Dinge Erklärt – kurzgesagt
Dinge Erklärt – kurzgesagt
Für die Recherche dieses Videos haben wir hauptsächlich englische Quellen verwendet. Damit unsere deutschen Zuschauer jedoch nicht im Nachteil sind, haben wir an einigen Stellen zusätzliche Hintergrundinfos eingefügt. So könnt ihr euch auch ohne weitreichende Englischkenntnisse informieren.
Wir danken folgenden Personen für ihre wissenschaftliche und redaktionelle Unterstützung:
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, Postdoctoral am McGill Space Institute.
@toughsf
Die Begriffe Tether und Skyhook werden in der englischen Literatur (und damit auch in einem Großteil unserer englischen Quellen) häufig synonym verwendet. Jeder Autor verwendet seine eigene Definitionen, abhängig vom beschriebenen Design. Manche Autoren benennen mit Tether und Skyhook nur die Einzelteile der Konstruktion, z.B. das lange Kabel, bzw. die Endpunkte für die Befestigung der Raumschiffe.
Andere benutzten “Tether“ ausschließlich für rotierende Konstruktionen, während sie “Skyhook” für nicht-rotierende Entwürfe in verschiedenen Varianten benutzen. Und in anderen Fällen beschreibt “Skyhook” eine Variante die nicht rotiert, oder Varianten mit sorgfältig ausgeklügelten Rotationen, die unter bestimmten Voraussetzungen aber auch stationär sein könnten.
Zusammengefasst heisst das alles: für den Begriff Skyhook gibt es noch keine klare Definition, weil das ganze System noch in der Experimentierphase steckt. Dementsprechend muss man beim Lesen der Quellen im Auge behalten, wie der jeweilige Autor in seiner Arbeit die Begriffe verwendet.
– Eine Rakete muss eine Geschwindigkeit von ca. 40.000 km/h erreichen um der Erde zu entkommen.
#Fluchtgeschwindigkeit, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/fluchtgeschwindigkeit/134
#Earth: By the numbers, retrieved, 2019
https://solarsystem.nasa.gov/planets/earth/by-the-numbers/
– Es gibt hier eine einfache aber vielversprechende Technologie, die keiner magischen Materialien bedarf, bei der sich Forschungs– und Investitionsbedarf im Rahmen halten und die zumindest im kleinen Stil schon erfolgreich im Orbit getestet wurde.
#N° 28–2007: Foton-Mission zur Schwerelosigkeitsforschung hebt ab, 2007
https://www.esa.int/ger/Newsroom/Press_Releases/Foton-Mission_zur_Schwerelosigkeitsforschung_hebt_ab
#YES2 team claims a space tether world record, 2007
– Ein Seil und Gewichte. Sogenannte Space Tether.
#Isolationsfreie elektrodynamische Tether: superdünn und felsenfest, 2014
https://cordis.europa.eu/news/rcn/36584/de
#How an Earth Orbiting Tether Makes Possible an Affordable Earth-Moon Space Transportation System, 1994
https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/942120/
#History of the Tether Concept and Tether Missions: A Review, 2013
https://www.hindawi.com/journals/isrn/2013/502973/
– Das ist das Grundprinzip des sogenannten Skyhook-Konzept.
#Aufzüge in den Weltraum und mehr, 2010
https://www.spektrum.de/rezension/space-tethers-and-space-elevators/1023500
Kommentar:
Hier wird das Konzept erklärt, aber nicht Skyhook genannt.
#Satellite Elongation into a True "Sky-Hook", 1966
https://science.sciencemag.org/content/151/3711/682
#How an Earth Orbiting Tether Makes Possible an Affordable Earth-Moon Space Transportation System, 1994
https://www.jstor.org/stable/44615033?seq=1#page_scan_tab_contents
– Und noch besser wird es mit Rotation!
#Aufzüge in den Weltraum und mehr, 2010
https://www.spektrum.de/rezension/space-tethers-and-space-elevators/1023500
Kommentar:
Hier wird das Konzept erklärt, aber nicht Skyhook genannt.
#A non-synchronous orbital skyhook, 1977
https://ui.adsabs.harvard.edu/?#abs/1977JAnSc..25..307M/abstract
#History of the Tether Concept and Tether Missions: A Review, 2013
https://www.hindawi.com/journals/isrn/2013/502973/
– Ein sich so drehender Tether von der richtigen Länge und in der richtigen Umlaufbahn bremst sein unteres Ende relativ zum Boden ab und beschleunigt das obere Ende wie ein Katapult.
#Design Analysis of a Capture Mechanism for Rendezvous Between a Space tether and Payload, 2006
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070001536.pdf
Kommentar:
Das Design, dass wir im Video nutzen nennt sich momentum exchange-tether, also eine “Impulstausch-Leine”. Das Konzept ist super effektiv, aber diese Art Tether birgt Tücken. Um die bestmögliche Leistung beim Gütertransport zu erzielen, muss der Tether sehr präzise und mit der richtigen Geschwindigkeit im Erdorbit platziert werden. Außerdem wird eine ausgefeilte Mechanik benötigen, um die Fracht zu fangen. Genaue Berechnungen sind hier der Schlüssel zum Erfolg.
Da wir im Laufe des Videos verschiedene Designs und Variationen zeigen, können wir nicht sehr detailliert auf jedes spezifische Tetherdesign eingehen.
– Es gibt sogar schon spezielle Fasern, die der außergewöhnlichen Belastung eines Skyhooks standhalten können.
#Aramid fibers (kevlar and technora), 2011
https://www.nap.edu/read/13157/chapter/15
#Conceptual Design and Analysis of Space Tether Transportation System With Electrodynamic Propulsion, 2015
https://dergipark.org.tr/download/article-file/713796
#The Hoytether™: A Space-Survivable Tether Structure, 2018
http://www.tethers.com/Hoytether.html
– Am tiefsten Punkt fegt die Spitze des Tethers mit 12.000 km/h durch die Erdatmosphäre.
Referenz für Rechnung:
#Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System, 2000, S. A3-4
http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/355Bogar.pdf
Kommentar:
Wir haben die Zahlen aus der oberen Quelle als Referenz benutzt und berechnet, dass die Spitze eines direkten Erde - Mars Tethers mit einer Geschwindigkeit von 3.310 m/s über die Oberfläche hinweg schießen würde. Das entspricht exakt 11.916 km/h.
Allerdings gibt es auch andere Entwürfe, wie z.B. den von Moravec (1977). In solchen Entwürfen hätte der Tether eine spezielle Rotation, so dass seine Geschwindigkeit bei Berührung mit der Atmosphäre minimiert wird. Bei maximaler Ausdehnung in die Atmosphäre würde die effektive Geschwindigkeit der Tetherspitze auf Null fallen.
– Deshalb können wir den Skyhook nicht zu tief herablassen denn sonst würde die Reibung ihn zu stark erhitzen. Er reicht deshalb nur auf 80 bis 150 Kilometer hinab, aber nicht weiter.
#Atmosphärenreibung, 1998, Stand 2019
https://www.spektrum.de/lexikon/physik/atmosphaerenreibung/865
#Hypersonic airplane space tether, 2000, A3 14/15
http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/355Bogar.pdf
– Der Skyhook ist wie eine Batterie für Orbit-Energie. Man muss nur die eintreffenden mit den ausgehenden Ladungen ausgleichen.
#Tethers in space handbook, second edition, 1989, S.117
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19920010006.pdf
– Positioniert man einen Tether an der Erde und einen am Mars, könnte man Reisen zwischen den Planeten schneller, einfacher und kostengünstiger als mit Raketen machen.
#Mars-earth rapid interplanetary tether transport (MERITT) system: I. Initial Feasibility Analysis, 1999
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.663.5520&rep=rep1&type=pdf
– In der Gegenrichtung könnte der Tether ein Schiff dank der dünnen Marsatmosphäre schon mit 1000 km/h – kaum schneller als ein Linienflugzeug – aufsammeln und zurück zur Erde schleudern.
Kommentar:
Wir wollen unser Raumschiff das von der Marsleine gefangen wurde so nah wie möglich an die Oberfläche bringen – so brauchen wir möglichst wenig zusätzliche Massnahmen wie Flügel oder Fallschirme um eine sichere Landung zu garantieren. Wir denken 10km über der Oberfläche wäre die sicherste Freigabehöhe. So vermeiden wir, dass das Leinenende in Hügel und Berge auf der Marsoberfläche einschlägt.
Die Leine müsste so lang wie möglich sein, um die G-Kräfte auf Fracht und Crew so gering wie möglich zu halten.
Wenn wir einen Tether mit einem Radius von 600 km nutzen würden, der 610 km im Orbit über der Marsoberfläche schwebt, dann würde er mit 3.059 m/s rotieren. Das bedeutet, die Crew und die Fracht müssten gerade mal 1,59 G an Beschleunigung aushalten. Das ist sogar weniger als in einer Achterbahn auf der Erde.
Und nachdem wir unseren Tether in einem 610 km hohen Orbit platziert haben, kann der Tether die Raumschiffe und –frachten 10 km über der Oberfläche ausklinken. Dieser Abstand garantiert, dass das Tether-Ende nicht gegen höhere Oberflächenstrukturen prallt.
Crew und Fracht werden mit einer Geschwindigkeit von 252 m/s oder 907,2 km/h in der Marsatmosphäre ankommen, was fast der Geschwindigkeit von Flugzeugen hier auf der Erde entspricht. Also sollte es machbar sein Raumschiffe auf den Boden zu bekommen. Und natürlich auch sie so zu beschleunigen, dass sie vom Tether aufgesammelt werden können.
– Dank des Tethers könnten Reisen zwischen den Planeten von 9 Monaten auf 5 oder sogar 3 verkürzt werden.
#Interplanetary Mission Design Handbook: Earth-to-Mars Mission Opportunities and Mars-to-Earth Return Opportunities 2009-2024, 1998, Appendix E
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19980210557.pdf
#Mars-earth rapid interplanetary tether transport (MERITT) system: I. Initial Feasibility Analysis, 1999, S. 14/15
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.663.5520&rep=rep1&type=pdf
Kommentar:
Die drei Monate beziehen sich auf ein Raumschiff, das mit einem Tether beschleunigt wurde. Dieser Tether dreht sich (wie in der MERITT Studie oben vorgeschlagen) mit 4 km/s im unteren Erdorbit. Das Raumschiff wird zusätzlich mit Bord-Antrieben um weitere 1000m/s beschleunigt. Das Ganze haben wir mit Hilfe dieses Tools berechnet:
#Easy Porkchop, retrieved 2019
http://sdg.aero.upm.es/index.php/online-apps/porkchop-plot
– Und die Größe von Raketen könnte um 84 – 96% verringert werden.
Einsparung Tether vs. Rakete mit Kerosin-Sauerstoff-Antrieb: 96.3%
Einsparung Tether vs. Rakete mit Wasserstoff-Sauerstoff-Antrieb: 84%
Wie haben wir das berechnet?:
Eine mit einem Tether beschleunigte Rakete müsste nur einen Tether von der Erde zum Mars erwischen. DeltaV zu Tether = 4600m/s. DeltaV für die Marslandung = 0, da wir Fallschirme benutzten, also nichts beschleunigen oder mit Schub abbremsen müssen.
Wenn diese Rakete Kerosin-Sauerstoff-Antriebe verwendet, muss sie 3.5 kg Treibstoff für jedes Kilogramm Leergewicht verbrauchen.
Im Vergleich müsste eine normale Kerosin-Rakete 96,6 kg Treibstoff pro kg verbrennen.
1- (3,5 kg : 96,6 kg) = 96,3% Einsparung
Hier unsere verwendeten Angaben (Treibstoff berechnet aus ISP):
Merlin-1D build by SpaceX
#Inside SpaceX’s Revolutionary Merlin Engines That Could Take Us to Mars, 2017
https://interestingengineering.com/nside-spacexs-revolutionary-merlin-engine-take-us-mars
#SpaceX Unveils Plans To Be World’s Top Rocket Maker, 2011
http://aviationweek.com/awin/spacex-unveils-plans-be-world-s-top-rocket-maker
Im Vergleich die Wasserstoff Rakete, die 23 Kilo Treibstoff pro kg Leergewicht benötigt:
1- (3,5 kg : 23 kg) = 84% Einsparung
Hier unsere verwendeten Angaben (Treibstoff berechnet aus ISP):
SSME
#RS-25 Engine, 2019
https://www.rocket.com/space/liquid-engines/rs-25-engine
– Phobos ist so schwer, dass wir nicht Gefahr laufen ihn abzubremsen, er ist damit perfekt als Ankerpunkt für einen Super-Tether mit knapp 6000 km Länge geeignet.
#Phobos (Mond), Stand 2019
https://de.wikipedia.org/wiki/Phobos_(Mond)#cite_note-ESA2008-2
Kommentar:
Es gibt zwei Zahlen die häufig im Kontext mit der Distanz zwischen Mars und Phobos genannt werden.
Während die Distanz zwischen den Kernen von Mars und Phobos 9.378 km beträgt, sind ihre Oberflächen nur ca. 6.000 km voneinander entfernt. Und da wir unsere Fracht nicht durch die Oberfläche zum Mars-Kern schießen wollen, ist die 6.000 km Angabe für unser Projekt die relevante.
Siehe:
#Marsmonde Phobos und Deimos zum ersten Mal gemeinsam auf einem Bild, Stand 2010
https://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-5105/8598_read-21513/
#Space Colonization Using Space-Elevators from Phobos,
https://space.nss.org/media/2003-Space-Colonization-Using-Space-Elevators-From-Phobos.pdf
#Phobos: Facts About the Doomed Martian Moon, 2017
https://www.space.com/20346-phobos-moon.html
Weiterführende Quellen:
– Wie funktioniert ein Raketenstart?
#Wie kommt eine Rakete ins Weltall?, abgerufen 2019
https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6805/11165_read-25463/