Wie groß ist der Kohlenstoff-Fußabdruck der Raumfahrt?

15. July 2020 von John Armstrong
Wie groß ist der Kohlenstoff-Fußabdruck der Raumfahrt?

Zwei Astronauten verließen erfolgreich die Erdatmosphäre und dockten mit einer halb wiederverwendbaren Rakete an die internationale Raumstation an. Dies war eindeutig eine unglaubliche Leistung und brachte die USA wieder an die Spitze der Raumfahrt. Darüber hinaus bringt uns dieser bedeutende Schritt näher an bemannte Flüge zum Mars, die meiner Meinung nach sehr wahrscheinlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts stattfinden werden. Ich habe verschiedene Zahlen aus dem Internet zusammengetragen, um ein Gefühl für die Zahl zu bekommen - meine Berechnungen finden Sie weiter unten, Sie können die zugrunde liegende Logik also gerne in Frage stellen. Der gesamte Kohlenstoff-Fußabdruck von Kerosin und Sauerstoff beträgt etwa 1115 Tonnen. Der jährliche Kohlenstoff-Fußabdruck

von 278 durchschnittlichen Weltbürgern. Ehrlich gesagt hätte ich erwartet, dass er weitaus größer ist. Es besteht die Möglichkeit, den Sauerstoff mit kohlenstofffreier Elektrizität herzustellen - aber da niemand darüber spricht, bezweifle ich, dass dies geschieht (ich lasse mich gerne korrigieren!). Ich habe mich bemüht, Daten zu diesem Thema zu finden. zu. einem.


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Wer wäre nicht begeistert gewesen von dem unglaublichen Start von Space X mit Besatzung am 30. Mai? Zwei Astronauten verließen erfolgreich die Erdatmosphäre und dockten mit einer halb wiederverwendbaren Rakete an die internationale Raumstation an. Dies war eindeutig eine unglaubliche Leistung und brachte die USA wieder an die Spitze der Raumfahrt. Darüber hinaus bringt uns dieser bedeutende Schritt näher an bemannte Flüge zum Mars, die meiner Meinung nach sehr wahrscheinlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts stattfinden werden. Ich liebe die Idee, dass die NASA die "einfachen Dinge" auslagert, damit sie sich auf den größeren Preis, den Mars, konzentrieren kann!

 

 

 

 

Ich war überrascht, wie schwierig es ist, die Frage nach dem Kohlenstoff-Fußabdruck zu beantworten - und, was noch beunruhigender ist, wie zweifelhaft die Berechnungen waren, mit denen die Leute es versucht haben. Also habe ich verschiedene Zahlen aus dem Internet zusammengetragen, um zu versuchen, ein Gefühl für die Zahl zu bekommen - meine Berechnungen stehen unten, also zögern Sie nicht, die zugrunde liegende Logik zu hinterfragen.

 

 

 

Berechnung des Kohlenstoff-Fußabdrucks

 

 

 

Die Falcon 9 Rakete wird von 9 Merlin-Triebwerken angetrieben. Die Merlin-Triebwerke erzeugen bei voller Leistung etwa 1,7 Millionen Pfund Schub und verbrauchen eine Mischung aus supergekühltem Kerosin und kryogenem Flüssigsauerstoff. Während eines Starts werden etwa 155 Tonnen des gekühlten flüssigen Kerosins und 362 Tonnen flüssiger Sauerstoff verbraucht. Das ist eine Menge Treibstoff, der direkt unter unseren beiden Astronauten sitzt. Es wird nicht nur hochwertiges Flugbenzin verbrannt, sondern auch eine Menge Sauerstoff im Verbrennungsprozess verbraucht. Wie sieht also die CO2-Bilanz des Starts aus?

 

 

 

  • Kerosin hat eine Kohlenstoffintensität von 3Kg Kohlenstoff pro Kg Kerosin [I]. Der Kohlenstoff, der durch das beim Start verwendete Kerosin entsteht, beträgt also 465 Tonnen.

 

 

 

  • Der verwendete Sauerstoff wird in einem kryogenen Prozess hergestellt, bei dem Elektrizität zur Abkühlung der Luft verwendet wird, um den Sauerstoff freizusetzen. Wenn man davon ausgeht, dass die Lagerung und der Transport relativ effizient sind und für die Herstellung des Sauerstoffs Netzstrom verwendet wird, beträgt der bei der Herstellung des Sauerstoffs emittierte Kohlenstoff weitere 650 Tonnen (siehe Berechnung unten).

 

 

 

Daher beträgt der gesamte Kohlenstoff-Fußabdruck von Kerosin und Sauerstoff etwa 1115 Tonnen. Das ist der jährliche Kohlenstoff-Fußabdruck von "278" durchschnittlichen Weltbürgern. Ehrlich gesagt hätte ich erwartet, dass er viel größer ist.

 

Es gibt eine Möglichkeit für den Sauerstoff mit Null-Kohlenstoff-Elektrizität gemacht werden - aber da niemand schreit darüber bezweifle ich, dass dies geschieht (ich würde gerne korrigiert werden!).

 

 

 

Wenn man das mit einem konventionellen Flug vergleicht: Eine Boeing 747 verbrennt etwa 4 Liter Treibstoff pro Sekunde; ein Flug von London nach New York verbraucht insgesamt etwa 70 Tonnen mit einem Kohlenstoff-Fußabdruck von etwa 210 Tonnen Kohlenstoff pro Strecke. Wenn man das mit unserem Start vergleicht, dann verbrauchen wir ungefähr das Äquivalent von 5 Transatlantikflügen mit Rückflug.

 

 

 

Ein weiteres Maß sind die Emissionen pro Passagier/pro zurückgelegtem Kilometer - die für die jüngste Reise zur ISS mit nur zwei Anflügen etwa 700 kg/km betragen (ich habe 400 km pro Strecke angenommen, wobei auf dem Rückweg kein Treibstoff verbraucht wird). Das steht im Vergleich zu 0,133 kg/km für einen Inlandsflug oder 177 kg/km für eine Autofahrt [ii]. Dies verbessert sich erheblich, wenn die Dragon-Kapsel mit 7 Astronauten voll besetzt ist.

 

Es ist wahrscheinlich albern, die Raumfahrt mit der Bahn und dem Flugzeug zu vergleichen - aber es zeigt, wie viel Energie vergleichsweise verbraucht und folglich wie viel Kohlenstoff ausgestoßen wird.

 

 

 

Emission from different modes of transport.

 

Andere Überlegungen

 

 

 

Ich denke, dass die obige Zahl etwas höher sein könnte, wenn man die Verluste beim Transport und bei der Produktion der beiden Brennstoffe hinzurechnet. Ich habe mich schwer getan, Daten dazu zu finden, aber sie werden den Fußabdruck wahrscheinlich noch weiter erhöhen. Ein großer Schritt zur Dekarbonisierung der Raumfahrt wäre es, den ganzen Sauerstoff mit grünem, kohlenstofffreiem Strom zu erzeugen und zu transportieren!

 

 

 

Es gibt noch einige andere interessante Auswirkungen der Raumfahrt in Bezug darauf, wo die Emissionen entstehen, zum Beispiel Ruß in der oberen Atmosphäre und Abbau der Ozonschicht [v]. Ich bin hier nicht darauf eingegangen, da sie super komplex sind und es in der Wissenschaft nicht allzu viel Klarheit über die Auswirkungen zu geben scheint. Sie werden jedoch immer wichtiger, da die Zahl der Raketenstarts zunimmt.

 

 

 

 

 

 

 

Fazit

 

 

 

Jährlich finden weltweit etwa 100 Weltraumstarts statt - mit dem Weltraumtourismus und der zunehmenden Zahl von Satellitenstarts wird diese Zahl jedoch auf weit über 1000 ansteigen [iii]. Wenn wir unsere Kohlenstoffzahl für den Start nehmen, dann kommen wir in nur wenigen Jahren auf einen Kohlenstoff-Fußabdruck für die Raumfahrt von etwa 3,1 Millionen Tonnen - zusammen mit Schäden an der Ozonschicht und Ruß in der oberen Atmosphäre. Je weiter sich die Raumfahrt ausdehnt und je mehr der Mars in greifbare Nähe rückt, desto wichtiger wird es, den Fußabdruck unserer Bestrebungen zur Erforschung des Sonnensystems hier auf der Erde zu verwalten.

 

Wenn Sie echte Leistung sehen wollen, drehen Sie die Lautstärke lauter und klicken Sie auf "Play" in diesem erstaunlichen Video, in dem ein Merlin-Triebwerk getestet wird!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

und wenn Sie es noch einmal sehen wollen - hier ist der Start!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ein bisschen Mathe!

 

 

 

Es gibt nicht viele frei verfügbare Daten über die Kohlenstoffintensität von flüssigem Sauerstoff. Also habe ich ein Beispiel einer 300kW[iv] Sauerstoffanlage genommen, die 300kW Strom benötigt, um 2 Tonnen an einem Tag zu produzieren. Um eine Tonne flüssigen Sauerstoffs zu produzieren, benötigt man etwa 3,6MWHr Strom. Um die 362 Tonnen flüssigen Sauerstoffs zu produzieren, die für den Start benötigt werden, benötigt man also 1300MWHr Strom. Die durchschnittliche Kohlenstoffintensität des Stromnetzes in den USA beträgt 0,5 Tonnen Kohlendioxid pro MWHr. Daher beträgt der Kohlenstoff, der bei der Herstellung des Sauerstoffs für den Start entsteht, etwa 650 Tonnen, wenn sie "Standard"-US-Netzstrom verwenden. Wo der Sauerstoff hergestellt wird, spielt hier eine Rolle - wenn er im Sonnengürtel von Kalifornien hergestellt wird, ist er weitaus geringer als bei der Verwendung von Kohlestrom. Die Geografie ist wirklich wichtig, wenn es um die Kohlenstoffintensität geht!

 

 

 

Rocket Launch

 

 

 

[i] www.engineeringtoolbox.com/co2-emission-fuels-d_1085.html

 

[ii] www.bbc.co.uk/news/science-environment-49349566

 

[iii] www.space.com/elon-musk-starship-spacex-flights-mars-colony.html

 

[iv] advancedtech.airliquide.com/liquid-oxygen-lox-plant

 

[v] www.sciencefocus.com/space/are-space-launches-bad-for-the-environment/