NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

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Frank
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NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von Frank » 11. Feb 2018, 20:37

Warum nicht einmal seiner Zeit vorausplanen? Das dachten sich Ingenieure und konzipieren schon mal präventiv das U-Boot, das der NASA einmal im eisigen Kohlenwasserstoffozean des Saturnmonds Titan nützlich werden könnte.
http://www.spektrum.de/news/nasa-plant- ... ot/1540853

Hat dieses Methan schiessmichtot Gemisch auf Titan überhaupt Auftrieb und die gleichen Eigenschaften wie Wasser? :wn:
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von tomS » 12. Feb 2018, 11:33

Frank hat geschrieben:
11. Feb 2018, 20:37
Hat dieses Methan ... Gemisch auf Titan überhaupt Auftrieb und die gleichen Eigenschaften wie Wasser?
Kannst du mal auf die Suche gehen, ob man irgendwo verlässliche Aussagen erhält? Wasser - Ammoniak - Methan? Welche Temperatur und insbs. welcher Druck?
Gruß
Tom

«Hier konnte niemand sonst Einlaß erhalten, denn dieser Eingang war nur für dich bestimmt. Ich gehe jetzt und schließe ihn.»

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von Frank » 12. Feb 2018, 15:53

tomS hat geschrieben:
12. Feb 2018, 11:33
Frank hat geschrieben:
11. Feb 2018, 20:37
Hat dieses Methan ... Gemisch auf Titan überhaupt Auftrieb und die gleichen Eigenschaften wie Wasser?
Kannst du mal auf die Suche gehen, ob man irgendwo verlässliche Aussagen erhält? Wasser - Ammoniak - Methan? Welche Temperatur und insbs. welcher Druck?

Atmospäre Titan
Obwohl die Oberflächentemperatur des Titan weitaus niedriger ist als die der Erde, gilt er hinsichtlich der dichten, stickstoffreichen Atmosphäre und des Auftretens von Flüssigkeit als der erdähnlichste Himmelskörper des Sonnensystems. Seine Gashülle ist auf der Oberfläche etwa fünfmal so dicht und der Druck etwa 50 % höher als auf der Erde. Sie besteht überwiegend aus Stickstoff und enthält Kohlenwasserstoffe sowie Spuren anderer organischer Verbindungen. Die Oberfläche und die oberste Schicht des Mantels sind aus Eis und Methanhydrat.
https://de.wikipedia.org/wiki/Titan_(Mo ... sserstoffe
Alkane weisen keine Polarität auf und sind daher nicht wasserlöslich; sie sind "hydrophob" oder dem Wasser abgeneigt. Ihre Dichte ist geringer als Wasser, daher schwimmen die Alkane auf dem Wasser. Untereinander sind sie gut löslich und bilden eine klare Lösung.
http://www.seilnacht.com/Lexikon/kw.html

Ok, Alkane sind schon mal leichter als Wasser. daraus würde ich jetzt schliessen, dass Methan wohl nicht die tragenden Eigenschaften von Wasser hat und das U-Boot wohl gar nicht erst fahren könnte(?)
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von positronium » 12. Feb 2018, 17:03

Hier ist ein Artikel mit Berechnung (habe die Rechnung nicht geprüft) zu finden: https://www.quora.com/What-is-the-densi ... e-on-Titan

Demnach herrscht auf Titans Oberfläche ein Atmosphärendruck von 1,5 atm, und der Druck steigt in den Methanseen pro Meter um 0,00775 atm.


Die Dichte von Methan ist an der Oberfläche des Titan: 422,62 kg/m³, und fast konstant, wenn man abtaucht.
Die Fallbeschleunigung auf der Oberfläche des Titan ist 1,35m/s².

Damit kann man die Auftriebskräfte zwischen einem Methansee auf dem Titan und Wasser auf der Erde vergleichen:
FTitan=1,35m/s² * 422,62 kg/m³ * V
FErde=9,81m/s² * 1000kg/m³ * V
FTitan/FErde=0,058
Auf dem Titan ist die Auftriebskraft lediglich 5,8% so stark wie auf der Erde.

Der Druck ist auf Titan weiter oben stärker als auf der Erde, steigt aber beim Abtauchen wesentlich langsamer als hier. Man kann also Leichtbauweise anwenden:
druck.png
druck.png (12.42 KiB) 126 mal betrachtet
Die Viskosität müsste man auch noch prüfen.

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von seeker » 12. Feb 2018, 18:20

positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 17:03
Die Dichte von Methan ist an der Oberfläche des Titan: 422,62 kg/m³
Das wäre dann dort eine Dichte 0,422 g/cm³.
Wasser hat bei uns eine Dichte von 1 g/cm³.
Also wäre der Auftrieb deutlich geringer, nicht mal die Hälfte.
Über die Schwerkraft den Wert der Auftriebskraft zu berechnen ist nicht der Punkt, weil die Schwerkraft auf Boot wie Flüssigkeit gleichermaßen wirkt.
Ein Tauchboot muss sich so über das Ausblasen und Fluten von Ballasttanks einregeln können, sodass seine durchschnittliche Dichte größer (->abtauchen) oder kleiner (->auftauchen) als die der umgebenenden Flüssigkeit wird, im Mittel muss sie im Bereich der Dichte der umgebenden Flüssigkeit liegen, also bei 0,42 g/cm³ statt 1 g/cm³.
D.h. für ein Tauchboot auf Titan müsste man das Volumen-Gewichtsverhältnis entsprechend anpassen, also deutlich leichter bauen, bekommt man aber sicher hin.
Schwieriger wird m.E. die Durchdringung der Eisdecke sein und eine Technik zu schaffen, die bei diesen tiefen Temparauren zuverlässig funktioniert.
Da ist absolute Wasserfreiheit nötig (Feuchtigkeit->Eisbildung->Einfrieren beweglicher Teile), normale Schmiermittel funktionieren nicht, normale Batterien auch nicht, gewöhnliche Materialien werden spröde, usw.
Da ist also spezielle Technik gefragt.
Die Viskosität von leichten Kohlenwasserstoffen ist geringer als die von Wasser, das ist aber kein großes Problem.
Grüße
seeker


Mache nie eine Theorie zu DEINER Theorie!
Denn tut man das, so verliert man zumindest ein Stück weit seine Unvoreingenommenheit, Objektivität.

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von positronium » 12. Feb 2018, 18:38

seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:20
positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 17:03
Die Dichte von Methan ist an der Oberfläche des Titan: 422,62 kg/m³
Das wäre dann dort eine Dichte 0,422 g/cm³.
Wasser hat bei uns eine Dichte von 1 g/cm³.
Also wäre der Auftrieb deutlich geringer, nicht mal die Hälfte.
Über die Schwerkraft den Wert der Auftriebskraft zu berechnen ist nicht der Punkt, weil die Schwerkraft auf Boot wie Flüssigkeit gleichermaßen wirkt.
Ich habe mich dabei an Wikipedia gehalten: https://de.wikipedia.org/wiki/Statischer_Auftrieb
Und ich glaube auch, dass die Gravitationsbeschleunigung eine Rolle spielt, weil im Falle von g=0 keine Kräfte wirken.
seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:20
Schwieriger wird m.E. die Durchdringung der Eisdecke sein und eine Technik zu schaffen, die bei diesen tiefen Temparauren zuverlässig funktioniert.
...
Die Viskosität von leichten Kohlenwasserstoffen ist geringer als die von Wasser, das ist aber kein großes Problem.
Das Eis sehe ich auch als Problem. Leider weiß ich nicht, ob man dieses Stoffgemisch dort ähnlich Wasser sehen kann, also, dass es ab einer gewissen Temperatur und Druck zur Kristallisation oder Festkörperbildung kommt, oder ob man von einem kontinuierlichen Übergang ausgehen muss. Ich frage mich auch, ob bei so tiefen Temperaturen allein durch den Antriebsdruck Kavitation auftritt.

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von Frank » 12. Feb 2018, 18:53

seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:20

Schwieriger wird m.E. die Durchdringung der Eisdecke sein ...........
Was für eine Eisdecke?

Die Methanseen sind ja nicht zugefroren.
Es kann natürlich auch sein das du den Hypothetischen Ozean unter der Eiskruste meinst.
Die Eiskruste soll 80 Km dick sein. Das wäre wahrlich eine Aufgabe.



Radarmessungen der Cassini-Sonde deuten darauf hin, dass unter der Eiskruste ein Ozean aus flüssigem Wasser existiert.Die Dicke der Eiskruste wird auf etwa 80 Kilometer geschätzt.

Nach einem Modell, das vom Jupitermond Europa auf Titan übertragen wurde, kann die Wärmeentwicklung durch Gezeitenreibung auch unter seiner Eiskruste zu der Bildung dieser aufgeschmolzenen Schicht geführt haben. Sie müsste sich mit der Sonde Cassini durch Schwerefeldmessungen nachweisen lassen.

Im Wasser zu etwa 10 % enthaltenes Ammoniak würde als Frostschutzmittel (siehe Gefrierpunkterniedrigung) wirken, so dass sich trotz der in dieser Tiefe zu erwartenden Temperatur von −20 °C ein flüssiger Ozean gebildet haben könnte – zumal in Verbindung mit dem dortigen hohen Druck.

Die Existenz eines Ozeans in der Tiefe bedeutet geologisch gesehen, dass die darüber liegende Kruste wesentlich beweglicher sein kann als auf Himmelskörpern, die durchgehend fest sind, wie beispielsweise der Erdmond. Die Krustenbeweglichkeit führt zu den beobachteten tektonischen Großstrukturen und ebenso zum Kryovulkanismus, wobei vermutet werden kann, dass auch Wasser aus dem untergründigen Ozean direkt am Eisvulkanismus beteiligt ist, wie es bei der Erde mit Magma aus dem Mantel der Fall ist. Wie auf Enceladus bereits nachgewiesen wurde, können die Krustenbewegungen allein lokal so viel Wärme erzeugen, dass bedeutende Mengen an Eis in den Bewegungszonen verflüssigt werden und Kryovulkanismus erzeugen.

Cassini entdeckte, dass über Titanbergen die Anziehung schwächer ist als über flachen Gegenden. Die Forscher vermuten daher, dass das Eis unter Bergen tiefer in den Ozean hineinreicht als unter Ebenen. Die Auswertung von Schwerefeldmessungen von Cassini ergab, dass der vermutete Ozean sehr salzhaltig sein muss. Er ist dabei einzufrieren, weshalb die äußerste Eisschicht über ihm sehr starr sein dürfte.
https://de.wikipedia.org/wiki/Titan_(Mo ... l%C3%A4che
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von seeker » 12. Feb 2018, 19:04

positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:38
Und ich glaube auch, dass die Gravitationsbeschleunigung eine Rolle spielt, weil im Falle von g=0 keine Kräfte wirken.
Ja, das stimmt schon. Und über solche Rechnungen kann man auch ausrechnen wie schnell so ein Boot dann ab- oder auftauchen würde.
Wichtig ist natürlich auch wie schnell der Druck in der Tiefe ansteigt.
Aber am wichtigsten ist dass das Boot zunächst einmal eine Dichte in der Nähe der umgebenden Flüssigkeit haben muss.
positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:38
Leider weiß ich nicht, ob man dieses Stoffgemisch dort ähnlich Wasser sehen kann, also, dass es ab einer gewissen Temperatur und Druck zur Kristallisation oder Festkörperbildung kommt, oder ob man von einem kontinuierlichen Übergang ausgehen muss.
Also ich weiß zumindest, dass gefrorene Alkane oder verwandte Kohlenwasserstoffe wachsartig sind (Wachs ist ein gefrorenes Alkan), also weicher als Wassereis.
Das sollte dann nicht so schlimm sein, wenn sich Kristalle an der Schraube bilden sollten, man kann kritische Teile auch durch Erwärmen wieder frei bekommen.
Der Schmelzpunkt von Methan liegt bei 182° C, die Oberflächentemperatur von Titan beträgt etwa 179°C, der Schmelzpunkt ist also tief genug um flüssig zu bleiben, in der Tiefe sollte es ja dann auch noch eher wärmer als kälter werden.
Und Kavitation gibt es bei uns auch, das ist glaube ich kein größeres Problem.
Grüße
seeker


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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von positronium » 12. Feb 2018, 19:09

Frank hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:53
seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:20

Schwieriger wird m.E. die Durchdringung der Eisdecke sein ...........
Was für eine Eisdecke?
Ich könnte mir durchaus vorstellen, dass Eis auch als Schicht auf den Seen sein kann - hängt bestimmt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Zusammensetzung der Seen und des "Schnee"eises, der Temperatur, den örtlichen Gegebenheiten... Aus Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Lakes_of_Titan):
"It is possible that the methane ice could float for a time as it probably contains bubbles of nitrogen gas from Titan's atmosphere."

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von positronium » 12. Feb 2018, 19:19

seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 19:04
Aber am wichtigsten ist dass das Boot zunächst einmal eine Dichte in der Nähe der umgebenden Flüssigkeit haben muss.
Ja, eine Grundvoraussetzung.
seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 19:04
positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 18:38
Leider weiß ich nicht, ob man dieses Stoffgemisch dort ähnlich Wasser sehen kann, also, dass es ab einer gewissen Temperatur und Druck zur Kristallisation oder Festkörperbildung kommt, oder ob man von einem kontinuierlichen Übergang ausgehen muss.
Also ich weiß zumindest, dass gefrorene Alkane oder verwandte Kohlenwasserstoffe wachsartig sind (Wachs ist ein gefrorenes Alkan), also weicher als Wassereis.
Ich dachte immer, das hat was mit Bienen zu tun. :wink:
seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 19:04
Das sollte dann nicht so schlimm sein, wenn sich Kristalle an der Schraube bilden sollten, man kann kritische Teile auch durch Erwärmen wieder frei bekommen.
In dem Fall ist das dann bestimmt unproblematisch.
Das muss eine faszinierende Welt sein, wenn's dort nur nicht so kalt wäre.
seeker hat geschrieben:
12. Feb 2018, 19:04
Und Kavitation gibt es bei uns auch, das ist glaube ich kein größeres Problem.
Ich frage mich nur, ob das bei solchen Stoffen und Temperaturen extremer ist.

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von seeker » 13. Feb 2018, 09:36

Mist, ich war gedanklich noch bei Enceladus, dort gibt es Pläne eine Mini-Uboot durch den Eispanzer zu schicken... :?
positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 19:19
Ich dachte immer, das hat was mit Bienen zu tun. :wink:
Ja, das ist das nachhaltige aber teure Wachs, es gibt auch noch das nicht-nachhaltige aber billige Wachs aus Erdöl. :)

positronium hat geschrieben:
12. Feb 2018, 19:19
Und Kavitation gibt es bei uns auch, das ist glaube ich kein größeres Problem.
Ich frage mich nur, ob das bei solchen Stoffen und Temperaturen extremer ist.
Na ja, extremer wie bei uns wird das schon sein.
Eine Flüssigkeit neigt umso mehr zur Kavitation, je näher ihre Temperatur bei ihrem Siedepunkt ist.
Bei uns sind das z.B. 80 Kelvin Differenz (Sp Wasser z.B. 100°, Wassertemperatur z.B. 20° C), auf Titan wird es weniger sein.
Die Dichte von flüssigem Methan/Ethan ist auch geringer als die von Wasser, auch eher schlecht, hinzu kommt noch der gelöste Stickstoff, der bevorzugt ausgasen könnte.
Aber allgemein sehe ich darin kein größeres Problem, muss man eben langsam herumschwimmen mit großen langsam drehenden Schrauben o.ä. und Zeit lässt man sich bei solchen Missionen sowieso, Curiosity ist auch kein Formel 1-Wagen.

Ich habe noch das hier gefunden:

Wie baut man ein U-Boot für den Saturnmond Titan?
http://hardsf.de/wie-baut-man-ein-u-boo ... ond-titan/

Da sieht man schematisch wie der Aufbau bei den Vorversuchen der NASA war.

Hauptproblem scheint die Wärmeabgabe zu sein, die die umgebende Flüssigkeit zum Kochen bringen kann, womit das kleine Boot dann herumtanzen würde. Man wird gut isolieren müssen, bekommt man aber sicher auch irgendwie in den Griff. Man kann auch energiesparend bauen, man kann Oberflächenteile aktiv kühlen, man kann die Abwärme an gezielten Stellen abgeben, z.B. an nem langen Schwanz oder Schleppseil, den das Boot dann hinter sich herschleppen müsste, usw.
Das macht die Sache alles nicht einfacher oder billiger, aber machbar ist es, denke ich.

Das hie ist auch noch interessant:

Neue Karte des Titan: Karst-Seen und unterirdisch verbundene Meere
http://hardsf.de/neue-karte-des-titan-k ... ene-meere/
Grüße
seeker


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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von deltaxp » 13. Feb 2018, 11:33

Frank hat geschrieben:
12. Feb 2018, 15:53
Ok, Alkane sind schon mal leichter als Wasser. daraus würde ich jetzt schliessen, dass Methan wohl nicht die tragenden Eigenschaften von Wasser hat und das U-Boot wohl gar nicht erst fahren könnte(?)

das kannst du daraus nicht schliessen, die einzige frage ist, ob die sonde mehr masse flüssiges Methan verdrängt, als sie selber wiegt (auf dem Titan). falls ja hast du auftrieb. ob das medium nun quecksilber, wasser, Methan oder was anderes, auf die masse des verdängten Volumens im verhälnis zur masse des "Verdrängers" kommt es.

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Re: NASA plant schon mal das Saturnmond-U-Boot

Beitrag von positronium » 13. Feb 2018, 12:03

@seeker: Interessant! Vielen Dank!

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