerseits,

im Rahmen eines Uni Projekts konzipieren wir ein Weltraumlager, welches an eine Raumstation angedockt wird. Der Astronaut kann dort Dinge automatisch einlagern und an einer Schleuse bekommt er diese in die Hand.

Nun haben wir ein Konzept entwickelt und wir werden das ganze mechatronische System mit den Bewegungsabläufen und der Aktorik simulieren.
Für die genauen Gewichte müssen wir den Einzelteilen natürlich Gewichte zuordnen.

Es stellt sich die Frage, welche Materialien (Gewicht, Festigkeit) dort oben gut einsetzbar. Vorallem welche Kunststoffe dort heute verwendet werden.

Vielleicht könnt ihr mir weiterhelfen.

Danke

lg


/e: habe den Titel nach Aufklärung von Daniel

Hallo und willkommen,

vorweg muss ich schon einen (gängigen) Gedankenfehler ausräumen:

"nur ein paar Grad Kelvin" trifft nicht zu. Das Vakuum hat keine Temperatur. Es ist weder kalt noch warm.
Wärmeaustausch mit der Umgebung geschieht einzig und allein über Strahlung und ob ein Körper auskühlt oder sich erwärmt hängt davon ab ob er netto mehr Wärme abstrahlt oder gewinnt. Dabei spielen alle Strahlenquellen in der Umgebung eine Rolle. Die Sonne strahlt ordentlich ein. Ebenso bringt der Erdoberfläche eine Menge Wärmestrahlung. Auf der Tagseite eines Planeten, am Besten in einem niedrigen Orbit, wird es sogar sehr heiß auf der äußeren Oberfläche eines Satelliten. Einige Orbiter sind schon an Überhitzung gestorben.

Vielen Dank für die Anmerkung. Das ist schon mal sehr gut zu wissen und mehr als die Professoren darüber aussagen konnten. Darüber haben wir nachdem wir das gesagt bekommen haben, nicht mehr wirklich drüber nachgedacht.
Habe den Titel deshalb angepasst.
Vermutlich werden sich die Temperaturen bei sonnenabgewendter Seite bei etwa -270 Grad einpendeln?

Gibt es überhaupt Kunsstoffe für diese Belastungen?

viele Grüße!

Na so kalt wird es nicht sein. Auch Nachts ist die Oberflächentemperatur der Erde im Schnitt über 0°C. Da gibt sie natürlich auch einiges an Wärmestrahlung ab, sodass die Temperatur am (passiven) Raumschiff vielleicht so bei ~-100°C liegen könnte. Das ist jetzt eine Schätzung, genau weiß ich es auch nicht.

Auch musst du berücksichtigen, dass das Raumschiff von der Sonnenseite noch heiß ist und erstmal abkühlen muss und nach ~45 Minuten ist man wieder in der Sonne.

Und zusätzlich dürfte es doch auch noch sich selbst durch alle möglichen Gerätschaften, die sich an Board befinden, erwärmen. Gerade bei einigen Teleskopen im All ist das ja ein Problem, weswegen man sie ganz bewusst kühlen muss.

Man kann das nicht generalisieren. So kalt wird es aber allgemein nicht auf der Oberfläche.

Zur Konstruktion:
Man isoliert die Elemente einer Konstruktion thermisch gegenüber dem Weltall. Dabei wird sog. MLI (Multi Layer Insulation) verwendet, durch die man Strahlungswechselwirkung mit dem All effektiv minimieren kann. Gleichzeitig steuert man den Wärmefluss zwischen einzelnen Elementen der Konstruktion. Ganz allgemein wird versucht man den Wärmeaustausch zwischen Satellit und Weltall zu minimieren (sowohl bzgl. Erwärmung als auch Abkühlung), und zwischen den Bauteilen eines Satelliten zu "maximieren", so dass sich im Inneren der Konstruktion zwischen allen Bestandteilen möglichst gleiche Temperaturen einstellen.
Wenn alles nicht hilft, baut man aktive Kühl- oder Wärmeelemente ein, um Wärme von kritischen Stellen abzutransportieren oder zu ihnen zu bekommen. In der Summe kann man die Wärmeflüsse zwischen Bauteilen und dem Weltall so einstellen, dass man an jedem Ort die passenden Betriebstemperaturen erzielt.

Das würde dann auch für eure Maschine gelten.

Materialeigenschaften
Dann wäre da noch die Frage: welche Materialeigenschaften sind denn für euch interessant? Festigkeit? Elastizität? Leitfähigkeit? optische Eigenschaften der Oberfläche? usw. ... der Parameterraum ist riesig, wenn er nicht eingegrenzt wird .

Was für eine Fakultät seid ihr denn?

Vermutlich werden sich die Temperaturen bei sonnenabgewendter Seite bei etwa -270 Grad einpendeln?

Dabei vergisst du aber die Wärmeleitung des Materials selbst, und dass das 'Lager' unter Druck steht , die Luft leitet die Wärme auch etwas ... 

Mit der ML-Isolation dürfte es schon mal viel ausgeglichener sein.

Das sind schon einmal sehr interessante Informationen!
Wichtig ist v.a. Festigkeit, Dichte, evtl. Elastizität des Materials, sowie, vermutlich Wärmeleitfähigkeit um die hohen Temperaturen bei Sonneneinstrahlung zu verteilen.

Die Ausgangslage habe ich am Anfang blöderweise nicht ganz exakt beschrieben.
Vielleicht sollte ich noch ein wenig näher auf das ganze System eingehen:
Die Raumstation hängt an einem Seil welches zur Erde gespannt ist. Es handelt sich also um ein Lagersystem welches quasi von einem Space Elevator beliefert werden soll.
Der Abstand zur Erde beträgt 16*Erdradius, sprich über 100 000 km.
Kann es sein, dass dort die Temperatur auf nahe dem absoluten Nullpunkt sinkt? Dort würden dann, alle uns bekannten Kunsstoffe, außer Betracht fallen.

Unsere Fakultät ist Maschinenbau.

Danke!

grüße!

Wenn die Station 100.000km von der Erde weg ist, dann wird der Satellit doch fast immer von der Sonne angestrahlt und damit dürfte es dort dann recht warm sein.

Puuh. Tatsache. Selbst die Professoren und ein paar hundert Stundenten gehen davon aus, dass es extrem kalt ist. Toller Gedanke.
Werde dann mal nachrechnen wielange das ganze sich theoretisch im Erdschatten befindet. Müsste ja nur ganz kurz sein.

Danke soweit

Un wo wir gerade dabei sind: Selbst auf Pluto ist die durchschnittliche Temperatur noch bei ~40Kelvin, das kannst du hier sehen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Pluto

Die kältesten Orte im Sonnensystem sind sicher menschengemacht, z.B. in Forschungslabors auf der Erde oder flüssiges Helium in Raketen, Raumsonden etc.. Ich glaube nicht, dass es einen natürlichen Ort im Sonnensystem gibt, wo Helium bei 1 bar (4 Kelvin) flüssig ist. Selbst mit flüssigem Wasserstoff bei 1 bar (20 Kelvin) dürfte es schon schwierig werden. Insofern ist der Tank jeder Rakete mit Wasserstoff kälter als (fast) alle Orte im Sonnensystem. Und was benutzt man für Raketentanks: Aluminium zum Beispiel.

Temperaturen im Bereich von 0° Kelvin werden in Erdnähe (auch in 100000 km Entfernung) auf keinen Fall erreicht.
Nicht mal annähernd.

Die Sonneneinstrahlung ist in 150 Millionen km noch recht stark und die Erde strahlt auch Wärme ab.
Problematisch sind hier eher die Temperaturunterschiede:
Oberflächen, die von der Sonne angestrahlt werden, erreichen etwa 120°C.
Oberflächen, die im Schatten liegen, geben Wärme in Form von Strahlung ab und erreichen etwa minus 100°C.
Daraus resultieren Materialspannungen durch ausdehnen und zusammenziehen.
Satelliten werden nach Möglichkeit in eine leichte Drehung (Spin) versetzt, um diese Temperaturschwankungen auszugleichen.
Im Inneren eines Körpers, der sich in Erdnähe befindet, herrschen gewöhnlich moderate Temperaturen von ca. 15°C.

Dafür sind die Materialien einer erhöhten Strahlung durch den Sonnenwind und Mikrometeoriten ausgesetzt, die sonst durch die Atmosphäre absorbiert werden.

Werde dann mal nachrechnen wielange das ganze sich theoretisch im Erdschatten befindet. Müsste ja nur ganz kurz sein.

Auch im Erdschatten ist es nicht "kalt", bzw. er rettet den Gedankengang nicht. Die Nachtseite der Erde strahlt weiter Wärme ab.
Hinzu kommt noch der Mond, v.a. da wir einen relativ großen Mond haben. Auch der leuchtet auf Objekte im Erdorbit.

Nur am Rande:

Falls ihr wirklich nur eine Massenabschätzung machen wollt, dann lohnt sich dieser Aufwand zum Wärmehaushalt gerade nicht wirklich. Normale Metalllegierungen sind gängige Baustoffe in der Raumfahrt. Sie funktionieren offensichtlich.

Kann es sein, dass dort die Temperatur auf nahe dem absoluten Nullpunkt sinkt?

Nein. Denn das Material selber besitzt ja innere Wärme, und die kann es nur durch Strahlung - also sehr schlecht und sehr langsam - abgeben.  Bis es um die Hälfte abgekühlt wäre, war es schon wieder 5-mal im Licht..
Genau, der Mond, hatte ich mir auch gedacht.
Hintergrundstrahlung, ...
(@Schillrich
Dass allerdings die Nachtseite der Erde auch Energie abstrahlt, darauf wäre ich jetzt nicht von selbst gekommen.... Guter Gedankengang !  )


Seht euch mal den Mond an, ich denke, der ist ein gutes Beispiel: +120° an der sonnengewndten Seite, -100° auf der dunklen.
Bei einem Raumschiff werden die Unterschiede wegen der besseren Wärmeleitung der Metalle nicht so enorm sein, aber unter -150°C wirst du wohl ohne Kühlung nie kommen!




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Falls ihr wirklich nur eine Massenabschätzung machen wollt, dann lohnt sich dieser Aufwand zum Wärmehaushalt gerade nicht wirklich. Normale Metalllegierungen sind gängige Baustoffe in der Raumfahrt. Sie funktionieren offensichtlich.

Genau. Das könntet ihr vernachlässigen, da gibt es schon fertige Systeme, auf die man zurückgreifen könnte/würde.
Stellt euch das vor wie eine Blackbox, in der es angenehme Temperaturen hat (besonders wenn bemannte Missionen hingehen, dann steht das unter Druck und die Temperaturen haben 21°C. )

Das heißt zu berücksichtigen wäre:
Strahlungsresistenz geegnüber der Weltraumstrahlung, niedriger (atmosphärischer) Druck, keine Schwerkraft.

Super. Das sind schon weit mehr Informationen als ich mir erhofft hatte.
Vielen Dank euch allen.

Wie würdet ihr die Temperaturspanne im Abstand von 100 000 km etwa schätzen?
Sind Vergleich mit dem Mond brauchbar, da dieser ja schließlich eine Art Atmosphäre besitzt?

Viele Grüße!

Wie würdet ihr die Temperaturspanne im Abstand von 100 000 km etwa schätzen?

Genau so hoch wie in 200 km,





Der Mond ist nur 384.000km von der Erde entfernt. Er umläuft die Sonne auf der selben Umlaufbahn (zweites Bild) so dass er die gleiche Sonnenstrahlung erhält. Solche kleinen Distanzen sind sowieso total vernachlässigbar - da sind Schwankungen der Sonnenaktivität auswirkungsvoller!

Sind Vergleich mit dem Mond brauchbar, da dieser ja schließlich eine Art Atmosphäre besitzt?

Naja, die Exosphäre des Mondes ist den Namen Atmosphäre nicht wert. Da fliegt ein Atom und ein paar meter weiter ein anderes.

Jedes davon nimmt ein 5000000000000-stel der eingestrahlten Energie der Oberfläche auf und wenn es zufällig auf die Nachtseite fliegt, dann gibt es diese wieder ab.

Im Ernst, natürliche Geothermische (lunathermische) Hotspots beinflussen die lokalen Temparaturen da 1000 mal mehr.

Hätte der Mond eine Atmosphäre, gäbe es dort flüssiges Wasser, eine durchschnittliche Temperatur von 15°C (natürlich mit regionalen Abweichungen von +-30°C) und du würdest im Sommer dort Urlaub machen.

Hallo runner,

Der Mond ist nur 384.000km von der Erde entfernt. Er umläuft die sone auf der Selben Umlaufbahn (zweites Bild) so dass er die gleiche Sonnenstrahlung erhält. Solche kleinen Distanzen sind sowieso total vernachlässigbar - da sind Schwankungen der Sonnenaktivität auswirkungsvoller!

da denkst du jetzt zu einfach. Für niedrig fliegende Satelliten ist die Erde ein riesen Problem. "Egal" wohin man schaut, die Wahrscheinlichkeit ist hoch, dass man die Erde sieht, weil sie einen großen Teil des Raumwinkels aus Sicht des Satelliten einnimmt. Die Erdscheibe "verdrängt" quasi den Raumbereich aus dem Sichtfeld, in den man frei abstrahlen kann und aus dem keine Wärme kommt.
Außerdem nimmt die Strahlenintensität mit 1/r² ab. Auch das macht die Abstandsänderung zur Erde bedeutend.
Der Sprung von 200km auf 100 000km macht sich deutlich im Thermalhaushalt bemerkbar, auch wenn man sich von der Sonne nicht wirklich entfernt .

Die Sonneneinstrahlung ist in 150 Millionen km noch recht stark und die Erde strahlt auch Wärme ab.
Problematisch sind hier eher die Temperaturunterschiede:
Oberflächen, die von der Sonne angestrahlt werden, erreichen etwa 120°C.
Oberflächen, die im Schatten liegen, geben Wärme in Form von Strahlung ab und erreichen etwa minus 100°C.
Daraus resultieren Materialspannungen durch ausdehnen und zusammenziehen.
Satelliten werden nach Möglichkeit in eine leichte Drehung (Spin) versetzt, um diese Temperaturschwankungen auszugleichen.
Im Inneren eines Körpers, der sich in Erdnähe befindet, herrschen gewöhnlich moderate Temperaturen von ca. 15°C.

Sind Vergleich mit dem Mond brauchbar, da dieser ja schließlich eine Art Atmosphäre besitzt?

Atmosphäre am Mond?
Aber ja, die Temperaturen vom Mond sind ähnlich.
Allerding muß man dabei beachten, dass eine Seite des Mondes immer zur Erde ausgerichtet ist.
Außerdem gibt es an den Polen mit sehr flacher Sonneneinstrahlung und sogar Krater, die niemals von der Sonne beleuchtet/erwärmt werden.
Laut Wikipedia liegt die Durchschnittstemperatur auf dem Mond bei -55°C, also schon deutlich kälter, als in einem 100000 km Erdorbit.

so wie ich das sehe müssten also temperaturen von -150 Grad nicht unterschritten werden, richtig?

Gibt es Einwände, die gegen die Verwendung von Magnesium statt Aluminium sprechen? Als Einlagerungsboxen beispielsweise?

Gruß und Danke für die rege Beteiligung!

...müssten also temperaturen von -150 Grad nicht unterschritten werden, richtig?

Richtig, in 100000 km von der Erde wird es nie so kalt.

Über die Eigenschaften von Magnesium weiß ich zu wenig.

Hallo allerseits,

Nun haben wir uns folgendes überlegt:
Da die Erdachse schief ist und die Station an einem Seil der Länge 16*Erdradius hängt, befindet sich die Station niemals im Schatten der Erde.

Auf dem Mond hat es ja ca. 130 Grad Maximaltemperatur. Das würde für uns in etwa die gleiche Temperatur bedeuten, oder?

Relevant ist das unter anderem auch für unsere Motoren. Kann man das ganze ohne großen Energieaufwand ordentlich gegen die Wärmestrahlung abschirmen?

Grüße und Danke

Relevant ist das unter anderem auch für unsere Motoren. Kann man das ganze ohne großen Energieaufwand ordentlich gegen die Wärmestrahlung abschirmen?

Alufolie/Goldfolie/weißer Anstrich

Reflektiert alles wunderbar Wärmestrahlung. Der Mond ist ja nur so heiß auf der Tagseite, weil er eine sehr geringe Albedo (=Rückstrahlvermögen) hat (0,12 also reflektiert er nur 12% des eingestrahlten Lichts). Mit entsprechender Verpackung lässt sich aber eine sehr hohe Albedo erreichen (Erdsatelliten sind oft in Goldfolie verpackt).

Denkt aber daran, das auch die Motoren eigenwärme produzieren die auch irgendwo hin muß.

Reflektion siehe auch Farben der ISS.

Mfg Collins