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Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 17. Okt 2018, 19:13
von Frank
BepiColombo ist ein Wagnis: Nie zuvor haben europäische oder japanische Ingenieure eine Raumsonde für die extremen Bedingungen am Merkur gebaut. Zehnmal intensiver als in Erdnähe brennt die Sonne dort. Dazu kreist der Merkur so schnell um die Sonne, dass ein Flug zu ihm mehr Energie erfordert als eine Reise zum Pluto. BepiColombo muss deshalb vielfach Schwung holen, einmal an der Erde, zweimal an der Venus und schließlich noch sechsmal am Merkur selbst, bis die Sonde schließlich am 5. Dezember 2025 in seine Umlaufbahn eintreten soll. Wenige Wochen zuvor soll sich der »Mio« getaufte japanische Magnetospheric Orbiter vom europäischen Planetary Orbiter trennen, die Merkur auf sehr unterschiedlichen Bahnen umkreisen sollen.
https://www.spektrum.de/news/bepicolomb ... se/1602972


Meine Güte, wie schnell ist der Geselle denn? Nun, er braucht ungefähr 58 Tage um die Sonne.
Man könnte doch den Punkt mit Sicherheit genau berechnen, wo man hinfliegen müsste zu einem Rendezvouz?
Warum fiegt man also nicht direkt hin?
Oder liegt es an dieser seltsamen Rosettenbahn, die Merkur um die Sonne beschreibt?
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Quelle: https://abenteuer-universum.de/planeten/merkur.html

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 17. Okt 2018, 21:44
von tomS
Gehen wir in zwei Schritten vor:

1) Der Satellit werde von der Erde gestartet und bewege sich eigermaßen weit weg von der Erde = in guter Näherung außerhalb deren Gravitation auf einer erdähnlichen Umlaufbahn.

Wie der Satellit dahingelangt ist, ist für das folgende irrelant - ob durch das o.g. Manöver, ob er dort gebaut wurde oder schon immer dort war.

2) Nun muss der Satellit ein zweites Mal beschleunigt werden, um auf eine andere Umlaufbahn zu gelangen, die ihn am Merkur vorbeiführt. Dafür kommen prinzipiell beliebige elliptische Umlaufbahnen in Betracht, solange sie nur die Merkurbahn berühren oder schneiden, d.h. solange ihre kleine Halbachse kleiner oder gleich der der Merkurbahn ist - die wir der Einfachheit halber als kreisförmig annehmen.

3) Dann wäre zu klären, ob ein einmaliger Vorbeiflug ausreichend ist oder ob eine Umlaufbahn um den Merkur erreicht werden soll.

EDIT: 2) lässt offen, wie der Satellit die Bahn wechselt. Betrachten wir stattdessen

2’) Auf der Bahn nach 1) wird adiabatisch und tangential gebremst, so dass die Bahn in guter Näherung immer kreisförmig bleibt. Dadurch kann der Satellit auf die Merkurbahn wechseln (oder durch beschleunigen auf weiter außen liegende Bahnen).

2’’) Statt adiabatisch wird instantan gebremst, als mehr oder weniger abgestoppt. Dadurch erreicht man zwar eine engere, allerdings keine Kreisbahn.

Nun kann die Gesamtenergie des Satelliten nach (1) mit (2), (2’) und (2’‘) verglichen werden. Die Differenz ist die minimal zu vernichtende bzw. zu erzeugende Energie aus dem Treibstoff. Letzteres führt noch zu Korrekturen aufgrund der nicht-konstanten Masse.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 17. Okt 2018, 23:34
von Herr5Senf
Der Einfachheit halber betrachten wir die energiegünstigsten Hohmann-Bahnen, das sind elliptische Übergangsbahnen direkt zum Ziel.
Wir brauchen ein ΔV1 um von der Erdbahn wegzukommen und ein zweites ΔV2 um mit der Zielbahn zu egalisieren. Dabei lassen wir den Start
von der Erde, der ja auch eine Rakete und viel Treibstoff bei einer Nutzlast von cirka 2% braucht, weg und betrachten nur die Raumsonde,
die schon mit Fluchtgeschwindigkeit auf die Bahn der Erde "von der Erde weggebracht" wurde.

Zum Mars mit nur ΔV = 5,6 km/s entfallen auf den Treibstoff 85 % der Sondenmasse nach Ziolkowski, das ist noch überschaubar.
Zum Merkur, wir müssen tief in den Potentialtopf der Sonne, brauchen wir ΔV = 17,2 km/s, bedeutet, Treibstoffanteil ist hier 99,7 %.
Das ginge konstruktiv nur mit einer mehrstufigen schweren Raumsonde, wird aber teuer. Deshalb nimmt man langjährige Swing-by-Bahnen
zB über die Venus, die ähnlich "günstig" wie Mars zu erreichen ist, dann muß man sich "hinschaukeln".
Formeln gibt es zB hier http://me-lrt.de/hohmanntransfer-zwischen-kreisbahnen

Grüße Dip

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 08:58
von Timm
Herr5Senf hat geschrieben:
17. Okt 2018, 23:34
Der Einfachheit halber betrachten wir die energiegünstigsten Hohmann-Bahnen, ...
Ja, der Vergleich Mars vs. Merkur als Ziel bringt das wesentliche auf den Punkt, gute Erläuterung.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 09:16
von Frank
Herr5Senf hat geschrieben:
17. Okt 2018, 23:34

Zum Mars mit nur ΔV = 5,6 km/s entfallen auf den Treibstoff 85 % der Sondenmasse nach Ziolkowski, das ist noch überschaubar.
Zum Merkur, wir müssen tief in den Potentialtopf der Sonne, brauchen wir ΔV = 17,2 km/s, bedeutet, Treibstoffanteil ist hier 99,7 %.
Das ginge konstruktiv nur mit einer mehrstufigen schweren Raumsonde, wird aber teuer.
Warum man, wenn auf die Sonne zufliegt(Gravitation), mehr Energie braucht, als von ihr weg, erschliesst sich mir bis heute noch nicht......
;?

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 10:00
von ralfkannenberg
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 09:16
Warum man, wenn auf die Sonne zufliegt(Gravitation), mehr Energie braucht, als von ihr weg, erschliesst sich mir bis heute noch nicht......
;?
Hallo Frank,

meine Antwort ist nicht "korrekt", aber vielleicht hilft es, sich das ganze besser vorstellen zu können.

Die vorliegende Situation ist tatsächlich gegen die Intuition: man denkt ja irgendwie unbewusst, dass man sich an den Rand der Erde stellen könnte und dann wie von einem Sprungturm im Schwimmbad sich zur Sonne hinunterfallen lassen kann, schliesslich steht sie im Mittelpunkt des Sonnensystems und zieht einen an.

Wenn Du Dich vom Rand des Sprungturmes hinunterfallen last, fällst Du tatsächlich wie gewünscht ins Wasser, doch bei der Erde ist es anders: auf der Erde "merkt" man die Sonne nämlich nicht. Das muss auch so sein, denn würde man die Sonne merken, so würde es eine Kraft zur Sonne hin geben und die Erde würde mit uns Menschen drauf in kurzer Zeit in die Sonne stürzen.

Das tut sie aber nicht, und wenn sie das nicht tut, so muss es eine weitere Kraft geben, die die Schwerkraft der Sonne ausgleicht. Und diese kommt daher, dass sich die Erde auf einer stabilen Umlaufbahn um die Sonne bewegt, so dass sich beide Kräfte ausgleichen.

Wie gesagt: zunächst merken wir das nicht - ok, man kann das beispielsweise daran erkennen, dass sich der Sternenhimmel nachts weiterdreht, so dass beispielsweise nun die ersten Wintersterne abends am Horizont aufgehen, d.h. dass sich die Sonne jeden Tag von der Erde aus gesehen vor dem Sternenhintergrund fortbewegt.

Aber wie gesagt, wir merken das nicht, für uns befindet sich die Welt im Gleichgewicht. Unser subjektiv empfundenes Nullniveau befindet sich hier auf der Erde und nicht auf der Sonne, d.h. wenn wir im Sonnensystem nach innen oder nach aussen irgendwo hinreisen möchten, dann müssen wir dieses Nullniveau verlassen. Und das kostet Energie - sei es eine Beschleunigung, wenn wir nach aussen, also Richtung Mars oder Jupiter oder noch weiter reisen möchten, sei es ein Abbremsen, wenn wir Richtung Venus, Merkur oder gar Sonne reisen möchten.


Freundliche Grüsse, Ralf

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 10:37
von tomS
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 09:16
Warum man, wenn auf die Sonne zufliegt(Gravitation), mehr Energie braucht, als von ihr weg, erschliesst sich mir bis heute noch nicht......
Ich habe oben skizziert, wie man den Übergang zwischen verschiedenen Orbits gestalten könnte. Mein Vorschlag wäre, das mal exemplarisch und gemeinsam durchzurechnen. Danach versthst du's dann!

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 11:08
von Frank
Esrtmal vielen Dank für eure Antworten.

Das die Erde eine "Fluchtgeschwindigkeit" hat, die der Graviation der Sonne entgegen wirkt, habe ich schon verstanden. Schlieslich macht die ISS ja auch nicht anderes um die Erde, bzw. sie "fällt nicht auf die Erde"
Nur weiss ich aus meiner zahlreichen Raumfahrtliteratur, dass sich Raumschiffe bei Rückkehr zur Erde Bremsraketen zünden, die erforderliche Geschwindigkeit von ca. 28.000 Km/h veringert und so von selbst wieder zur Oberfläche fallen.(Einfach ausgedrückt)
Mit durchschnittlich knapp 30 Kilometern pro Sekunde (108 000 km/h) umkreist unser Planet im Laufe eines Sonnenjahres die Sonne. Da sich die Erde auf einer elliptischen Umlaufbahn befindet, schwankt die Entfernung zur Sonne im Jahresverlauf – und damit auch die Geschwindigkeit.

Die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde beträgt meines Wissens 11,2 Km/s. Wenn ich das Schwerefeld der Erde verlassen habe, sind dann ja keine 41,2 Km/S auf dem "Tacho"( Geschwindigkeit Erde+Fluchtgeschwindigkeit), sondern weniger, weil die Erde ja noch eine Zeit bremst, wenn der Schub einmal augesetzt hat.
Wieso zündet man dann einfach Bremsraketen bis man soweit Geschwindigkeit verloren hat, um von der Sonnen angezogen zu werden?

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 11:57
von seeker
Du musst immer miteinbeziehen, in welche Richtung welche Bewegungsgeschwindigkeit geht.
Die Bewegung der Erde ist erst einmal geradinig in einem 90°-Winkel zur Sonne ausgerichtet.
Ohne Gravitation der Sonne würde sich die Erde also geradinig-seitwärts zur Sonne fortbewegen, die Gerade wäre 90° gegen eine direkte Verbindungslinie zur Sonne ausgerichtet.
Weil die Sonne aber Gravitation ausübt (und zwar im 90°-Winkel zur Bewegung der Erde), wird diese Bewegungsgerade der Erde nach innen gekrümmt, sodass sich die bekannte Bewegung der Erde um die Sonne ergibt: ein geschlossener Bogen, fast kreisförmig, etwas elliptisch.
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 11:08
Die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde beträgt meines Wissens 11,2 Km/s. Wenn ich das Schwerefeld der Erde verlassen habe, sind dann ja keine 41,2 Km/S auf dem "Tacho"( Geschwindigkeit Erde+Fluchtgeschwindigkeit), sondern weniger, weil die Erde ja noch eine Zeit bremst, wenn der Schub einmal augesetzt hat.
Das ist etwas komlizierter. Fluchtgeschwindigkeit ist erst einmal egal, denn das ist die Mindestgeschwindigkeit, mit der du sozusagen einen Körper senkrecht nach oben werfen musst, sodass er nicht mehr herunterkommt.
So starten wir unsere Raketen aber nicht, die fliegen immer in einem Bogen nach oben und nehmen dabei die Rotationsgeschwindigkeit der Erde um sich selbst mit, nutzen die aus (deshalb startet man auch lieber in Äquatornähe als in Polnähe); damit die oben bleiben, also einen Orbit erreichen, nutzt man einen ganz anderen Effekt aus: die Fliehkraft. In dem Fall ist die Geschwindigkeit senkrecht nach oben am Ende Null, aber die Geschwindigkeit seitwärts so groß, dass sie per Fliehkraft oben bleiben.
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 11:08
Wieso zündet man dann einfach Bremsraketen bis man soweit Geschwindigkeit verloren hat, um von der Sonnen angezogen zu werden?
Das könnte man tun, das würde aber sehr viel Treibstoff verbrauchen und die Mission sehr teuer machen, weil man von der Erde aus ja die Grundgeschwindigkeit waagerecht/seiwärts zur Sonne von ca. 30km/s mitbekommt, was sehr viel ist. Die müsste man loswerden, um nach innen zu fallen. Um Treibstoff zu sparen macht man daher lieber Swing-By Manöver. Allgemein gehts in der Weltraumfahrt meist darum, möglichst viel Treibstoff einsparen zu können.
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 11:08
Nur weiss ich aus meiner zahlreichen Raumfahrtliteratur, dass sich Raumschiffe bei Rückkehr zur Erde Bremsraketen zünden, die erforderliche Geschwindigkeit von ca. 28.000 Km/h veringert und so von selbst wieder zur Oberfläche fallen.(Einfach ausgedrückt)
Die kommen aber auch normalerweise aus einer Umlaufbahn mit Anfangsgeschwindigkeit V(Richtung Erde) = 0 und die Geschwindigkeit in Vorwärtsrichtung V(Orbit) ist dabei keineswegs fix 28.000 km/h, V(Orbit) hängt vom Abstand des Orbits zur Erde ab. Die bremsen daher nicht in Richtung unten ab, sondern gegen die Vorwärtsrichtung. Weil sie dabei in Vorwärtsrichtung dann langsamer werden, verringert sich die Fliehkraft und sie kommen in einem Bogen der Erde näher.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 12:45
von Frank
seeker hat geschrieben:
18. Okt 2018, 11:57

Das könnte man tun, das würde aber sehr viel Treibstoff verbrauchen und die Mission sehr teuer machen, weil man von der Erde aus ja die Grundgeschwindigkeit waagerecht/seiwärts zur Sonne von ca. 30km/s mitbekommt, was sehr viel ist. Die müsste man loswerden, um nach innen zu fallen. Um Treibstoff zu sparen macht man daher lieber Swing-By Manöver. Allgemein gehts in der Weltraumfahrt meist darum, möglichst viel Treibstoff einsparen zu können.
Aus kaufmännischer Sicht(und da kenn ich mich ganz gut aus)möchte ich mal wissen , wass eine 7 jährige "Betreuung" so eines Projektes an laufenden Kosten verschlingt. Das würde ich dann gerne mit dem Treibstoff verechnen......... :wink:
(Zumal es auch endlich mal an der Zeit wäre, modernere Antriebskonzepte, wie Nuklearantriebe und/oder Ionentriebwerke einzusetzen, damit diese nicht akzeptablen Reisezeiten endlich mal auf ein eträgliches Mass reduziert werden würden.)

Die 28.000 Km beschrieb ich ja auch als ca(!) und das war immerhin der Startorbit, von denen aus die Apollomissionen zum Mond flogen.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 18. Okt 2018, 13:59
von seeker
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 12:45
Aus kaufmännischer Sicht(und da kenn ich mich ganz gut aus)möchte ich mal wissen , wass eine 7 jährige "Betreuung" so eines Projektes an laufenden Kosten verschlingt. Das würde ich dann gerne mit dem Treibstoff verechnen......... :wink:
Das wär tatsächlich interessant das einmal nachzurechnen.

Aber allgemein kann man sich einmal die Raketengrundgleichung anschauen, um ein Gefühl zu bekommen:
Wenn eine einstufige Rakete mit Anfangsmasse m0 und Anfangsgeschwindigkeit Null betrachtet wird, deren Triebwerk die Stützmasse kontinuierlich und mit der konstanten Geschwindigkeit v(g) ausstößt, dann gilt (unter idealisierten Bedingungen) die Raketengrundgleichung für die Geschwindigkeit v(m) der Rakete in Abhängigkeit von der Restmasse m (also der um den verbrauchten Treibstoff verkleinerten Anfangsmasse):

v(m) = v(g) * ln (m0/m)
https://de.wikipedia.org/wiki/Raketengrundgleichung


Das steckt ein Logarithmus drin und der bedeutet folgendes:

Wenn dein Raumschiff bzw. die gegebene Nutzlast am Ende die doppelte Geschwindigkeit haben soll (und alles andere gleich sein soll), dann musst du die Rakete 10x so groß bauen, wenn sie am Ende die 3-fache Geschwindigkeit haben soll, dann muss die Rakete 100x so groß sein, wenn sie am Ende die 4-fache Geschwindigkeit haben soll, dann muss die Rakete 1000x so groß sein, usw.

Das ist ziemlich deprimierend, schneller werden ist extrem aufwändig und teuer...
Größeres v(g) hilft da mehr, aber die Ionentriebwerke haben halt kaum Schub im Vergleich, daher sind sie auch nur bedingt eine Lösung.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 20. Okt 2018, 09:58
von tomS
tomS hat geschrieben:
18. Okt 2018, 10:37
Frank hat geschrieben:
18. Okt 2018, 09:16
Warum man, wenn auf die Sonne zufliegt(Gravitation), mehr Energie braucht, als von ihr weg, erschliesst sich mir bis heute noch nicht......
Ich habe oben skizziert, wie man den Übergang zwischen verschiedenen Orbits gestalten könnte. Mein Vorschlag wäre, das mal exemplarisch und gemeinsam durchzurechnen. Danach versthst du's dann!
Wie gesagt, wir können das gemeinsam diskutieren

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 20. Okt 2018, 10:59
von Skeltek
Ich gehe mal von idealen Planetoiden für die Transfers aus:
1.Der Satelit sollte optimalerweise von der Erde kurz vor 18Uhr abends und kurz vor zunehmendem Halbmond senkrecht nach oben geschossen werden.
2.Dabei sollte er die Mondumlaufbahn knapp nicht erreichen und knapp innerhalb des Mondumlaufbahn-Kreises stehen bleiben.
3.Der Mond zischt dann mit Geschwindigkeit x an ihm vorbei, dadurch wird der Satelit 'halbkreisförmig' (eigentlich Elipse/Hyperbel) um den Mond herum geschleudert (Swingby) und gewinnt 2*x an Geschwindigkeit in Mondumlaufbahn-Richtung (was bei zunehmendem Halbmond exakt von der Sonne weg ist).
4.Die Erde lenkt den Satelit dann noch einmal um 90° um (entlang einer Hyperbel-Hälfte), wodurch dieser eine resultierende Geschwindigkeit um die Sonne erhält, welche circa (Erdbahngeschwindigkeit + 2*Mondbahngeschwindigkeit - Abbremsung durch Erdgravitationbeim verlassen des Gravitationstopfes) entspricht.
5.Dadurch bewegt er sich schneller als die Erde, was den niedrigsten Punkt seiner eliptischen Bahn auf Erdbahnradius setzt und den höchsten Punkt der Bahn vermutlich zwischen Marsbahn und Asteroidengürtel.
6.Am höchsten Punkt seiner jetzigen Bahn ist der Satelit langsamer, weshalbes weniger 'Bremsimpuls' benötigt um den niedrigsten Punkt der Elipse auf Merkurbahn zu setzen (hier wäre auch ein Swingby zum Abbremsen am Mars möglich).
7.Am niedrigsten Punkt der Elipse (streift Merkurbahn) ist der Satelit jetzt sehr schnell, deutlich schneller als der Merkur; daher findet hier das Bremsmanöver statt, da man mit derselben Menge Treibstoff mehr Bewegungsenergie verbraten kann (Atmosphäre mehrmals 'streifen' zum Abbremsen wäre auch möglich, falls eine vorhanden).

Natürlich sind die Bedingungen in der Regel seltenst optimal, weshalb dann meist eine Mischung aus Swingbys, Kurskorrekturen durch Antrieb, Power-Assists bei den Swingbys und atmosphärischen Bremsmanövern verwendet wird. Interessant ist die Tatsache, dass man oft weniger Treibstoff verbraucht, wenn man zuerst auch eine höhere Umlaufbahn wechselt, bevor man dann am höchsten Punkt abbremst. Verdeutlichen kann man es sich, wenn man sich einen Satelit auf Naptun-Bahn vorstellt. Auf Neptun-Bahn hat man eine Orbitalgeschwindigkeit von 5,43 km/s; wenn man hier um 5,43 km/s abbremst, störzt man direkt auf die Sonne zu. Auf Erdumlaufbahn wäre eine Abbremsung um 29,78 km/s notwendig um den Absturz in die Sonne auf die Reihe zu bekommen. Letzten Endes ist es effektiver die Apoapse (höchster Punkt der eliptischen Umlaufbahn) durch Beschleunigen in Bahnrichtung an der Periapse (niedrigster Punkt) zu erhöhen, bevor man dann später durch Bremsen an der Apoapse die Periapse verkleinert bzw näher an die Sonne rückt. Dadurch verbraucht man weniger delta-v, was direkt dem notwendigen Treibstoff entspricht.


Zum Punkt 'weniger Treibstoff verbrauchen pro Bewegungsenergie-Zu/Abnahme':
Der Satelit verbraucht immer dieselbe Menge Treibstoff wenn er zum Beispiel um 100 m/s beschleunigt oder abbremst. Beim Beschleunigen von 0 m/s auf 100 m/s ist die Energiedifferenz relativ klein. Beim Beschleunigen von 2000 m/s auf 2100 m/s ist die Energiezunahme zwanzig mal höher!
Daher misst man den 'Treibstoff' von Raumfahrzeugen gerne in m/s statt den Energiewert zu nennen, da man somit eine direkte Repräsentation der maximalen Geschwindigkeitsänderung (delta-v) hat, welche mit dem verbleibenden Treibstoff noch möglich ist.
Deshalb ist der Bewegungsenergie-Gewinn am höchsten, wenn man an der Periapse beschleunigt, da man hier bereits eine hohe Geschwindigkeit hat, zu welcher man lediglich hinzufügt.

Impuls-technisch kann man es sich auch so erklären:
Wenn die Rakete langsam ist, dann wird beim Verbrennen des Treibstoffes die Rakete ein klein wenig beschleunigt, während der Treibstoff selbst mit hoher Geschwindigkeit weg geschossen wird und fast die ganze Energie bzw Impuls mitnimmt.
Wenndie Rakete jedoch bereits eine hohe Geschwindigkeit hat, dann wird der schnell mitfliegende Treibstoff abgebremst und bleibt hinter der Rakete z.B. exakt stehen ohne jegliche Bewegungsenergie, während die Rakete die gesamte Energie des Verbrennungsprozesses mitnimmt(aus Sicht des ruhenden Systems heraus).

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 22. Okt 2018, 09:39
von Frank
Es wird mir für meinen Geschmack hier viel zu viel mit den konservativen Antrieben gerechnet. Ich möchte hier einmal das schon viel zitierte Sonnensegel in die Diskussion mit einbringen. Der Sonnenwind wird ja , wenn man es mal einfach sieht und diverse Verwirbelungen des Magnetfeldes, des Sternes außer acht lässt, senkrecht von der Oberfläsche in alle Richtungen "geschosssen".
Ist durch eine geschickte Ausrichtung des Segels hier nicht ein "kreuzen gegen den Wind" möglich, wie es die Seefahrer jahrhunderte auf der Erde gemacht haben? Man könnte den Sonnenwind dann ja zum bremsen, ja bis zur Richtungskorrektur verwenden.
Ist das physikalisch überhaupt machbar?

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 22. Okt 2018, 14:02
von seeker
Also zu den Sonnensegeln gibt es hier eine Menge an Infos:

https://www.bernd-leitenberger.de/sonnensegel.shtml
https://www.bernd-leitenberger.de/blog/ ... nantriebe/

Gegen den Sonnenwind kreuzen geht wohl auch, wenn auch etwas eingeschränkt, weil man im Gegensatz zu einem Schiff im Wasser nichts hat, wo man sich gegen den Wind abstützen kann (das Wasser)... außer irgendwelche Himmelskörper (mit ihrer Gravitation) natürlich, an denen man auch seine Bewegungsrichtung auf einfache Weise ändern kann.

Sonnensegel können für manche Zwecke sinnvoll sein.
Allerdings haben die auch die Einschränkung, dass sie sehr wenig Schub erzeugen.

Das ist allgemein derzeit eines unser Hauptprobleme in der Raumfahrt:

Optimal wäre eine Antrieb, der einerseits vergleichsweise wenig Stützmasse verbraucht (durch entsprechend hohe Austrittsgeschwindigkeiten) und andererseits sehr viel Schub erzeugt. Sowas haben wir leider derzeit nicht: Entweder viel Schub und viel Stützmassenverbrauch (chemische Triebwerke) oder wenig Schub und wenig bis kein Stützmassenverbrauch (Ionentriebwerke, Solarsegel).

Was wir bräuchten wäre so etwas wie ein Ionentriebwerk mit dem Schub eines chemischen Triebwerks. Wenn wir so etwas hätten wären schnelle Reisen im Sonnensystem überhaupt kein Problem mehr, das Sonnensystem stände uns dann völlig offen. Ein Traum wäre das...
Könnte man nicht chemisches Triebwerk und Ionentriebwerk irgendwie kombinieren, hintereinanderschalten, sodass die ausgestoßenen Gase des chemischen Treibwerks noch einmal kräftig nachbeschleunigt werden, vielleicht noch kombiniert mit einem Atommeiler zur Energieversorgung des Ionentriebwerks?

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 22. Okt 2018, 21:12
von Skeltek
Frank hat geschrieben:
22. Okt 2018, 09:39
Ist durch eine geschickte Ausrichtung des Segels hier nicht ein "kreuzen gegen den Wind" möglich, wie es die Seefahrer jahrhunderte auf der Erde gemacht haben?
Habe mich noch nie mit Sonnensegeln beschäftigt, würde aber nach nur wenig Sekunden nachdenken mit hoher Sicherheit 'ja' antworten.
Man muss allerdings einen Teil der Sonnenenergie für die Stromerzeugung verwenden, die Wärme umpumpen und Radiatoren einsetzen, um die Wärme wieder in die richtige Richtung abzustrahlen. Das ist aber nur weit außerhalb von Gravitationstöpfen wirklich sinnig, da extrem langsam beschleunigt wird und sich innerhalb die radialen Geschwindigkeitsänderungen pro Umlauf auf 0 aufsummieren. Wenn ein Sonnensegel direkt vom Stern weg beschleunigt, gewinnt man keine Höhe (bzw insignifikant; siehe Erklärung weiter unten).

Man kann ohnehin nicht auf einen Stern zufliegen oder weg fliegen indem man auf ihn zu- oder wegbeschleunigt. Jede Beschleunigung direkt auf den Stern zu oder vom Stern weg addiert praktisch keine relevante Energie zum Satelit, da der Stern nach einem halben Umlauf wegen Impulstausch praktisch die gesammte Energie auffrisst (man erhöht vor sich die Apoapse und verkleinert hinter sich die Periapse).
Um den Orbit tatsächlich zu ändern ist eigentlich lediglich eine Beschleunigung in Bewegungsrichtung (erhöht Orbit) oder gegen Bewegungsrichtung (verringert Orbit) notwendig. Innerhalb von Sonnensystemen ist ein 'gegen den Wind segeln' somit eigentlich gar nicht notwendig.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 23. Okt 2018, 00:20
von tomS
Frank hat geschrieben:
22. Okt 2018, 09:39
Es wird mir für meinen Geschmack hier viel zu viel mit den konservativen Antrieben gerechnet.
Die grundsätzliche Frage ist völlig unabhängig von der Art des Antriebs. Es geht ausschließlich darum, die Energiebilanz zu betrachten.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 23. Okt 2018, 08:58
von seeker
tomS hat geschrieben:
23. Okt 2018, 00:20
Die grundsätzliche Frage ist völlig unabhängig von der Art des Antriebs. Es geht ausschließlich darum, die Energiebilanz zu betrachten.
Nur in erster Näherung.
Man muss auch die Zeitbilanz und die Kostenbilanz berücksichtigen.
Außerdem ist das Feld der Möglichkeiten durch das Sonnensystem mit seinen Körpern darin vorgegeben, was die möglichen Manöver einschränkt (z.B. Swing-by). Die energiesparendste Möglichkeit ins innere Sonnensystem zu gelangen ist schließlich eine Richtungsänderung des Bewegungsvektors in Richtung Sonne, indem man an einer großen Masse (Planet) geeignet vorbeifliegt.: Diese Richtungsänderung kostet das Raumschiff im Grunde überhaupt keine Energie, die es als Treibstoff mitführen müsste.

Aber lass uns doch das einmal anschauen:
tomS hat geschrieben:
17. Okt 2018, 21:44
Gehen wir in zwei Schritten vor:

1) Der Satellit werde von der Erde gestartet und bewege sich eigermaßen weit weg von der Erde = in guter Näherung außerhalb deren Gravitation auf einer erdähnlichen Umlaufbahn.

Wie der Satellit dahingelangt ist, ist für das folgende irrelant - ob durch das o.g. Manöver, ob er dort gebaut wurde oder schon immer dort war.

2) Nun muss der Satellit ein zweites Mal beschleunigt werden, um auf eine andere Umlaufbahn zu gelangen, die ihn am Merkur vorbeiführt. Dafür kommen prinzipiell beliebige elliptische Umlaufbahnen in Betracht, solange sie nur die Merkurbahn berühren oder schneiden, d.h. solange ihre kleine Halbachse kleiner oder gleich der der Merkurbahn ist - die wir der Einfachheit halber als kreisförmig annehmen.

3) Dann wäre zu klären, ob ein einmaliger Vorbeiflug ausreichend ist oder ob eine Umlaufbahn um den Merkur erreicht werden soll.

EDIT: 2) lässt offen, wie der Satellit die Bahn wechselt. Betrachten wir stattdessen

2’) Auf der Bahn nach 1) wird adiabatisch und tangential gebremst, so dass die Bahn in guter Näherung immer kreisförmig bleibt. Dadurch kann der Satellit auf die Merkurbahn wechseln (oder durch beschleunigen auf weiter außen liegende Bahnen).

2’’) Statt adiabatisch wird instantan gebremst, als mehr oder weniger abgestoppt. Dadurch erreicht man zwar eine engere, allerdings keine Kreisbahn.

Nun kann die Gesamtenergie des Satelliten nach (1) mit (2), (2’) und (2’‘) verglichen werden. Die Differenz ist die minimal zu vernichtende bzw. zu erzeugende Energie aus dem Treibstoff. Letzteres führt noch zu Korrekturen aufgrund der nicht-konstanten Masse.
Nehmen wir an, dass ein einmaliger Vorbeiflug ausreichend ist. Schon ohne Rechnung würde ich dann darauf wetten, dass ein Manöver, das zu einer stark elliptischen Bahn mit Passage des Merkur führt, deutlich energiesparender ist als ein Manöver, das zu einer Kreisbahn im Merkur-Sonne-Abstand führt.

Was meinst du mit:
"2’) Auf der Bahn nach 1) wird adiabatisch und tangential gebremst,"? Wie soll das Raumschiff adiabatisch abbremsen, also ohne (heißen) Treibstoff auszustoßen? Was bedeutet tangential?

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 11:22
von tomS
Zuerst muss man mal den gewünschten Zielorbit definieren. Dann kann man die Energiebilanz betrachten - das ist die Problemstellung, und das war ja auch die ursprüngliche Frage von Frank.

Anschließend kann man nach verfügbaren Antriebstechnologien suchen.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 13:29
von Skeltek
Frank hat geschrieben:
17. Okt 2018, 19:13
Man könnte doch den Punkt mit Sicherheit genau berechnen, wo man hinfliegen müsste zu einem Rendezvouz?
Warum fiegt man also nicht direkt hin?
Es ist ähnlich wie das abstürzen lassen eines Sateliten oder einer Raumstation. Man bremst sie nur gerüngfügig ab, damit der niedrigste Punkt ihres Orbits den Boden streift oder zumindest an der Atmosphäre weiter abgebremst wird. Ein Reduzieren der Geschwindigkeit auf 0 m/s und danach direkt auf den Boden zu beschleunigen würde alleine schon für das Bremsmanöver das 30-fache an Treibstoff kosten.

Das Problem ist nicht die Höhe zu reduzieren, sondern die irrsinnige Orbitalgeschwindigkeit los zu kriegen, welche den Satelit nach einer Annäherung ständig wieder weg katapultiert. Und selbst wenn man den ganzen Treibstoff verbläst um abzubremsen und direkt Richtung Sonne zu fliegen statt sich in einer Elipse anzunähern, dann kommt man am Rednezvous-Punkt an und muss erstmal die irrsinnig hohe Geschwindigkeit in Richtung der Sonne wieder los werden. Außerdem will man dann nicht im Stillstand gegen den Merkur klatschen, der sich mit 172000 km/h auf einen zubewegt, was aber nach dem Bremsen nach dem Hinflug eigentlich kaum ins Gewicht fallen würde.

'Direkter Hinflug' würde bedeuten, dass man die Geschwindigkeit die man beim Verlassen der Erde hat vollständig wegbremst, dann statt wie die Erde weiter im Orbit zu fliegen fast direkt Richtung Sonne stürzt und dort dann vermutlich eine Geschwindigkeitsänderung von weiteren geschätzt 300000 bis 400000 km/h hinlegen muss. So viel Treibstoff kann kaum eine Sonde mitführen. Alleine diesen Treibstoff in die Erdumlaufbahn zu bringen würde das Hundertfache an Treibstoff kosten.

Und selbst mit normalen Beschleunigungs- und Bremsmanövern mit normalen eliptischen Orbittransfers würde es mehr Treibstoff kosten als sinnvoll oder möglich. 1kg in die Erdumlaufbahn zu transportieren kostete vor kurzem noch glaube 20 000$. Die Treibstoffkosten usw sind einfach auch recht hoch.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 14:07
von Frank
Skeltek hat geschrieben:
24. Okt 2018, 13:29
300000 bis 400000 km/s hinlegen muss. So viel Treibstoff kann kaum eine Sonde mitführen. Alleine diesen Treibstoff in die Erdumlaufbahn zu bringen würde das Hundertfache an Treibstoff kosten.
Ich gebe zu bedenken, dass 300.000 km/s die Lichtgeschwindigkeit meines Wissens nach ist. (mehr geht nach momentanem Wissenstand auch nicht)
Zumal diese Geschwindigkeit ganz neue Probleme mit sich bringen würde.... :wink:

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 14:11
von Frank
Das ist natürlich alles Science Fiction , aber hier fliegt man direkt auf die Sonne zu. (Ich fand ihn beeindruckend)Wie weit das etwas mit echter Physik zu tun hat, vermag ich natürlich nicht zu sagen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Sunshine_(Film)

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 16:14
von ralfkannenberg
Skeltek hat geschrieben:
24. Okt 2018, 13:29
fast direkt Richtung Sonne stürzt und dort dann vermutlich eine Geschwindigkeitsänderung von weiteren geschätzt 300000 bis 400000 km/s hinlegen muss.
Hallo Skeltek,

pro Stunde, nicht pro Sekunde ;)


Freundliche Grüsse, Ralf

Quelle: Warum Raumschiffe nicht zur Sonne kommen (Kai Stoppel)

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 18:03
von seeker
Ein direkter Hinflug zum Merkur (mit Einschlag oder einmaligem Vorbeiflug dort) müsste einfach sein:
Man wählt eine Flugbahn vom Erdorbit aus in Richtung Mond, passiert den knapp so, dass die Flugrichtung um ca. 90°(eher mehr, vielleicht ca. 120°, wegen dem Bogen der sich ergibt, weil man den Bewegungsvektor parallel zur Sonne so nicht auf Null bekommt, weil der Mond ja nicht ruht) in Richtung Sonne/Merkur gedreht wird, beim Einfall in die Richtung wird man dann immer weiter beschleunigt und schlägt am Merkur dann mit einem Affenzahn ein.

Auf dem Merkur zu landen oder auch nur in eine nahe Umlaufbahn dort einzuschwenken ist eine ganz andere Geschichte.
Dazu kann man wie Tom gesagt hat Energiebetrachtungen anstellen. Daraus bekommt man dann ein Ergebnis, wie es ausschaut, wenn der Flugkörper das komplett aus eigener Kraft bewerkstelligen soll. M.E. muss man dazu für eine erste Näherung nur die Potentialdifferenz aus den Gravitationspotentialen im Erdabstand und im Merkurabstand zur Sonne ausrechnen.
Aber so würde man das natürlich nicht machen, das würde zu viel Treibstoff kosten, um den zu sparen sucht man sich Bahnen aus, wo man nahe an anderen Himmelskörpern (Mond, Erde, Venus, Mars, Sonne, ...) vorbeifliegt um Schwung zu holen oder abzubauen und um die Bewegungsrichtung zu ändern.

Re: Ungelöste Rätsel am Merkur

Verfasst: 24. Okt 2018, 18:31
von Frank
Hoffentlich gibt es bei der Mission auch Antworten, ob Merkur früher mal größer war(gar ein heisser Jupiter?)Was in der Wissenschaft wohl nicht ernsthaft diskutiert wird.

https://www.astronews.com/frag/antworte ... e3934.html