Anstatt einem deutschen Mars und Mondprogramm – ab zur Venus

Nachdem ich schon mal meine Idee für einen Mondorbiter skizziert habe, der auf vorhandener Technik basiert und bezahlbar ist, nun das Gegenstück zur Venus. Zuerst einmal: Warum zur Venus und nicht zum Mars? Der Mars ist doch en Vogue, seit 1997 verging kein Startfenster bei dem nicht eine oder mehrere Sonden starteten und auch dieses Jahr ist Phobos-Grunt angesetzt, Der Grund: gerade Deswegen. Ein Orbiter und ein Lander mit ausgeklügelten Instrumenten folgte dem nächsten. Wenn man dies toppen will, so bleibt einem nur eine hohe Investition in neue Instrumente oder man spezialisiert sich auf etwas, was noch nicht so erforscht ist: Die Russen zum Beispiel auf Phobos. Doch das wird auch weniger. So wird der nächste Orbiter die bislang etwas stiefmütterliche untersuchte Umgebung von Mars, das Magnetfeld, die Interaktion mit dem Sonnenwind genauer erforschen.

Auf der anderen Seite ist da die Venus. Nach Venera 16 im Jahre 1984 ist Venus Express die erste Mission an welche die Venus umkreist. Es soll 2010 Planet-C von Japan folgen, mit mehreren Kameras,. Die Venus ist dabei ideal für die deutschen Erfahrungen mit Radar. Also warum nicht einen Radar-.Aufklärer zur Venus zu schicken. Um die Kosten gering zu halten habe ich mich hier auf einen SARLupe Satelliten beschränkt, er ist leichter als TerraSAR. Genauere Daten sind wegen der militärischen Natur nicht bekannt, doch sein Radar soll auch 1 m Auflösung erreichen, nur scheint die Aufnahmekapazität beschränkt zu sein. Das ist wegen der geringeren Datenrate zur Erde aber kein Problem.

Der Start soll mit einer Sojus STK erfolgen. Zuerst in einen elliptischen Orbit und von da aus dann in den endgültigen Orbit mittels Ionentriebwerken erreichen (Aerobraking wäre auch möglich, aber Ionentreibwerke sind einfacher zu berechnen).

Missionszenario:

Die Sonde startet von der Erde zur Venus auf einer energiearmen Hohmannbahn. An der Venus angekommen, bremst sie in einen hochelliptischen Orbit (v=1.100 m/s, 200 x 66.000 km). Dann bremst er über drei Venusjahre (678 Tage) ab. In dieser Zeit kann eine Fernerkundung der Venusoberfläche mit Kameras erfolgen und die Plasmaumgebung der Venus erkundet werden. Danach beginnt die Radarkartierung die für drei Erdjahre angesetzt wird. Ziel ist keine vollständige Kartierung, sondern das Anfertigen von hochauflösenden Aufnahmen kleiner Gebiete.

Startmasse in der GTO Umlaufbahn: 3280 kg. Bei v=2300 m/s um zur Venus zu kommen ergibt sich bei einem spezifischen Impuls von 3187 m/s eine Masse im Venusorbit von 1593 kg. Davon entfallen rund 241 kg auf das Antriebssystem. So bleiben rund 1352 kg für den Orbiter, Experimente und vor allem den Ionenantrieb.

Der ionenantrieb muss rund 3000 m/s abbauen und benötigt dazu 142 kg Treibstoff. Bei 678 Tagen Brennzeit und Einsatz eines RIT 35L Triebwerkes wird eine Betriebsdauer von 10 Stunden pro Tag benötigt. Das RIT-35L ist also geeignet dafür (es würde auch das ältere RIT-35 reichen, dann 12 Stunden pro Tag. Auch das ist möglich und würde den Strombedarf von 4450 auf 3200 Watt senken). Gehen wir von 3200 Watt aus, so benötigt man bei der Venus bei 20 % Wirkungsgrad rund 6-7 m² zusätzliche Fläche, die etwa 40 kg Gewicht ausmachen. Dazu kommt noch das Triebwerk selbst mit 10 kg Gewicht, der Spannungskonverter und die Tanks von 45 kg Gewicht (Xenon als Gas geht nur in schweren Drucktanks). Zusammen macht das Ionenantriebssystem so rund 250 kg mit den Solarzellen aus.

Das lässt dann noch 1100 kg für den Orbiter, Experimente und die nötige Hochgewinnantenne übrig. Da jeder SARLupe Satellit nur 720 kg wiegt, gibt es hier viel Spielraum. Auf meiner Prioritätenliste ganz oben wäre eine 3 m große Parabolantenne und ein 1900 Watt Sender (Strom gibt es mehr als reichlich, da nach Ende des Betriebs des Ionenantriebs 3,2 kW elektrische Leistung zur Verfügung stehen). Dies soll 150 kg wiegen. (Ein 1.900 W/2.500 TWT Verstärker wiegt rund 64 kg) Sie erreicht eine Datenrate von minimal 2.450 kBit im X-Band und im Mittel 5.000 MBit/s. Dazu braucht man noch Batterien um den Strom zwischen zu speichern. Zusammen kommt man so auf 170 kg Zusatzgewicht verglichen mit dem SARLupe. Das lässt rund 210 kg für Experimente übrig – mehr als das doppelte Gewicht der Venus Express Experimente.

Das Radar soll die meisten Daten liefern. Nach den Daten von TerraSAR-X entfallen pro Bildpunkt rund 100 Bits. In drei Jahren könnte so bei 100 % Überlappung der Streifen und 2 MBit Datenrate / 6 Stunden Sendezeit pro Tag eine Kartierung auf 45 m zu. Das ist nicht viel besser als bei Magellan. Daher habe ich zwei Ideen für die Mission:

• Man beschränkt sich auf kleine Gebiete und nimmt diese dann wirklich in hoher Auflösung auf.
• Man weicht auf Ka Band aus. Bei vierfach höherer Frequenz resultiert auch eine vierfach höhere Auflösung und so wären 12 m Auflösung möglich.

Andere Experimente wären:

• Während der ersten Orbitphase von rund 2 Jahren dauern: Magnetfelduntersuchungen, Teilchenuntersuchungen / Plasmauntersuchungen und direkte Untersuchungen der oberen Atmosphäre durch ein Massenspektrometer
• Während der ganzen Zeit: Kameras im UV Bereich und verschiedenen IR Spektralbereichen.
• IR Spektrometer
• abbildende IR Spektrometer

Bodensegment

Natürlich wird eine Empfangsantenne benötigt. Sinnvoll ist es sich in das ESA Bodennetzwerk einzubinden. Derzeit wird eine dritte Antenne in Südamerika gebaut. Ein vierte Antenne, von Deutschland finanziert, sollte dieses ergänzen und im Gegenzug dann auch den Zugriff auf die anderen Antennen erlauben. Daher sollte der Ort zwischen den bisherigen drei (Spanien, Argentinien, Ostaustralien) liegen und für den Empfang im Ka Band an einem trockenen Ort. Mir fallen spontan da Wüstengebiete (Namib, arabische Halbinsel) und Hawaii ein, wobei ich wohl den östlichen Teil der arabischen Halbinsel bevorzugen würde, es reduziert die recht große Distanz von Australien zu Spanien und ist recht nahe von Deutschland aus. Eine neue Bodenstation müsste rund 40 Millionen Euro kosten, hochgerechnet von den 35 Millionen für New Norica Station von 2003.

Kostenabschätzung

• Das sind 40 Millionen für das Bodensegment
• 50 Millionen für die Missionsüberwachung über 5 Jahre
• 60 Millionen Euro für den Satelliten
• 35 Millionen für den Sojus STK Start

Das sind dann ohne zusätzliche Experimente und Modifikationen rund 185 Millionen Euro. Es sollte es also möglich sein für rund 250 Millionen Euro die Mission durchführen zu können. Zusammen mit dem Mondorbiter wären das dann rund 400 Millionen verballert – das lässt noch einiges für andere Missionen offen, vielleicht gehe ich als nächstes mal den Mars an, denn es soll ja ein deutsches Mond- und Marsprogramm werden….