User:ButeCarl

Bordenergieversorgung

Theorie und Technik der Energiespeicherung und der Energieumwandlung für beliebige Raumfahrtmissionen. Die premium Energieform ist die Elektroenergie. Sie dient der Versorgung aller technischer Geräte an Bord von Raumfahrzeugen. Zu den technischen Gerätschaften an Bord eines Raumfahrtzeuges können folgende Geräte gezählt werden: Mess-, Funk-, Navigations-, Regelungs- und Lebenserhaltungssystem. Eine einmal gewählte Borenergieversorgung entscheidet über die Dauer und die Effektivität einer möglichen Raumfahrtmission. Seit der Mensch angefangen hat unbemannte und bemannte Flugkörper zu starten, musste er sich auch damit auseinander mit welcher Bordenergieversorgung diese Raumfahrtzeuge betrieben werden sollten. Eine grosse Bandbreite von Energiesystemen wurde in den letzten Jahren erdacht und realisiert. Viele Energie-Konzepte haben sich bisher bewährt und einige sind heute noch in der Entwicklung.

Primärzellenbatterie

Diese Energiespeicher sind für den einmaligen Gebrauch vorgesehen, da sie nach dem Entladen, nicht wieder geladen werden können. Verwendung finden sie in Trägerraketen für bemannte und unbemannte Raumtransport-Systemen. In diesen Systemen können sie als Hauptenergiequelle, aber auch als Reserve-Energiequelle verwendet werden. Bei "kurzlebigen" Satellitenmissionen können solche "Wegwerf-Batterien" für eine kurze Einsatzzeit eine Hochleistungsenergiequelle darstellen. Der zeitliche Einsatzrahmen für solche Primär-Energiespeicher wird mit einigen Stunden bis zu einigen Wochen angegeben. Die Ausrüstung mit solchen Energiespeichern variiert je nach erforderlichen Energiebedarf während der Mission, der Einsatzdauer und der notwendigen Strombelastung in dieser Zeit. Weiter Rahmenbedingungen können die Arbeitstemperatur, sowie die vorgegebene Masse und das Volumen des gesamten Raumfahrtsystems sein. Für solche begrenzten Missionen haben sich in den letzten Jahren „Silberoxid-Zink-Primärzellenbatterien“ bewährt. In den Anfangsjahren der Raumfahrt wurden auch „Quecksilber-Zink-Primärzellenbatterien“ verwendet. Als Alternative zu diesen Energiespeichern können die Lithium-Anoden-Batterien angesehen werden. Mit diesen Primärzellen sind Energiedichten von bis zu 450 Wh/kg erreicht worden. Da solche Primärzellen eine begrenzte aktive Einsatzzeit haben, so aktiviert man sie meist erst unmittelbar vor den Einsatz. In der Regel erfolgt das durch das Auffüllen mit dem Elektrolyt.

Sekundärzellenbatterien

Dieser Typ von Energiespeicher wird auch „aufladbare Batterie“ oder „Akkumulator“ genannt. Meistens sind solche Sekundärzellen-Batterien (in Verbindung mit Solarzellen) eine sinnvolle Alternative für längere Einsatzdauern im Weltraum. Über Solarzellen wird Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt und in den bordeigenen sekundären Energiespeichern zwischengespeichert. Entweder wird diese Energie in Flugphasen ohne direkter Sonneneinstrahlung, oder wenn kurzzeitige Energiespitzen benötigt werden verwendet. So eine technische Kombination aus Solarzellen und Akkumulatoren wird auch als Solarbatterie bezeichnet. In den letzten Jahren haben sich als sekundäre Energiespeicher „Nickeloxid-Cadmium-Akkumulatoren“ bewährt, weil sie über lange Zeitperioden (mindestens 10 Jahre) zuverlässig arbeiten können. An die technische Ausrüstung der Sekundärzellen-Batterien sind ähnliche Kriterien wie an Primärzellen-Batterien anzusetzen. Zusätzlich kommen noch Anlagen der Solarzellen, aber auch der Ladevorrichtung hinzu. Bei den Solarzellen können zusätzlich Sonnensensoren und Stellmotoren eine Rolle spielen, um die Solar-Paneel bestmöglich in Richtung Sonne auszurichten. Die Grenznutzungsdauer von Sekundärzellen-Batterien ist die Entladedauer in Verbindung mit der Strombelastung durch die bordeigenen Geräte. Als aussichtsreichste Alternative zu den eben genannten Systemen wurden Metalloxid-Gas-System wie das „Nickeloxid-Wasserstoff-Akkumulator“ angesehen. Solche „Nickeloxid-Wasserstoff-Akkumulator“ wurden noch Ende der 70er Jahre in Nachrichten-Satelliten auf synchronen Flugbahnen verwendet. Später haben sich auch „Nickeloxid-Cadmium-Akkumulatoren“ als nützlich erwiesen. Die beiden eben genannten Akkumulatoren können mit Energiedichten von mindestens 50 Wh/kg punkten. Ein grosser Vorteil des „Nickeloxid-Wasserstoff-Akkumulators“ ist, das er unempfindlich gegenüber einer Tiefentladung ist. Als Nachfolger für diese Akkumulatortypen sind Lithium- bzw. Natrium-Anoden in der Erprobung wie auch im Einsatz. Bei diesen beiden Speichersystemen sind Energiedichten von 200 Wh/kg im Rahmen des technisch machbaren.

Brennstoffzellenelemnte

Das Prinzip der Brennstoffzelle ist durchaus schon lange bekannt, aber erst durch die Entwicklung in der Raumfahrt ist die Brennstoffzelle zu grösserer Bedeutung gelangt. So eine Brennstoffzelle ist im Grunde nichts weiter als ein "Galvanisches Element" bei der die chemische Energie vom eingesetzten Brennstoff (z. B.: Wasserstoff) auf elektrochemischen Wege direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. In einer kompakten technischen Konstruktion werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel (z. B.: Sauerstoff) kontinuierlich und getrennt durch ein Elektrolyt zueinander geführt und an zwei Elektroden in elektrische Energie umgesetzt. Die gelieferte Energie einer Bordenergieversorgung auf Brennstoffzellen-Basis ist proportional zum mitgeführten Menge des Brennstoff und des Oxidators. Je nachdem welches technisches Konstrukt und welcher Brennstoff zum Einsatz kommt kann der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle zwischen 60 – 70 % liegen. In der Raumfahrttechnik bevorzugt eingesetzte Brennstoffzelle ist die auf Wasserstoff & Sauerstoff Basis arbeitende Brennstoffzelle. In einer solchen Zelle läuft im Prinzip eine kontrollierte „Knallgas“-Reaktion ab, also der umgekehrte Prozess einer Wasser-Elektrolyse. Das Resultat und Endprodukt einer solchen Reaktion ist reines Wasser. In der Raumfahrttechnik werden Wasserstoff und Sauerstoff in kyrogenen Zustand in speziellen Tanks mitgeführt. Beide verflüssigte Gase werden zuerst wieder so weit erwärmt, dass sie einen gasförmigen Zustand annehmen und dieses Gas wird dann von unterschiedlichen Seiten aus auf die poröse Diffusionselektrode zugeleitet. Beide Elektroden sind durch ein Diaphragma, also eine durchlässiges Elektrolyt getrennt. Um möglichst hohe Energie- und Stromdichten zu erzeugen ist auf die Zusammensetzung des Elektrolyts zu achten. Ursprüngliche Brennstoffzellen sind vornehmlich mit einem alkalischen Elektrolyt verwendet worden. Inzwischen hat man Brennstoffzellen entworfen und gebaut die auch mit saurem Elektrolyt, wie Schwefelsäure arbeiten. Saure- als auch alkalische Elektrolyte erzielen mittlerweile gleichwertige Energie- und Stromdichten. Neben diesen Brennstoffzellen sind auch hoch-energiedichte Systeme in Arbeit die Minuten begrenzte Leistungen im Megawatt-Bereich erreichen. Solche Brennstoffzellen erreichen ein Masse/Leistungsverhältnis von 2 kg/kW. Leider liegt die elektromotorische Kraft von Brennstoffzellen in der Grössenordnung von nur 1 Volt. Die heutige Technologie ermöglicht es Brennstoffzellen mit einem Masse je Energieeinheit von ungefähr 1 kg/kWh herzustellen. Die Speicherfähigkeit des Wasserstoff-/Sauerstoff Systems (beide Stoffe in flüssiger Form) beträgt: 3,7 kWh/kg. Der Einsatz von solchen Brennstoffzellen im Weltraum wird Missionen von 2 – 20 Tage auch zukünftig beschränkt halten (je nach Leistungsbedarf pro Mission). Heutige Brennstoffzellen haben einen Leistungsbereich der zwischen 2 – 15 kW liegt. Der erste Einsatz solcher Bordenergie-Systeme wurde 1965 in dem „Gemini 5“ Raumfahrzeug erprobt und getestet. Spätere Missionen wie die Apollo- und auch die Sojus-Missionen bezogen und beziehen bis heute ihre Energie aus Bordenergie-Systemen auf Brennstoffzellen Basis. Das mittlerweile ausgemusterte Space Shuttle und das Spacelab verwendeten Brennstoffzellen um ihr gesamtes Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen.