Was spricht gegen Zentrifugen-Raumschiffe?

Auto, Rad & Mobilität Luft- & Raumfahrt
#1

Hallo Menschen,

kurze Frage; was spricht eigentlich gegen eine ganz simple Zentrifugen-Kostruktion bei bemannten Raumschiffen für z.B. Expiditionen zum Mars.

Man sieht ja das ein oder andere Mal im Fernsehen irgendwelche Berichte wie sowas theoretisch gemacht werden könnte. Und halt auch die Hürden. Eine ist der Muskelschwund bei Schwerelosigkeit. Dann wird darüber spekuliert welche Trainingsmaßnahmen man unternehmen könnte um diesem entgegen zu wirken… !!!

Was soll das? Ich meine es ist doch nicht so schwer den Haupt-Aufenthaltsraum in Rotation zu bringen wobei der Antrieb etc. relativ zum angezielten Objekt „starr“ bleibt. Dann hätte man eine realisierbare künstliche Schwerkraft, wie es auch in dem Film „Mission to Mars“ zu sehen war.

Wo ist hierbei das Problem? Ich habe mir darüber schon oft Gedanken gemacht, aber keins gefunden… Bei den Plänen der Nasa/Esa wie auch immer ist sowas aber nie zu sehen.

Für kurze Antwort wäre ich sehr dankbar!!!

Gruß,
Marcel

#2

kurze Frage; was spricht eigentlich gegen eine ganz simple
Zentrifugen-Kostruktion bei bemannten Raumschiffen für z.B.
Expiditionen zum Mars.

Hallo,

so simpel ist es halt nicht: nach dem Stand der Technik sind Raumschiffe (ist schon eine Übertreibung) nicht grösser als LKW-Container - so etwas wie die ringförmige Raumstation aus 2001 Odyssee im Weltraum ist noch lange nicht realisierbar, und schon garnicht könnte man sowas zum Mars befördern.

Bei so kleinen Abmessungen käme man aber auf irre Drehzahlen und völlig unbeherrschbare Coriolis-Effekte. Ich schätze mal gefühlsmässig, 100 m Durchmesser wird man wohl brauchen. Auch 2 Massen an einer langen Verbindung dazwischen sind wohl noch lange nicht machbar und würden in jedem Fall eine Montage im Weltraum voraussetzen.

Gruss Reinhard

#3

Hi,

vielleicht habe ich mich jetzt auf die Schnelle verrechnet, aber ich brauche nur eine Tonne mit einem Radius von 9 m und 10 U/min um ca. 9,8 m/s^2 Beschleunigung zu erreichen:

Formel:

http://de.wikipedia.org/wiki/Zentrifugalkraft#Waschm…

a = w^2 * r
r =
w = 10 min/min*60 s * 2 pi = 0,16 1/s * 2 pi = 1,04 rad/s

a = (1,04)^2 * 9 = 9,73 m/s^2

Bei 20 U/min reichen mir schon 4,7 m Radius und wer sagt denn, dass es halbe Erdbeschleunigung nicht auch täte…

Außerdem müsste man ein Mars-Raumschiff ohnehin im Weltall oder auf dem Mond zusammenbauen, da es ja immerhin die Crew für viele Monate beherbergen muss und genug Treibstoff und Material für eine Landekapsel, Marsbasis, Rückflug, etc. benötigt.

Ich stelle mir vor, dass man ein Mars-Raumschiff ähnlich der ISS modular zusammenbauen müsste.

Allerdings könnten Kreiselkräfte schwierig zu kontrollieren sein, bzw. Kurvenbahnen und Orbitalkurse schwieriger machen, oder?

Gruß,
Sax

#4

kurze Frage; was spricht eigentlich gegen eine ganz simple
Zentrifugen-Kostruktion bei bemannten Raumschiffen für z.B.
Expiditionen zum Mars.

Prinzipiell nichts, aber praktisch besteht das Problem darin, dass man damit keinerlei Erfahrung hat. Deshalb besteht jedes Missionsdesign, dass mit künstlicher Schwerkraft arbeitet (und dazu gibt es jede Menge konkreter Pläne), zu einem wesentlichen Teil aus Spekulation. Genaueres kann man dazu erst sagen, wenn man es praktisch erprobt hat

Ich meine es ist doch nicht so schwer den
Haupt-Aufenthaltsraum in Rotation zu bringen wobei der Antrieb
etc. relativ zum angezielten Objekt „starr“ bleibt.

Das ist viel zu kompliziert. Einfacher ist es, das Raumschiff erst auf Reisegeschwindigkeit zu beschleunigen und dann in Rotation zu versetzen. Vor dem Bremsmanöver wird die Rotation dann wieder beendet.

#5

so simpel ist es halt nicht: nach dem Stand der Technik sind
Raumschiffe (ist schon eine Übertreibung) nicht grösser als
LKW-Container

Das reicht völlig.

Auch
2 Massen an einer langen Verbindung dazwischen sind wohl noch
lange nicht machbar und würden in jedem Fall eine Montage im
Weltraum voraussetzen.

Wo genau siehst Du dabei das Problem?

#6

Hallo Marcel,

Wo ist hierbei das Problem? Ich habe mir darüber schon oft
Gedanken gemacht, aber keins gefunden… Bei den Plänen der
Nasa/Esa wie auch immer ist sowas aber nie zu sehen.

Die NASA-Pläne aus den 60er und 70er Jahren zeigten für Orbitalstationen rotierende Ringkonstruktionen.

Praktisch will man heute, z.B. bei der ISS, vor allem Versuche in der Microgavitation machen.

Viele Raumschiffe lässt man langsam rotieren, damit nicht eine Seite einfriert und die der Sonne zugewandte anfängt zu kochen.

Allerdings bleibt bei Satelliten die Masse immer gleich verteilt.

Bei einem bemannten Raumschiff kann es aber sein, dass sich die ganze Besatzung zum Frühstück in der Kombüse versammelt. Dann entsteht eine Unwucht und das ganze beginnt zu eiern.
Bei den alten NASA Speichenrad-Plänen waren in den Speichen Ausgleichsgewichte vorgesehen um die Station dynamisch Auswuchten zu können. Das bedeutet aber zusätzliche Masse und zusätzlichen Energiebedarf.

Konstruktionen mit feststehendem und rotierendem Teil benötigen eine rotierende Dichtung zwischen den beiden Teilen.
Allerdings ist eine solche Dichtung nie ganz gasdicht, erzeugt also dauernd Gasverluste. Zudem ist eine solche Dichtung auch recht Störanfällig. So lange der ADAC noch keinen Service im Weltraum bietet, verbietet sich so etwas.

Es bleibt also abzuwägen, zwischen den Vorteilen eine Schwerkraft und dem ganzen nötigen technischen Aufwand, inklusive der höheren Störanfälligkeit komplexerer Systeme. Zudem muss die Mission, bei einem Ausfall, auch ohne Schwerkraft durchführbar sein.

Eine Marsmission lässt sich nicht vorzeitig abbrechen.
Die Reise von der Erde zum Mars dauert etwa ein halbes Jahr. Das bedeutet, dass man beim Start auf den Punkt Zielen muss, wo sich der Mars erst in einem Halben Jahr befinden wird. Wenn man beim Mars angekommen ist, befindet sich die Erde aber in etwas an ihrem entgegengesetzten Punkt ihrer Umlaufbahn, ist dann also viel zu weit weg für eine Rückkehr.

So grob dauert der Hinflug grob ein halbes Jahr. Dann muss man grob ein halbes Jahr auf dem Mars warten umd wieder Zurückfliegen zu können. Das Problem ist ja, dass Mars und Erde dauernd um die Sonne kreisen.

MfG Peter(TOO)

#7

Auch
2 Massen an einer langen Verbindung dazwischen sind wohl noch
lange nicht machbar und würden in jedem Fall eine Montage im
Weltraum voraussetzen.

Wo genau siehst Du dabei das Problem?

Das übliche: es würde wohl eine Grössenordnung mehr kosten als ein Direktschuss a Apollo. Ob sich ein Direktflug realisieren lässt, wird sich noch herausstellen, aber wegen der Kosten wird das zumindest angestrebt.

Technisch machbar wäre auch ein riesiges Raumschiff, aber dann müsste man das Geld in die Raumfahrt stecken anstatt ins Bankensystem. Aber die Banken vernichten das Geld schneller als die NASA das je könnte und ganz ohne Rückstände…

Gruss Reinhard

#8

Hallo DrStupid!

Wo genau siehst Du dabei das Problem?

Das wollte ich auch einwenden. Im Moment wird das nicht deswegen nicht gemacht, weil man es nicht kann, sondern weil man es nicht will! Ein ganz wesentlicher Punkt bei der bemannten Raumfahrt ist die Erforschung der Schwerelosigkeit. Wenn in einer orbitalen Station die normale irdische Schwerkraft herrschen würde, hätte man einen Grund weniger für die bemannte Raumfahrt.

Falls es je eine bemannte Marsmission geben wird, stelle ich mir zwei Massen vor, die um den gemeinsamen Schwerpunkt rotieren. Die eine ist das eigentliche Raumschiff mit dem Wohnbereich der Astronauten. Das andere wäre dann Laderaum für Dinge, die man nicht jeden Tag benötigt.

Die mangelnde Gravitationskraft ist für mich nicht das größte Problem bei der Marsmission. Viel größere Probleme sind:

  1. Finanzierung: Warum so viel Geld in eine bemannte Mission stecken? Würde man den gleichen Aufwand in unbemannte Missionen stecken, wäre der rein wissenschaftliche Ertrag pro Dollar höher als bei einer bemannten Mission.

  2. Gesundheit: Wie kann man - bei einer geschätzten Missionsdauer von zwei Jahren gewährleisten, dass keine ernsten gesundheitlichen Probleme auftreten, die an Bord nicht versorgt werden können? Ernst Probleme können schon Zahnschmerzen sein…

  3. Psyche: Ich durfte mal erfahren, was es heißt, ein paar Wochen lang auf einem Schiff auf hoher See eingesperrt zu sein. Das Schiff war 100 m lang und hatte eine 90köpfige Besatzung. Jetzt machen wir daraus ein 12m langes Raumschiff (irgendjemand hat einen Container als Größe vorgeschlagen) und eine 3köpfige Besatzung. Ich kann mir nicht vorstellen, dass das gut gehen kann!

Alle drei Probleme hängen mehr oder weniger mit einer Sache zusammen: Apollo13 konnte einfach den Mond als „Umlenkrolle“ verwenden und innerhalb weniger Tage zur Erde zurückkehren. Diese Option wird es bei einer Marsmission nicht geben. Wenn irgend etwas schief läuft, dann werden die Astronauten ganz sicher sterben.

Ich schreibe mal eine Wette aus: Der erste Mensch, der den Mars betritt, wird ein Chinese sein. (In China gibt es weniger Skrupel, und die VR China kann viel, viel mehr Image-Gewinn aus einer Marslandung ziehen als die USA. Und das Know-How … China wird schneller aufholen als von der NASA befürchtet!). Wer schlägt ein? Über den Einsatz müssten wir uns noch einigen…

Michael

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#9

Allerdings könnten Kreiselkräfte schwierig zu kontrollieren
sein, bzw. Kurvenbahnen und Orbitalkurse schwieriger machen,
oder?

Die Kreiselkräfte machen das extrem schwierig. Versuch einfach mal einen Winkelschleifer mit 125er Scheibe mit einer Hand in ein bestimmte Richtung zu schwenken.
Dabei stehst Du noch auf dem Boden und bringst die Kraft direkt ein.

In der Rakete musst Du mit Steuerdüsen arbeiten und die wirbeln laufend aussen rum, und müssten in der Frequenz der Drehzahl (also 20 mal pro Minute = 3 Sekunden für einen Umlauf) an und abgeschaltet werden.
Wenn ich 10° (5° vor und 5° nach der Richtung in die ich nicht will) feuere, so sind das 3/36tel Sekunden = .083 Sekunden. Alle 3 Sekunden für .083 Sekunden - und dabei geht schon ein Teil der Energie in die Binsen da nicht nur in die Richtige Richtung geschoben wird sonder auch bis zu 5° daneben.

Dabei ist Energie eines der Mangelgüter im Weltall.
Hätten wir unendliche Energie müssten wir nicht warten bis die Erde näher ist und könnten auch weiter als Mars reisen. Einfach nur die halbe Strecke Gas geben und die 2. Hälfte Bremsen.

Gruß BA

PS: Ich bitte alle Mathematiker meine verkürzte Schreibweise zu entschuldigen.

#10

Auch
2 Massen an einer langen Verbindung dazwischen sind wohl noch
lange nicht machbar und würden in jedem Fall eine Montage im
Weltraum voraussetzen.

Wo genau siehst Du dabei das Problem?

Das übliche: es würde wohl eine Grössenordnung mehr kosten als
ein Direktschuss a Apollo.

Könntest Du bitte etwas ins Detaul gehen? Ich kann nämlich nicht erkennen, was so kompliziert oder teuer daran sein soll, zwei Module in den Orbit zu schießen und dort miteinander zu verbinden. Sowas ist doch mittlerweile Routine.

#11

Die Kreiselkräfte machen das extrem schwierig. Versuch einfach
mal einen Winkelschleifer mit 125er Scheibe mit einer Hand in
ein bestimmte Richtung zu schwenken.

Da keine Veranlassung besteht, die Orientierung der Raumschiffachse zu verändern, ist das kein Problem.

In der Rakete musst Du mit Steuerdüsen arbeiten und die
wirbeln laufend aussen rum, und müssten in der Frequenz der
Drehzahl (also 20 mal pro Minute = 3 Sekunden für einen
Umlauf) an und abgeschaltet werden.

Bei so hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist die Steuerung das kleinste Problem. Entsprechende Experimente deuten darauf hin, dass das kein Mensch aushält. Pessimisten gehen davon aus, dass der Radius im Kilometerbereich liegen muss, wenn die Mannschaft nicht pausenlos seekrank sein soll. Dann liegen die Umdrehungszeiten im Minutenbereich.

#12

Falls es je eine bemannte Marsmission geben wird, stelle ich
mir zwei Massen vor, die um den gemeinsamen Schwerpunkt
rotieren.

Alles andere ist so unrealistisch, dass ich es gar nicht erst in Betracht ziehe. Ich kenne auch keine ernsthaften Projekte, die rotierende Ringe oder ähnliches vorsehen. Die neueste Idee besteht beispielsweise darin, zwei Space-Shuttle umeinander rotierend auf eine finale Reise zum Mars zu schicken. Da Space-Schuttle für Landungen auf der Erde vorgesehen sind, wären sie dafür stabil genug.

Die eine ist das eigentliche Raumschiff mit dem
Wohnbereich der Astronauten. Das andere wäre dann Laderaum für
Dinge, die man nicht jeden Tag benötigt.

Man könnte auch einen Kernreaktor an das andere Ende hängen.

Ich schreibe mal eine Wette aus: Der erste Mensch, der den
Mars betritt, wird ein Chinese sein.

Auf Favoriten zu setzen ist langweilig.

#13

Hallo
Ich finde, Du hast völlig recht, bis auf das das Prinzip der Zentrifuge bereits auch der NASA bekannt ist.
Vor allen Dingen sind neben der stärkeren Muskulatur auch bessere Ergebnisse beim Duschen und evtl. Baden zu erwarten.
So müssen die alles mit einem feuchten Lappen oder mit dirigierender Luftströmung machen.
Eine Antriebssektion, meine ist mit Ionenantrieb und Solar bzw. Atomstromversorgung, braucht niemand zu betreten und da braucht man keine Dichtung für Personen.
Muß doch mal gewartet werden, kann man ja mal Pause machen, die Energie dann ins Schwungrad oder einen Akku.
Gegenläufige Masse oder Masse zur Auswuchtung gibts auch genug; Akkus, Wasser-, Gas- und Treibstofftanks, Materialbehälter, wobei verschiedene Massen allerdings auch gut geeignet zur Abschirmung gegen Weltraumstrahlung geeignet sind.
Die Rotationsachse braucht man auch nicht zu ändern, bzw. auch das ist möglich, mit einem kleinem Zwischenstopp.
MfG
Matthias

#14

Muß doch mal gewartet werden, kann man ja mal Pause machen,
die Energie dann ins Schwungrad oder einen Akku.

Schwungrad geht, Akku nicht. Letzterer kann zwar Energie speichern, aber keinen Drehimpuls.

Gegenläufige Masse oder Masse zur Auswuchtung gibts auch
genug;

Die braucht man gar nicht. Zwei Massen an einem langen Seil kreisen so stabil um ihren Schwerpunkt, dass sie nicht ausgewuchtet werden müssen.

#15

Hallo
Wegen der Gesundheit einschließlich der Psyche würde ich mir nicht zu große Sorgen machen.
Mit Ausnahme der Muskulatur, welche ständig trainiert werden müssem, ist es zum einem berechenbar, welche Belastungen auftreten werden, und einmal ganz naiv betrachtet, wer darf schon mit einem Raumschiff zum Mars fliegen? Das wiegt doch einiges auf, und wenn es Typen sind, die sich benehmen und wenn es auch noch nette Beschäftigungen gibt, wie Computerspiele, ein Weltraumteleskop oder ein cooles Labor, da gibts doch nichts geileres.
Realistischere Probleme sehe ich beim Geld.
Wenn man einmal die Masse nimmt, die die Astronauten einnehmen, einschließlich ihrer Versorgungsgüter, denke ich ebenfalls, das eine robotische Mission fürs gleiche Geld mehr schafft.
Mehr schaffen, das heißt bei mir, auf dem Mars rumfahren können, kartieren, geologische Marsproben nehmen, Geräte ausprobieren, wie Solarenergie, Roobotik/Fahrzeuge, Wasser sammeln, und so weiter.
MfG
Matthias

#16

Hallo Dr. Stupid

Muß doch mal gewartet werden, kann man ja mal Pause machen,
die Energie dann ins Schwungrad oder einen Akku.

Schwungrad geht, Akku nicht. Letzterer kann zwar Energie
speichern, aber keinen Drehimpuls.

Ich speicher Dir Drehimpuls auch in einen Akku.
Man muß sich da mit Kreiseln auskennen.
Wobei man wegen der temporären Eigenschaft von Zwischenstopps evtl. kein Akku oder Schwungrad zur Speicherung eingesetzen würde.
Ich stell mir eher das Schwungrad schwierig vor, wegen Getriebe und Masse usw.
Gegenläufige Masse oder Masse zur Auswuchtung gibts auch
genug;

Die braucht man gar nicht. Zwei Massen an einem langen Seil
kreisen so stabil um ihren Schwerpunkt, dass sie nicht
ausgewuchtet werden müssen.

Das hab ich erwähnt, weil in einem anderem Artikel die Auswuchtung betont wurde.
MfG
Matthias

#17

Hi,

Die Kreiselkräfte machen das extrem schwierig. Versuch einfach
mal einen Winkelschleifer mit 125er Scheibe mit einer Hand in
ein bestimmte Richtung zu schwenken.

Da keine Veranlassung besteht, die Orientierung der
Raumschiffachse zu verändern, ist das kein Problem.

Nun ja, bis auf die Fälle in denen Kreisbahnen beschrieben werden müssen, es sei denn man lässt zu das die Achse im Vergleich zur Bahn „verdreht“ wird.

In der Rakete musst Du mit Steuerdüsen arbeiten und die
wirbeln laufend aussen rum, und müssten in der Frequenz der
Drehzahl (also 20 mal pro Minute = 3 Sekunden für einen
Umlauf) an und abgeschaltet werden.

Nun die Steuerdüsen könnten aber an den nicht-beweglichen Abschnitten des Raumschiffes angebracht sein.

Bei so hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist die Steuerung das
kleinste Problem. Entsprechende Experimente deuten darauf hin,
dass das kein Mensch aushält. Pessimisten gehen davon aus,
dass der Radius im Kilometerbereich liegen muss, wenn die
Mannschaft nicht pausenlos seekrank sein soll. Dann liegen die
Umdrehungszeiten im Minutenbereich.

Das verstehe ich jetzt nicht. Sofern man keinen Bezugspunkt hat ist es doch egal, ob sich die Wand mit 20 Umdrehungen pro Minute oder pro Stunde dreht. Das fällt doch nur beim Bremsen oder Beschleunigen auf, oder?

Gruß,
Sax

#18

Hi,

  1. Gesundheit: Wie kann man - bei einer geschätzten
    Missionsdauer von zwei Jahren gewährleisten, dass keine
    ernsten gesundheitlichen Probleme auftreten, die an Bord nicht
    versorgt werden können? Ernst Probleme können schon
    Zahnschmerzen sein…

Gerade aber die mangelnde Gravitation ist ein großes Gesundheitsproblem. Die Astronauten leiden ja nicht nur unter Muskel- und Knochenschwund, Herz-Kreislauf-Probleme, Nierenprobleme, sogar das Immunsystem funktioniert nicht mehr richtig.

http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2287/…

Außerdem, wie sollen die Astronauten am Ziel auf der Marsoberfläche herumlaufen und Missionen bewältigen, wenn sie nicht mal mehr laufen können.

Ich schreibe mal eine Wette aus: Der erste Mensch, der den
Mars betritt, wird ein Chinese sein. (In China gibt es weniger
Skrupel, und die VR China kann viel, viel mehr Image-Gewinn
aus einer Marslandung ziehen als die USA. Und das Know-How …
China wird schneller aufholen als von der NASA befürchtet!).
Wer schlägt ein? Über den Einsatz müssten wir uns noch
einigen…

Ich halte dagegen.

Einsatz: Der Verlierer lädt den anderen ein und kocht ein gutes Essen an dem Tag an dem der erste Mensch seinen Fuß auf die Marsoberfläche setzt.

Gruß,
Sax

#19

Nun die Steuerdüsen könnten aber an den nicht-beweglichen
Abschnitten des Raumschiffes angebracht sein.

Das kostet wieder Energie, kein Lager ist ohne Reibung. Das Orientierungsproblem ist da auch noch da, „nicht beweglich“ ist im Raum nicht so einfach. Du müsstest das extra stabilisieren, da sonst das „unbewegliche“ im laufe der Zeit einfach über die Reibung mitdreht. Wir reden hier über monatelanges dauerndes drehen.

… und stellt Dir einfach mal die Probleme der Leitungsverbindungen vor. Nicht nur eine Strippe sonder diverse Leitungen evtl. auch Treibstoffe …

Gruß BA

#20

Hi,

Die Kreiselkräfte machen das extrem schwierig. Versuch einfach
mal einen Winkelschleifer mit 125er Scheibe mit einer Hand in
ein bestimmte Richtung zu schwenken.

Da keine Veranlassung besteht, die Orientierung der
Raumschiffachse zu verändern, ist das kein Problem.

Nun ja, bis auf die Fälle in denen Kreisbahnen beschrieben
werden müssen, es sei denn man lässt zu das die Achse im
Vergleich zur Bahn „verdreht“ wird.

Warum soll die Achse nicht im Vergleich zur Bahn „verdreht“ werden?

Bei so hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist die Steuerung das
kleinste Problem. Entsprechende Experimente deuten darauf hin,
dass das kein Mensch aushält. Pessimisten gehen davon aus,
dass der Radius im Kilometerbereich liegen muss, wenn die
Mannschaft nicht pausenlos seekrank sein soll. Dann liegen die
Umdrehungszeiten im Minutenbereich.

Das verstehe ich jetzt nicht. Sofern man keinen Bezugspunkt
hat ist es doch egal, ob sich die Wand mit 20 Umdrehungen pro
Minute oder pro Stunde dreht.

Der Corioliskraft ist das keineswegs egal. Die ist direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit und wird vom Gleichgewichtsorgan registriert, sobald sich der Kopf senkrecht zur Rotationsachse bewegt. Wegen des Widerspruchs zu den Informationen vom Auge, führt das zu starker Übelkeit. Wegen der hohen Empfindlichkeit unseres Gleichgewichtsorgans muss der Radius sehr groß sein, um diesen Effekt bei normalen Bewegungen unter die Grenze der Wahrnehmung zu drücken.

Wie groß der Radius tatsächlich werden muss, und ob sich der Körper daran gewöhnt, kann momentan niemand sagen. Das müsste man ausprobieren, was nur im Weltall geht.

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