Hallo Darek,
wie komme ich auf die Dir angegebenen Volumina und Massen:
Ionentriebwerk
Ich habe mich an diesem, heute schon im Einsatz befindlichen Antrieb orientiert: Siehe:
http://en.wikipedia.org/wiki/SMART-1
und
http://www.snecma.com/IMG/pdf/PPS1350_Anglais.pdf
aus den
5,3 kg Masse
0,068 N Schub
16100 Ns/kg respektive 1640 s spezifischem Impuls
1 kW Leistungsaufnahme
und mit seinen Abmessungen:
104 mm Zylinderhöhe
(210mm - 135mm) = 75 mm Zylinderradius komme ich auf
r^2 * Pi * h = 0,075m ^2 * 0,104m = 0,00184 m^3 Volumen.
r steht für Radius
h steht für Höhe
Pi ist die Kreiszahl 3,1415...
Die beiden außen angeordneten Kathoden habe ich dabei nicht berücksichtigt.
mache ich folgendes:
Für die Shuttlemasse von 50 Tonnen brauche ich 4500 Newton Schub.
Daraus ergibt sich, ein 4500 N / 0,068 N = 66176 mal so großes Triebwerk.
5,3 kg * 66176 =
350,7 Tonnen
Schub hatten wir schon
der spezifische Impuls bleibt davon unverändert
66176 kW Leistungsaufnahme lasse ich auch unverändert.
und das Volumen des Zylinders wächst bei diesem Faktor auf
121,6 m^3
Die beiden roten Zahlen sind für das Shuttle entschieden zu groß! Nun muß man wissen: nicht alles bei einem solchen Triebwerk vergrößert sich linear zum Schub. Die Steuerungselektronik z.B. bleibt gleich groß, egal wie groß das Triebwerk ist. Die Wandstärken wachsen nicht linear mit.
Die Beschleunigungsstrecke wächst nicht linear mit ...
Wieviel das und wieviel der technische Fortschritt in den kommenden Jahrzehnten ausmachen wird, weiß ich natülich nicht genau, aber ich habe mal sehr optimistisch die Masse auf 5,5 t und das Volumen auf 4,2 m^3 reduziert.
Solch große Ionentriebwerke wären zurzeit sowieso noch völlig sinnlos. Noch nicht mal die ‚nackten‘ Triebwerke könnten, selbst wenn sie in der Atmosphäre funktionieren würden, von der Erde aus starten. Sie werden von der Erdanziehung viel heftiger angezogen, als sie selber Schub produzieren können (beim SMART-Triebwerk stehen 5,3kg * 9,81 m/s^2 = 52 Newton Erdanziehungskraft, den 0,068 N Schub gegenüber. Die 9,81 m/s^2 sind die mittlere Erdbeschleunigung auf Meereshöhe) Also müssen sie mit existierenden Raketen ins All transportiert werden, und die haben nun mal eine begrenzte Nutzlast, die man schon aus Stabilitätsgründen nicht beliebig vergrößern kann.
Mit einem wer weiß, hoffentlich, vielleicht, möglicherweise mal funktionierenden Weltraumlift, sieht das natürlich schon ganz anders aus.
Bei der Solarzellenfläche habe meinen Optimismus zur Entwicklung von Solarzellen auch nochmal heftig aufgebläht und gehe von rund 70% Wirkungsgrad, oder 1 kW pro m^2 im Abstand Erde-Sonne aus.
Nun noch zur
Stromversorgung ohne Sonnenlicht:
Manche Menschen glauben vielleicht, daß es bei der Akkuentwicklung genau so große Fortschritte geben sollte wie z.B. bei der Miniaturisierung.
Die kurze Antwort: Nein!
Die längere: Jede Batterie, jeder Akkumulator speichert Energie über chemische Prozesse. Chemische Prozesse spielen sich in der Elektronenhülle eines Atoms ab und die Bindungsenergien für chemische Verbindungen sind bekannt und lassen sich auch nicht beeinflussen.
Ganz vereinfacht ausgedrückt, ‚Füllt‘ man einen Akku mit Strom, indem man chemische Bindungen trennt. Z.B. Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Das Wassermolekül ist, wenn ich mich richtig erinnere, die chemische Verbindung, für deren Trennung man die meiste Energie pro Masse aufwenden muß. Umgekehrt, wenn man Wasserstoff mit Sauerstoff verbrennt (Knallgas), also chemisch verbindet, wird diese Energie wieder frei, in einer Brennstoffzelle genialerweise gleich als Strom (und leider teilweise auch als Wärme). Diese Art der Speicherung baucht pro Amperestunde ungleich viel weniger Masse und Volumen, wie z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren Sie ist aber technisch sehr viel aufwändiger und darum bisher nicht weit verbreitet.
Die zur Zeit und in vorhersehbarer Zukunft erreichten Energie/Masse und Energie/Volumen Daten für Hydrogenspeicher (Wasserstoff)
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage in der ersten Tabelle finden.
Hier:
http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density findest Du auch die theoretischen Grenzen für diese Daten.
Auf das durchrechnen mit Kernenergie als Erzeuger (Fission (Kernspaltung) und Fusion) und auf Radionuklidbatterien hatte ich dabei verzichtet.
Leichte Kost dazu:
http://lexikon.kfz.tu-berlin.de/kfz-seminar/downloads/Opel_Elektromobilität_17112011.pdf
Eine explizite Gewichtsangabe für Brennstoffzellen habe ich nach etwas suchen noch nicht gefunden, aber aus den Daten des Opel Equinox konventionell und mit Brennstoffzelle, schätze ich rund 1 t / 100 kW, daher die 4 Tonnen für den Brennstoffzellengenerator.
Die Daten für Volumen und Gewicht des Wasserstoffträgers (Brennstoff für die Brennstoffzelle) habe ich moderat extrapoliert aus dem oben schon genannten Link
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage , darin die erste Tabelle.Und den Sauerstoff für die Brennstoffzellen muß man in einem Raumschiff auch separat mitführen. Die Problematik bei der Speicherung von Wasserstoff habe ich ignoriert, in der Hoffnung daß der technische Fortschritt hier praktikable Lösungen findet - sowohl was den Tank, als auch was den Träger und damit die Dichte des gespeicherten Wasserstoffs (Flüssig? oder in Form von Kohlenstoffverbindungen) betrifft.
Die hier eine Rolle spielenden Limitierungen haben auch sehr viel mit Chemie zu tun und auf dem Gebiet ist meine Grundausbildung als Ingenieur für biomedizinische Technik, schon etwas lange her.
Deshalb bin ich an dieser Stelle bei meinen ‚Verbesserungen‘ durch technischen Fortschritt sehr konservativ geblieben.
Herzliche Grüße
MAC