DE10234902A1

DE10234902A1 - Thruster-Solar-Segler, Segment-Montage-System, Photonen-Segler, Rotations-Schleuder experimentelles Raumfahrzeug

Info

Publication number: DE10234902A1
Application number: DE10234902A
Authority: DE
Inventors: Frank Ellinghaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: DE10234902B4

Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Thruster-Solar-Segler vom Aussehen einer fliegenden Untertasse. DOLLAR A Die Fortbewegung erfolgt durch die Nutzung der Antriebsquellen Lichtdruck (für das Solar-Segel) und Thruster-Antrieb, insbesondere durch Ionen-Strahl unter zusätzlicher Zuhilfenahme der Gravitation der Sonne bzw. eines Zielsternes. Es handelt sich somit um ein Hybrid-Fahrzeug, das die Vorteile der genannten Antriebstechnologien miteinander verbindet. DOLLAR A Der Segler kann durch das Segment-System in großen Strukturen gebaut werden und dadurch auch größere Lasten transportieren. DOLLAR A Ein besonderes Kennzeichen ist das in eine Außenring-Struktur eingehängte Segel. Es sorgt nicht nur für die Fortbewegung des Fahrzeuges, sondern nimmt zusätzlich mit Hilfe von Gurten Lasten und die für die Thruster erforderlichen Solarzellen auf. DOLLAR A Das verwendete Ring-Segment-Montage-System ermöglicht durch seine Einfachheit auch das kostengünstige Zusammenfügen sonstiger sehr großer Strukturen im Weltraum, wie z. B. Trägerschiffe, Lastensegler, Solarstromkraftwerke, Raumstationen, Material-Depots im Weltraum, Weltraum-Hotels, Radiowellen-Empfänger, ein experimentelles Raumfahrzeug sowie eine Rotations-Schleuder. DOLLAR A Es ist daher selbständiger Gegenstand des Patentanspruches.

Description

Bei der vorliegenden Erfindung zu Ansprüchen Ziff. 1) und 10) handelt es sich um einen Thruster-Solar-Segler vom Aussehen einer fliegenden Untertassse.
Die Fortbewegung erfolgt durch die Nutzung der Antriebsquellen Lichtdruck (für das Solar-Segel) und Thruster-Antrieb, insbesondere durch Ionen-Strahl unter zusätzlicher Zuhilfenahme der Gravitation der Sonne bzw. eines Zielsternes.
Außerdem handelt es sich gleizeitig um ein Ring-Segment-Montage-System, das durch seine Einfachheit das kostengünstige Zusammenfügen sehr großer Strukturen, wie z. B. Trägerschiffe, Lastensegler, Solarstromkraftwerke, Raumstationen, Material-Depots im Weltraum, Weltraum-Hotels, Radiowellen-Empfänger, das nachstehend noch vorgestellte experimentelle Raumfahrzeug, sowie die ebenfalls noch vorzustellende Rotations-Schleuder erst ermöglicht.
Die Bezeichnung Thruster-Solar-Segler soll schon darauf hindeuten, daß der Thruster-Komponente im Vergleich zu anderen Solar-Segel-Projekten eine höhere Bedeutung zugemessen wird und das Raumfahrzeug auch ohne Nutzung des Photonen-Druckes mit Hilfe der Thruster manövrierfähig bleibt (z. B. auch bei Landungen und Starts auf und von schwerkraftarmen Objekten).
Nun mag man die unbestritten höheren Gewichtsanteile, die durch das zahlreiche Mitführen wenn auch kleinerer Thruster nebst Treibstoffvorrat als widersprüchlich zur angestrebten möglichst ultraleichten Bauart eines Solarseglers ansehen.
Dieser Nachteil wird jedoch bei weitem durch die Vorteile dieser vorgestellten Hybrid-Antriebsart aufgewogen.
Bei sehr großen Strukturen, die durch die Segmentbauweise und einfache Montage im sowie Transport in den Weltraum im Quadratkilometer-Bereich liegen können, dürften ein paar Thruster mehr oder weniger die Gewichtsbilanz nicht allzu stark belasten.
So hat das nach derzeitigen Annahmen von der Nutzlast des Space-Shuttles her größtmögliche in das All zu befördernde quadratische Solarsegel eine Fläche von ca. 2 × 2 km und eine Masse von 19200 kg.
Dieses Segels könnte theoretisch eine Nutzlast von 32000 kg von der Erde zum Mars innerhalb von 4,2 Jahren anliefern und sodann innerhalb von 2 Jahren wieder zur Erde zurückkehren.
An dieser hohen Nutzlast ist schon zu sehen, daß der Gewichtsanteil für den Thruster-Antrieb mit zunehmender Größe selbst bei Erhöhung der Zahl der Thruster-Einheiten immer kleiner wird.
Bezüglich der verschiedenen verwendbaren Thruster-Entwicklungen sei insbesondere auf die Antriebsart der Ionen-Thruster hingewiesen.
Diese sind derzeit von der erreichbaren Geschwindigkeit von ca. 30 km/Sek. (allerdings wegen der geringen Leistung erst nach langer Beschleunigung), der möglichen Dauer des Einsatzes und des erheblich niedrigeren Treibstoffbedarfes den bisher verwendeten chemischen Raketenantrieben haushoch überlegen.
Auch der große Nachteil des Ionen-Antriebes, die derzeit noch recht geringe Leistung ist vorliegendenfalls sogar erwünscht, da eine Verwendung der Thruster hauptsächlich zur Steuerung und Lageausrichtung erfolgen soll.
Hierbei werden wegen der nötigen Feinsteuerung eher geringe, einfacher zu regulierende Antriebskräfte benötigt.
Ein Erfordernis der Erfindung ist demnach eine möglichst leichte Bauweise, so dass kleine, leichte Thruster und ein geringer Kraftstoffbedarf zur Verringerung der mitzuführenden Kraftstoff-Masse unbedingt notwendig sind.
Derzeit in Satelliten verwendete Ionen-Thruster haben oft einen Durchmesser von etwa 10 cm, sind also schon relativ klein.
Es wurden jedoch bereits Ionen-Thruster mit den Ausmaßen von ca. 3 mal 5 cm (der MicroWave Thruster vorgestellt 1997 durch das Discovery Magazin, entwickelt von Michael Miccio von der Firma Aerospace Engineering) und von 7 cm Durchmesser entwickelt.
Sogar winzig kleine Micro-Thruster (digitale Thruster) von der Größe eines Mohn-Samens wurden bereits erprobt und könnten für kleine sehr leichte Thruster-Solar-Segler in der Zukunft zum Einsatz kommen.
Die vorliegende Erfindung verwendet Thruster, ist jedoch nicht auf eine spezielle Art festgelegt. Lediglich die Anordnung und Anbringung wie unter 1 und 2.a bis 2.d dargestellt, gehört zum Anspruch des Thruster-Protonen-Seglers.
Als Treibstoff wäre derzeit Xenon-Gas wegen seiner Ungiftigkeit und fehlenden Explosionsgefahr sicherlich eine gute Wahl.
Das Solarsegel nutzt den Druck der von der Sonne ausgehenden Lichtstrahlen als kostenfreie und reichlich vorhandene Antriebsenergie. Dieser ist zwar sehr gering aber doch meßbar.
Daher muß das Fahrzeug eine möglichst große Segelfläche bei möglichst niedrigem Gewicht aufweisen.
Wie auch die Gravitation nimmt die Kraft des Lichtdruckes mit zunehmender Annäherung an die Sonne in der umgekehrten Potenz zum Abstand zur Sonne zu, das heißt konkret, bei einer Halbierung der Erde/Sonne-Enfernung, also etwa auf Höhe des Planeten Merkur hat sich die Stärke des Photonen-Drucks bereits verzehnfacht.
Eine weitere Halbierung, was auch wegen der Hitzebelastung des Raumfahrzeuges derzeit die Grenze des machbaren zu sein scheint, ergibt nochmals eine Verzehnfachung der einwirkenden Kraft, somit den hundertfachen Wert dessen, der auf Höhe der Erde gemessen werden kann.
Was liegt daher näher als die Nähe der Sonne zu suchen, um dort eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu erzielen und diesen Schwung dann für das Erreichen des anvisierten Zieles auszunutzen?
Nicht auszudenken, welche enormen Kräfte und Beschleunigungen bei einer weiteren Halbierung der möglichen Entfernung zur Sonne durch Entwicklung noch hitzebeständigerer Materialien freigesetzt werden könnten.
Leider gilt die Potenzierung der Lichtkraft auch umgekehrt, das heißt die Kraft der Sonnenstrahlung hat sich bei etwa der dreifachen Enfernung Erde/Sonne soweit verringert, das sie kaum noch nutzbar ist.
Daher kann eine Mission in Richtung zu den sonnennahen Planeten Venus oder Merkur oder zur Sonne selbst in erheblich kürzerer Zeit erfolgen, als zum weiter von der Sonne entfernten Planeten Mars.
Mars liegt jedoch auch noch im Wirksamkeitsbereich der dreifachen Erde/Sonne-Entfernung (AU). Eine Mission zum Mars und anschließende Rückkehr zur Erdumlaufbahn ist daher unter Ausnutzung der kostenlosen Antriebsenergie der Sonnenstrahlung grundsätzlich unter Hinnahme längerer Missions-Dauer „preiswert" möglich.
Weiter über den Wirksamkeitsbereich von 3 AU hinausgehende Missionen sollten daher zunächst die Nähe der Sonne suchen und mit der dort gewonnenen Geschwindigkeit das entfernte Ziel anstreben. Hierbei sind grundsätzlich deutlich höhere Geschwindigkeiten als mit chemischen oder auch mit Ionenantrieben möglich.
Um einen außerhalb des Sonnensystems liegenden Stern zu erreichen, würde eine Raum-Mission zunächst einmal unsere Sonne ansteuern , um dort die benötigte Geschwindigkeit zu erlangen.
Wie der Diskus eines Diskuswerfers wird der Segler dann bei hoher Geschwindigkeit aus den Fesseln der Sonnen-Schwerkraft in Richtung des Zielsterns entlassen und erhält dabei durch den Lichtdruck der Sonnenstrahlung einen starken Beschleunigungs-Stoß.
Während der jahrelangen Reise ist keine weitere Energie zur Navigation erforderlich, der Segler behält einfach seine einmal erworbene Geschwindigkeit bei und beendet auf der weiten Anreise sämtliche Aktivitäten.
Erst wenn der Zielstern erreicht ist, erwecken die Solarzellen den Ionenantrieb und die Steuerung wieder zum Leben.
Mit Hilfe des Lichtdruckes des Zielsternes bremst der Segler sodann ab und kann seine Forschungsmission durchführen, sowie ggf. in der vorstehend beschriebenen Art zur Sonne zurückkehren.
Sollte es weiteres intelligentes Leben im Weltraum geben, wäre es denkbar, daß Besuche der Erde auf genau die gleiche Art erfolgen, das heißt, zunächst würde erst einmal die Sonne zum Abbremsen der Fahrt angelaufen.
Art der Steuerung bzw. des Manövrierens
Obwohl die Sonnenstrahlung das Segel eigentlich von der Sonne wegdrückt, ist ähnlich wie beim Segeln eine Art des „Kreuzens" möglich.
Wie auch beim Segeln bei dem das Schwert den Gegendruck zum Wind erzeugt, der es bei normalen Segelbooten (High Performance Segler können noch enger am Wind segeln) erlaubt, etwa bis auf 45 Grad gegen den Wind anzusegeln, ist auch hier eine Gegenkraft vorhanden, nämlich die Gravitation.
Allerdings geht man zur Zeit davon aus, das der Vektor des Lichtdrucks nicht auf 45 Grad, sondern lediglich auf 90 Grad zur Sonne umgelenkt werden kann. Dies reicht jedoch, um die Umlaufgeschwindigkeit des Raumfahrzeuges um die Sonne je nach Richtung der Ablenkung (positive oder negative Neigung des Segels) zu erhöhen oder zu vermindern.
Eine Verminderung der Umlaufgeschwindigkeit durch eine negative Neigung des Segels bewirkt aber immer eine Annäherung an die Sonne.
Wie beim Segelboot reicht eine kleine einfache Drehung des Fahrzeuges aus, um die Bewegung in eine andere Richtung, hier in Richtung Sonne in Gang zu setzen, die das Raumschiff viele Millionen Kilometer Weg zurücklegen läßt, ohne das es nach der ersten Drehung auch nur ein einziges Gramm weiteren Treibstoffes hierfür bedarf!
Eine weitere Drehung kann dann wieder die Umkehr weg von der Sonne bewirken, jedoch diesmal wegen des viel stärkeren Lichtdruckes in der Nähe der Sonne mit einer z. B. 100mal höheren Anfangs-Beschleunigung. Derartige Manöver lassen sich zudem noch mehrfach wiederholen, ohne das der Treibstofffvorrat merklich reduziert wird.
Insbesondere solche Manöver machen die Stärke des Solarsegel-Antriebes aus, die weder durch den Ionen-Antrieb und erst recht nicht durch chemische Antriebe erreicht werden können.
Übrigens erreichen High-Performance-Segelboote oft Geschwindigkeiten, die das Doppelte der Geschwindigkeit des antreibenden Mediums, (hier des Windes) übersteigen.
Es soll mit dieser Aussage nicht suggeriert werden, die doppelte Lichtgeschwindigkeit sei durch Solarsegeln erreichbar.
Jedoch bleibt die Hoffnung, das sich der Solardruck-Vektor vielleicht doch noch in Richtung Sonne lenken läßt und dadurch überraschende Resultate ermöglicht. Wegen der hervorragenden Steuerungsmöglichkeiten würde die hier vorgestellte Erfindung gute Voraussetzungen zur Entdeckung hierzu geeigneter Segeltechniken bieten.
Wie wird nun die vorstehend bezeichnete „Drehung" zur Ausrichtung des Solarsegels erzielt?
1 zeigt einen Photonensegler mit extern am Antriebsring 1 nach außen befestigten Doppelthruster-Anordnungen. (Thruster 1.6 für oben/unten Strahlrichtung, Thruster 1.5 für seitliche Strahlrichtung nach links und nach rechts). Siehe hierzu auch 2.a, 2.b und 2.d.
Jedem Thrusterpaar ist jeweils ein gekoppeltes Paar auf der Gegenseite des Ringes genau gegenüberliegend zugeordnet. Die Thruster werden immer gleichzeitig in Paaren gezündet. Dabei ist einem Thruster der einen Einheit der entgegengesetzt zündende der Gegenseite zugeordnet.
Soll nun eine Drehung des Fahrzeuges um die Mittelachse erfolgen, könnte z. B. auf der einen Seite des Ringes der oben liegende Thruster einer Thrustereinheit 1.6 und auf der anderen Seite der unten liegende Thruster der gegenüberliegenden Thrustereinheit 1.6 gezündet werden.
Nun würde das allein allerdings zu einer ungewollten Rotation um die eigene Achse führen. Daher wird kurz vor Erreichen der gewünschten Lage die Strahlrichtung umgedreht.
Das heißt, nunmehr werden der unten liegende Thruster auf der einen und der oben liegende Thruster auf der anderen Seite mit genau dem gleichen Impuls wie das erste Thrusterpaar gezündet. Die Lageänderung in die gewünschte Position ist damit vollbracht.
Bei großen Antriebsringen mit vielen Antriebseinheiten ist selbstverständlich die Zündung mehrerer nebeneinanderhegender Thruster zur besseren Feinsteuerung möglich.
Genau die gleiche Technik wird bei Drehungen um den Pol der Scheibe also einer seitlichen Drehung mit Hilfe der Thruster 1.5 vollzogen. 2.a und 2.b zeigen nochmals näher die Ausrichtung der Doppelthruster oben/unten und rechts/links. 2.d zeigt die entgegengesetzte Anordnung der beiden einzelnen Thruster in einer Doppel-Einheit anhand einer typischen Ionen-Thruster-Ausführung.
Die Thruster 1.5 ermöglichen es auch, das Raumfahrzeug zur Lagestabilisierung in – diesmal erwünschte – Rotation zu versetzen.
Vorteile der engen Verbindung von Thruster-Technologien mit der SolarSegel-Technik.
Zunächst einmal werden Thruster ohnehin zur Steuerung des Segels dringend benötigt. Dies ermöglicht einmal die notwendige Feinsteuerung zur Entwicklung ausgefeilter Segeltechniken und sodann auch deren Anwendung.
Ionen- und auch andere Thruster können jedoch auch ohne Segeleinsatz das Fahrzeug antreiben und stellen somit insbesondere in sonnenfernen oder Schatten-Bereichen ein unabhängiges Antriebsmittel dar und ermöglichen einen Antrieb in Bereichen, die dem Solarsegel verschlossen sind.
Wie schon erwähnt können Thruster auch Rotation zur Lagestabilisierung erzeugen.
Ebenfalls kann diese Rotation zur Erzeugung künstlicher Schwerkraft verwendet werden. So ist das Einhängen einer Raumstation an einer rotierenden Ringstruktur in genau der Entfernung vom Mittelpunkt möglich, in der die gewünschte Schwerkraft erzeugt wird.
Weitere Nutzungen der Rotation sind nachfolgend noch zu „experimentelles Raumfahrzeug" und „Rotation s-Schleuder" beschrieben.
Weiterhin eröffnen Thruster die Möglichkeit zur direkten Landung auf und Start von gravitationsschwachen Objekten, wie z. B. Asteroiden oder Monden.
Ein zusätzlicher Aspekt der Thrusterverwendung in Solarsegelprojekten, der keinen technischen Hintergrund hat, soll nicht unerwähnt bleiben.
Die Solarsegel-Technologie wurde bereits seit Anfang der 20er Jahre angedacht und theoretisch fortentwickelt. Die Technologie ist derzeit überreif zur praktischen Erprobung! Dennoch kam sie bisher nie zum Einsatz. Projekte, die einseitig auf Masse ausstoßende Antriebe setzten, erhielten bisher immer den Vorrang.
Die Wahl lautete immer, entweder Solarsegel-Projekt oder herkömmlicher Antrieb.
Mit der vorliegenden Entwicklung kann es jetzt sowohl als auch. heißen. Antriebe in Form von Thrustern sind beim Thruster-Solarsegler reichlich vorhanden.
Für Lobbyisten von Firmen, die Antriebe fertigen, gibt es daher keinen Grund, die Weiterentwicklung der Solarsegel-Technologie zu behindern.
Im Gegenteil, der Erfolg der vorgeschlagenen Hybrid-Anwendung würde auch ihnen nützen und sie sollten alles daran setzen, das hierfür ausreichende Mittel zur Verfügung gestellt werden.
Und zwar in Hauptanwendungen und nicht als zusätzliche geduldete Nutzlast im Piggy-Back-Verfahren.
Montage im All
Montage der Ringstruktur und deren Vorteile
Durch Zerlegung des starren Außenringes in rohrförmige Segmente, (siehe 1, Teile 1.1 bis 1.3) die vorzugsweise aus ultraleichtem carbonfaserverstärktem Plastikmaterial gefertigt sind, ist die Endmontage im All möglich. Die Segmente sind an einer Seite verdünnt und werden einfach beim Zusammenbau wie Abwasser-Rohre ineinander gesteckt.
Mit einer kontermuttergesicherten Splintstange 1.8 (ohne Zeichnung), die vollständig durch die ineinandergesteckten Rohrsegmente durchgeführt wird, erfolgt die endgültige Befestigung. Diese Splintstange dient auch zur Befestigung der Einzelsegmente am Launcher-Transportkopf 4.1.
Mit Hilfe der in 4.a und 4.b dargestellten ein- und mehrlagigen Launcher-Köpfe, die den ASAP-Strukturen an der Ariane 5 ähneln, können die Gerüstsegmente selbst sehr großer Ring-Strukturen an der Außenwand der letzten Launcher-Stufe zum Ort des Zusammenbaus tranportiert werden.
Neu ist, das die Transportkopf-Halterung 4.1 (s. 4.c) die Gegenrohrenden für die zu transportierenden Rohrsegmente enthält und das Einhängen, Aushängen und die direkte Entnahme der Rohre von außen – wo sie bei der Montage auch benötigt werden – erfolgt.
Das Raumproblem, das bei vielen Missionen wegen der großen Schubkraft der Trägerraketen oft schwerwiegender als das Gewichtsproblem ist, ist hiermit gelöst.
Weiterer Vorteil des Zusammenbaus ganzer Raumfahrzeugstrukturen aus standardisierten Rohrsegmenten ist die Möglichkeit der Massenproduktion, geringerer Anteil von Fehlerquellen, schnellerer, fehlervermeidender Zusammenbau, sowie schnellere und weniger fehleranfällige Planungsmöglichkeiten.
Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß der Transport wegen des geringen Gewichtes der Segmente ggf. auch im Piggy-Back-Verfahren als Nebenladung zu einer Hauptmission erfolgen kann.
Bei einem Außendurchmesser der letzten Stufe des Launchers von 4 m und einem angenommenen Durchmesser der Segmente von 6 cm können mit einem einlagigen Ring (s. 4.a) ca. 200 Segmente transportiert werden.
Die Krümmung der Segmente wirkt sich hierbei mit zunehmender Größe der Ringstrukturen immer weniger aus, so das der Launcherstart nicht durch die Sperrigkeit der außen angebrachten Rohrsegmente behindert wird.
Bei einer angenommenen Segmentlänge von 15 m, also bei 200 Stück einer Gesamtlänge von 3000 m und einer Wandstärke von 1 mm würde sich ein komprimiertes Massevolumen einer Ringlage von ca. 0,6 Kubikmeter carbonfaserverstärkter Kunststoffmasse ergeben.
Abhängig vom spezifischen Materialgewicht sicherlich keine Masse, die einem Launcher Probleme bereiten dürfte.
Dies gilt selbst dann, wenn ein mehrlagiger Transport-Kopf analog 4.b mit mehr als 1000 Segmenten verwendet wird, der für die Versorgung eines Großprojektes ausreichen, sowie einige Reserve-Segmente übriglassen würde.
Das Zusammenfügen der Ringsegmente erfolgt vorzugsweise an einer Haltevorrichtung an der Außenwand der ausführenden Raumstation, die das Durchziehen des bereits zusammengefügten Ringteiles zur weiteren Montage ermöglicht.
Diese Montage könnte in der Anfangsphase von Astronauten durchgeführt werden, später jedoch hauptsächlich durch hierfür konstruierte Automaten, bzw. Roboter.
Hierbei werden zunächst 2 Halbringe montiert, die dann zum Abschluß ineinandergesteckt werden.
Montage der Thruster
Die Montage der Thruster-Elemente ist in 2.c dargestellt.
Die Elemente 1.9.3, 1.9.4, 1.9.5, 1.9.6, 1.10 bilden bereits eine Einheit bzw. sind schon vormontiert.
Diese Einheit wird dann mittels der Splintstangen, die vollständig durch das Rohrsegment gesteckt werden, an diesem befestigt. Die endgültige Sicherung erfolgt dann mittels des Konter-Halbrohres 1.9.2 und Kontermuttern.
Montage des Segels
Die Montage des Segels von Hand durch mehrere Astronauten dürfte einfacher und für das Segel schonender als die automatische Selbstentfaltung nach dem Launchen sein.
Dabei ist das Segel und die Ringstruktur mit der Kante zur Sonnenstrahlung zu platzieren, damit das noch unvollendete Raumfahrzeug nicht unbeabsichtigt Fahrt aufnimmt oder das Segel abtreibt, bzw. beschädigt wird.
Das Befestigen der Segelgurte erfolgt nach 3.a und 3.b Das Gurtende 2.l wird hierbei über den Gurthaltegriff 1.4 geschlagen und gespannt.
Die beiden übereinanderliegenden Gurtteile werden sodann zwischen den Halteplatten 2.1.1 verschraubt.
Sodann erfolgt die Befestigung der Solarzellen auf der Vorderseite des Segels. In 1 wurde für jede Doppelthruster-Einheit ein eigener Solarzellenkomplex direkt in der Nähe vorgesehen, sowie ein Solarzellen-Ring in der Mitte der Scheibe für die Stromverbraucher der Nutzlast.
Alternativ ist die Vorbeschichtung des Segels mit flexiblen Solarzellen an den gewünschten Stellen möglich, so daß eine Montage in diesem Fall nicht mehr nötig ist (s. hierzu auch US-Patent 6,194,790 vom 27.02.2001.
Es verbleibt dann nur noch die Durchführung der Stromanschlüsse für die Thruster über Verschraubung mit den Splintstangen 1.9.3 nach 2.c und die Platzierung sowie Installation der Nutzlast und das Raumfahrzeug ist einsatzbereit.
Derzeitiger Stand der Technik
Empfehlenswerte Literatur bezüglich möglicher Orbits und physikalischer Zusammenhänge:
Solar Sailing, Technologie, Dynamics and Mission Applications von Colin R. McInnes, Springer-Verlag 1999.
In diesem Buch dürfte auch der derzeitige technische Stand und die entwickelten Anwendungs-Modelle des Solar-Segelns weitgehend beschrieben sein.
Eine noch ausführlichere Aufzählung der derzeit bekannten Solar-Segel-Modelle und -Missionen beinhaltet der von Dr. Robert L. Forward für das Jet Propulsion Laboratory (JPL) erstellte Report „Solar Sail Mission Requirements" vom 12.01.2000, der frei im Internet herunterladbar ist oder über email bei <forward@whidbey.com> angefordert werden kann.
Ein Modell, das nur annähernd dem hier vorgeschlagenen ähnelt, konnte in der genannten Literatur nicht entdeckt werden.
Auch Science-Fiction-Literatur, die ein untertassenförmiges UFO mit einer (wenn auch High-Tec) Segelplane im Antriebsring beinhaltet, ist dem Erfinder nicht bekannt.
Es ist anzumerken, das es sich bei sämtlichen in der Solarsegel-Literatur erwähnten Modellen auch tatsächlich um solche handelt, die bisher noch nie im All eingesetzt worden sind.
Patente für solare Antriebssysteme wurden jedoch bereits erteilt, z. B. US-Patent Nr. 4,614,319 vom 30.09.1986 bezüglich eines einfachen Solar-Segel mit einer Spannungstrosse an deren Ende die Nutzlast befestigt ist. In der genannten Patentschrift wird auch ein kurzer Abriß der englischsprachigen Solarsegel-Modelle (u. a. auch Science Fiction) bis zur Patentschrift gegeben.
US-Patent Nr. 6,194,790 vom 27.02.2001 betrifft ein Solar-Segel, daß durch Kombination mit einem flexiblen Dünnschicht-Solarzellen-Film zur Stromerzeugung gedacht ist, jedoch auch zur Fortbewegung verwendet werden kann. Dieses Patent könnte natürlich eine willkommene Ergänzung zur Stromversorgung der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ionen-Thruster sein.
Das erste Solar-Segel, das voraussichtlich zum Einsatz kommen wird, ist das privat finanzierte „Cosmos 1" der Planetary Society.
Vorgesehen ist, es voraussichtlich im Spätjahr des Jahres 2002 aus Kostengründen mit einer preisgünstigen russischen Volna-Rakete in eine suborbitale Laufbahn zu launchen, wo es sich entfalten und wenn alles gutgeht mit Hilfe der Photonen-Strahlung in einen Orbit bewegen soll.
Das Segel besitzt eine verstellbare Mittelstruktur, an die 8 dreieckige in der Neigung einstellbare Solarsegelsegmente befestigt sind. Durch Verstellung der Neigungswinkel soll eine Steuerung des Solarsegels erfolgen. Weitere Informationen über dieses Projekt sind über die Internetseiten der Planetary Society abrufbar.
Ein weiteres Projekt, das Chancen auf die Realisierung hat, ist das Odissee Projekt, bei dem ein quadratisches, 40 × 40 m Solarsegel im Piggy-Back-Verfahren mit einer Ariane V Rakete gelauncht und innerhalb von 1.5 Jahren den Mond passieren, sowie innerhalb von 1,7 Jahren den Erd-Orbit verlassen soll.
Ein 20 × 20 m großes Versuchssegel, bei dem unterschiedliche ultradünne Segel-Segmente aus Kapton, Mylar und Polyethylen-Naphtalat und ultraleichte ausfahrbare Kohlefasermasten getestet wurden, wurde am 17.12.1999 erfolgreich als erstes Solarsegel im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln-Porz entfaltet. Nähere Informationen hierzu s. DLR Website.
Die Leichtbauweise dieser Segel und Masten wurden vom DLR gemeinsam mit ESA und engem Kontakt mit NASA/JPL entwickelt.
Das geplante Segel soll bei 40 × 40 m Größe nur 35 kg wiegen, das gesamte Projekt einschließlich Nutzlast 77 kg.
Die beiden vorgenannten, kurz vor der bzw. in der Verwirklichungsphase befindlichen Projekte dürften damit dem heutigen Stand der Technik entsprechen.
Die DLR gab auf Ihrer Web-Site zu dem entwickelten Segel folgendes bekannt: „Das vorliegende Design ermöglicht die Entwicklung eines navigierbaren Sonnensegel-Raumfahrzeugs, wobei der Lichtdruck auch für die Lageregelung genutzt wird."
Die hiermit vorgestellte Erfindung des Thruster-Solar-Seglers stellt nach Überzeugung des Erfinders bereits jetzt eine derartige Entwicklung eines hochgradig navigierbaren Sonnenseglers dar.
Nutzung des Thruster-Solar-Seglers als Mutter- bzw. Trägerschiff
5 zeigt die Unterseite eines Mutterschiffes auf der Basis von 1 mit 2 größeren und 4 kleineren Tochterschiffen, die mittels Halterungen, die von den Haltegurten des Mutterschiffes ausgehend in die Ringsegmente der geladenen Raumschiffe eingreifen, befestigt sind.
Auch andere Objekte, wie z. B. Raumstationen, Weltraum-Hotels, Material-Depots, etc. können auf der Unterseite für kurzfristigen Transport oder auf Dauer befestigt sein.
In der Beispielzeichnung könnte es sich um Satelliten handeln, die ohne eigenen Treibstoff-Verbrauch durch das Mutterschiff an den Einsatzort transportiert werden oder deren Segelfläche so klein ist, das ein Erreichen des Einsatzortes zu lange dauern würde. So wäre es dann auch möglich, Kleinsatelliten derart auszurüsten, das das Segel nur für das Stationhalten und Manövrieren in Sonnennähe ausreicht.
Das Absetzen derartiger Objekte im Sonneneinflußbereich erfolgt durch Drehen der Unterseite zur Sonne.
Da das Mutterschiff durch sein niedrigeres spezifisches Gewicht im Verhältnis zur Segelfläche stärker als das Tochterschiff von der Sonne weggedrückt wird und dadurch schneller als dieses beschleunigt, kann die Trennung erfolgen, ohne das die Gefahr durch Beschädigungen aufgrund von Thruster-Einsatz besteht.
Das Lösen der Gurthalterungen ist z. B. durch Abschmelzen mittels elektrischer Heizdrähte möglich, die bereits an den zu trennenden Stellen befestigt sind und durch Solarzellen-Strom betrieben werden.
Experimentelles Raumfahrzeug
6 zeigt ein experimentelles Raumfahrzeug mit dem angenommenen Durchmesser von 10000 plus × m, auf Grundlage von Anspruch 1 und 1 jedoch ohne Segel und dafür zusätzlich mit einer erhöht im Mittelpunkt des Ringes angebrachten Thrustergruppe (Thruster 1–4).
Angenommen, diese Thruster 1–4 sind jeweils 50 cm entfernt vom Mittelpunkt der Scheibe montiert.
Werden nun z. B. die Thruster 1 und 3 gestartet, rotiert das Fahrzeug nach links um die eigene Achse herum.
Vollführt einer dieser Thruster eine volle Drehung, legt er eine Wegstrecke von 2 × 0,5m × Pi zurück, somit ca. 3,14 m.
In der gleichen Zeit und bei einer Drehung legt der äußerste Rand dieses Fahrzeuges jedoch 31.400 m + x m zurück, er ist somit mehr als 10000 mal schneller als der Thruster im Innenbereich.
Da der Thruster eine Geschwindigkeit von 30 km/Sek. erreichen kann, könnte ein Punkt auf dem Außenring ohne Beachtung der Relativitätstheorie durch den Zeithebel von 10000 eine Rotationsgeschwindigkeit von Überlichtgeschwindigkeit erzielen.
Das experimentelle Raumfahrzeug dient somit der Grundlagenforschung. Insbesondere der Erforschung der Relativitätstheorie als auch der Erforschung von Rotationseffekten bei unterschiedlichen Neigungen zur Gravitation eines Planeten oder der Sonne.
Dies könnte z. B. auch mit Hilfe von Sendern, Objekten und Lichtquellen, die am Außenring befestigt sind, und ggf. durch Abbremsen der Struktur in eine unabhängige Bahn entlassen werden, erfolgen.
Die Montage einer derartigen Anordnung im All dürfte wegen des fehlenden Segels keine allzu großen technischen Herausforderungen, jedoch einigen Material und Arbeitsaufwand bedingen.
Rotations-Schleuder
Die Rotations-Schleuder beruht auf einer Bauart wie 6, wobei lediglich 2 Thrusterpaare am Rand und 2 zum Mittelpunkt hin angebracht sind.
Diese vom Prinzip her große Ring-Struktur soll die notwendige Rotationsgeschwindigkeit erreichen, um Objekte, z. B. Raumschiffe, Satelliten, Material von ihrem Außenrand in Richtung des gewünschten Zieles zu schleudern.
Da es im Außenbereich der Schleuder sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden können, ist grundsätzlich auch eine hohe Beschleunigung der zu befördernden Objekte möglich.
Einmal im Weltraum installiert, kann die Rotations-Schleuder viele Objekte äußerst kostengünstig in unterschiedliche Richtungen auf den Weg bringen.
Erläuterungen zu den Zeichnungen und Bezugszeichenliste
Anmerkung: Die Zeichnung, 1 bis 7 sind nicht maßstabsgerecht, da sich die Größe der zu beschreibenden Objekte im Quadratkilometer Bereich bewegen können und die strukturellen Teile der Konstruktionen wie z: B. die Rohrdurchmesser der Rohrsegmente des Außenringes eher im Zentimeter-Bereich.
Die Bezugszeichen gliedern sich in die Bereiche
1 = Antriebsring mit Beschlägen, Antrieben
2 = Solar-Segel/Haltegurte
3 = Nutzlast-Plattform
4 = Launcher-Transporthalterung für Ringsegtnente

1: Antriebsring
1.1: Antriebs-Segment
1.2: Leer-Segment
1.3: Seitenstrahl-Segment
1.4: Gurthalterung
1.5: Doppelthruster Seiten
1.6: Doppelthruster oben/unten
1.7: Befestigungs-Öffnung
1.8: Befestigungs-Splint
1.9: Strahlrohr-Halterung
1.9.1: Kontermuttern
1.9.2: Konter-Halbrohr
1.9.3: Splintstangen
1.9.4: Halterungs-Halbrohr
1.9.5: Tankrohr
1.9.6: Elektro-Litze
1.10: Strahlrohr
1.10.1: Ionisator
1.10.2: Beschleuniger
1.10.3: Neutralisator
2: Solar-Segel
2.1: Halte-Gurte
2.1.1: Gurthalte-Platten
2.1.1.1: Gurthalteschrauben
2.1.1.2: Gurthalte-Kontermuttern
2.2: Rand-Gurt
2.3: Lade-Gurte
2.4: Segel-Folie/Stoff
2.5: Solarzellen-Ring
2.6: Solarzellen-Array
3: Nutzlast-Plattform
4: Launcher-Transporthalterung für Ring-Segmente
4.1: Transportkopf
4.2: Transportkopf-Endhalterung

Figur 1
Stellt den Solarsegler dar, bestehend aus einem Antriebsring, der als Außenskelett und gleichzeitig Halterung für die verwendeten Thruster sowie Solarsegel und Haltegurte dient.
Die vorliegende Zeichnung zeigt 12 Ring-Segmente mit 6 Doppelthrustern, hiervon zwei mit Strahl-Ausstoß zur Seite und 4 mit Strahlausstoß nach oben/unten.
Figur 2.a–Figur 2.d
2.a und 2.b stellen die Doppelthruster-Einheiten mit Strahlrohr nach oben/unten (2.a) und seitlich (2.b) dar, die mittels der Strahlrohr-Halterung 1.9, die gleichzeitig als Tank dient, an ihren jeweiligen Segmenten (hier 1.1 und 1.3) befestigt sind.
2.c zeigt eine Thrustereinheit in auseinandergenommenem Zustand.
2.d zeigt eine Doppelthruster-Einheit mit einem typischen Ionen-Thruster-Aufbau mit jeweils Ionisator, Beschleuniger und Neutralisator. Die Ionen-Thruster selbst sind jedoch nicht Gegenstand des Patentes.
Figur 3.a–Figur 3.b
Darstellung der Gurtbefestigung an den Ring-Segmenten durch Spannen der Gurte um die Gurthalterungen 1.4, die mittels verschraubter Halteplatten (2.1.1), die beidseitig angelegt und mit Hilfe der Schrauben 2.1.1.1 und Kontermuttern 2.1.1.2 befestigt werden.
Figur 4.a–4.c
4.a zeigt einen einlagigen, 4.b einen mehrlagigen Launcherkopf zum Einhängen der Rohrsegmente in der Durchsicht von oben.
In 4.c wird ein einlagiger Launcherkopf mit dazugehöriger Windschutz-Kappe und eingehängten Rohrsegmenten gezeigt.
Figur 5
In 5 wird ein Mutter-Solar-Segler mit vier kleinen und zwei etwas größeren Tochter-Seglern dargestellt, die an den Haltegurten des Mutterschiffes befestigt sind.
Figur 6, zu Beschreibung, Blatt 16–19
6 zeigt das experimentelle Raumfahrzeug mit den inneren Thrustern 1–4 und den am Außenring angebrachten Thrustern 5-8, die sämtlich der seitlichen Rotation der Scheibe dienen, während die in der Zeichnung ohne Nummerierung dargestellten weiteren 4 Thrustereinheiten zur eigentlichen Fortbewegung/Steuerung gedacht sind. Die Pfeile bei den Thrustern 1 und 3 stellen den Ionen-Ausstoß bei Linksdrehung dar.
Figur 7, zu Beschreibung, Blatt 20–22
In 7 wird eine Rotationsschleuder gezeigt, die auf dem experimentellen Raumfahrzeug in 6 basiert. Da sie nicht zur eigenen Fortbewegung gedacht ist, sind am Außenring lediglich zwei Thrustereinheiten mit den Thrustern 5–8 zur Steuerung vorgesehen.
Hierdurch ist die Einsparung von Treibstoff bei den bewegten Objekten, die für die Hinreise zum Zielpunkt keinen Treibstoff benötigen und zudem wegen des geringeren Treibstoffbedarfs kleiner ausgelegt werden können, möglich.

Claims

Treibstoffsparendes Raumfahrzeug (Solarsegler) in Form einer fliegenden Untertasse, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarsegel mit Haltegurten in einen Außenring eingehängt wird, der gleichzeitig als Halteskelett und Antriebseinheit dient. Neu ist die umfassende Kombination des Solarsegel-Antriebes mit dem Thruster-Antrieb, was die Nutzung der Vorteile beider Antriebsarten ermöglicht und die gute Manövrierbarkeit, die sich durch die Verteilung, Ausrichtung und Ansteuerung der Thruster ergibt.
Neues Segment-Montage-System, nicht nur für Raumfahrzeuge, das die einfache Montage großer Strukturen im Weltraum durch ineinanderstecken von Rohren, die ein Außengerüst bilden, und durch Splintstangen, die vollständig durch die Rohrsegmente hindurchführen, ermöglicht. Dieser Anspruch beschränkt sich nicht auf runde Rohre und Außenskelette , sondern bezieht sich ausdrücklich auch auf andere Formen (z. B. oval oder dreieckig) der Rohre sowie des Ringkörpers.
Solarsegel, dadurch gekennzeichnet, das es mit Haltegurten am Außenring über Haltestangen einfach befestigt wird und mit Hilfe der Haltegurte Lasten und Solarkollektoren zur Stromerzeugung aufnehmen kann.
Haltegurte, dadurch gekennzeichnet, daß sie sowohl das Segel als auch große Lasten, sowie die Struktur halten und an Befestigungsstangen an den Ringsegmenten mit zwei verschraubten Halteplatten befestigt werden.
Thruster-Halterungen gekennzeichnet durch einfache Montage über Halbschalen, die die Rohrsegmente umfassen und durch Splintstangen und Kontermuttern gesichert werden.
Paarweise Anordnung von Thrustern mit jeweils gegenüberliegenden Thrusterpaaren und gegenläufiger Strahlrichtung. Neu ist die hierdurch erzielte Feinsteuerung.
Das Haltegerüst unterscheidet sich zusätzlich von den bisher vorliegenden Solar-Segel-Modellen, die meist von einer sich selbst entfaltenden Maststruktur als Haltegerüst des Raumfahrzeuges ausgehen, durch die starre Verbindung. Dies hat den Vorteil, das die erheblichen Fehlschlagsrisiken durch Entfaltung von Masten bei sehr großen Strukturen entfallen.
Treibstofftanks, dadurch gekennzeichnet, das sie gleichzeitig als Halterung für die Thruster-Einheiten dienen (Gewichtsersparnis).
Launch-Vorrichtung, zeichnet sich dadurch aus, das sie die Enden vieler Rohrsegmente zur Montage auf der Außenseite des Launchers aufnehmen kann und dadurch erst den kostengünstigen Transport – auch im Piggy-Back-Verfahren durch Lösung des Platzproblems ermöglicht.
Wiederverwendbares Mutter- und Lastenschiff auf Grundlage von Ziff. 1, das durch seine Größe hohe Lasten oder auch Tochterschiffe bzw. Satelliten unter Abweichung von Keplerschen Bahnen durch Nutzung des Photonenantriebs kostengünstig an ihren Einsatzort transportieren kann. Die Erstellung solch großer Strukturen wird durch das bereits dargestellte Segment-System nach Anspruch 2) erst möglich. bzw. zumindest stark erleichtert.
Experimentelles Raumfahrzeug auf Grundlage von Anspruch 1), jedoch ohne Segel, ist gekennzeichnet dadurch, dass es sich durch seine Ausmaße und gleichzeitige Anbringung einer Thrustergruppierung zur Mitte der Scheibe hin dazu eignet, sehr hohe Bewegungsgeschwindigkeiten im äußeren Scheibenbereich zu erzielen. Unter Außerachtlassung der Relativitätstheorie wäre diese Anordnung theoretisch geeignet, durch Rotation die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Das Raumfahrzeug zeichnet sich daher durch seine hohe Eignung für Experimente und Grundlagenforschung zur Relativitätstheorie sowie zu den Auswirkungen sehr schneller Rotation aus.
Rotations-Schleuder auf Grundlage von Ziff. 11), sowohl kleiner als auch größer 10000m, die sich durch ihre Eignung auszeichnet, Objekte, z. B. Material, Raumfahrzeuge, Satelliten unter hoher Geschwindigkeit an Ihren Einsatzort zu schleudern. Vorteil und Kennzeichen dieses Gerätes ist, das die Schleuder ohne sich selbst vom Ausgangsort fort zu bewegen, nacheinander mehrere Objekte (z. B. Satelliten oder Raumfahrzeuge) in unterschiedliche Richtungen und Orte in Bewegung setzen kann.