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Unser Universum erklärt von Bakhtosh

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Unser Universum erklärt von Bakhtosh

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Bakhtosh
04.22.2012 , 03:36 AM | #201
Weltraumbahnhof


Als Weltraumbahnhof oder kurz Raumhafen (für den Raumflughafen oder Weltraumhafen) bezeichnet man unter anderem einen Raketenstartplatz, an dem auch Trägerraketen für orbitale und interplanetare Weltraummissionen starten können. Dabei kann es sich um unbemannte Satelliten- oder Raumsondenstarts oder bemannte Raumflüge handeln. In Russland und China ist auch der Begriff Kosmodrom geläufig. Die meisten Weltraumbahnhöfe verfügen auch über Startanlagen für Höhenforschungsraketen und/oder für militärische Raketen zu Versuchszwecken.

Weltraumbahnhöfe werden derzeit von einzelnen Weltraumnationen, Staatenorganisationen (wie der ESA) oder privaten Unternehmen (Sea Launch) unterhalten.

Standortbedingungen

Die Kriterien für den Standort eines Weltraumbahnhofs sind vielfältig. Er sollte wenn möglich nahe am Äquator liegen: Durch die Erdrotation hat die Rakete dort bereits die auf der Erdoberfläche maximal vermittelte Grundgeschwindigkeit und muss weniger beschleunigen, um insgesamt auf die im Orbit notwendige Geschwindigkeit zu kommen. Zudem erleichtert die Lage das Erreichen der Umlaufbahn. Nur für Starts in polare Orbits sind polnahe Standorte günstiger (zum Beispiel Plessezk).

Ein Raketenbahnhof sollte sich in einem politisch stabilen Staat befinden, da sein Aufbau mit großen Investitionen verbunden ist. Er sollte abseits von dicht besiedeltem Gebiet liegen und in östlicher Richtung einen Ozean oder ein sehr dünn besiedeltes Gebiet haben. Denn fast alle Raketenstarts erfolgen mit der Erdrotation (aus oben genanntem Grunde) in östlicher Richtung. Wenn es zu einem Fehlstart kommt, könnten sonst Menschen durch nieder stürzende Trümmer und Treibstoffe gefährdet werden. Zudem ist der Standort auf die politische Einflusssphäre des errichtenden Staats oder der Staatenorganisation beschränkt.

Der Weltraumbahnhof sollte an einem geologisch stabilen Ort gebaut werden, der von größeren und vielen Unwettern verschont wird, da Raketenstarts bei Regen oder Sturm meist abgesagt werden müssen. Schließlich sollte genügend Raum vorhanden sein, um ihn gegebenenfalls ausbauen zu können.

Der ideale Standort für einen Weltraumbahnhof existiert jedoch nicht und bei der Wahl müssen Kompromisse eingegangen werden.

Beispiel: Kourou

Der europäische Weltraumbahnhof Centre Spatial Guyanais in Kourou besitzt von ähnlichen Einrichtungen weltweit die günstigste Lage. Er liegt im französischen Übersee-Departement Französisch-Guayana im Norden Südamerikas (politisch stabil) und liegt sehr dicht am Äquator (günstige Starteigenschaften, maximaler Geschwindigkeitsbonus durch Erdrotation). Die Region ist sehr dünn besiedelt und grenzt im Nordosten an den Atlantik (geringe Gefährdung für Menschen). Da der Weltraumbahnhof direkt an ein ausgedehntes Waldgebiet grenzt, ist auch sein Ausbau problemlos möglich. Zwar besitzt Kourou ein subtropisches Klima, wird jedoch von den meisten Atlantikstürmen verschont. Zudem lassen sich Material und Güter aufgrund der Küstenlage sehr einfach und schnell dorthin transportieren. Er liegt jedoch sehr weit von den Betreiberstaaten (Frankreich, ESA) entfernt.

Kourou : Ariane 5 Rocket Launch Helios 2B French Military Satellite

http://www.youtube.com/watch?v=b-Tnh0tB3Iw

Russland : Expedition 27 Crew Prepares for Launch as their Soyuz Rocket Move to Launch Pad

http://www.youtube.com/watch?v=urOu6AM_cCc

Raketentypen

http://www.google.de/imgres?q=rocket...9,r:2,s:0,i:68

http://de.wikipedia.org/w/index.php?...20080222165232

Bild anklicken um es zu vergrößern

LEO = Low Earth Orbit / TLI = Trans Lunar Injection


Energija fehlt hier eigentlich....

...ist eine sowjetische Trägerrakete, die entwickelt wurde, um die Raumfähre Buran in den Orbit zu transportieren. Die Rakete kam zweimal, 1987 und 1988, erfolgreich zum Einsatz. Die Energija wurde ebenso wie die Raumfähre Buran vom Konstruktionsbüro OKB-1 Koroljow, heute RKK Energija, entwickelt

Die Rakete ist zweistufig mit einer Höhe von 58,8 m und einem Startschub von 35.000 kN. Sie konnte eine Nutzlast von ca. 96 t in eine erdnahe Umlaufbahn und ca. 22 t in eine Geostationäre Transferbahn transportieren und ist damit bis heute neben der Saturn V und der N-1 die stärkste jemals gebaute Rakete



Wie ihr seht gibt es weniger als eine Handvoll Raketen die überhaupt bis zum Mond fliegen können und die sind wirklich riesig.

Hoffe es hat euch mal wieder gefallen hier rein zu schnuppern.....

@ werjo

Quote:
Ich kann mich nämlich noch gut daran erinnern wie du mal vorgerechnet hast, wie wahrscheinlich eine 2. Erde in unserer Milchstraße ist. Die Wahrscheinlichkeit ging da gegen 0 . Nützt uns also alles nix, weil in ne andere Galaxie kommen wir ohnehin nicht.
Bei der Rechnung ging es von ca. 300 milliarden auf ca. 50 Millionen und ich schrieb da das man die Zahl warscheinlich auch noch weiter nach unten korregieren kann. Auch wenn 10 Millionen Planeten übrig bleiben und die in der Milchstrasse ( nicht Galaxie ) verteilt werden sind die Entfernungen dennoch enorm.

Nun bin ich bei den Trägersystemen wo du Zweifel angebracht hast, Kosten nutzen kommt morgen.

MFG

Bak
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Bakhtosh
04.22.2012 , 04:10 PM | #202
Kosten der Weltraumfahrt

Selbst Befürworter der Weltraumfahrt geben es heute offen zu - und die Gegner der Weltraumfahrt wußten es ja sowieso schon immer: Die Kosten der Raumfahrt sind zu hoch. Da nützt es auch nichts, dem Vorwurf auszuweichen, indem man aufzeigt, daß wir für Kartoffelchips und Opernbesuche ja noch sehr viel mehr Geld ausgeben. Alle Träume von der Eroberung des Kosmos, von Weltraumtourismus und dergleichen werden Makulatur bleiben wenn es nicht gelingt, die Kosten drastisch zu senken.

Kosten der Raumfahrt - das sind hauptsächlich die Zugangskosten in den Weltraum, also z.B. in den erdnahen Orbit (Low Earth Orbit = LEO). Diese Kosten werden üblicherweise in DM/kg Nutzlast angegeben. Genaue Beträge sind meist nicht zu erhalten, zumal öffentliche Stellen die Kostenstruktur gerne günstiger aussehen lassen möchten. So werden z.B. die Entwicklungskosten für Raketen, für Infrastruktur etc. als „allgemeine Wissenschaftsförderung“ unter den Tisch gekehrt (hierzu ein Beispiel zur Ariane V). Somit ist es schwer, konkrete Zahlen zu bekommen oder sich auf „offizielle“ Kosten zu einigen. Trotzdem gilt für den Space Shuttle eine Zahl von DM 35.000,- / kg (18.500 US-$) heute als allgemein akzeptiert (die Kosten pro Start werden selbst von der NASA mit ca. 550 Millionen US-$ angegeben. Alle Zahlen Stand 1993). Der Shuttle, der einstmals konstruiert wurde, um die Kosten zu senken, ist übrigens das teuerste Transportgerät überhaupt. In einem gewissen Sinne ist der Shuttle somit wie ein Schulaufsatz: Interessant, aber am Thema vorbei....

Zum Vergleich: DM 35.000,- / kg - das ist weit mehr als ein kg Gold kostet! Würde im Weltraum das Gold also nur so ‘rumschweben, dann würde es sich schon nicht mehr lohnen, mit dem Space Shuttle hinzufliegen und es einzusammeln. Dieser Preis bedeutet, daß ein 85 kg schwerer Astronaut mit 15 kg „Handgepäck“ (100 kg insgesamt - da läßt es sich leichter rechnen) somit 3.500.000,- DM auf den Tisch des Hauses blättern muß, wenn er fliegen will. Bei diesen Preisen ist Weltraumtourismus offensichtlich nur etwas für Bill Gates und Anhang.

Wie hoch aber könnten die Transportkosten tatsächlich sein ? Welchen Preis können wir auf der Basis einer existierenden oder absehbaren Technologie überhaupt erreichen ? Und welchen Preis würden wir als „preiswert“ akzeptieren ?

Überlegungen zu dieser Thematik sind häufig nebulös und erschöpfen sich in allgemeinen Betrachtungen. Fairerweise muß man hierzu allerdings sagen, daß es schwierig ist, Konstenprojektionen abzugeben, wenn kein konkretes Design auf dem Tisch liegt. Gelegentlich wird Raumfahrt jedoch mit der Luftfahrt verglichen. Thema: was wäre, wenn wir Raumschiffe wie Flugzeuge betreiben könnten? Diesen Gedanken wollen wir einmal aufgreifen.

Kosten der Luftfahrt

An der Luftfahrt nehmen wir alle teil. Nahezu jeder von uns hat schon einmal eine Flugreise unternommen. Insofern gelten die Kosten einer Flugreise allgemein als akzeptabel. Nun werden wir Raumflüge in naher Zukunft kaum mit der gleichen Selbstverständlichkeit unternehmen können wie z.B. eine Flugreise nach Mallorca. Raumflug wird sicher noch eine Weile etwas Besonderes bleiben. Betrachten wir also eine Flugreise, die ebenfalls etwas besonderes ist, nämlich einen Flug mit der Concorde. Der ist ja bekanntermaßen auch nicht gerade billig, aber es gibt genug Leute, die ihn sich leisten können. Der Flug mit der Concorde ist etwas besonderes und trotzdem alltäglich.

Über die Concorde sind folgende Daten verfügbar: Max Startgewicht 186.000 kg Treibstoffzuladung 96.000 kg Passagierzahl 100 Für einen Flug mit maximaler Reichweite (Paris - New York plus etwas 10 % Treibstoffreserve als Sicherheitszuschlag ) werden also bei vollbesetzter Maschine ca. 1000 kg Treibstoff pro Passagier aufgewendet. Das ist sicherlich nicht gerade die energetisch günstigste Form der Flugreise, gilt aber als akzeptiert. (Man kann an dieser Stelle übrigens noch bemerken, daß Paris - New York nicht die weiteste denkbare Flugstrecke ist - Reisen nach Australien sind fast doppelt so weit und gelten auch als akzeptiert. Sie werden mit der Concorde bloß deshalb nicht beflogen, weil sich die meisten Länder erfolgreich dagegen gewehrt haben, der Concorde Landerechte zu gewähren.)

Doch halt:

Wer nach New York fliegt, kommt in aller Regel auch auf die gleiche Weise zurück. Das sind also 2000 kg Treibstoff pro Passagier für eine typische Rundreise. Dies ist keine Spitzfindigkeit, denn im Vergleich zur Raumfahrt ist es ja so, daß bei einem Raumflug die Rückkehr zur Erde aus dem LEO ja energetisch kostenlos ist - ein wichtiger Unterschied zu einer typischen Flugreise.

2000 kg Kerosin pro 100 kg Passagier gelten also als akzeptabel. Nun ist es aber so, daß das Kerosin noch verbrannt werden muß. Hierzu sind nochmal ca. 7000 kg Sauerstoff erforderlich (bei stöchiometrischer Verbrennung im Verhältnis 3,5 : 1), den das Flugzeug bekanntermaßen einfach aus der Atmosphäre entnimmt. Dies ist (heute) kostenlos.

Auch die Rakete (die wir anschließend betrachten werden) benötigt natürlich Sauerstoff zur Verbrennung ihres Treibstoffes. Der Unterschied zum Flugzeug besteht ganz offensichtlich darin, daß die Rakete, die sich ja im luftleeren Raum bewegt, ihren Sauerstoff ebenfalls „wie Treibstoff“ mitführen muß, und zwar in verflüssigter Form (LOX). Auch die Rakete erhält ihren Sauerstoff letztendlich aus der Atmosphäre „umsonst“, es fallen (lediglich) Verflüssigungskosten an. Den Sauerstoff können wir also für einen fairen Vergleich nicht einfach „vergessen“, sondern müssen ihn der Treibstoffbilanz zuschlagen.

Ein Flug mit der Concorde verbraucht also 2000 kg Benzin plus 7000 kg Sauerstoff = 9000 kg Treibstoff pro 100 kg Passagier. Anders ausgedrückt: Passagiere sind die einzige Nutzlast der Concorde (sie ist ja kein Frachtflieger). Somit ist die treibstoffmäßige Nutzlastbilanz der Concorde 90 kg Treibstoff pro 1 kg Nutzlast oder 90:1.

Sind Raketen ineffizient ?

Betrachten wir nun die Rakete. Ganz sicher wird die Rakete in den nächsten Jahren (wahrscheinlich sogar in den nächsten 30 bis 50 Jahren) das einzige technisch einsetzbare Gerät sein, mit dem Menschen und Material in großtechnischen Mengen in den Weltraum gelangen können. Zumindest macht es derzeit keinen Sinn, heute über andere Möglickeiten zu diskutieren, wenn nicht zumindest theoretisch gangbare Konzepte vorliegen. Stellen wir uns deshalb eine Rakete vor, die sich ganz im Rahmen der heutigen Technik bewegt und einem Vergleich mit der Luftfahrt standhält. Das wäre eine Rakete, die mit Kerosin als Treibstoff und (flüssigem) Sauerstoff betrieben wird (ganz so wie die russischen Startraketen). Diese Rakete setzt also keine exotischen Treibstoffe, keinen problematischen Wasserstoff und keine besondere Infrastruktur voraus - Kerosin gibt es in jeder größeren Stadt der Welt zu kaufen und flüssigen Sauerstoff übrigens ebenfalls.

Mathematische und physikalische Betrachtungen zur Raketentechnik haben gezeigt, daß eine solche Rakete (Kerosin und LOX), die in den LEO fliegen soll, nicht einstufig sein kann. Zwei Stufen sind aber realistisch. Hierbei gehen wir vorläufig davon aus, daß beide Stufen wiederverwendet werden können (ist auch machbar), ohne uns im Moment mit einem detailierten Konzept zu befassen. Die Effizienz einer Rakete drückt man üblicherweise über das sog. Massenverhältnis aus. Ohne allzu große Mühe ist es sicher möglich, Kerosin/LOX Raketen mit einem Gesamt-Massenverhältnis von 30:1 zu bauen (hierzu eine Modellrechnung). Das Massenverhältnis ist das Gewichstsverhältnis der startfähigen, vollbetankten Rakete zu ihrem Leergewicht.

Das heißt aber nichts anderes als daß wir 30 kg Treibstoff (Kerosin UND Sauerstoff) für den Transport von einem kg Nutzlast „aus dem Stand“ in den LEO aufwenden müssen. Das ist erstaunlicherweise sehr viel besser (nämlich 3 x besser) als bei der Concorde ! Wie das ?

Ganz offenichtlich transportiert ja die Concorde auch ihr Eigengewicht. Dies ist zwar im eigentlichen Sinne keine Nutzlast, aber natürlich können auch bei der Rakete die Menschen als Nutzlast nicht einfach „oben ohne“ fliegen, sondern benötigen irgendeine umgebende Struktur, Sitze und dergl.
Bei der Concorde liegt diese Strukturmasse für 100 Passagiere a 100 kg = 10.000 kg Nutzlast bei ca. 100.000 kg (nämlich eben das Leergewicht des Flugzeugs mit allem Drum und dran).
Dies ist ein Nutzlast / Strukturverhältnis von 1 : 10. Nun gehören aber zum Flugzeug eine ganze Menge Elemente, die eine Rakete gerade nicht benötigt und die besonders schwer sind, z.B. Flügel (die nützen im Orbit nichts und stören beim Start nur), ein Fahrwerk etc. Auch viele Ausstattungselemente, die für ein Flugzeug typisch sind wie z.B. bequeme Liegesitze, Hutablage, Bordkino, eine Küche, Bordverpflegung, Toiletten und Stewardessen, die einem Bier bringen (na ja, das vielleicht schon) benötigt der Raketentransporter nicht, denn üblicherweise dauert der Flug in den Orbit kaum länger als eine Stunde. Hier könnte dann an eine Raumstation angedockt werden. Bitte beachten Sie weiterhin, daß die Antriebsstruktur wie z.B. Düsen, das Tankgewicht etc. der Oberstufe ebenfalls nicht in die Berechnung eingehen, denn diese Elemente sind ja bei unserer Modellrechnung der Rakete der zweiten Stufe zugeschlagen, die zwar ebenfalls in den Orbit gelangt, aber nicht zur Nutzlast gehört.

Somit können wir für die Transportkapsel der Rakete ein Nutzlast / Strukturverhältnis annehmen, daß offensichtlich deutlich unter 10 liegen kann. Nehmen wir einmal an, das Verhältnis läge bei 1 zu 4 (ein sicher machbarer Wert - die meisten Autos, die nicht gerade gewichtsoptimiert sind, weisen sogar noch ein sehr viel besseres Verhältnis auf, sogar der Space Shuttle bringt es auf 1 (kg Nutzlast) zu 3 (kg Struktur), wäre er "flügellos", würde er sogar 1:1 "chaffen" - aber wir rechnen mit dem schlechteren Wert von 1:4), dann bedeutet das, daß wir pro kg Nutzlast insgesamt 5 kg Gesamtmasse in den Orbit transportieren müssen, und zwar bei einem Massenverhältnis von 30 zu 1.

Also: 1 kg „echte“ Nutzlast benörigt 150 kg Treibstoff. Das ist somit schlechter als bei der Concorde (90 kg), aber nicht so schlecht wie viele von uns angesichts der riesigen Raketen wohl gedacht hätten ! Wenn man die Concorde als Fluggerät akzeptiert, dann ist dieser Wert für eine Rakete ganz sicher auch noch akzeptabel, speziell dann, wenn man sich vor Augen hält, was Raumflug wirklich ist !

Raketen sind also nicht „völlig uneffizient“. Auch sind sie nicht "zu groß".

Jedenfalls haben wir jetzt ein realistisches Maß für die Treibstoffkosten. Die Kosten für Kerosin und flüssigen Sauerstoff liegen heute bei ca. 0,25 DM / kg (Weltmarktpreise, in großtechnischen Mengen, ohne Steuern). Dann kostet das kg Nutzlast also 150 kg Treibstoff x 0,25 DM / kg Treibstoff = 35,- DM. Der „ganze Mann“ (von 100 kg) muß also DM 3500,- für den Treibstoff seines Fluges in den LEO bezahlen. Nun sind wir mit der Kostenrechnung aber immer noch nicht am Ende. Denn Treibstoffkosten sind schließlich nur ein Teil einer genauen Kostenanalyse. Es kommen Infrastrukturkosten, Kosten für den Kapitaldienst des Fluggerätes, Gehälter, Werbungskosten etc. und natürlich der kalkulatorische Gewinn hinzu. Wenn wir beim Vergleich mit der Luftfahrt zu bleiben (wo Treibstoffkosten 10 bis 25 % der Gesamtrechnung ausmachen), müssen wir hierfür noch einmal 10.500,- DM ansetzen. Die abschließenden Ticketkosten lägen dann bei 14.000,- DM. Das wäre übrigens kaum teurer als ein Flug mit der Concorde von London nach New York ! Sehr viel weniger als eine zünftige Kreuzfahrt.

Das Facit

Obige Berechnungen sind sog. Screening Calculations, um Größenordnungen abzuschätzen. Vielleicht haben Sie Lust, selbst etwas herumzurechnen. Rechnen Sie mit anderen Treibstoffkosten, mit anderen Masseverhältnissen, z.B. 50:1 (für eine Rakete mit Druckgasförderung) oder gar mit 100:1 (für eine wirklich einfache, aus Stahl aufgebaute Rakete mit Druckgasförderung) etc. Vermutlich werden auch Sie herausfinden, daß die Größe der Rakete nicht die Kosten ausmacht. Für jemanden, der schon einmal vor einer Rakete gestanden hat und sich gewundert hat, wie groß die sind, ein ungewöhnliches Ergebnis.

Groß ist nicht teuer, solange wir das KISS-Prinzip auf die Konstruktion anwenden - Keep It Simple Stupid !

Nun wird niemand ernsthaft erwarten, daß wir in nächster Zukunft für 14.000,- DM in den LEO fliegen können. Auch enthält die obige Rechnung eine Reihe von Annahmen wie z.B. die Annahme eines Gesamtmassenverhältnisses, die ohne Spezifikation des Fluggerätes natürlich vage ist (wenngleich die Modellrechnung sicherlich korrekt ist). Auch die Verhältniszahl von Strukturmasse zu Nutzlast bleibt ohne Konzept für das Fluggerät gleichfalls vage. Dennoch sind diese beiden Faktoren m.E. größenordnungsmäßig korrekt eingeschätzt. Schwammig hingegen ist die Annahme, daß von den Treibstoffkosten auf die Betriebskosten geschlossen werden kann. Diese Annahme ist - wie gesagt - aus der Luftfahrt entlehnt (und hier ist die Zahl ganz gut belegt, ändert sich allerdings ständig mit dem Dollar- und Ölpreis), sie ist aber vorerst keinesfalls auf die Raumfahrt übertragbar. In der Luftfahrt ist sie zudem ja ein Ergebnis eines weltweiten Massenbetriebs, der in der Raumfahrt ebenfalls so schnell nicht erreicht werden wird. Andererseits wollten wir ja untersuchen, was „sein könnte“, wenn wir die operativen Strukturen der Luftfahrt auf die Raumfahrt übertragen könnten. Das heißt nicht, daß Raketen so gebaut werden sollten oder so aussehen sollten wie Flugzeuge. Hierauf gehen wir später ein.

Zumindest zeigt die Rechnung folgendes:

1) vom Energiestandpunkt sind Raketen nicht so uneffizient wie die meisten Menschen denken!

Vielmehr bewegt sich der Treibstoffaufwand in Dimensionen, die in der Luftfahrt als akzeptiert gelten. Die landläufige Meinung, daß Raketen teuer sind weil sie groß sind (und groß heißt ja: viel Treibstoff) ist also ganz klar falsch!

2) Für die Erschließung des LEO sind keine exotischen neuen oder extreme, an ihre Grenzen konstruierte Technologien nötig.

3) Der obige fiktive Ticketpreis entspräche einer Reduktion der heutigen Kosten um mehr als 99 % !


Selbst wenn für Teile der o.g. Rechnung schlechtere Werte angenommen werden und sich das Endresultat mehr als verzehnfachen würde, so scheint doch eine Reduktion um 90 % bis 95 % gegenüber heutigen typischen Startkosten möglich und würde einen Trip in den Weltraum für viele von uns - wenngleich immer noch teuer, so doch „erschwinglich“ machen.

90 % Ersparnis bei den Startkosten heißt z.B. für die USA, die ca. 5 Mrd. $ für Startdienste pro Jahr ausgeben, daß 4,5 Mrd. $ eingespahrt werden könnten. Jedes Jahr. Mit dem Geld könnte man dann Sozialwohnungen bauen. Oder die Wale retten. Oder was auch immer. Ohne daß es "weniger Weltraumfahrt" gäbe ! Oder aber wir könnten das Geld für die Konstruktion von Nutzlasten ausgegeben. Oder zum Mond fliegen. Oder zum Mars. Das Geld könnten die USA jedes Jahr einsparen! Selbst wenn die Konstruktion eines Billigboosters 4,5 Mrd. $ kosten würde, würde sich die Sache nach nur einem Jahr schon amortisiert haben.

4) Es sind auch Transportprobleme denkbar, bei denen der Strukturanteil zur Unterstützung der Nutzlast sogar geringer ausfällt als in der obigen Rechnung. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn es sich nicht um eine Rückkehrkapsel handelt, sondern die ganze Nutzlast (z.B. ein Raumlabor) im Orbit bleiben soll. Hierbei wird die umgebende Startschutzstruktur üblicherweise früh im Flug abgeworfen. In diesem Falle würde sich die Rechnung um den Faktor „Strukturanteil“ sogar verbessern.

Dies ist interessanterweise eigentlich sogar der Regelfall der Raumfahrt.

Nutzlast ist nicht gleich Nutzlast

Die USA transportieren heute nahezu jede Nutzlast mit dem Space Shuttle. Ganz selten starten einige planetare Raumsonden, Satelliten und militärische Nutzlasten auch mit der Delta-Rakete. Umgekehrt haben die USA eine grandiose Transportmöglichkeiten für Schwerlasten (nämlich die Saturn V mit 150 to in den LEO) verfallen lassen - von dieser großartigen Rakete gibt es heute noch nicht mal mehr einen vollständigen Satz Blaupausen. Alle Nutzlasten auf den Space Shuttle zu bringen war erklärtes Ziel der US-Raumfahrtpolitik. Schließlich nahm man an, das System könne sich nur dann amortisieren.

Mal abgesehen davon, daß der Space Shuttle aufgrund der wesentlich schlechter als angenommenen Flugfrequenz und aus anderen Gründen gar nicht alle Nutzlasten transportieren kann, ist es aber auch nicht sinnvoll, jede Nutzlast gleich zu behandeln. Der Space Shuttle gilt als „Man Rated“ und ist damit besonders aufwendig hinsichtlich seiner Betriebskosten. Dieser Aufwand ist jedoch für die meisten Nutzlasten gar nicht erforderlich. In Analogie kann man sagen: auf der Erde transportieren wir „Säcke mit Kohle“ ja auch nicht mit dem gleichen Gerät wie Menschen. Auf der Erde haben wir vielmehr einen Mix von Transportgeräten. Kohle fährt auf dem Schiff, Sojabohnen auch, Videorekorder und Schweinehälften kommen auf dem LKW und Menschen fliegen oder fahren Auto - eben weil Nutzlast nicht gleich Nutzlast ist.

Wenn wir den Weltraum „erobern“ möchten, dann können wir im wesentlichen drei Arten von Nutzlasten transportieren:

1) Menschen

2) Gerät und Ausrüstung wie z.B. Computer, Raumanzüge, Mondautos, Kommunikationsmittel, Lebenserhaltungssysteme, Sonnenzellen, Experimente und dergl.

3) Große Strukturen wie z.B. Aluminiumbehälter als Habitat. Vor allem aber Treibstoffe, speziell Sauerstoff, Wasser, aber auch Lebensmittel, Bier (gut für die Crew Stimmung) und dergl.


In dieser Reihenfolge fallen einige Dinge auf:

Erstens: von 1) bis 3) nimmt der Wert des Transportgutes deutlich ab.

Ganz zweifellos sind Menschen das Kostbarste, was wir zu transportieren haben. Hier gilt „maximale Sicherheitsstufe“.

Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, in welcher Richtung in der Raumfahrt die Dinge transportiert werden ? Blöde Frage ? Klar, die Haupttransportrichtung ist ganz offensichtlich „von unten nach oben“. Nur die Menschen (und vielleicht ein paar Datenträger, Filme und Bodenproben) sollen wieder nach Hause. Der Rest (massenmäßig bestimmt 99 %) kann und sollte sogar oben bleiben. Bei den Ausrüstungsgegenständen handelt es sich meistens um Unikate, die entsprechend teuer sind, weil ihr Konstruktionsaufwand hoch war, aber nicht umbedingt, weil die Fertigung so teuer ist. Motto: zwei Mondautos sind nicht doppelt so teuer wie eins!

In der letzten Gruppe finden sich durchweg Nutzlasten, die im Vergleich zu den Transportkosten in den LEO geradezu wertlos sind ! Eine erstaunliche Feststellung, oder ? Nehmen wir z.B. einmal Wasser (Wasser ist nach Elektrolyse natürlich auch Treibstoff bzw. Sauerstoff). Die Tonne Wasser (ein Kubikmeter) kostet kaum mehr als DM 5,- (es fallen definitiv keine Kanalgebühren an !). Ihr Transport mit dem Space Shuttle dagegen würde heute mit 35.000.000,- DM zu Buche schlagen.

Somit sind tatsächlich viele Nutzlasten im Vergleich zu ihren Transportkosten völlig wertlos.

Gleiches gilt übrigens für flüssigen Sauerstoff (ca. DM 250,- / to), für Treibstoff, für Großstrukturen, für Lebensmittel (wenn’s nicht gerade Kaviar, Trüffel und 57er Dom Perignon Schampus sind). Machen wir uns das mal klar: Treibstoffe, Wasser, Lebensmittel und „grobe Strukturen“ würden typischerweise min. 80% einer größeren Mission (Mond oder Mars) ausmachen. Alleine der Treibstoff schlägt hier mit 60 bis 70 Gewichts-Prozent zu Buche (auch bei einem Zubrin Missionsprofil). Massenmäßig bilden die wertlosen und nahezu wertlosen Nutzlasten also eindeutig den größten Anteil. Wenn wir auf die Kosten achten müssen, dann scheint es folglich nicht sinnvoll, diese Dinge mit dem gleichen Aufwand zu transportieren wie Menschen. Wir fahren unsere Kohle ja auch nicht im Merzedes.

Ganz offensichtlich ist somit der Space Shuttle also nicht das geeignetste Transportgerät für 80 % aller Nutzlasten. Und die kaum billigere Ariane V auch nicht !

Vielmehr muß ein Billigtransporter her, der „das ganze Zeug nur so ‘raufschmeißt“. Hierbei gilt: je billiger desto besser. Wenn eine Transport verloren geht - so what !


Umgekehrt gilt: Da wir im wesentlichen nur Menschen zurücktransportieren wollen und die ohnehin nicht so häufig fliegen, ist jedes Raumflugkonzept, welches sich vorrangig mit dem Rücktransport beschäftigt, offensichtlich nur sehr beschränkt sinnvoll. Hierzu gehören alle Konzepte mit einer geflügelten Struktur und Fahrwerk („damit man wie ein Flugzeug landen kann“), egal ob diese Fahrzeuge Space Shuttle, Sänger, Hermes oder Hotol heißen. Auch das neuerliche X-33 Projekt der NASA fällt in diese Kategorie. Flügel, Fahrwerk etc. sind beim Start und im Weltraum nur Ballast auf Kosten einer echten Nutzlast, die diesen Namen auch verdient! Die Vorgabe, daß ein Raumfahrzeug so landen muß wie ein Flugzeug ist ungefähr so sinnvoll, als würden wir Flugzeuge mit der Auflage konstruieren, daß diese an einem Bahnhof landen können sollen. Außerdem tragen Flügel, Landeklappen und dergl. nur zur Komplexität des technischen Aufwandes (Hydraulik, Steuerung etc.) und damit zu den Kosten bei. Somit droht der NASA nach dem Space Shuttle wohlmöglich jetzt der nächste Milliardenflop. Tatsächlich ist für den Ausnahmefall des Rücktransportes (von Menschen) eine Kapsel mit Landung am Fallschirm und Wasserung völlig akzeptabel und die preiswerteste Lösung.

Die obigen Erkenntnisse sind eigentlich trivial und - wie wir meinen - für jedermann nachvollziehbar. Und doch sehen die Konzepte der Institutionen anders aus.

Mehr dazu Morgen

MFG

Bak
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werjo
04.23.2012 , 04:18 AM | #203
Willst du nun zeigen, dass es möglich ist oder das es nicht möglich ist, dass wir eines Tages unser Sonnensystem verlassen?

Wenn sich net irgendwo in unserem Sonnensystem sowas wie ein Wurmlcheingang versteckt oder noch besser nen Massenportal ala Masseffekt, dann kommen wir hier net weg. Da kömmer uns aufm Kopf stellen und mit den Füßen wackeln. Die technische Realisation ist vlt für alle Einzelteile möglich. Aber wie schon mehrfach gesagt reichen Ressourcen, Energie und Zeit einfach net aus um sowas fertig zu stellen. Dazu kommen noch politische, ethische und soziale Faktoren dazu.

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Bakhtosh
04.24.2012 , 05:19 AM | #204
Kosten der Weltraumfahrt - die zweite: Denkfehler



Man wird sich natürlich fragen, warum die Firmen, die mit Raumfahrt beschäftigt sind, die obigen Überlegungen nicht schon längst nachvollzogen haben. Die Antwort überrascht: sie haben !

Es gibt vielfältige Studien, die von der US-Raumfahrtindustrie und dem DOD (Department of Defense) bereits in den 60er Jahren angestellt wurden. Sie alle kamen zu dem gleichen Ergebnis: Raumfahrt wird dann billiger, wenn wir auf High Tech verzichten (der Verzicht auf High Tech gilt für die Booster, nicht unbedingt für die Satelliten).

Danach wurden zunächst die Kostentreiber analysiert. Dies ist eindeutig nicht die Größe der Rakete (wie ja auch unsere obigen Betrachtungen gezeigt haben), sondern

die Anzahl der Teile
der Hang zur Optimierung und zu High Tech
eine Aversion zur Verwendung von Standardkomponenten, alles wird „neu gemacht“
die Übertragung von Luftfahrttechniken auf die Raumfahrt
der fast ideologische Zwang zur Wiederverwertung, egal ob diese Sinn macht
die Dokumentationsvorschriften und Führung der Projekte
politische Einmischung und „Rahmenbedingungen“
der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff
Komplexität und Anzahl der Teile


Hauptkostentreiber Nummer 1 ist die Komplexität, mit der heute Raketen gebaut werden. Das Haupttriebwerk des Space Shuttle z.B. besteht z.B. aus mehr als 70.000 Einzelteilen. Davon entfällt übrigens mehr als die Hälfte auf die Turbopumpen. Von diesen Triebwerken gibt es drei. Macht also 210.000 Einzelteile. Wenn wir nur ein entsprechend größeres Triebwerk hätten, wären wir wieder bei 70.000 oder 66% weniger. Natürlich bedeutet ein Triebwerk bei Ausfall den Abbruch oder sogar den Verlust der Mission. Andererseits ist der Ausfall bei einem Triebwek mit 66% weniger Teilen dreimal weniger wahrscheinlich.

Es ist logisch leicht nachvollziehbar, daß „viele Teile“ auch „viel Geld“ kosten und weniger Teile weniger Geld. Selbst beim Automotor gilt diese Aussage, denn die Herstellungskosten machen den Preis, nicht der Metallwert. Ganz offensichtlich ist ein Automotor auch komplex aufgebaut, jedoch werden hier die Entwicklungskosten hier über hohe Stückzahlen wieder aufgefangen - ein Verfahren, welches wir im Raketenbau nicht nutzen können, es sei denn, wir würden standartisierte Launcher am Fließband bauen. Das Verhältnis Teile zu Kosten ist jedoch nicht linear, sondern vermutlich steigen die Kosten exponentiell mit der Teilezahl. Viele Teile bedeuten viele Fehlerquellen, viel mehr Überwachung, Testen, Dokumentation, viele Interface zwischen den Komponenten, sowohl in technischer Hinsicht wie auch im Umgang der Designer, Ingenieure, Tester, Bediener und Leute an der Drehbank untereinander. Das bedeutet Reisen, Konferenzen, Meetings, Diskussionen, Abgleich, endlose Dokumentationen etc. Alleine diese Kosten machen nach einer DoD Studie bis zu 2/3 der Gesamtkosten eines Systems aus.

High Tech um jeden Preis

Raumfahrtingenieure kommen hauptsächlich aus der Luftfahrt und/oder haben einen militärischen Hintergrund. Z.B. hatten alle Konstrukteure der ersten Stunde (um W. von Braun) einen militärischen Hintergrund. Da mußte niemand auf das Geld achten. Entsprechend dieser arbeitsmäßigen Herkunft werden viele Konzepte der Luftfahrt auf die Raumfahrt übertragen. Diese Leute sehen Raumfahrt gewissermaßen als eine „Fortsetzung der Luftfahrt mit anderen Mitteln“ (Clausewitz ?).

Original -> Der Krieg ist nichts anderes als eine Fortsetzung des politischen Verkehrs mit Einmischung anderer Mittel.

Diese Einstellung zeigt sich schon an der Sprache: wir sprechen von der Luft- und Raumfahrtindustrie, von Raumflug, von der NASA = Aeronautics and Space ... Man sieht es auch deutlich am Beispiel des Space Shuttle, der ja - für jedermann erkennbar - „halb Flugzeug ist“. Den Ingenieuren erschien es damals offensichtlich nicht mehr akzeptabel, rückkehrende Astronauten in einer Kapsel an einem Fallschirm in’s Wasser plumpsen zu lassen. Eine elegantere Methode der Landung mußte her: die Landung auf einer Rollbahn. Alleine diese Designentscheidung bedeutet für den Space Shuttle, daß er Flügel haben muß, ein Fahrwerk, eine komplizierte Avionik, daß Pilotentraining erforderlich ist usw. Hätte er all dies nicht, dann könnte er 50 % (also etwa 50 Tonnen !) leichter sein, oder aber das 3-fache an Nutzlast tragen (75 statt 25 Tonnen). All dieses Potential wurde verschenkt für den Gewinn einer bequemen wie gleichwohl äußerst seltenen Landung auf einer Rollbahn. Und nicht nur das - beim Start stören die Flügel nur. Während des Starts verhindern sie Vollschub und im Weltraum sind sie ganz offensichtlich völlig nutzlos. Außerdem machen sie die Hauptfläche der Hitzekachelung aus, die nach jedem Flug kontrolliert werden muß.

Nochmal: der Shuttle ist eine unglaubliche Flugmaschine und ein ingenieurtechnisches Wunderwerk, aber er hat die gestellte Aufgabe nicht erfüllt.

Nochmal: es geht nicht gegen den Space Shuttle ansich. Wir Europäer sind kaum besser. Hier wurde noch Werbung für Hermes gemacht, als längst klar war, daß der Shuttle versagt hatte.

Tatsächlich haben Luft- und Raumfahrt nicht viel miteiander zu tun.

Ein Raketenstart ist ein Beschleunigungsvorgang bis zu einer bestimmten Endgeschwindigkeit. Bei der Raumfahrt geht es darum, die Atmosphäre möglichst schnell zu verlassen, um frei von aerodynamischen Belastungen „richtig“ beschleunigen zu können. Flugzeuge dagegen fliegen nur atmosphärisch und benötigen die Anströmung von Luft um überhaupt in der Luft bleiben zu können, um zu steuern usw. Dies bedingt große Flügel, wechselnde aerodynamische Belastungen, leichte und gleichzeitig feste Strukturen, die wechselnde Belastungen aushalten müssen, und das jahrelang etc. Flugzeuge müssen überall starten und landen können, denn das ist der Sinn ihrer Existenz. Gewichtsersparnis übersetzt sich bei Flugzeugen in operativen Gewinn. Jede Tonne weniger Flugzeuggewicht ist eine Tonne mehr, die man mitnehmen kann. Jede Tonne gespartes Raketengewicht bei einer Unterstufe ist dagegen nur ein Bruchteil einer Tonne Nutzlastverbesserung.

Bei Flugzeugen macht Optimierung auch Sinn wegen der hohen Flugfrequenzen. Hierzu ein kleines Beispiel. Wir alle kennen die kleinen Verwirbelungsflügel an den Flügelspitzen großer Jets, die selbst so aussehen wie kleine Flugzeuge und die vor ca. 10 Jahren Einzug in die Luftfahrt gehalten haben und bis zu 2 % Treibstoff sparen. Eine solche Innovation macht Sinn. Betrachten wir den Jumbo Jet 747. Den gibt es seit 30 Jahren. Es fliegt eine Flotte von 1000 Flugzeugen alleine von diesem Flugzeugtyp, diese fliegen jeden Tag und verbrennen dabei ca. 200 bis 250 Tonnen Kerosin. Eine Optimierung am Design, die 2% spart, wirkt sich also 1000 Flugzeuge X 365 Flugtage X 30 Jahre Typen-Betrieb aus. Solche Flugfrequenzen werden wir aber in der Raumfahrt noch lange nicht erreichen. Zum Vergleich: die Saturn V flog nur ca. 15 x , der Space Shuttle in immerhin 15 Jahren nur ca. 100 mal, die Ariane 4 ebenfalls nur ca. 100 mal in 10 Jahren .Also macht eine Gewichtsoptimierung „um Treibstoff zu sparen“ faktisch keinen Sinn. Im Gegenteil: Gewichtsoptimierung bedeutet exotische Materialien (jetzt kommt Aluminium-Lithium), komplizierte Verarbeitung, hoher Prüfaufwand, hohe Fehleranfälligkeit etc. Sicherlich käme keiner auf die Idee, einen Jumbo Jet aus Blech zu bauen, um beim Material Geld zu sparen. Umgekehrt käme aber auch keiner auf die Idee, einen Tanker aus Karbonfaserverbundwerkstoff zu bauen, nur damit er ein paar Tonnen mehr Öl mitnehmen kann.

Auch die Triebwerke von Luft- und Raumfahrzeugen haben nichts miteinander gemeinsam. Triebwerke für die Luftfahrt sind Düsenstrahltriebwerke mit äußerst komplexem Aufbau und hoch beanspruchten Teilen (Rotation, Hitze, Temperaturwechsel, Schütteln und Schlag etc.) bei angestrebten langen Lebens- und Betriebsdauern. Ich wüßte momentan nicht, wo man hier etwas vereinfachen könnte, zumal die Vorgaben durch Umweltüberlegungen, Lärmthematik, Ozon etc. hier ganz andere sind. Raketentriebwerke dagegen sind (Zitat) "Einzylinderverbrennungsmotoren ohne Kolben". „Da wo das Loch ist“ strömt unter hohem Druck Gas aus. Raketen haben also mehr etwas mit „fliegenden Boilern“ zu tun. Das Ganze muß bei unseren heutigen Wegwerfraketen meist nicht länger als ein paar Minuten (typisch 2 bis 3) Betrieb aushalten.

Wir erheben insgesamt die provokante Behauptung, daß Luffahrtingenieure aufgrund ihrer verinnerlichten Denkweise vermutlich gar keine guten Raketenkonstrukteure sein können. Sie wären ja auch keine guten Schiffsbauer und Schiffsbauer keine guten Flugzeugentwickler. Großraketen zu bauen ist aber tatsächlich eher eine Aufgabe für unsere Schiffswerften.

Optimierungskosten schlagen sich natürlich auch auf die Nutzlastkosten nieder.

Wären die Startkosten billiger, dann bräuchte man die Nutzlasten nicht so zu optimieren etc. Auch hierzu gibt es Studien. Analysten gehen davon aus, daß eine Einsparung bei den Startkosten um 50 % einen ähnlichen Kostenrückgang auch bei den Nutzlasten nach sich ziehen würde. Mit anderen Worten: wir könnten die gleiche „Menge“ Raumfahrt mit dem halben Budget betreiben, oder aber mit dem gleichen Budget doppelt soviel. Wir könnten mehrere gleiche Nutzlasten auf den Weg bringen. Wenn die NASA den einzigen Sojourner verliert, verliert sie ihr Gesicht. Wenn Sie einen Sojourner von 20 verliert, würden die Leute sagen: Alles in allem eine enorme Leistung....

Alles neu ....

Dies wird wieder am Beispiel Space Shuttle deutlich. Hier kam man auf die glorreiche Idee - um Geld zu sparen - die großen Feststoff-Seitenbooster zu konstruieren. Dabei hatte die NASA durchaus eine Alternative, denn es gab ja die großen F1-Triebwerke der ersten Stufe der Saturn. Diese haben in etwa 15 Starts jeweils zu 100 % funktioniert, die Entwicklungskosten waren bezahlt und die Betriebskosten lagen entsprechend niedrig, da es eingespielte Wartungsmannschaften gab und außerdem billige Treibstoffe (Kerosin und LOX) verwendet wurden. Zwei F1 Triebwerke liefern den gleichen Schub wie ein Space Shuttle Booster. Das F1-Triebwek war als Triebwerk der Saturn natürlich nur für den Einmalbetrieb vorgesehen, man hätte es aber sicher leicht für eine Wiederverwendung umkonstruieren können. Zusätzlich hätte man noch eine Menge Gewicht gespart, denn das F1 Triebwerk verwendet Turbopumpen (deren Entwicklung ja ebenfalls bezahlt war), während die Seitenbooster gewissermaßen Druckgastriebwerke sind. Umgekehrt hätte man das Triebwerk bei Verzicht auf Turbopumpen (Druckgasförderung) sicher noch weiter vereinfachen können. Von den Sicherheitsaspekten, die immerhin Menschen mit ihrem Leben bezahlen mußten und von den Umweltbelastungen durch ca. 100 Tonnen Salzsäure, die der Space Shuttle bei jedem Start herausbläst, wollen wir hier gar nicht reden.

F1 Triebwerk der Saturn

Also viele Optionen auf der Basis eines Triebwerkes, das schon existierte. Ingenieure aber konstruieren lieber alles neu, anstatt sich auf dem Markt umzusehen, was es bereits schon gibt. Das gilt auch für die Ariane V. Diese hat eine Nutzlastkapazität von 20 Tonnen, also ein Bereich, der von den Russen und Amerikanern bereits vor Jahrzehnten "geknackt" wurde. Entwicklungskosten bisher 12 Mrd. Mark. Natürlich muß Europa ein eigenes Wasserstoff/Sauerstofftriebwerk haben, denn das ist ja State-of-the-Art. Entwicklungskosten bisher 2 Mrd. Mark. Natürlich müssen es Feststoffbooster sein. Mit einem Low-Tech Ansatz und Kerosin/LOX hätte man vermutlich das ganze System für 2 bis 3 Mrd. Mark bauen können. Das bedeutet: wir hätten rund 10 Mrd. Mark gespart, oder aber wir hätten für 10 Mrd. Mark Nutzlast bauen und transportieren können. Selbst wenn die Rakete dann im Betrieb nicht billiger geworden wäre, als sie es voraussichtlich sein soll (also 20 to Nutzlast für 100 Mio Mark), dann hätte man für diesen Betrag also 2000 Tonnen Nutzlast in den Orbit bringen können. Oder wir hätten Geld für die Fusionsforschung ausgeben können. Oder für die Krebsforschung. Stattdessen bekommen wir nichts. Und zusätzlich müssen wir jetzt Angst haben, daß die Russen uns bei den Startkosten mit ihrer Kerosin/LOX Technologie mächtig unterbieten werden (und das werden sie).

Wiederverwendung

Wiederverwendbarkeit wird von vielen als der Schlüssel zu einer preiswerten Raumfahrt gesehen. Dies erscheint logisch, ist aber nicht in allen Bereichen selbstverständlich. Tatsache ist, daß Wiederverwendbarkeit nur bei hohen Flugfrequenzen Sinn macht. Dies zeigt wiederum das Beispiel des Space Shuttle. Hier werden z.B. die Seitenbooster wiederverwendet. Diese werden von einer speziellen Bergungsflotte geborgen. Hierfür werden zwei Spezialschiffe (extra für den Zweck gebaut) mit Manmschaft vorgehalten. Es gibt einen eigenen Hafen für die Anlandung der Boostergeähuse, Gebäude für die Disassemblierung, Spezialfahrzeuge für die Versendung nach Utah (wo sie wiederbefüllt werden), ein eigenes Gebäude zum Waschen der Fallschirme etc. Für jeden Arbeitsschritt benötigt man natürlich Bedienungsmannschaften etc. Diese kommen bei der jetzigen Flugfrequenz natürlich nur ca. 1 mal pro Monat zum Einsatz. Nicht gerade sehr effektiv.

Tatsächlich gibt es viele Bereiche der Wirtschaft, die gar nichts mit Raumfahrt zu tun haben, die wiederverwerten könnten, es aber nicht tun. Ein Beispiel das wir alle kennen ist McDonald’s, die ihre Pappteller lieber wegwerfen als zu waschen. Ich bin sicher, McDonalds hat die Kosten einer Wiederverwertung z.B. in Form von Tellern, die gespült werden müßten, bis auf den Bruchteil eines Pfennigs durchgerechnet und ist wohl zu dem Schluß gekommen, daß „ex und hopp“ für ihr spezielles Geschäft „Hamburgerverkauf“ billiger ist. Wäre es nicht so, dann würden die doch wie verrückt Teller waschen.

Wiederverwertung gibt es sogar in solchen Bereichen nicht, in denen das "Transportgerät" den Wert der "Nutzlast" in hohem Maße übersteigt. Als Beispiel sei wiederum etwas angeführt, das wir alle aus dem täglichen Leben kennen, nämlich ein Glas saurer Gurken. Hier kostet die Füllung (so wurde berichtet) nur ca. 9 Pfennige, das Glas mit Deckel aber schon 17 Pfennige (das Transportgerät ist also fast 100 % teurer als die Nutzlast) ! Letztendlich zählt in der freien Wirtschaft eben nur, ob man unter dem Strich einen Profit erzielt. Man muß also schon genau rechnen.

Trotzdem wird natürlich eine Wiederverwendbarkeit, wo es geht, angestrebt. So kann man z.B. eine Startstufe sicher in den meisten Fällen bergen und wiederverwenden. Es ist interessant zu bemerken, daß dies umso leichter mit einer Stufe gelingen wird, die schwer und robust gebaut ist, denn immerhin muß sie einen Sturz aus großer Höhe und einen heftigen Klatsch in’s Wasser überstehen. Dies dürfte mit einer aus Stahl konstruierten Stufe besser zu bewerkstelligen sein, als mit einer Stufe aus Aluminium-Litium Legierung, die dickenmäßig an ihre Grenzen konstruiert wurde und sich schon beim Eindrücken mit dem Zeigefinger verbiegt.

Wiederverwenden kann man sicher auch die Spitze der Rakete, die z.B. als Nutzlasthülle, Transportkapsel usw. ausgelegt ist. Hier sollte sich u.a. das „Gehirn“ des Systems befinden, also sämtliche Computer, Überwachungsgeräte, Lagekontrolle, Kommunikation, Stromversorgung, Lebenserhaltungssysteme bei bemannten Systemen etc., eben alles was teuer ist und was man deshalb wiederhaben will. Dieser Systemteil sollte unseres Erachtens als Kapsel ausgeführt sein, die an einem Fallschirm im Wasser landet und dort geborgen wird. Ggf. muß der Hitzeschild nach jedem Flug oder alle paar Flüge ausgetauscht werden. Dies geschieht am besten in einem Stück.

Somit bleibt noch eine Stufe (wir benötigen ja mindestens zwei Stufen, wenn wir nicht mit Wasserstoff fliegen), die wiederzuverwenden wäre. Wenn wir diese Stufe wiederverwenden wollen, dann müßte sie entweder eigenständig in die Erdatmosphäre eintauchen, was ein eigenes Hitzeschild und Landesystem notwendig macht, oder aber wir integrieren diese Stufe zusammen mit der Kapsel in ein kombiniertes landefähiges Gerät. Dieses sollte aber immer noch wassern, um die Sache simpel zu halten.

Oder aber wir denken um und ersetzen den Begriff Wiederverwendbarkeit durch den Begriff vollständige Verwendbarkeit.

Was heißt das? Nun, die Endstufe ist ja auch Gewicht, was wir bereits in den Orbit transportiert haben. Dieses Gewicht könnte wertvolle Nutzlast sein. Bei den hohen Startkosten, selbst wenn wir diese auf 500 $ pro kg senken könnten, macht es gar keinen Sinn, diese Stufe wieder zur Erde zurückzubringen, wenn wir sie für etwas anderes verwenden könnten. Im Gegenteil - alles was einmal oben ist und irgendwie verwendet werden kann sollte wennmöglich oben bleiben. Aus ausgebrannten Raketenstufen, wenn sie eine gewisse Größe aufweisen und standartisiert werden, könnte man z.B. prima Habitate (Blocks für Raumstationen, Lunarstationen, Marstransporter etc.) konstruieren. Dies gilt besonders für LOX-Tanks. Diese könnte man von vorne herein innen mit 19“ Racks für Experimentiereinschübe ausstatten und sukzessive ausbauen. So würde das Gewicht der Oberstufe der Nutzlast zugeschlagen, was das Gesamtmassenverhältnis einer Rakete wesentlich verbessern würde.

Politische und andere Rahmenbedingungen

Diese treiben die Kosten besonders in die Höhe. Es ist doch klar, daß eine Firma, die einen Auftrag für irgendeine Raketen- oder Weltraumhardware erhalten hat, gar kein Interesse daran hat, diese billig und mit einfachen Methoden herzustellen - im Gegenteil. Je teurer desto besser. Dies gilt, wie gesagt, wenn man den Auftrag erst einmal hat. Nun gibt es aber gar nicht so viele Firmen in unserem Land, die überhaupt in der Lage sind, Hardware zu bauen, jedenfalls dann nicht, wenn es um Luftfahrt-High Tech geht und nicht um Schiffsbautoleranzen. Insofern gibt es also gar nicht soviel Konkurrenz. Ein ideales Umfeld also für Preistreiber und für überzogene Budgets.

Nun möchte man meinen, daß Politiker als Vertreter der Steuerzahler ein Interesse daran hätten, die Kosten gering zu halten. Tatsächlich hat Kennedy hier schon 1961 die Antwort gegeben: "wir fliegen zum Mond ... nicht weil es leicht ist, sondern weil es schwierig ist". Er hätte auch sagen können: wir fliegen, nicht weil es billig ist, sondern teuer. Denn billig beeindruckt keinen.

Politische Kontrollmechanismen versagen aus einer Vielzahl von Gründen, nicht nur bei Raumfahrtentscheidungen. Einer ist, daß Politiker von Mathematik und den Wissenschaften meistens keinen blassen Schimmer haben. Ich erinnere mich an einen Film über das SDI-Projekt. Hier stellte eine Arbeitsgruppe ihre Fortschritte bei Hochenergielasern einer Kommission vor, die Reagan direkt berichten sollte. Sie führten aus, daß sie einen Energielevel von 10 hoch 10 erreicht hätten, aber für die geplante Anwendung müßten sie auf 10 hoch 20 kommen. Worauf die Reagan Leute sagten: "au fein, dann habt ihr ja schon die Hälfte". Das sagt alles.

Zweitens haben auch Politiker ein Interesse an kostspieligen High Tech Projekten. Denn nur solche Projekte bringen „Ruhm und Ehre“ und bringen hochbezahlte Arbeitsplätze in’s jeweilige Bundesland und Spenden in die Parteikasse.

Hohe Kosten bedingen natürlich auch einen hohen bürokratischen Apparat. Da braucht man Überwachungseinheiten, Referenten, Lenkungsausschüsse, Ministerkonfernzen, Reisen, Unterschriften etc. All das verzögert natürlich die eigentliche Arbeit. Bürokratie wächst wie Krebs. Niemals begrenzt sie sich selber. Und fällt meistens denen in den Rücken, die die eigentlich Produktiven sind, zu Lasten des gesetzten Zieles.

Aber auch die föderale Struktur verursacht Kosten. Wiederum ist hierfür der Space Shuttle ein gutes Beispiel, obwohl wir genausogut die Ariane oder die laufenden Diskussionen über eine Restrukturierung des Airbuskonsortiums heranziehen könnten.. Die USA sind ja, genau wie unser Land, föderal organisiert. Das bedeutet nichts anderes, als daß bei einem so riesigen Subventionsfaß wie der Raumfahrt (immerhin mehr als 10 Mrd. Dollar pro Jahr in den USA) jeder Bundesstaat etwas vom Kuchen abbekommen muß, sonst gibt’s Zoff. So werden z.B. die Seitenbooster des Space Shuttle von einer Firma (Morton Thiokol) gebaut, die in Utah ansässig ist, also mehr als 1000 km von jeder Küste entfernt, mehr als 2500 km vom Startort weg. Gerade die Booster aber sind ja wiederverwertbar, das heißt sie müssen jedesmal hin- und hertransportiert werden. Nicht gerade sehr sinnvoll und auch gefährlich, wenn man bedenkt, daß die mit 750 Tonnen Sprengstoff gefüllten Booster quer durch das ganze Land gefahren werden müssen. Eine solche Entscheidung kann einfach nicht unter logischen Gesichtspunkten alleine getroffen worden sein! Zumindest hätte dann die Wiederbefüllung auch am Startort erfolgen müssen.

Wasserstoff als Treibstoff

Wasserstoff als Treibstoff bedarf eigentlich einer eigenen Diskussion. Wenn man die „reine Mathematik“ des Raketenfluges betrachtet, macht Wasserstoff als besonders leistungsfähiger Treibstoff natürlich Sinn. Deshalb wird er von den Ingenieuren, die elegante Systeme liefern wollen, auch eingesetzt. Nicht jedoch unter ökonomischen Gesichtspunkten. Hier ist Wasserstoff ein echter Preistreiber. Zum einen ist der Treibstoff selbst nicht preiswert (bezogen auf eine per kg Basis). Der Preis ist übrigens auch kaum mengenelastisch, denn die Hauptkosten in der Wasserstoffproduktion sind Energiekosten. Zum anderen ist der Treibstoff kompliziert und gefährlich im Umgang wie in der Anwendung. Durch die tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt werden Metalle spröde, Leitungen müssen vorgekühlt werden, Wasserstoff diffundiert durch Schweißnähte, Leckmengen müssen verblasen werden, damit sie sich nicht unter Abdeckungen ansammeln und zu Explosionen führen etc. Wasserstoff hat ein geringes spezifisches Gewicht, was zu besonders großen Tankvolumina führt und seine Vorteile als Treibstoff teilweise wieder auffwiegt, es sei denn, man setzt nur die leichtgewichtigsten Legierungen wie Aluminium-Litium ein etc.

Wir sind - wie übrigens auch viele andere - zu dem Schluß gekommen, daß Kerosin der ideale Raketenbrennstoff ist - oder eben ein Hybridbrennstoff mit den besonderen Vorteilen dieser Technik. Kerosin gibt es überall, es ist billig, wird vielfältig eingesetzt, ist sicher im Umgang, ist sauber etc. Diese Meinung könnte sich ändern, wenn Wasserstoff einen breiten Durchbruch alls Flugzeugtreibstoff erleben würde. Danach sieht es aber momentan nicht aus - die Industrie ist diesbezüglich gerade auf dem Rückmarsch.

Fazit:

Die Prinzipien des Raketenbaus sollten völlig neu überdacht werden. Am besten von Leuten, die noch nicht durch eine allzulange Karriere in der Luft- und Raumfahrtindustrie vorbelastet sind. Hierbei sollte intensiv nach bereits vorhandener und verfügbarer Hardware gescannt werden. Verwendet werden sollten gängige und preiswerte Materialien, also Stahl, Alu und Fieberglas (auch preiswert). Gleiches gilt für Herstellungsverfahren. Die eigentliche Konstruktion und Tests sollte von kleinen, möglichst unabhängigen Teams durchgeführt werden, die eigenständig entscheiden können und nur ergebnisorientiert arbeiten müssen. Je weniger Hände eingreifen desto besser. Die Dokumentation sollte auf Notwendiges beschränkt werden und möglichst papierlos erfolgen. Jede Designentscheidung muß auf ihre ökonomische Tragfähigkeit überprüft werden. Ökonomie muß von vorne herein gleichberechtigtes Designkriterium sein. Gleiches gilt für die später zu erwartenden Betriebskosten. Hier gilt die Faustregel: komplex ist teuer - Treibstoff dagegen ist billig.

In den 60er und 70er Jahren haben einige US-Firmen, z.B. TRW, die die Abstiegstriebwerke der Mondfähre mit einem Low-Tech Ansatz (Druckgasförderung, keine Turbopumpen, auf Sicherheit und 100 %ige Zuverlässigkeit ausgelegt) gebaut haben, mit Low Cost Triebweken experimentiert. TRW hat z.B. ein 80 Tonnen (Schub) Kerosin/LOX Triebwerk gebaut. Das ganze wurde bei einer ortsansässigen Heizkesselfirma regelrecht zusammengeschweißt. Es funktionierte prima und kostete 33.000 US-$. Ja, sie haben richtig gelesen ! Andere Firmen haben ebenfalls mit diesem Technologieansatz experimentiert und haben Triebwerke mit bis zu 2500 Tonnen Schub gebaut. Alle diese Vorstöße kamen jedoch zum Erliegen , als sich die USA für den Space Shuttle als einzigen (!) Nutzlastträger entschieden. Damit war damals klar, daß es für billige Träger keinen Markt geben wird. Eine schlimme verpaßte Chance und für Raumfahrtenthusiasten ein echter Träumekiller.

Was wir in der Raumfahrt brauchen, ist ein robuster LKW. Das, was für die Luftfahrt die DC3 oder die Tante Ju war. Wir müssen nicht gleich beim Lear Jet einsteigen !

Von einer Kostensenkung bei den Startkosten würden übrigens alle beteiligten Parteien profitieren, auch die „etablierten“ Raumfahrtfirmen, indem nämlich der Gesamtmarkt wächst. So ist es auch mit der EDV gewesen - diese nahm einen geradezu gigantischen Aufschwung, nachdem die Preise für Computer um einige Zehnerpotenzen gefallen sind. IBM führt zwar heute nicht mehr den Markt und die Trends an, ist aber größer denn je.

Umgekehrt gilt: wenn wir die Trendwende bei den Startkosten nicht schaffen, müssen etablierte Firmen vorsichtig sein, nicht aus dem Feld geschlagen zu werden. Gerade die Raketentechnik hat in den letzten Jahren eine beeindruckende Proliferation erfahren - und es sind nicht nur Länder wie der Iran oder Irak, die sich um diese Technik bemühen, sondern auch Länder wie Brasilien oder Australien und natürlich zunehmend auch die zukunftsorientierten, pragmatischen, cleveren und fleißigen Asiaten wie Japan, Taiwan, Malaysien, Indonesien, Indien usw. Und was passiert, wenn die sich einer Technik bemächtigen, wissen wir - wir verlieren, weil wir zu kompliziert und zu teuer sind und an den Bedürfnissen der Kunden vorbei produzieren.

Die Bedürfnisse der Kunden sind aber gerade in der Raumfahrt so klar definiert wie sonst in keinem anderen Wirtschaftsbereich: die Nutzlast soll möglichst preiswert und sicher nach oben. Alles andere ist schnuppe.

In den nächsten Jahrzehnten wird im Weltraum mit Kommunikationstechnik viel Geld verdient werden. Wo das der Fall ist, fällt auch für die zweckfreie Forschung - sprich: Mond- und Marslandungen etc. - etwas ab. Jedoch gilt auch hier: die Zeit der Phantasten, die mit tausende Tonnen schweren Raumschiffen zum Mars wollen, geht langsam zuende. Diesen Leuten verdanken wir es letzten Endes, daß wir (die Menschheit) immer noch hier sitzen ! Nur ökonomisch tragfähige Konzepte (wie z.B. die von Dr. Zubrin) werden eine Chance haben - und werden von einem preiswerten Träger ungeheuer profitieren!

Original Link

http://www.optipoint.com/far/far1.htm

Wir werden jedenfalls versuchen, die Idee zu popularisieren. Deutschland hätte übrigens durchaus die Resourcen, hier mitzumischen, wenn wir es richtig anfangen. Die Sache ansich bedingt, daß man aus einem geringen Budget etwas macht ! Somit ist das Risiko gering und die Chancen sind hoch.

@ werjo

Quote:
Willst du nun zeigen, dass es möglich ist oder das es nicht möglich ist, dass wir eines Tages unser Sonnensystem verlassen?

Wenn sich net irgendwo in unserem Sonnensystem sowas wie ein Wurmlcheingang versteckt oder noch besser nen Massenportal ala Masseffekt, dann kommen wir hier net weg. Da kömmer uns aufm Kopf stellen und mit den Füßen wackeln. Die technische Realisation ist vlt für alle Einzelteile möglich. Aber wie schon mehrfach gesagt reichen Ressourcen, Energie und Zeit einfach net aus um sowas fertig zu stellen. Dazu kommen noch politische, ethische und soziale Faktoren dazu.
Eigentlich will ich zeigen das es möglich ist eine grosse Raumstation oder Generationenraumschiff zu bauen. Mit den heutigen Mitteln.
Hier in dem Thread geht es eigentlich nicht darum was man glaubt...werjo. Das weisst du aber auch ...Ich zeige möglichkeiten , die ich im Internet aufgeschnappt habe. Falls sie falsch sein sollten...zeige mir bitte dementsprechende Studien oder Artikel um mich eines besseren zu belehren...nur so kann ich und die anderen dazu lernen.

MFG

Bak
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werjo
04.24.2012 , 02:49 PM | #205
Überleg doch mal 2 Schritte weiter. Gut wir können Raketen in den Orbit schicken die da Zeug hoch bringen. Meinetwegen können wir sogar noch die Kosten reduzieren um da Zeug hochzuschießen. Meinetwegen sogar soweit das man pro KG nur 1 Euro bezahlen muss.

So wie wissen. Nen Raumschiff muss mindestens 1,6km Durchmesser haben für die künstliche Schwerkraft. Wir wissen, wir brauchen ne 2m dicke Gesteinsschicht um kosmische Strahlung abzuschirmen. So nen Raumschiff würde also etwa so aussehen wie die Kollektorenschiffe aus Mass Effect 2. So ein Ding kann man nicht auf der Erde bauen. Da muss schon im All gebaut werden.

Wir gehen mal der einfachhalb halber von einem Hohlzylinder aus, der 1,6km Durchmesser hat, 2m dick ist, der aus Granit besteht und sagen wir 50m höhe hat. Nur um mal sone Vorstellung zu haben was die Untergrenze an Gewicht ist, die da ins All geschafft werden muss.

Zylinder Volumen: V = pi * r² * h

Also wäre unser Hohlzylinder: V = pi * (800m)² * 50m - pi * (798m)² * 50m = 501772³

Dichte von Granit ca. 2700kg/m³

Ergo Gewicht was hochgeschafft werden muss: m = V*rho = 2700 * 501772 = 1354784400kg

das sind rund 1,354 mt (megatonnen)

Den ganzen spaß kannst du getrost mit 2 Multiplizieren weil an so nem DIng mehr als nur Ummantelung drann ist. Dann noch mal mindestens Genausoviel Treibstoff. Dann natürlich noch die Menschen, die Verpflegung, das Gepäck, der Sauerstoff, den die Leute Atmen müssen bzw. die künstliche Atmosphäre.

Egal rechne mal mindestens mit ca 5-6 MegaTonnen Material was da hoch muss. Und das ist das überschlagene absolute Minimum. Auf 1,6km durchmesser und 50m breite bekommste nämlich net viele Menschen unter.

Egal. Wieviel Energie ist notwendig um den ganzen Spaß ins All zu befördern. Wir nehmen mal die Fluchtenergie, schließlich soll der ganze Spaß ja eh weg von der Erde.

E = G * m(erde) * m(5megatonnen) / r(erde)
E = 6,674 m³/(kg*s²) * 5,9736*10^24kg * 5*10^9kg / 6,371* 10^6m
E = 3,126 * 10 ^ 17 Joule = 312,6 PetaJoule

Nehmen wir ein Kraftwerk, was 1500MegaWatt (1,5*10^9 J/s) Leistung bringt.

Dann müsste dieses Kraftwerk 208383721.2 Sekunden oder 6,61 jahre ununterbrochen laufen, nur um die Energie zu produzieren, die nötig ist um diese Mindestmenge an Material von der Erde wegzuschaffen. Luftwiderstand, Wirkungsgrad der Antriebe und so ist da noch gar nicht mit drinne. Geschweige denn die Energie die näötig ist um das Teil auf sagen wir mal 10%c zu beschleunigen.

Wie du siehst, diese simple Überschlagsrechnung, die nur zeigt wie lange ein AKW rödeln muss um das Mindestmaterial einfach nur ins All zu schießen, zeigt doch ganz deutlich, dass es eben nicht möglich ist.

Kostengründe hin oder her. Wir würden auf der Erde nicht hinterherkommen die nötigen Energiemengen zu produzieren. Wenn das Material dann noch zusammengebaut werden soll, das Raumschiff dann noch beschleunigt werden soll und so, dann kommen wir in die 1000 fachen Energiemengen. Eher noch mehr. Das Raumschiff würde ohnehin noch viel schwerer werden als die angepeilten 5 megatonnen. Rechne mal mit 10 oder 20 Megatonnen. Oder noch mehr.

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Bakhtosh
04.25.2012 , 05:43 AM | #206
Hi werjo

Ja das ist die qualifizierte Antwort die ich sonst von dir gewohnt bin

Ich sammel dazu noch was, habe im Moment leider weniger Zeit mich darum zu kümmern.

MFG

Bak
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Bakhtosh
04.26.2012 , 08:53 AM | #207
Hoch hinaus mit HARP

Gerald Vincent Bull (* 9. März 1928 in Ontario, Kanada; † 22. März 1990 in Brüssel, Belgien) war ein kanadischer Ingenieur, der durch seine Arbeiten an Artilleriegeschützen bekannt wurde.

Anschließend arbeitete er an einem Projekt, um Satelliten mit riesigen Kanonen in den Orbit zu schießen. Für dieses High Altitude Research Project errichtete man auf der Karibikinsel Barbados ein Testzentrum. Zu Beginn der Versuche herrschte Geldknappheit, denn zur gleichen Zeit forschte Wernher von Braun mit hohem Budget an ballistischen Raketen.

Bull benötigte leistungsstarke Kanonen, um mit seinen Geschossen auch nur annähernd in die Nähe des Orbits zu gelangen. So stellte er ab 1960 Versuche mit ausgemusterten Marinekanonen der U.S. Navy an, die ein Kaliber von 40,6 cm (16 Zoll), 20 Meter Rohrlänge und ein Gewicht von 125 Tonnen hatten. Er verlängerte die Läufe auf 36 Meter, entwickelte Spezialgeschosse (Martlets) von nur 84 kg Gewicht, bzw. bis 210 kg bei der Martlet 2 (die Original-Geschosse wogen ca. 1.200 kg), verbesserte die Treibladungspulver.

Man erreichte damit eine Mündungsgeschwindigkeit von 3600 m/s, gegenüber ca. 825 m/s der Originalgeschosse. Mit der Kanone wurde fast senkrecht nach oben geschossen, mit leicht östlicher Richtung auf das Meer hinaus. Die erreichte Schusshöhe betrug schließlich 100 Kilometer. Diese Steigerung der Geschützleistung gegenüber der Originaltechnik wurde von Bull mit nur 10 Mio. Dollar erreicht – im Vergleich zur Raketenentwicklung ein sehr kleines Budget.

Die erreichten Geschwindigkeiten waren jedoch zu gering, um einen Orbit zu ermöglichen, denn hierfür ist die erste kosmische Geschwindigkeit von 7.900 m/s notwendig

HARP: Космическая Суперпушка Джеральда Булла | Space Super-Gun

http://www.youtube.com/watch?v=p0LMVf3VG24

Projekt Babylon

http://de.wikipedia.org/w/index.php?...20090120091648

sichergestellte Komponente des Projekts Babylon

Um seine Forschungen weiter zu finanzieren, nahm Bull den Auftrag an, für den Irak unter Saddam Hussein eine riesige Kanone zu entwickeln, ähnlich der früheren deutschen V3-Kanone. Sie sollte in der Lage sein, auch Israel zu erreichen.Das Geschütz mit dem Decknamen Baby Babylon sollte bei einem Kaliber von 35 cm einen ca. 46 m langen Lauf besitzen. Als Stellung für die Kanone wurde der Jabal Hamrayn-Berg (etwa 200 km nördlich von Bagdad) ausgewählt.

Das Projekt wurde Anfang 1990 durch den britischen Geheimdienst Secret Intelligence Service vereitelt, der die Lieferung verschiedener Teile stoppte. Das weitere im Irak verfolgte Projekt „Babylon“, die Konstruktion einer noch größeren „Supergun“ (Kaliber 1000 mm), um Ladungen bis zu 600 kg in eine Umlaufbahn (Orbit) oder einen Sprengkopf über Distanzen bis 1000 km zu befördern, wurde ebenfalls nicht weiter verfolgt. Laut Aussage des irakischen Generals Hussein Kamel al-Maschid sollte die Waffe verwendet werden, um feindliche Satelliten lahm zu legen

„Es war für Angriffe auf große Entfernung und für die Blendung von Spionagesatelliten ausgelegt. Unsere Wissenschaftler haben tatsächlich daran gearbeitet. Es wurde so entworfen, dass eine Granate im All explodieren und ein haftendes Material auf den Satelliten versprühen sollte, um ihn zu blenden.“

Cannons to the Planets

http://www.youtube.com/watch?v=1IXYsDdPvbo

Diese Technik ist natürlich nur dazu gut um Material in den LEO ( Low Earth Orbit ) zu schaffen. Material wie z.B. Wasser, Sauerstoff oder Baumstoffe

MFG

Bak
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Bakhtosh
04.30.2012 , 06:31 AM | #208
"Star Trek"-Schutzschild für Mars-Astronauten

Ein Flug zum Mars dauert länger als für die Gesundheit gut ist: Denn in dieser Zeit wären die Astronauten einem enormen Beschuss durch subatomare Teilchen ausgesetzt, die menschliches Genmaterial durchschneiden wie ein heißes Messer Butter. Forscher haben nun den ersten Prototypen eines Schutzschildes entwickelt.

Ein Schutzschild wie in der Science-Fiction-Serie „Star Trek“ könnte laut Forschern Reisende auf dem Weg zum Mars vor gefährlicher kosmischer Strahlung schützen. „Die Idee funktioniert wirklich wie in Star Trek, wenn Ingenieur Scotty den Schild des Raumschiffs Enterprise zum Schutz vor Protonenstrahlen einschaltet“, sagte der Wissenschaftler Bob Bingham vom Rutherford Appleton Laboratory bei Oxford. Mit portugiesischen Kollegen hält er es nach einer Studie für machbar, mit einem Schildgenerator um eine Raumfähre ein Magnetfeld zu erzeugen, das schädliche Strahlung als dem All ablenkt.

Die Gefahr für Raumfahrer durch kosmische Strahlung ist seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt. Mars-Astronauten wären davon wegen des weiten Wegs zum Roten Planeten besonders betroffen. Die Reise würde hin und zurück mindestens 18 Monate dauern. In dieser Zeit wäre die Crew einer großen Strahlenbelastung ausgesetzt, wodurch Krebs und andere Krankheiten entstehen können.

Ein wirksamer Schutz gegen die Strahlung galt bisher als nicht machbar. So hatten einige Experten mit dem Gedanken gespielt, Raumschiffe durch riesige Blei- oder Wassertanks zu schützen. Diese in den Orbit zu heben, hätte aber Unsummen verschlungen. Schon in den 60er Jahren schlugen Wissenschaftler vor, Raumschiffe ähnlich wie die Erde mit einem Magnetfeld auszustatten. Ihren Berechnungen zufolge hätte dieses aber mehrere hundert Kilometer groß sein müssen, was enorme Energiemengen erfordern würde.

Bingham und portugiesische Kollegen haben auf Basis dieser Idee mit heutigen Methoden der Nuklearphysik neue Berechnungen angestellt und sind zu dem Schluss gekommen, dass das Magnetfeld tatsächlich nur eine „Blase“ von einigen hundert Metern erzeugen müsste. Sie bauten im Institut für höhere Technik in Lissabon einen stark verkleinerten Prototypen des Schildgenerators. Für ein Raumschiff müsste er laut Bingham mehrere hundert Kilogramm schwer sein, würde aber nur ein Drittel der Energie eines heutigen Kommunikationssatelliten verbrauchen.

Der Schutzschild würde praktisch alle Partikel abfangen, die durch Sonnenstürme entstehen, sagte Bingham. Gegen hochenergetische interstellare Strahlung wäre er dagegen nicht wirksam. Laut Bingham könnte das Raumschiff gegen diese Art der Strahlung aber etwa durch schussfestes Kevlar gesichert werden.

Manchmal gibt Science Fiction der Wissenschaft wichtige Impulse – in diesem Fall die Fernsehserie „Raumschiff Enterprise“: Britische Forscher arbeiten jetzt an der Entwicklung von magnetischen Deflektorschilden nach dem Vorbild der Serie, die Astronauten in Raumschiffen vor den tödlichen kosmischen Strahlenstürmen schützen sollen.


So könnte ein magnetischer Deflektorschild aussehen

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell...4-19-8839.html

In den letzten Jahren haben die Raumfahrtbehörden der USA, Europas, Chinas, Japans und Indiens angekündigt, langfristig die bemannte Raumfahrt wieder aufnehmen und verstärkt fördern zu wollen. Eine der Voraussetzungen für Reisen über die unmittelbare Umgebung der Erde hinaus ist jedoch der Schutz der Astronauten gegen die tödliche kosmische Strahlung. Die Apollo-Mondmissionen erfolgten noch völlig ungeschützt, es war reiner Glücksfall, dass sich während der nur wenige Tage dauernden Flüge kein Sonnensturm ereignete. Auf der Internationalen Raumstation ISS existiert ein spezieller dickwandiger Schutzraum, in den sich die Besatzung in Zeiten erhöhter Strahlung zurückziehen kann.

Für längere Raummissionen beispielsweise zum Mars wären solche Schutzräume jedoch ungeeignet: Zum einen würden sie das Gewicht eines Raumfahrzeugs extrem erhöhen, zum anderen können sich die Astronauten in einem so beengten Raum nicht langfristig aufhalten. Daher arbeitet jetzt ein Team von Wissenschaftlern am Rutherford Appleton Laboratory im britischen Oxfordshire an einer anderen Lösung: Sie entwickeln einen magnetischen „Deflektorschild“ ähnlich dem, den das Raumschiff Enterprise in der gleichnamigen Science-Fiction Serie besitzt. Über erste Konzepte berichteten sie jetzt auf der Jahrestagung der Royal Astronomical Society (RAS) in Preston.

Ausgangspunkt und Vorbild des Projekts ist das irdische Magnetfeld, das als „Plasmabarriere“ die Erde vor den schädlichen Strahlen- und Teilchenströmen aus dem All abschirmt. Die Wissenschaftler haben jetzt damit begonnen, eine Art Mini-Version dieses Magnetfelds im Labor zu erzeugen um zu sehen, ob diese Technologie auch eingesetzt werden könnte, um zukünftig Raumschiffe zu schützen. Damit dies funktioniert, setzen die Forscher modernste Technologien ein, darunter Superleiter und die Magnettechnologie, die in Fusionsreaktoren eingesetzt wird. Ob sich dieser Ansatz bewährt, müssen die Experimente noch zeigen.

Sicher und geschützt in der Plasmablase

Gas aus geladenen Teilchen soll bei langen Raumflügen kosmische Strahlung abwehren

Ein Schild aus gasförmigem Plasma könnte Astronauten auf zukünftigen Missionen zum Mars vor der schädlichen kosmischen Strahlung schützen, glauben amerikanische Astronomen. Wie eine Blase soll das Gas aus geladenen Teilchen dabei den Teil des Raumschiffs umgeben, in dem die Besatzung untergebracht ist. Das damit verbundene Magnetfeld wäre ein ebenso effektiver Schutz vor kosmischer Strahlung wie eine mehrere Zentimeter dicke Aluminiumschicht, würde jedoch lediglich ein paar Gramm wiegen. Sollte sich diese Vision tatsächlich umsetzen lassen, müssten die Raumschiffe der Zukunft sehr viel weniger Gewicht befördern als bislang angenommen.

Sobald ein Astronaut das Magnetfeld der Erde verlässt, ist er den energiereichen Teilchen, die zusammenfassend als kosmische Strahlung bezeichnet werden, praktisch schutzlos ausgeliefert. Dauert diese Bestrahlung längere Zeit an, kann sie Krebs oder andere Krankheiten verursachen. Eine Möglichkeit, diese Gefahr bei längeren Raumflügen zu vermindern, wären dicke Metallplatten, die außen am Raumschiff angebracht werden und das Teilchenbombardement aufhalten können. Allerdings wäre ein solcher Schutzschild sehr schwer und könnte daher beispielsweise beim Start der Raumfähre zu Problemen führen.

Die Lösung, die sich John Slough und sein Team von der Universität von Washington in Seattle ausgedacht haben, käme dagegen mit sehr wenig zusätzlichem Ballast aus. Sie planen, mithilfe einer Hochspannungsquelle außen am Raumschiff Wasserstoffgas in seine geladenen Bausteine Protonen und Elektronen zu zerlegen und dieses Plasma um das Raumschiff herum zu leiten. Dabei helfen soll ein ebenfalls unter Spannung stehendes supraleitendes Metallgitter, das das Fluggerät umgibt und im Plasma einen Strom erzeugt. Dieser Strom soll dann die Wolke aus geladenen Teilchen in der Nähe des Raumfahrzeuges halten. Das dabei entstehende Magnetfeld schützt die Besatzung des Schiffs.

Der optimale Durchmesser eines solchen Schildes läge wahrscheinlich bei etwa 100 Meter, hat Studienleiter Slough berechnet. Das dazu nötige Metallgitter wäre allerdings schon so groß, dass es beim Start abgenommen und später im All wieder installiert werden müsste. Momentan untersuchen Slough und sein Team im Auftrag der Nasa, ob sich ein solcher Schild unter reellen Bedingungen umsetzen lassen würde. Besonders günstig wäre es dabei, wenn das Raumschiff Plasma auch als Treibstoff nutzen würde. In diesen Fall könnte der verbrauchte Treibstoff für den Schild recycled werden, so dass die Astronauten praktisch von ihrem eigenen Abgas geschützt würden.

@ werjo

Quote:
Ergo Gewicht was hochgeschafft werden muss: m = V*rho = 2700 * 501772 = 1354784400kg

das sind rund 1,354 mt (megatonnen)
Sollte das mit dem Schild klappen .... hat sich deine Rechnung erübrigt. Ich gebe dennoch zu, das es verdammt schwer sein wird, so ein grosses Ding, zu bewegen.

MFG

Bak
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Bakhtosh
05.01.2012 , 02:18 AM | #209
Schutzschilde


Nun habe ich mich mal mit den Schutzschilden beschäftigt.
Bei einigen unserer Gildengespräche kam das Thema " Panzer mit Schutzschild" auf.
Ich verneite sofort da ich mal wieder mein Lieblingsgegenargument brachte ... die Energiequelle.

Aber auch ich war überrascht über das Ergebniss... aber lest selber.

Ist es möglich Geschosse durch ein Magnetfeld abzulenken?

Man muss als erstes bedenken das ein Magnetfeld, zur Entfernung proportional abnimmt....
das würde dann so aussehen.

http://www.google.de/imgres?q=magnet...15,s:533,i:153

Hier die Magnetfeldlinien. Gut zu sehen mit Eisenspähne.

http://de.wikipedia.org/w/index.php?...20070916153112

Kann man Magnetfelder abschirmen ?

Magnetfelder lassen sich nur sehr schwer abschirmen. Das Prinzip einer Abschirmung besteht in der Erzeugung von Magnetfeldern mit "entgegengesetzter Polung". Dazu verwendet man sehr leitfähige Metalle, mit gut beweglichen Leitungselektronen. Trifft ein Magnetfeld auf ein solches Metall, erfahren die Leitungselektronen eine Lorentz-Kraft und fangen an, sich um die magnetischen Feldlinien herum zu bewegen. So entstehen kleine Kreisströme, die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das aber entgegengesetzt zum Hauptmagnetfeld gepolt ist. Je geringer der elektrische Widerstand des Metalls ist, desto stärkere Kreisströme können sich ausbilden und desto stärker ist auch die Abschirmung des Magnetfeldes.

Gut geeignet sind die klassischen Tieftemperatur-Supraleiter. Sie schirmen ein Magnetfeld vollständig ab. Wird das Hauptmagnetfeld allerdings zu stark, bricht die Supraleitung zusammen und das Magnetfeld dringt vollständig durch. Auch Hochtemperatur-Supraleiter schirmen das Hauptmagnetfeld zunächst vollständig ab. Bei stärker werdendem Hauptmagnetfeld, lässt der Hochtemperatur-Supraleiter das Magnetfeld dann teilweise durch (Flusswirbel), bleibt aber noch supraleitend. Erst, wenn das Hauptmagnetfeld noch stärker wird, durchdringt es den Hochtemperatur-Supraleiter vollständig, und die Supraleitung ist kaputt.

Das nennt man Diamagnetismus

Bringt man eine Substanz in ein magnetisches Feld, so induziert dieses in den Elektronenhüllen der Atome einen Strom, dessen Magnetfeld nach der Lenzschen Regel dem äußeren entgegengerichtet ist. Diamagnetismus führt so zu einer Abschwächung des Magnetfeldes in der Substanz. In Materialien deren Atome, Ionen oder Moleküle keine ungepaarten Elektronen besitzen, ist Diamagnetismus die einzige Form von Magnetismus.

Wie stark müsste so ein Magnetfeld denn sein ?

Die meisten Substanzen und Objekte wie Frösche sind unmagnetisch und damit zunächst vollkommen unfähig in einem Magnetfeld zu schweben. Betrachtet man solche unmagnetischen Stoffe aber genauer, so stellt man aber fest, dass sie nicht völlig unmagnetisch sind, sondern nur etwa eine Milliarde Mal weniger magnetisch als etwa Eisen. Daher muss das Magnetfeld je nach Volumen und Gewicht des Körpers sehr groß sein. Für einen Frosch braucht man einen speziellen Elektromagneten in einem Hochmagnetfeldlabor durch dessen Spule 20.000 Ampere fließen. Dadurch entsteht ein Magnetfeld mit einer Stärke von 10 Tesla, welches dann den Frosch schweben lässt. Man könnte auch Menschen schweben lassen, bräuchte dazu aber ein Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 40 Tesla.

Ein solcher Magnet hätte einen enormen Stromverbrauch von der Größenordnung eines Kernkraftwerks.

Hochmagnetfeldlabor - Frosch

http://www.youtube.com/watch?v=LxRvEfyFJu8

Dem Frosch ist nichts passiert...

Wieviel Energie erzeugt nun ein KKW ?

Ein mittleres Kernkraftwerk leistet 1200 Megawatt.

Also um einen Menschen ca. 100 Kg schweben zu lassen brauchen wir ca. 1200 MW.

Nun schießt ein fremder Panzer auf uns.

Geschoss DM 63
Patronengewicht ca. 21,4
Geschoßgewicht ca. 8,35
Anfangsgeschwindigkeit 1750 m/sek
Einführung 2005, für Kanone L55, wie DM 53, aber stärkere Treibladung

Wuchtmunition

Aufbau und Wirkung

Das eigentliche Geschoss ist dabei immer aus einem Metall oder einer Legierung von möglichst großer Dichte, die gegebenenfalls noch gehärtet wird. Durch die große Dichte und Härte wird der Großteil der kinetischen Energie (Wucht) zum Durchdringen der Panzerung aufgewendet. Für Wuchtgeschosse wird heute in der Regel gesintertes Wolframcarbid oder abgereichertes Uran (engl. DU = depleted uranium) verwendet, wodurch Letztere oft als Uranmunition bezeichnet wird.

Wirkprinzip

Das Projektil verdrängt durch seine hohe kinetische Energie und die meist relativ dünne und angespitze Pfeilform beim Auftreffen und Eindringen das Material, das aufgrund seiner Trägheit nicht mehr mit elastischer und plastischer Verformung reagieren kann, um so die Energie zu absorbieren. Das Wirk- und Eindringprinzip ist dabei vergleichbar mit einem Druckluftnagler, der große kinetische Energie auf der sehr kleinen Nagelspitze konzentriert.

Das Eindringverhalten ist damit prinzipiell ähnlich dem Stachel eines Hohlladungsgeschosses, nur dass hier die hydrodynamischen Gesetze nicht gelten, da die Drücke weit unter den erforderlichen 200 Gigapascal (GPa) liegen. Wäre das Geschoss weniger dicht, weicher oder hätte eine geringere Geschwindigkeit, würde die Energie nur zur Verformung von Geschoss und Panzerung führen, ohne wirklich in das Ziel einzudringen.

Gigapascal

Die Einheit Gigapascal (1 GPa = 1 Milliarde Pa) beschreibt Drücke, die z. B. Kohlenstoff in Diamant verwandeln.[2]

GPa ist die Einheit des Elastizitätsmoduls.

Graphit, zusammengepresst in einer hydraulischen Presse bei Drücken von bis zu 6 Gigapascal und Temperaturen von über 1500 °C, wandelt sich in Diamant um.

Bornitrid, analog zur Umwandlung von Graphit in Diamant, wandelt sich von einer hexagonalen in die kubische Modifikation um bei hoher Temperatur (1400–1800 °C) und hohem Druck von über 6 Gigapascal. Unter Normalbedingungen weist Bornitrid eine Festigkeit von etwa 48 Gigapascal auf (Diamant zwischen 70 und 100 Gigapascal).

Der Schubmodul (auch Gleitmodul, Schermodul oder Torsionsmodul), eine Materialkonstante, die Auskunft über die lineare elastische Verformung eines Bauteils infolge einer Scherkraft oder Schubspannung gibt, wird ebenfalls in Gigapascal angegeben. Aluminium hat z. B. einen Schubmodul von 25,5 Gigapascal, Stahl von 79,3 Gigapascal. Der Schermodul von Gesteinen beträgt meistens 30 Gigapascal, siehe Seismisches Moment.

Das Fazit....

Ein Geschoss kommt auf uns zu mit ca. 1700 m/sec welches einen ca. Druck von bis zu 200 GPascal erzeugt.

Wieviel Kraftwerke soll ich denn da anschließen um so ein großes und starkes Magnetfeld zu erzeugen damit es diese auftreffende Kraft ablenkt ?


Also vergesst es bitte, es wird einfach nicht funktionieren. Auch U.F.O's die angeblich mit Magnetantrieb fliegen. Es funzt net, wie oben erklärt.


Woher ich das alles habe und ihr seht was das für eine Arbeit ist das alles zusammen zu suchen.

http://www.drillingsraum.de/room-for...d.php?tid=1660
http://www.wer-weiss-was.de/theme50/article261608.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Projektilbildende_Ladung
http://de.wikipedia.org/wiki/Pascal_(Einheit)
http://de.wikipedia.org/wiki/Wuchtgeschoss
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetismus
http://www.sciencebusters.at/section...e-fu/posts/247
http://www.bigel-labs.de/13.Gefahren...ldgefahren.htm
http://www.kotsch88.de/m_120_mm.htm

MFG

Bak
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Bakhtosh
05.02.2012 , 06:10 AM | #210
Terraformen

Nachdem im Thread unter mir schon heftig darüber diskutiert wurde, möchte ich nun auch meinen Senf dazugeben.

Terraforming - Wie man einen Planeten bewohnbar macht

Schon seit längerem geistert eine Idee durch die Köpfe einiger Planetologen, Raumfahrtingenieure und Weltraumfans. Eine gigantische Vision. Das Konzept heißt Terraforming - Die Schaffung einer erdähnlichen Umwelt auf einem anderen Planeten. Der beste Kandidat für dieses gewagte Unternehmen ist Mars. Zahlreiche Philosophen jedoch sehen in der gesamten Idee den Mars umzuwandeln ein beispielloses Umweltverbrechen.
Aus dem einst beliebten Science-Fictionthema ist heute ein ernsthafter Forschungsgegenstand gweorden. Ende 1997 gab die NASA sogar eine eigene Terraformingkonferenz mit über 100 Teilnehmern. Und so erstaunlich es auch klingen mag: Es scheint tatsächlich möglich zu sein den kalten, trockenen Wüstenplaneten in eine etwas freundlichere Welt zu verwandeln. Die grundlegenden Technologien dafür sind zumindest in Ansätzen bekannt, und in einem sehr viel kleineren Maßstab werden ähnliche Veränderungen bereits auf der Erde vollzogen. Der von Menschen ausgelöste Temperaturanstieg ist bereits eine unfreiwillige Umformung unseres Heimatplaneten. Mit etwas intelligenterer Lenkung könnte man mit sehr ähnlichen Verfahren auf dem Mars sogar etwas Gutes bewirken.
Es wird einige vielleicht erstaunen, daß wir keine nennenswerten Mengen an flüchtigen Verbindungen auf den Mars importieren können.

Dies wird jedoch sofort deutlich wenn man sieht, daß für einen Druck von 1 bar die gewaltige Masse von 4*10 hoch 15 Tonnen Gas nötig ist.

Das Space Shuttle kann gerade mal 40 Tonnen in eine niedrige Umlaufbahn befördern und selbst zukünftige Transporter sind bisher für maximal 140 Tonnen geplant. Ein derartiges Vorhaben wäre einfach nicht durchführbar.
Auch die Möglichkeit, große Asteroiden oder Kometen auf Kollisionskurs mit Mars zu bringen, ist nicht besonders realistisch.

Für eine 1 bar-Atmosphäre bräuchte man nämlich 1 Million Kometen mit einem Durchmesser von 1 km.

Das was wir realischerweise ändern könnten, sind aber die allgemeinen Umwelteigenschaften des Planeten: Die Verteilung der gasförmigen Stoffe, Oberflächentemperatur und -druck, die Zusammensetzung und Lichtdurchlässigkeit, der Atmosphäre, Albedo, Niederschlag und Bodenfeuchtigkeit.

Allgemeine Bewohnbarkeit

Die Rotationsrate des Mars ist mit etwas mehr als 24 Stunden fast identisch mit der irdischen Umdrehung. Auch die Schwerkraft (0,39g) würde vermutlich für eine langfristige biologische Anpassung ausreichen.

Da der Planet 1,52mal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde, bekommt er nur 43% des irdischen Sonnenlichts.

Das ist aber immer noch viel mehr als für die Photosysnthese gebraucht wird, also wird das Licht selbst kein begrenzender Faktor sein. Eine der wichtigsten Eigenschaften eines bewohnbaren Planeten ist seine durchschnittliche Oberflächentemperatur. Auf der Erde herrschen heute 15°C, auf dem Mars dagegen -60°C. Jeder bewohnbare Planet muß auf seiner Oberfläche flüssiges Wasser aufweisen, darum muß die Temperatur zwischen 0°C und 30°C liegen. Die Untergrenze wird durch den Gefrierpunkt des Wassers vorgegeben, die Obergrenze ist hier eher willkürlich gewählt, aber wegen der Eiseskälte auf dem Mars ist sie auch relativ bedeutungslos.

Pflanzen

Zuerst wollen wir uns mal eine Welt für Pflanzen und Mikroorganismen ansehen, deren Schaffung man auch als Ökopoese bezeichnet. Der CO2-Druck der Erde (0,35mbar) ist immerhin niedrig genug, um viele Pflanzen (vor allem C3-Pflanzen) in ihrer Photosysntheseleistung zu beschränken. C3-Pflanzen können sogar bei 35 - 45 ppm CO2 keine gewinnbringende Photosysnthese mehr betreiben. C4-Pflanzen dagegen können sogar noch bei verschwindend geringen CO2-Konzentrationen einen Nettogewinn erzielen. Im allgemeinen gilt jedoch, daß die Photosynthese bei Partialdrücken unter 0,25 mbar deutlich gehemmt wird. Deshalb gehen wir hier von 0,15 mbar als absolute Untergrenze aus. Nach oben hin ist alles offen, obwohl sich einige Arten bei hohen Konzetrationen nicht mehr so wohl fühlen. Manche Algen gedeihen jedoch am besten in reinem CO2.
Sauerstoff wird von anaeroben Mikroorganismen nicht benötigt, wohl aber von Pflanzen für die Atmung in den Mitochondrien. Pflanzen bevorzugen dabei Konzentrationen weit unterhalb des heutigen Wertes. Die Anforderungen variieren dabei von Art zu Art, aber allgemein steigt die Photosysntheseleistung, je weiter die Sauerstoffkonzentration sinkt, bis hinunter zu 20 mbar, wo sich dann Störungen inm Stoffwechsel bemerkbar machen. Es wäre sogar möglich, Pflanzen so weit anzupassen, daß sie auch noch einen O2-Druck von 1 mbar verkraften, denn das mitochondriale Enzym, das den Sauerstoff benötigt, hat dafür so eine starke Bindungskraft, daß es sogar noch bei 0,1 mbar O2 funktioniert.
Stickstoff dagegen wird von allen Organismen benötigt und der N2-Gehalt der Luft muß hoch genug sein, damit Bakterien das Gas in Form von Nitraten und Nitriten fixieren können. Diese Fixierung scheint aber auch nöch bei Drücken von 10 mbar oder noch weniger zu funktionieren.
Pflanzen und Bakterien können Gesamtdrücke von weit unter 1 bar tolerieren. Zusätzlich zu ein paar mbar N2 und O2 sowie 0,15 mbar CO2 muß die Atmosphäre nur noch dem Dampfdruck des Wassers standhalten können (6,1 mbar bei 0°C). Ein Druck von 10 mbar wäre also genug, damit irdische Pflanzen und Bakterien auf dem Mars überleben können.
Zusätzlich zur richtigen Atmosphäre muß aber auch eine große Menge flüssiges Wasser vorhanden sein. Einerseits ist Wasser die absolute Grundvoraussetzung für jedes Leben und ist mit seiner hohen Wärmekapazität ein idealer Klimastabilisator. Andererseits muß Kohlenstoff in Form von organischem Material im Wasser versenkt werden, damit überhaupt eine spürbare Menge an Sauerstoff freigesetzt werden kann. Auch sind die hydrodynamischen Kreisläufe auf einem Planeten entscheidend für die langfristige Bewohnbarkeit.

Menschen

Die Schaffung einer künstlichen Welt, in der Menschn überleben können, ist das eigentliche Terraforming. Der unterste von Menschen gerade noch verkraftete O2-Partialdruck beträgt 130 mbar. Die genaue Gasmischung und der Gesamtdruck sind dabei relativ unerheblich. Steigt der O2-Druck jedoch über den heutigen Meereshöhendruck (210 mbar), machen sich langsam die Effekte der Sauerstoffvergiftung bemerkbar. Schon nach einer geringfügigen Überschreitung dieses Drucks lassen sich schon nach 200 Stunden die ersten Anzeichen beobachten. Bei 500 mbar treten schon nach 24 Stunden Probleme auf. Die Obergrenze des O2-Partialdrucks scheint also wirklich bei den heutigen 210 mbar zu liegen. Aber auch 345 mbar scheinen zumindest kurzfristig noch verkraftet zu werden (wie bei den Apollo-Missionen).
Das andere Problem mit Sauerstoff ist extreme Brandgefahr bei hohen Partialdrücken. Deshalb sollte man die realistische Obergrenze bei ungefähr 300 mbar ansiedeln.
CO2 wird für das Blut von Menschen und Tieren giftig, wenn der Partialdruck 10 mbar übersteigt. Der heutige CO2-Druck des Mars liegt knapp darunter.
Damit eine Atmosphäre auch zum Atmen geeignet ist, muß noch ein Puffergas vorhanden sein, um spontane Verbrennung und die Giftwirkung des Sauerstoffs zu verhindern. Auf der Erde ist Stickstoff dieser Puffer. Es hätte aber auch anders kommen können. Das Sonnensystem enthält viel mehr Helium und Neon als Stickstoff, und auch Argon, Krypton und Xenon wären als Puffergase geeignet, kommen aber seltener vor als Stickstoff. Die Vorräte dieser Edelgase auf dem Mars sind aber so klein, daß man sie als Puffer vernachlässigen kann. Andere Gase wie H2, F2 oder Cl2, die man dort herstellen könnte, sind entweder explosiv oder giftig. CO2 scheidet wegen seiner Giftigkeit bei mehr als 10 mbar ebenfalls aus. Weitere komplexe Gase wie CH4, H2O, CO, HCN, Halogenverbindungen oder SF6 sind ebenfalls nicht in ausreichenden Mengen verfügbar, um einen Druck von mehreren 100 mbar aufzubauen. Es bleibt also Stickstoff als einziges Puffergas übrig. Der Stickstoff der Marsatmosphäre ist jedoch viel zu wenig um eine atembare Gashülle bilden zu können. Der Boden könnte jedoch feste Sticktoffquellen wie Nitrite oder Nitrate enthalten.
Bei 37°C, der Körpertemperatur eines Menschen, beträgt der Dampfdruck des Wassers ca. 60 mbar, was auch dem Partialdruck des Wasserdampfes in unseren Lungen entspricht. Zusammen mit dem CO2-Druck und dem Sauerstoffdruck (130 mbar) der menschlichen Lunge ergibt sich eine feste Untergrenze des Umgebungsdrucks einer reinen Sauerstoffatmosphäre von 250 mbar. Bei noch niedrigeren Drücken können Menschen und warmblütige Tiere nur in Schutzanzügen überleben. Für erdähnliche Luftgemische kann man die Untergrenze abschätzen, wenn man das Leben von Menschen in hohen Gebirgslagen berücksichtigt. Eine langfristige Anpassung an Höhen von 5.000 bis 6.000 m (500 mbar) ist grundsätzlich möglich, während Höhen unter 3.000 m (700 mbar) überhaupt keine spürbaren Auswirkungen haben. Trotzdem ist eine gewisse Masse der Luftsäule nötig, um uns vor kosmischer Strahlung und dem Sonnenlicht zu schützen. Wegen der geringeren Schwerkraft des Mars hätte eine Atmosphäre mit einem Druck von 390 bar dort dieselbe Säulenmasse wie die irdische Luft.
500 mbar sollte also die Untergrenze für ein luftähnliches Gasgemisch sein. Davon entfallen 300 mbar auf das Puffergas und 200 mbar auf den Sauerstoff. Die Obergrenze für den Druck liegt bei 5 bar. Ab dann bekommt der Stickstoff nämlich eine narkotisierende und giftige Wirkung, was für eine Kolonie etwas unpraktisch wäre.
In Tabelle 7 sind zwei völlig verschiedene Biosphären für den Mars aufgeführt: Erstens die Ökopoese für Pflanzen und zweitens das Terraforming für Menschen und Tiere.

Wäre das überhaupt möglich?

Nachdem wir nun die genauen Umweltbedingungen aufgestellt haben, die der Mars für eine Besiedlung erfüllen muß, wollen wir uns nun einmal ansehen, ob der Mars überhaupt grundsätzlich auf diese Bedingungen gebracht werden kann..

Pflanzen

Zuerst schauen wir uns eine für Pflanzen geeignete CO2-Atmosphäre an. Die Menge an Kohlendioxid wird dabei eher von den Temperaturbedürfnissen der Pflanzen als von ihrer Physiologie bestimmt. Mehrere aktuelle Klimamodelle liefern dafür ganz gute Schätzwerte. Demnach muß der CO2-Druck knapp über 2 bar liegen, um die Oberflächentemperatur dauerhaft über dem Gefrierpunkt zu halten. Natürlich kann auch heute die Mittagstemperatur am Marsäquator über 0°C liegen, aber nachts geht es dann wieder runter auf -60°C. Wenn man diese lebensfeindlichen Schwankungen verringern und den Mars dauerhaft warm haben möchte, braucht man diesen enormen CO2-Druck.
Sauerstoff ist in der heutigen Marsatmosphäre zwar nur zu 0,13% vertreten, wird aber durch photochemische Effekte ständig nachgeliefert. Zudem gibt es auf dem Mars keine nennenswerte vulkanische Aktivität. Es fehlen also reduzierte Vulkangase, die den Sauerstoff binden könnten. Außerdem ist der Marsboden stark oxidierend und ist deshalb wohl eher eine Quelle als eine Senke für Sauerstoff. Selbst ohne biologische Aktivität kann die O2-Konzentration relativ hohe Werte erreichen. Wenn die Gasmischung dieselbe bleibt, aber der Druck auf 2 bar angehoben wird, läge der O2-Druck bei 2,5 mbar, was Pflanzen genügen würde. Noch höhere O2-Drücke würden sich natürlich als Ergebnis der Photosynthese einstellen.
Etwas kritischer dagegen wird die Versorgung mit Stickstoff. Um genügend Stickstoff für die Fixierung und Produktion von Biomasse bereitzustellen, muß der jetzige N2-Partialdruck von 0,3 mbar auf mehrere mbar angehoben werden. Es ist aber noch völlig offen, ob der Marsboden überhaupt die dafür nötige Menge an Stickstoff enthält. Falls doch, dann könnte eine CO2-Atmosphäre von 1 - 3 bar aus dem Mars einen Planeten machen, auf dem sich Pflanzen durchaus wohlfühlen können.

Menschen

Eine für Menschen halbwegs erträgliche Atmosphäre sieht dagegen etwas anders aus: 200 mbar Sauerstoff, 790 mbar Stickstoff, 10 mbar Kohlendioxid und etwas Wasserdampf. Auf der Erde würde solch eine Gasmischung die Temperatur drastisch erhöhen, da die CO2-Konzentration 30mal höher wäre als heute.
Wenn man diese Atmosphäre jedoch auf den Mars überträgt, liegt das Temperaturgleichgewicht bei -55°C! Dieser überraschende Frost läßt sich damit erklären, daß der Mars viel weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde und deshalb auch weniger Wärme erhält. Und diese erdähnliche Atmosphäre ist sehr durchlässig für Wärmestrahlung. Sollte man also dieses Gasgemisch auf dem Mars einrichten und die Temperatur auf 15°C setzen, dann verliert der Planet viel mehr Wärme als die Sonne ihm nachliefern kann, bis schließlich klirrende -55°C erreicht sind. Nur weil die Erde der Sonne so nahe ist kommt sie mit solch einer wärmedurchlässigen Atmosphäre aus. Auf dem Mars müßte man die Atmosphäre für Infrarotstrahlung erheblich undurchlässiger machen, um ein Gleichgewicht oberhalb des Gefrierpunktes zu erreichen.
Um das zu verstehen muß man wissen, daß der Treibhauseffekt auf dem Mars heute nur für eine Erwärmung um 6°C sorgt. Die Zugabe von Stickstoff und Sauerstoff, die kein Infrarot absorbieren können, verbreitert zwar die Kohlendioxidlinien und erhöht den Treibhauseffekt, aber nur minimal. Der Treibhauseffekt der Erde dagegen macht 33°C aus, trotz der viel geringeren CO2-Konzentration. Grund dafür ist die viel höhere Konzentration von Wasserdampf in der Erdatmosphäre, der ein sehr viel besseres Treibhausgas ist als CO2. Wenn der Mars wärmer wird, dann erhöht sich zwar auch dort der Gehalt an Wasserdampf in der Luft und der Treibhauseffekt nimmt zu. Dennoch wäre er mit einer erdähnlichen Atmosphäre immer noch viel zu kalt.

Der galoppierende Treibhauseffekt

Schon frühere Diskussionen um die Erwärmung des Roten Planeten drehten sich um einen sich selbst verstärkenden Effekt, der auf einer Rückkopplung der CO2-Atmosphäre mit den Trockeneiskappen der Pole beruht. Das Prinzip ist ganz einfach: Wenn der Mars zu Anfang ein bißchen erwärmt wird, verdampfen die Polkappen aus gefrorenem Kohlendioxid. Dadurch wird die Atmosphäre dichter und hält mehr Wärme zurück, der Planet wird noch wärmer. Auch der Regolith enthält eine Menge Kohlendioxid, das für diesen Effekt genutzt werden könnte.
Schon wenn der Luftdruck an der Oberfläche auf nur 100 mbar steigt, verstärkt sich dadurch der Wärmetransport von den mittleren Breiten und wird zu einem wichtigen Faktor für die Erwärmung der Polarregionen und die Verdampfung des Trockeneises. Berücksichtigt man dazu noch den Treibhauseffekt des CO2, dann fällt die Erwärmung noch viel stärker aus

Das Ergebnis kann sich sehen lassen. Zuerst gibt es ein stabiles Gleichgewicht bei einem sehr niedrigen Druck, aber sobald der Schwellenwert überschritten wird gerät das System völlig außer Kontrolle und die Polkappen verdampfen vollständig. Die endgültige Temperatur und der Druck hängen dann nur noch davon ab, wieviel CO2 überhaupt vorhanden ist.
Der Haken an der Sache ist nur die Annahme, daß die Polkappen eine große Menge Trockeneis enthalten. Für den Nordpol trifft das aber mit Sicherheit nicht zu. Bestenfalls am Südpol könnte es ein ganzjähriges CO2-Reservoir geben. Aber noch weiß niemand, wie groß dieser Vorrat wirklich ist. Die Südkappe ist jedenfalls klein (nur 350 km im Durchmesser) und kann nicht unbegrenzt CO2 enthalten, da sie an der Untergrenze ständig schmilzt. Immerhin kann schon eine Kappe von 1 km Dicke genug Kohlendioxid für einen Druck von 100 mbar enthalten. Aber solange noch keine genaueren Daten vorliegen, kann man hier nur spekulieren.
Etwas anders sieht es dagegen mit den CO2-Vorräten im Regolith aus, die auf mindestens 300 mbar geschätzt werden. Auch wenn sich das Kohlendioxid wohl eher in der Nähe der kälteren Polarregionen befinden dürfte, wird der gesamte Vorrat an die Atmosphäre abgegeben, sobald es wärmer wird.
Der galoppierende Treibhauseffekt bringt sogar eine höchst interessante Möglichkeit mit sich: Falls man die Temperatur am Anfang um 25°C anheben kann (z.B. mit Hilfe zusätzlicher Treibhausgase), dann gerät der Luftdruck über den Schwellenwert von 30 mbar und das ganze System pendelt sich bei einem neuen Gleichgewicht von 800 mbar und 250 K (-23°C) ein. Mit 2 bar CO2 hätte man das Gleichgewicht bei 273 K (0°C), und mit 3 bar würde die Temperatur auf weit über 280 K (8°C) ansteigen. Das würde schon reichen um Pflanzen anzusiedeln, obwohl es immer noch etwas mager ist im Vergleich zu den 15°C auf der Erde.
Eine sehr große Unsicherheit besteht allerdings darin, wie stark die Kohlendioxidvorräte an den Regolith gebunden sind. Anders ausgedrückt: Man weiß nicht genau, wielviel Grad Celsius man erst einmal per Gewalt "vorschießen" muß, damit die Erwärmung außer Kontrolle gerät. Eben haben wir 25°C erwähnt; aber tatsächlich schwanken die Schätzungen zwischen 5°C und 60°C. 20 - 25°C sind dabei nur der wahrscheinlichste Kompromiß, aber alles weitere muß durch Untersuchungen vor Ort geklärt werden. Natürlich ist es besser wenn die Schwellentemperatur möglichst niedrig liegt, weil dann das ganze Terraforming schneller abläuft und viel, viel weniger Geld kostet...

Terraformtechniken

Ein relativ schonendes und unkompliziertes Verfahren wäre die Anreicherung der Marsatmosphäre mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Diese Verbindungen absorbieren nämlich genau die Wellenlängen, die Kohlendioxid und Wasserdampf kaum zurückhalten können. Von besonderem Interesse sind dabei CF3Br, C2F6, CF3Cl und CF2Cl2. Diese Gase bestehen aus Elementen, die auf dem Mars natürlich vorkommen und ihre Halbwertszeiten sind relativ lang verglichen mit ihrer Zerstörung durch UV-Strahlung. In einem Mischungsverhältnis von 1:109 (1 ppb) können diese Gase die Temperatur schon um 0,1°C erhöhen.
Das erste dieser Gase, CF3Br, wurde bis vor wenigen Jahren als Kühl- und Feuerschutzmittel verwendet. Auf der Erde hat es eine Halbwertszeit von mehr als 100 Jahren und wird erst in der Stratosphäre abgebaut. C2F6, CF3Cl und CF2Cl2 sind sogar noch stabiler mit Halbwertszeiten von mehr als 500, 400 bzw. 110 Jahren. Ein weiteres Treibhausgas wäre SF6, ein sehr starker Infrarotabsorber. Alle dies Gase haben den großen Vorteil, daß sie bis in Konzentrationen von Teilchen pro Millionen (ppm) nicht giftig sind.
Um den Mars bewohnbar zu machen, müßte man ihn um mindestens 60°C erwärmen. Die FCKWs bräuchte man dafür in Konzentrationen von mehreren ppm oder sogar noch höher, um die künstliche Stickstoff/Sauerstoffatmosphäre auf eine erträgliche Temperatur zu bringen. Angenommen, man verwendet eine Konzentration von 10 ppm (0,01 mbar), dann ergibt das eine Gesamtmasse von 4*1010 Tonnen, ganz entschieden zu viel, um es von der Erde importieren zu können. Man müßte die Treibhausgase also direkt auf dem Mars produzieren und das in einer Menge, welche den Verlust durch die UV-Photolyse ausgleicht. Dafür genügt bereits eine jährliche Produktion von 100.000 Tonnen (bei einer Halbwertszeit von 400 Jahren).

Allerdings würde diese gewaltige Menge an FCKW jegliche Ozonschicht der künstlichen Atmosphäre zerstören und die Gase würden viel schneller von der UV-Strahlung zerstört werden. Um diesen Verlust auszugleichen, müßte man dann schon 3*1012 Tonnen im Jahr produzieren.
Für eine Kolonie auf dem Mars hätte die fehlende Ozonschicht allerdings keine schädlichen Folgen. Diese enorme Menge an FCKW würde nämlich dieselbe Aufgabe erfüllen wie das Ozon. Und auf der Erde schützt uns die Ozonschicht bekanntlich dadurch, daß sie das UV-Licht absorbiert, wobei das Ozon zerstört wird.
Der technische Aufwand dafür ist zwar gewaltig, aber durchführbar. In Tabelle 8 ist der Produktionsumfang und der Energiebedarf zur Anreicherung der Marsatmosphäre mit FCKW dargestellt. Um z.B. innerhalb von 20 Jahren einen FCKW-Druck von 0,012 µbar zu erzeugen und damit die Marstemperatur um 5°C zu erhöhen, müßten pro Stunde 263 Tonnen dieser Gase freigesetzt werden. Nach unserer heutigen Kenntnis muß eine solche Anlage mit 1315 MW gespeist werden. Wählt man Gase mit einer Halbwertszeit von 100 Jahren, kann die Produktion nach den ersten 20 Jahren auf ein Fünftel heruntergefahren werden. Ein durchschnittliches Atomkraftwerk hat bereits eine Leistung von 1000 MW, genug um eine mittlere Stadt mit Energie zu versorgen. Troztdem muß solch eine Terraforminganlage stündlich ganze Waggonladungen FCKW erzeugen, was nur mit einem gigantischen Industriekomplex und einer ständigen Mannschaft von mehreren Tausend Personen erreicht werden kann. Allein die Kosten für den Bau der Anlage und die ersten Jahre ihres Betriebs können leicht in den Bereich von mehreren 100 Milliarden Dollar abheben. Aber auch wenn uns das heute als sehr viel erscheint, könnten die wirtschaftlichen Verhältnisse Mitte des nächten Jahrhunderts doch sehr viel günstiger aussehen.
Allerdings gibt es bisher keine verläßlichen Daten darüber, wie stark diese FCKW den Treibhauseffekt in diesen hohen Konzentrationen tatsächlich beeinflussen würden. Aber man kann das mal modellhaft durchrechnen: In einem Fall erfolgt die Absorption nur im Bereich von 800 - 1200 nm, im anderen Fall im gesamten Infrarotbereich und mit gleichmäßiger Absorption auf allen Wellenlängen. Und schnell zeigt sich, daß im ersten Fall die Absorption immer noch nicht ausreicht, um die Durchschnittstemperatur über den Gefrierpunkt zu liften, selbst wenn die Absorption sehr hoch wäre (denn die anderen Spektralbereiche geben die eingefangene Energie wieder ab). Im zweiten Fall steigt die Temperatur immer steiler an, je undurchlässiger die Atmosphäre für Infrarotstrahlung wird. Gibt man die FCKWs dagegen einfach in die heutige Marsatmosphäre, dann fällt die Wirkung sogar noch magerer aus als im ersten Fall.

Aber auch wenn die Erwärmung der Atmosphäre gut voranschreitet, so bleibt doch immer noch das Problem des Permafrostbodens, der auch unter einer warmen Atmosphäre noch Zigtausende von Jahren gefroren bliebe. Auch die Karbonatfelsen, deren Kohlendioxidvoräte dringendst zum Terraforming benötigt werden, sind nur mit FCKW alleine nicht so schnell zu knacken. Man wird dem Mars wohl Gewalt antun müssen, um an die unterirdischen Gas- und Wasservorräte heranzukommen.
Sobald Forschungsteams die unterirdischen Eis- und Karbonatlager kartographisch erfaßt haben, kann man an möglichst vielen Stellen Wasserstoffbomben im Felsen versenken. Die Zündung von 70.000 dieser Waffen würde die Gasvorräte schlagartig freisetzen. Nachdem sich der Staub gelegt hat und die Strahlung nach einigen Jahrhunderten abgeklungen ist, kann man die ersten FCKW-Fabriken aufbauen. Ganz offensichtlich muß dieser "nukleare Bergbau" aber erfolgen, bevor irgendwelche Siedlungen errichtet wurden. Allerdings ist fraglich, ob sich solch ein Vorhaben in der Bevölkerung durchsetzen ließe. Schließlich ist schon der bloße Gedanke, die in über 3 Mrd. Jahren gewachsene Oberfläche des Mars mit den uralten Flußtälern, den großen Canyons und möglichen Fossilien mit Kernwaffen zu zerstören für viele Menschen eine schockierende Vorstellung.
Mit etwas weniger verheerenden Folgen, aber immer noch nach der Holzhammermethode funktioniert der Plan, große Asteroiden von ihren Kurs abzulenken und auf den Mars krachen zu lassen. Astronomen vermuten, daß sich jenseits von 10 AU große eis- und ammoniakreiche Asteroiden befinden (eigentlich sind es dann ja Kometen). Chiron ist eines dieser noch wenig bekannten Objekte, obwohl er mit 180 km Durchmesser doch etwas zu groß geraten ist. Aber sollte ein solcher Eisklotz mit einer Masse von 10 Mrd. Tonnen auf dem Mars einschlagen, würde er auf einen Schlag 1 Billion Tonnen Wasser (auch aus dem Permafrost, versteht sich) freisetzen. Das in ihm enthaltene Ammoniak würde die Temperatur global um 3°C erhöhen und dringend benötigten Stickstoff für den Aufbau von Biomasse liefern.
Die Umlenkung weit entfernter Asteroiden ist übrigens weitaus einfacher als bei Objekten im inneren Sonnensystem, einfach weil sie dort draußen eine viel geringere Geschwindigkeit aufweisen. Um einen Asteroiden von 25 AU in Richtung Mars zu lenken muß man seine Geschwindigkeit nur um 0,3 km/sec ändern; von 2,7 AU aus ist die zehnfache Energie nötig.
Versieht man einen 10 Mrd. Tonnen schweren Kometen mit mit vier großen Nuklearantrieben von jeweils 5.000 MW, dann kann man damit einen Teil des Eises auf 2.200°C erhitzen und mit 4 km/sec abstoßen. Läuft der Antrieb 10 Jahre lang, wird nur 8% der Kometenmasse verloren. Nach weiteren 20 Jahren im freien Fall wird er mit einer Gewalt von 70.000 Mt TNT auf dem Mars einschlagen. Nur vierzig Brocken dieses Kalibers und es ist genug Ammoniak freigeworden, um den Stickstoffgehalt der Atmosphäre zu verdoppeln - und noch mehr, wenn die Kometen direkt in unteridische Stickstofflager hineinkrachen und sie verdampfen lassen. Zudem wäre dabei soviel Eis geschmolzen, daß ein Viertel des Planeten 1 m hoch mit Wasser bedeckt werden könnte.
Aber wehe eines dieser Geschosse geht daneben und trifft den falschen Planeten... - den Blauen statt den Roten. Diese Gefahr ist latent immer gegeben, da weder Menschen noch Maschinen fehlerfrei arbeiten - das ist heute so und wird auch in 100 Jahren nicht anders sein. Auch durch schlichte Sabotage kann solch ein Klotz außer Kontrolle geraten - und wo ein Großprojekt ist, da finden sich immer auch 100 Leute, die es unbedingt kaputtmachen wollen, egal ob es nationalistisch verblendete Spinner oder Ökofundamentalisten sind. Es ist auch typisch für die Amerikaner, daß sie solch ein Vorhaben etwas verharmlosend als "Import ammoniakreicher Objekte" bezeichnen (als ob sie am Zoll anhalten würden...). McKay erwähnt in seiner Arbeit nur ganz kurz am Rande, daß das Umlenken von Kometen ja wohl "inkompatibel" mit der gleichzeitigen Errichtung von Siedlungen "sein könnte" - mit anderen Worten, es würde nicht viel von einer Stadt übrigbleiben, sollte ein Komet auch nur 1.000 km von ihr entfernt einschlagen.
Das Problem beim "Ammoniakimport" ist zudem die Zerstörung dieses Gases durch das Sonnenlicht. Entweder schießt man regelmäßig Kometen nach (aber dann kann man das Terraforming auch gleich sein lassen...) oder man bringt Bakterien auf den Mars, die den vorhandenen Stickstoff laufend in Ammoniak umwandeln und den Verlust ausgleichen.

Natürlich gibt es auch noch eine "sanfte" Lösung. Wenn man daran geht und den Mars auftauen will, sollte man mit den Polkappen anfangen - schließlich enthalten sie die größten sichtbaren Vorräte an CO2 und Wasser. Die billigste Lösung wäre es, einen Absorber (z.B. Ruß) großflächig über beiden Polkappen zu verteilen. Die eingepuderten Kappen behalten dadurch mehr Wärme zurück und tauen langsam auf - und sobald die Südkappe ihre 100 mbar Kohlendioxid abgegeben hat, kann die dichtere und schon wärmere Atmosphäre dafür sorgen, daß auch der hartnäckige Regolith seinen "Schatz" herausrückt. Denselben Effekt kann man mit orbitalen Spiegeln erreichen, die über der Südkappe installiert werden. Allerdings müßte ein wirklich wirksamer Spiegel schon einen Durchmesser von 125 km aufweisen. Selbst mit den allerleichtesten Sonnensegeln auf Aluminium-Kunststoffbasis hätte der Spiegel immer noch eine Masse von 4 t/km2 - also knapp 200.000 t insgesamt. Damit könnte dann aber auch die gesamte Region südlich des 70. Breitengrades um 5°C erwärmt werden.
Der Spiegel hätte auch noch einen weiteren Vorteil: In einer Höhe von 214.000 km würden sich Schwerkraft und Lichtdruck gegenseitig ausgleichen, so daß der Spiegel immer in unveränderter Posizion bleiben könnte und sich nicht wie ein gewöhnlicher Satellit um den Planeten drehen müßte.
Gleichzeitig mit dem Auftauen der Polkappen müßte man die FCKW-Fabriken installieren und ammoniakproduzierende Bakterien ansiedeln.

Die Gas- und Wasservorräte des Mars

Jetzt haben wir hier zwar ein sehr schönes Modell für die Umformung eines gesamten Planeten vorgestellt, aber wie sieht es denn mit der marsianischen Wirklichkeit aus? Hat der Planet überhaupt die Vorräte die wir brauchen, um dort Leben anzusiedeln? Immerhin brauchen wir ja eine ganze Menge davon: Mindestens 2 bar Kohlendioxid, über 300 mbar Stickstoff und mehr als 500 m Wasser.
Das Problem ist: Wir wissen es nicht. Die Modelle über die Entstehung des Sonnensystems sagen uns, daß der Mars eigentlich mehr dieser Stoffe enthalten sollte als die Erde, da sich der Mars weiter von der Sonne entfernt in kühleren Regionen bildete. Aber fast die Hälfte der bisherigen Untersuchungen deutet darauf hin, daß der Rote Planet die geforderten Mengen doch nicht aufbringen kann. Vielleicht müssen wir die Terraforming-Projekte doch als undurchführbar zu den Akten legen. Aber alle bisherigen Ergebnisse über den Mars hängen sehr stark davon ab, welche Meßmethode man wählt und welchen Zustand oder Vorgang man an welcher Stelle mißt.

Gerade für Kohlendioxid, unserem wichtigsten Terraforming-Gas, müssen wir das Fragezeichen stehen lassen. Auch der Wasservorrat ist noch unbekannt. Die beiden Polkappen könnten zwar bis zu 5.000 km3 Wassereis enthalten, aber über den ganzen Planeten verteilt entspricht das nur einer 4 cm hohen Wasserschicht. Für die Ausbildung der lebenswichtigen hydrodynamischen Kreisläufe ist das viel zu wenig. Die einzigen Vorräte, die noch eine Wasserschicht von mehr als 100 m liefern könnten sind die vermuteten Permafrostböden nördlich bzw. südlich des 30. Breitengrades. Aber auf die Bestätigung dieser Vermutung werden wir noch warten müssen.
Kritisch wird es dagegen beim Stickstoff. Falls der Stickstoff in der heutigen dünnen Atmosphäre alles ist, was der Mars zu bieten hat, dann würde das seine biologische Karriere ganz gewaltig behindern. Denn die damit erreichbare Produktion von Biomasse würde höchstens 40 mbar Sauerstoff freisetzen. Bleibt nur noch die Möglichkeit, daß in der feuchten Frühzeit des Mars große Mengen an Nitraten und Nitriten im Boden eingelagert wurden.
Schwefel dagegen wurde von den Vikingsonden in 10 - 100fach höheren Konzentrationen gemessen als auf der Erde. Auch Spurenelemente wie Eisen, Magnesium und Aluminium sind vorhanden. Die Phosphatvorräte dagegen sind bis heute unbekannt.
Um die FCKWs auf dem Mars herzustellen, braucht man natürlich auch Chlor, Fluor und Brom. Chlor kommt im Marsboden zu ca. 0,1% vor, für Fluor und Brom sind die Mengen noch nicht gesichert.

Der zeitliche Maßstab des Terraformings

Einmal angenommen, der Mars enthält tatsächlich alles, was wir zum Terraforming brauchen. Wie lange würde es dann überhaupt dauern, den Planeten bewohnbar zu machen?
Vom energetischen Standpunkt aus betrachtet muß die Umfaormung jedenfalls in zwei Phasen erfolgen:
1. Erwärmung des Planeten
2. Chemische Veränderung der Atmosphäre

1.6.1 Erwärmung
Wie wir gesehen haben, kann eine für Pflanzen erträgliche Welt mit Hilfe der positiven Rückkopplung einer CO2-Atmosphäre geschaffen werden. Mit anderen Worten, sobald man die Temperatur erhöht, werden automatisch mehr CO2 und Wasserdampf freigesetzt, was die Erwärmung noche weiter beschleunigt. Aber unabhängig vom eigentlichen Mechanismus würde man dafür ca. 106 J/cm2 an Energie benötigen, dieselbe Energie, die der Mars innerhalb von 10 Jahren von der Sonne empfängt. Damit können 2 bar Kohlendioxid vergast, der Marsboden 10 m tief erwärmt und eine 10 m tiefe Wasserschicht geschmolzen werden. Wenn man diesen Vorgang aufrechterhalten und das einfallende Sonnenlicht zu 10% nutzen könnte, würde das ganze etwa 100 Jahre dauern.
Schon nach wenigen Jahrhunderten könnte sich der Mars soweit verändert haben, daß Menschen auf seiner Oberfläche zumindest keine Druckanzüge mehr bräuchten - sie müßten nur noch Atemgeräte mitführen, könnten sich aber ansonsten in normaler Kleidung bewegen. Gleichzeitig könnten große, von kuppelartigen Zelten umgebene Städte entstehen, in denen eine atembare Atmosphäre erhalten bleibt. Auch trockenheitsresitente Pflanzen können nach Schaffung des FCKW-Schildes und nach Erreichen einer erträglichen Temperatur ausgesetzt werden.
Über längere Zeiträume hinweg würde der Permafrostboden aufschmelzen. Das Schmelzen einer 500 m tiefen Wasserschicht würde 55 Jahre der vollen Sonneneinstrahlung erfordern, bei 10% Nutzung also 550 Jahre. Aber das Problem ist die Geschwindigkeit, mit der der Regolith die Wärme nach unten weitergibt. Falls die 2 bar CO2 über eine Tiefe von 500 m verteilt sind würde die Ausgasung an sich zwar 100 Jahre dauern, aber erst nach 100.000 Jahren wären auch die untersten Schichten ausreichend erwärmt!

Die chemische Veränderung der Atmosphäre

Der einzige uns bekannte Mechanismus, mit dem man überhaupt die grundlegende Zusammensetzung einer Atmosphäre verändern kann, ist die planetenweite Biologie. Nur damit lassen sich nennenswerte Mengen O2 aus CO2 erzeugen. Und dafür benötigt man wesentlich mehr Energie als für die anfängliche Erwärmung. Erschwerend kommt noch hinzu, daß die irdischen Primärproduzenten die einfallende Sonnenenergie nur zu einem äußerst geringen Teil zum Aufbau von Biomasse nutzen können. Die jährliche Nettoproduktion der Pflanzen und Bakterien liegt zwischen 0,001 und 0,1 g/cm2, im globalen Durchschnitt bei 0,033 g/cm2. Im Klartext heißt das nichts anderes als daß die irdischen Ökosysteme nur 0,0015 bis 0,1% der Sonnenenergie behalten können. Bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 0,01% würde die Erzeugung einer atembaren Sauerstoffatmosphäre mehr als 100.000 Jahre dauern! Und diesen Prozeß kann man auch in keiner Weise beschleunigen, da er von der zugrundeliegenden Biochemie vorgegeben wird.

Aber das größte Problem wäre nicht die biologische Effizienz, sondern der Zwang, große Mengen organischen Materials in tiefen Sedimenten zu versenken, wo sie nicht mehr oxidiert werden können. Das wiederum erfordert einen aktiven hydrologischen Kreislauf und stabile Senken. Und solange nicht große Mengen Wasser (um 500 m) freigesetzt werden, kann sich solch ein Kreislauf nicht ausbilden. Und wenn das organische Material nicht versenkt werden kann, wird praktisch der gesamte freiwerdende Sauerstoff durch Verwesung und Oxidation wieder gebunden. Es tut mir ja leid, aber falls der Mars diese doch recht große Wassermenge nicht liefern kann, wird das Terraforming praktisch undurchführbar.
Ein weiteres langfristig wirkendes Problem ist die Erosion der Atmosphäre, der allmähliche Verlust der lebensspendenden Gashülle. Bei der 2 bar dichten CO2-Atmosphäre wäre die langsame Bildung von Karbonatfelsen das größte "Loch". Ohne Recycling der Karbonate wäre die künstliche Atmosphäre schon nach 10 Mio. Jahren wieder verschwunden. Falls man den Mars wirklich in eine zweite Erde umwandeln will, muß man sich irgendetwas einfallen lassen, was die versenkten Gase wieder in die Atmosphäre zurückbringt. Aber ein Trost bleibt uns trotzdem: Die Vorgänge, durch die die Gashülle wieder ausgedünnt wird, laufen erheblich langsamer ab als die Prozesse, mit denen man diese Hülle erst einmal erzeugen muß.

Es gibt da nur noch ein Problem, daß die Terraformer schon ziemlich früh lösen müssen: Die beiden Marsmonde Phobos und Deimos. Ihre Umlaufbahnen sind nämlich instabil - langsam, aber stetig kommen sie dem Roten Planeten immer näher. Nach heutigen Schätzungen werden sie in ca. 0,5 - 1 Mrd. Jahren abstürzen. Kein Problem, ist ja noch lange hin, oder? Nicht ganz - denn wenn die Atmosphäre des Mars dichter und wärmer wird, dehnt sie sich aus, und zumindest Phobos wird durch die zusätzliche Reibung so weit abgebremst, daß er noch zu Lebzeiten einer Marskolonie herunterkrachen wird. Der dadurch entstehende 200 km-Krater wird sicher beeindruckend sein - nur von den Häusern und Feldern, die an der Stelle mal gewesen sind, wird man nicht mehr allzu viel finden...
Im Grunde gibt es für Phobos nur zwei Entsorgungswege: Man kann ihn entweder zerlegen und ausschlachten, falls die zukünftige Rohstoffsituation dies als lohnend erscheinen läßt, oder man ändert seine Bahn so stark ab, daß er auf den Mars stürzt, bevor dort irgenetwas wichtiges gebaut wurde. Sicherheitshalber sollte man Deimos gleich hinterherschießen, dann hätte man beide Bedrohungen elegant abgewendet.


Warum das alles?

Terraforming schein möglich zu sein - selbst mit Technologien, die wir heute schon ansatzweise kennen. Aber ist es auch wirklich sinnvoll alles zu tun, was rein technisch machbar ist?
Sicher ist es die beste Lösung, den Mars zuerst einmal gründlich zu erforschen, solange bis man sich wirklich sicher ist, ihn genau zu kennen, und das kann durchaus noch 1.000 Jahren dauern. Denn wenn das Terraforming erst einmal gestartet ist, wird es viele charakteristische Merkmale des Mars vernichten. Bevor man ihn auftaut, sollten Wissenschaftler alle Aspekte dieses Planeten erfassen. Nicht zuletzt auch deswegen, weil er uns die beste und vorläufig einzige Chance bietet, wirklich außerirdische Lebensformen in ihrer natürlichen Umwelt zu studieren. Wir wissen nicht, ob nicht doch noch marsianische Ökosysteme in abgelegenen Restnischen überlebt haben - im Bereich des Olympus Mons vielleicht, oder im Valles Marineris, oder tief unter dem Permafrost. Das Terraforming würde sie töten - ihre Refugien würden unweigerlich zerstört, aber spätestens in direkter Konkurrenz mit irdischen Organismen hätten sie keine Chance mehr. Bevor wir nicht ganz sicher sind, daß der Mars wirklich eine sterile, rostige Wüste ist, dürfen wir die Umgestaltung nicht in Gang setzen! Niemand könnte es verantworten gerade das zu vernichten was die Biologen so sehnlichst suchen und was dem Mars den größten Teil seiner Faszination verleiht.
Aber wenn wir auch nach den allergründlichsten Forschungen nicht den geringsten Marsorganismus zu Tage gefördert haben? Dann hätten die Terraformer in der Tat grünes Licht - allein schon deshalb, weil jede dauerhafte Gründung von Kolonien auf dem Mars ganz einfach zu teuer ist, wenn man für immer einen Riesenaufwand mit der Abschottung der Wohn- und Farmbereiche treiben müßte. Wenn Mars jemals von Menschen besiedelt wird, dann entweder ganz oder gar nicht.
Zudem hätte das Marsprojekt für die Menschheit als Ganzes zwei entscheidende Vorteile: Zum einen würde die Basis unserer Zivilisation auf zwei Planeten verteilt, was uns eine gewisse Rückversicherung gegen tödliche Fehler auf einem Planeten verleiht. Zum anderen werden für die Besiedlung und erst recht für die Umformung des Mars leistungsfähige und zuverlässige Fusionsreaktoren gebraucht - dieselbe Grundvoraussetzung wie für jegliche Expedition zu benachbarten Sternsystemen. Mars könnte sich als das Sprungbrett zu den Sternen erweisen, sobald diese Technologie wirklich ausgereift ist.
Allerdings darf man eines auch nicht verschweigen: Ein künstliches Gaiasystem, wie es ein umgeformter Mars nun einmal darstellen würde, erfordert Pflege - sehr viel Pflege. Ständig muß dafür gesorgt werden, daß die Erosion der Atmosphäre wieder ausgeglichen wird. Die vom Sonnenwind fortgeblasenen Gase müssen ersetzt werden, und man muß den Felsen das Kohlendioxid wieder entreißen, daß sie unaufhörlich binden werden. Einmal erschaffen darf man den Neuen Mars nicht einfach sich selbst überlassen. Sollten die zukünftigen Marsianer jemals aufhören sich um ihn zu kümmern, wird es ihnen genauso ergehen wie einst den Norwegern in Grönland - die Ausdünnung der Atmosphäre würde ihnen nicht direkt schaden, aber sie würden genau wie die Grönländer an Unterernährung zugrunde gehen, wenn ihnen die Lebensgrundlage Stück für Stück zusammenbräche. Falls wir uns für den Mars entscheiden, werden wir hoffentlich einen etwas pfleglicheren Umgang mit jedem Planeten erlernen.
Mars ist ein Projekt für die gesamte Menschheit. Keine heutige Regierung und auch keine übergeordnete Organisation wird jemals ein Vorhaben planen können, dessen Schaffung alleine 100.000 Jahre dauern wird. Jeder Politiker muß sich schon auslachen lassen, wenn er versuchen sollte für die nächsten 50 Jahre zu planen. 100.000 Jahre? Das muß man anders angehen. Sollte die Besiedlung des Mars in demselben Tempo wie heute seine Erforschung voranschreiten und auch noch in den Händen derselben Organisation (sprich: NASA) liegen, dann wird die Sonne erloschen sein, bevor wir an das Terraforming auch nur denken können. Ein besserer Ansatz wäre es, wenn man den Mars einfach zur Besiedlung freigibt - jeder mit genügend Geld und Fähigkeiten soll dort sein Glück versuchen können. Freiwillige werden sich sicher zuhauf einfinden. Und sobald die Marskolonie eine stabile Größe erreicht hat, werden die "Marsmenschen" schon selber ein starkes Interesse daran haben, diese rostige Staubkugel etwas freundlicher zu gestalten.


Noch mehr dazu... morgen

MFG

Bak
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