hallo,
wird eigentlich ein neueartiger Raketenantrieb für die geplanten Flüge in 15 Jahren zum Mars geplant?
(die wollen doch nicht etwa mit dem Motor eines alten VW Buses aufbrechen:smile:
danke
Friedrich
Prometheus
Hi Friedrich,
so heißt das nukleare Antriebssystem, das von der NASA entwickelt wird. Kleine Kernreaktoren erzeugen durch elektrischen Strom einen Plasmastrahl, der für einen lang anhaltenden Rückstoß sorgt. Weil Nuklearraumschiffe sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen könnten, würden sich interplanetare Flugzeiten drastisch verkürzen. - gefunden im Spiegel Nr.2 auf Seite 124, online leider nur gegen Bares zu lesen.
Gruß Ralf
Kleine Kernreaktoren erzeugen durch
elektrischen Strom einen Plasmastrahl, der für einen lang
anhaltenden Rückstoß sorgt.
Nuklearelektrische Antriebe lohnen sich aber nur im äußeren Sonnensystem und kommen somit vorerst nur für unbemannte Missionen in Frage. Im inneren Sonnensystem sind sie solarelektrischen Antrieben unterlegen, weil sie bei vergleichbarer Leistung den Aufwand und das Risiko deutlich erhöhen.
Hallo,
Nuklearelektrische Antriebe lohnen sich aber nur im äußeren
Sonnensystem und kommen somit vorerst nur für unbemannte
Missionen in Frage. Im inneren Sonnensystem sind sie
solarelektrischen Antrieben unterlegen, weil sie bei
vergleichbarer Leistung den Aufwand und das Risiko deutlich
erhöhen.
Sie lohnen sich auch im inneren Sonnensystem, weil du Reisezeiten drastisch verkürzen kannst. Ein Flug zum Mars wäre z.B. mit so einem Antrieb sicherlich einfacher zu gestalten. Und der Aufwand wird eigentlich mit so einem System viel kleiner, weil du nicht soviel Masse an Treibstoff mitnehmen musst. Auch wäre eine Reisezeit von nur 6-8 Wochen wesentlich einfacher für die Mission, als monatelange Reisen. Außerdem sind solche Systeme ja auch nichts neues, Voyager und Galileo hatten afaik nuklearelektrische Antriebe. Im Prinzip sind das ja auch nur eine Art Ionen-Antrieb, nur wird der Strom nicht aus Sonnensegeln genommen, sondern aus kleinen Nuklearreaktoren.
mfg
deconstruct
Sie lohnen sich auch im inneren Sonnensystem, weil du
Reisezeiten drastisch verkürzen kannst. Ein Flug zum Mars wäre
z.B. mit so einem Antrieb sicherlich einfacher zu gestalten.
Und der Aufwand wird eigentlich mit so einem System viel
kleiner, weil du nicht soviel Masse an Treibstoff mitnehmen
musst.
Das gilt aber nur im Vergleich zu einem chemischen Antrieb. Gegenüber solarelektrischen Antrieben bieten nuklearelektrische Antriebe dagegen keine Vorteile. Um den Aufwand zu vergleichen, habe ich mal die notwendigen Kollektor- bzw. Emitterflächen berechnet und zunächst vernachlässigt, daß bei einem nuklearelektrischem Antrieb noch der Kernreaktor und eine geeignete Wärmekraftmaschine dazu kommt:
Bei Solarzellen ist die Sache einfach. Hier gilt
AK = pel·r2/(ηSZ·pS·dS2)
A Kollektorfläche
pel elektrische Leistung
r Abstand von der Sonne
ηSZ Wirkungsgrad der Solarzellen
pS=6,3·107W/m2 Strahlungsleistung an der Sonnenoberfläche
dS=6,96·108m Radius der Sonne
Bei einem nuklearelektrischen Antrieb wird es etwas komplizierter, weil man berücksichtigen muß, mit welchem Wirkungsgrad die thermische in elektrische Energie umgewandelt wird. Wenn wir mal davon ausgehen, daß wir eine ideale Wärmekraftmaschine haben, dann ergibt das den Carnotschen Wirkungsgrad
η = 1-Tk/Th
Tk Temperatur der Abwärme
Th Temperatur am Ausgang des Reaktors
Die einzige Möglichkeit die Abwärme loszuwerden besteht darin, daß man sie mit Hilfe eines Emitters ins All abstrahlt. Für die Strahlungsleistung eines solchen Emitters gilt nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz
pE = σ·AE·Tk4
pE Strahlungsleistung des Emitters
AE Emitterfläche
σ=5,67·10-8Wm-2K-4 Stefan-Boltzmann-Konstante
Mit dem Wirkungsgrad
η = 1-pE/p0
p0 Heizleistung des Reaktors
folgt daraus für die Reaktorleistung
p0 = σ·AE·Th·Tk3
und für die elektrische Leistung
pel = p0-pE = σ·AE·Tk3·(Th-Tk)
Das Maximum der elektrischen Leistung liegt demnach bei
Tk = ¾Tk bzw. pel = ¼p0
Wegen
pE = 3pel = σ·AE·(¾Tk)4
gilt damit für die Emittorfläche
AE = 44·pel/(33·σ·Th4)
Nun kann ich die jeweiligen Kollektor- bzw. Emitterflächen vergleichen:
f = AK/AE = (33·r2·σ·Th4)/(44·ηSZ·pS·dS2)
Wenn man auf der einen Seite die Solarzellen der DS1-Sonde (ηSZ=23%) und auf der anderen einen handelsüblichen Siedewasserreaktor (Th=600K) verwendet, dann ergibt das in der Erdbahn (r=1,495·1011m) ein Verhältnis von 2,5 und in der Marsbahn (r=2,274·1011m) ein Verhältnis von 5,7. Das heißt, daß ein nuklearelektrisches Triebwerk unter idealen Bedingungen zwischen Erde und Mars gerade einmal 3-6 mal mehr Schub liefert, als ein solarelektrisches Triebwerk mit vergleichbarer Kollektorfläche. Wenn man bedenkt, daß die idealen Bedingungen (optimaler Wirkungsgrad, schwarzer Strahler usw.) in der Realität nie erreicht werden und daß das nuklearelektrische Triebwerk bei gleichem Schub weniger Beschleunigung liefert, weil es außer dem Raumschiff auch den Kernreaktor nebst Strahlenschutz und Generator vor sich her schieben muß, bleiben da keine Vorteile, die den technischen Aufwand und vor allem das Risiko rechtfertigen.
Außerdem
sind solche Systeme ja auch nichts neues, Voyager und Galileo
hatten afaik nuklearelektrische Antriebe.
Die haben nur schnöde chemischen Antriebe. Meines Wissens wurden nukleare Antriessysteme noch nie verwendet, nicht zuletzt weil dafür die Rechtsgrundlage fehlt. Die „Principles Relevant to the Use of Nuclear Power Sources In Outer Space“, welche die Nutzung der Atomenergie im Weltall regeln, beschränken sich nämlich ausdrücklich auf „[…]nuclear power sources in outer space devoted to the generation of electric power on board space objects for non-propulsive purposes[…]“.
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quad era demonstrantum… (nT)
MfG Dirk
Hallo,
Das gilt aber nur im Vergleich zu einem chemischen Antrieb.
Gegenüber solarelektrischen Antrieben bieten
nuklearelektrische Antriebe dagegen keine Vorteile. Um den
Aufwand zu vergleichen, habe ich mal die notwendigen
Kollektor- bzw. Emitterflächen berechnet und zunächst
vernachlässigt, daß bei einem nuklearelektrischem Antrieb noch
der Kernreaktor und eine geeignete Wärmekraftmaschine dazu
kommt:
Schön dass du das ausgerechnet hast, aber es ist nicht besonders aussagekräftig:
Die Sonnensegel von Smart-1 z.B. liefern etwa 1400 Watt. Damit lassen sich gerade mal 0.07 Newton Schub erzeugen. Das ist nun wirklich nicht viel. Um eine tonnenschwere Raumkapsel damit zu beschleunigen brauchst du fußballfeldgroße Sonnenkollektoren. Ein kleiner Atomreaktor dagegen kann wesentlich mehr Strom liefern.
Und deine Rechnung zu den Siedewasserreaktoren ist auch nicht besonders aussagekräftig, da man dort gar keine Siedewasserreaktoren verwendet.
Das ganze ist doch eigentlich schon vom Prinzip her nicht so schwer:
Bei beiden Systemen ist der Antrieb der gleiche, nämlich der Ausstoß von gelandenen Teilchen entlang eines Magnetfeldes. Um dieses Magnetfeld zu erzeugen und die Teilchen zu inonisieren ist Energie erforderlich - nämlich in Form von Strom.
Mehr Strom ==> Stärkeres Magnetfeld ==> Mehr Schub
Also gehts doch nur noch darum, durch welche Mittel sich mehr Strom erzeugen lässt. Und da ist der Nuklearreaktor leider deutlich besser, als Solarzellen.
Wieso sollte sonst die NASA einen Nuklearelektischen Antrieb ins Auge fassen, wenn ein Solareketrischer Antrieb besser wäre???
Die haben nur schnöde chemischen Antriebe. Meines Wissens
wurden nukleare Antriessysteme noch nie verwendet, nicht
zuletzt weil dafür die Rechtsgrundlage fehlt. Die „Principles
Relevant to the Use of Nuclear Power Sources In Outer Space“,
welche die Nutzung der Atomenergie im Weltall regeln,
beschränken sich nämlich ausdrücklich auf „[…]nuclear power
sources in outer space devoted to the generation of electric
power on board space objects for non-propulsive
purposes[…]“.
Das sehe ich nicht so. Dieses Vereinbarung sagt nur was über Nuklearenergie zu Nicht-Antriebszwecken aus. Dass heißt: Der Einsatz von Nuklearabtrieben ist nirgends verboten. Also wenn er nirgends verboten ist, wieso sollte man ihn dann nicht einsetzen?
mfg
deconstruct
Latein, Latein…
Hallo,
Also wenn du schon mit Lateinischen Phrasen um dich wirfst, dann bitte richtig.
Es heißt: „Quod erat demonstrandum“
Und was sollte deshalb überhaupt bewiesen sein?
mfg
deconstruct
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Die Sonnensegel von Smart-1 z.B. liefern etwa 1400 Watt. Damit
lassen sich gerade mal 0.07 Newton Schub erzeugen. Das ist nun
wirklich nicht viel.
Na und? Wenn Du die 1400 Watt mit einem Atomreaktor erzeugst ist der Schub exakt genauso groß, aber dafür ist das Raumschiff schwerer.
Um eine tonnenschwere Raumkapsel damit zu
beschleunigen brauchst du fußballfeldgroße Sonnenkollektoren.
Und mit einem Atomreaktor brauchst Du fußballfeldergroße Emitterflächen. Wo ist da der Vorteil?
Ein kleiner Atomreaktor dagegen kann wesentlich mehr Strom
liefern.
Ich habe doch gerade vorgerechnet, daß ein Atomreaktor in der Erdumlaufbahn selbst bei theoretisch maximalem Wirkungsgrad in der Erdbahn gerade mal 2,5 mal so viel Strom wie ein Sonnenkollektor liefert, der die gleiche Fläche wie der Emitter des Reaktors hat. Von „wesentlich mehr“ kann da überhaupt keine Rede sein.
Und deine Rechnung zu den Siedewasserreaktoren ist auch nicht
besonders aussagekräftig, da man dort gar keine
Siedewasserreaktoren verwendet.
Was für einen Reaktor verwendet man denn?
Wieso sollte sonst die NASA einen Nuklearelektischen Antrieb
ins Auge fassen, wenn ein Solareketrischer Antrieb besser
wäre???
Das mußt Du die NASA fragen.
Dieses Vereinbarung sagt nur was über
Nuklearenergie zu Nicht-Antriebszwecken aus.
Genau das habe ich doch geschrieben.
Dass heißt: Der
Einsatz von Nuklearabtrieben ist nirgends verboten.
Aha, daß die Nutzung der Kernenergie zu Antriebszwecken in diesem speziellen Dokument nicht behandelt wird, bedeutet also, daß sie nicht verboten ist. Seltsame Logik.
Nuklearreaktoren
Hallo,
da ich nicht auf alles einzeln eingehen will:
Deine Rechnerei bezüglich Solarenergie stimmt sicher, aber das mit dem Reaktor hinkt hinten und vorne.
Die Sowjetunion hat in ihren RORSAT Satelliten Nuklearreaktoren zur Stromerzeugung verwendet. Der Reaktor hatte einen Durchmesser von 0.8m und eine Länge von 1.1m. Sein Gewicht betrug 980kg.
Und jetzt kommts: Seine Leistung betrug 600.000 Watt! Die SMART-1 Raumsonde hat mit ihren Solarpaneln gerade mal 1.300 Watt erzeugt.
Das ist fast 500 mal soviel!!
Bei einem Abstand 1,32 AE (Mittlerer Abstand zwischen Erde und Mars) zur Sonne beträgt die von ihr ausgestrahlte Energie etwa 875 Watt pro m². Die besten Solarzellen haben etwa einen Wirkungsgrad von 25%, es bleiben also davon etwa 220 Watt pro m² übrig. Um damit 600.000 Watt zu erzeugen, brauchst du fast 2700 m² große Solar-Panel, das sind 27m auf 100m! Da kriegst du schon Stabilitätsprobleme, weil die Trägheit der Solarpanels nicht zulässt, dass du schnell beschleunigst, ausser du verstärkst die Panels, was die Konstruktion aber wieder schwerer macht.
Nun ist der Russenreaktor aber schon fast 20 Jahre alt, wahrscheinlich kann man den heute noch effizienter und leicher bauen! Und 2700 m² Solar-Panel haben auch eine ganz schöne Masse. Wenn du nur mit 500 Gramm pro m² rechnest, dann wiegen die Solarzellen schon 350kg mehr als der Reaktor. Dieses Mehrgewicht, kann ich jetzt für eine bessere Abschirmung des Reaktors nutzen, und habe immer noch dasselbe Gewicht.
Und wir reden hier von bemannten Flügen zum Mars. So ein Raumschiff das dazu in der Lage ist, wiegt eh schon zig Tonnen. Da kommts auf eine Tonne nicht mehr drauf an. Außerdem kann man ja leicht 2 oder 4 solcher Nuklearreaktoren mitnehmen. Und die Abschirmung muss ja auch nur zum Raumschiffinneren erfolgen. Ins Weltall hinaus kann das Teil ja strahlen soviel wie es will.
mfg
deconstruct
Hallo nochmal,
Dass heißt: Der
Einsatz von Nuklearabtrieben ist nirgends verboten.Aha, daß die Nutzung der Kernenergie zu Antriebszwecken in
diesem speziellen Dokument nicht behandelt wird, bedeutet
also, daß sie nicht verboten ist. Seltsame Logik.
Nein, bedeutet es nicht. Aber du solltest wenn dann ein Dokument zitieren, in dem der Einsatz verboten ist. Und nicht eins, dass dieses Thema gar nicht behandelt.
Und afaik gibts kein solches Abkommen, folglich auch kein Verbot…
mfg
deconstruct
Schön Gunntach!
Die einzige Möglichkeit die Abwärme loszuwerden besteht darin,
daß man sie mit Hilfe eines Emitters ins All abstrahlt.
Könnte man nicht irgendwelche „Verdunster“ benutzen, die die Wärme einfach durch Verdunsten einer Flüssigkeit loswerden. Den entstehenden Dampf könnte man dann einfach in den Weltraum abführen. Das wär auf jeden Fall effektiver als die Abgabe durch Strahlung auch wenn dadurch die Flugdauer vom Flüssigkeitsvorat begrenzt wäre… nur so eine Idee…
Handzumgruß
Oliver
Könnte man nicht irgendwelche „Verdunster“ benutzen, die die
Wärme einfach durch Verdunsten einer Flüssigkeit loswerden.
Den entstehenden Dampf könnte man dann einfach in den Weltraum
abführen.
Das wäre keine gute Idee, weil man dafür so viel Flüssigkeit mitschleppen müßte, daß das Raumschiff kaum von der Stelle käme.
Wenn man auf der einen Seite die Solarzellen der DS1-Sonde
(ηSZ=23%) und auf der anderen einen
handelsüblichen Siedewasserreaktor (Th=600K)
verwendet,
handelsübliche Thorium-Hochtemperaturreaktoren haben im Primärkühlkreis eine Austrittstemperatur von 1000 K. Das erhöht dann deine Zahlen um den Faktor 8,5.
gerade einmal 3-6 mal mehr Schub liefert, als ein
solarelektrisches Triebwerk
Das wären dann 20-50 mal mehr Schub, das wär doch schon was.
Gruß
Oliver
Die Sowjetunion hat in ihren RORSAT Satelliten
Nuklearreaktoren zur Stromerzeugung verwendet. Der Reaktor
hatte einen Durchmesser von 0.8m und eine Länge von 1.1m. Sein
Gewicht betrug 980kg.
Und jetzt kommts: Seine Leistung betrug 600.000 Watt!
Nach dieser Quelle [http://silver.neep.wisc.edu/~neep602/SPRING00/lectur… ] lag die elektrische Leistung der RORSAT-Stromversorgung unter 5 (und nicht bei 600) kW. Mit der Reaktortemperatur von 950K ergibt das nach einen Formeln eine Emittorfläche von 1m² (die Oberfläche des Satelliten genügt demnach als Emitterfläche). Mit meinen Formeln ist also alles in Ordnung, nur die Reaktortemperatur ist deutlich höher.
Die
SMART-1 Raumsonde hat mit ihren Solarpaneln gerade mal 1.300
Watt erzeugt.
Es sind 1.975 Watt.
Das ist fast 500 mal soviel!!
Das ist 3,8 mal so viel.
Bei einem Abstand 1,32 AE (Mittlerer Abstand zwischen Erde und
Mars) zur Sonne beträgt die von ihr ausgestrahlte Energie etwa
875 Watt pro m². Die besten Solarzellen haben etwa einen
Wirkungsgrad von 25%, es bleiben also davon etwa 220 Watt pro
m² übrig. Um damit 600.000 Watt zu erzeugen, brauchst du fast
2700 m² große Solar-Panel, das sind 27m auf 100m!
Und wenn Du das mit obigem Reaktor machen willst, brauchst Du zusätzlich zu Reaktor und Generator (die natürlich auch entsprechend größer sein müßten)immerhin 120m² Emittorfläche, in der Du die Abwärme auch noch gleichmäßig verteilen mußt.
das mit dem Reaktor hinkt hinten und vorne
Wenn Du damit Deine Angaben zum RORSAT Satelliten meinst, kann ich Dir nur zustimmen.
Das wäre keine gute Idee, weil man dafür so viel Flüssigkeit
mitschleppen müßte, daß das Raumschiff kaum von der Stelle
käme.
Hmmm… ich weiß nicht, müsste man mal ausrechnen. Erstens steigt ja dann der Wirkungsgrad, wenn man effektiver kühlen kann und zweitens glaub ich gar nicht, dass man soviel Flüssigkeit braucht, es wird ja immer nur ein Bruchteil verdunstet.
Das wäre keine gute Idee, weil man dafür so viel Flüssigkeit
mitschleppen müßte, daß das Raumschiff kaum von der Stelle
käme.Hmmm… ich weiß nicht, müsste man mal ausrechnen.
Gehen wir mal von 100 kW Abwärme aus und nehmen als Kühlmittel Wasser, dann verdampfen pro Tag fast 3,9 Tonnen.
Also Pappnase kann ich mich beu euch Experten eigentlich nur blamieren, aber frage trotzdem mal:
Was ist denn mit diesem Ionen-Antrieb der hie und da als Begriff rumschwirrt ? Taugt der nix ?
(Die Frage lautete ja nach Neuartigen Antrieben 
Diese 2700m2 Grossen Solarzellen wie auch der Reaktor kommen wohl aus Physischen und Finanziellen sowie Sicherheitsgründen eher nicht in Frage…)
Hallo,
Also wenn du schon mit Lateinischen Phrasen um dich wirfst,
dann bitte richtig.
Es heißt: „Quod erat demonstrandum“
Ich bitte mein schlechtes Latein zu entschuldigen. Lass mich im Gegenzug aber auch erwähnen, dass du in deinem Satz ebenso zwei Fehler hast. Man sieht, jeder macht einmal Fehler.
Und was sollte deshalb überhaupt bewiesen sein?
Weil er mit seiner Rechnung richtig liegt. Die radioisotopen thermoelektrischen Generatoren arbeiten nach folgendem Prinzip: nukleare Zerfallswärme wird über thermoelektrische Wandler (meist Peltierelemente) in elektrischen Strom umgewandelt. Da diese Elemente nur einen Teil der Wärme in Strom wandeln können, muss der Rest über Radiatoren in den Weltraum abgegeben werden. Das schmälert natürlich den Wirkungsgrad enorm.
Gründe für den Einsatz dieser Systeme:
-sonnenunäbhängige Energieversorgung über lange Zeiträume
-Sie gewährleisten konstante Antriebsleistung im Gegensatz zu solargestützen Systemen, deren Leistung proportional zum Quadrat der Entfernung fällt.
-Sie sind robuster, d.h. unempfindlicher gegen kosmische Strahlung und Einschlägen von Micro-Meteoriten.
MfG Dirk
Was ist denn mit diesem Ionen-Antrieb der hie und da als
Begriff rumschwirrt ? Taugt der nix ?
Natürlich taugt der was, aber nur bei unbemannten Missionen. Diese Antriebe ermöglichen eine im Vergleich zu chemischen Triebwerken wesentlich höhere Endgeschwindigkeit, aber wegen des geringen Schubes dauert es Monate bis die erreicht ist. Bei unbemannten Sonden ist das egal, aber für eine bemannte Mission nicht akzeptabel. Da braucht man Antriebe mit mehr Leistung. Die können den Ionentriebwerken aber sehr ähnlich sein, wie beispielsweise Plasmatriebwerke.