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Raumsonden zu Pluto und Pluto Kuiper Express

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Versuche in den letzten Jahren eine Sonde zu dem noch letzten noch unerforschten Planeten unseres Sonnensystems zu schicken: Pluto. Neben einer Beschreibung der New Horizons Sonde wird auch die Pluto-Kuiper Express Sonde beschrieben.

Damit dies nicht zu lang wird habe ich ihn in vier Teile aufgeteilt:

Dieser Artikel beschreibt die Versuche in den letzten Jahren eine Sonde zu dem noch letzten noch unerforschten Planeten unseres Sonnensystems zu schicken: Pluto. Neben einer Beschreibung der New Horizons Sonde wird auch die Pluto-Kuiper Express Sonde beschrieben.

Die Geschichte der Erforschung von Pluto mit Raumsonden

Plutokarte des HSTNiemand dachte in den sechziger Jahren an Missionen zu Pluto. Zu weit weg war der Planet, zu uninteressant, zu unzuverlässig die Technik. Erstmals eine Chance Pluto zu besuchen gab es im Rahmen des "Outer Planets Grand Tour Project" (OPGTP). Man entdeckte Ende der sechziger Jahre, dass die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und auch Pluto Anfang der achtziger Jahre im selben Sektor sich befinden und so nacheinander von einer Sonde besucht werden können. Man plante zwei Sonden zu Jupiter, Uranus und Neptun zu schicken und zwei andere zu Jupiter, Saturn und Pluto. Eine Sonde die alle Planeten besucht war nicht möglich, weil zu diesem Zeitpunkt Neptun und Pluto zu weit voneinander entfernt waren. Ein Start von je zwei Sonden zu Jupiter-Saturn-Pluto war für 1977 vorgesehen und die zu Jupiter-Saturn-Uranus-Neptun für 1979.

Dieses Projekt wurde für zu teuer befunden und um es zu retten musste es kleiner werden. Das Resultat war Voyager. Ein Paar von zwei Sonden, welche zu Jupiter und Saturn fliegen sollte, wobei man für eine Sonde noch die Möglichkeit offen lies, auch Uranus und Neptun anzufliegen. Ein Vorschlag des JPL im Jahre 1975 eine dritte Voyagersonde zu bauen, und 1980 direkt über Jupiter zu Pluto zu schicken (Ankunft 1992) wurde nicht angenommen. Obgleich eine solche Sonde recht preiswert gewesen wäre, da man schon vorhandene Teile des Ingenieurmodells von Voyager hätte benutzen können. (Teile von Voyager flogen bis zu 20 Jahre später auf den Raumsonden Magellan, Stardust und Cassini).

Die Voyagers waren für 5 Jahre Betriebszeit ausgelegt und schon dies war mehr als doppelt so lang, wie die längste Mission vorher. Der Weiterflug von Voyager 2 zu Uranus und Neptun wurden nur als Bonus angesehen, niemand glaubte, dass Pluto ein interessanter Planet sein könnte. Pluto war so kalt, das sogar Luft dort zu Eis gefrieren würde, und man erwartete einen Eisklumpen ohne geologische Aktivität und Atmosphäre.

Pluto wird interessant

Dieser Eindruck änderte sich innerhalb von 2 Jahren. Zuerst entdeckte man 1978, als die Voyagers zu Jupiter unterwegs waren, einen Mond um Pluto: Aus dem uninteressanten Eisklumpen war nun ein Doppelgänger zur Erde geworden: Als einziger Planet, außer der Erde, verfügt Pluto über einen Mond der in etwa so groß ist wie er selbst. Mehr noch: Der Mond war so groß, dass er Plutos Rotation abgebremst hatte, und nun Pluto und Charon gebunden rotieren: Beide kehren sich immer die gleichen Seiten zu.

Die nächsten Überraschungen lieferten Voyager beim Durchfliegen des Jupiters: Die vier großen galiläischen Monde, die man auch als uninteressante Eisklumpen ansah, waren geologisch aktiv. Plötzlich galt bei den folgenden Passagen nicht das Hauptaugenmerk dem Planeten sondern den Bildern der Monde. Und wo auch Voyager ankam: Überall wurde es interessant: Sei es im Saturnsystem, mit Canyons auf Rhea und Dione und Oberfläche im Fluss auf Enceladus oder bei Uranus, mit dem zersprengten und wieder zusammengesetzten Mond Miranda bis hin zu dem Neptunmond Triton, der soweit entfernt wie Pluto, aktive Geysire hatte!

Auch Pluto wurde in den achtziger Jahren interessanter. Man entdeckte im Jahre 1988 eine Atmosphäre. Diese besteht vor allem aus Stickstoff und Methan und ist sehr dünn (1 Mikrobar Bodendruck) , aber auch sehr ausgedehnt (bis zu 2000 km über den Planeten). Allerdings ist diese nicht von Dauer, denn die Bahn von Pluto ist stark elliptisch. Von 1979 bis 1999 ist er näher der Sonne als Neptun. Entfernt sich der Planet wieder von der Sonne, so sinken die Oberflächentemperaturen und die Atmosphäre gefriert wieder zu Eis aus.

Startgelegenheiten

Man muss also möglichst bald zu Pluto starten, und so ging man in den neunziger Jahren daran eine Mission zu entwickeln, die Pluto möglichst rasch erreichen sollte. Das Problem ist die hohe Startgeschwindigkeit. Um Pluto in etwa 8 Jahren zu erreichen muss man von der Erde aus mit 18 km/sec starten. Das ist sehr viel. Die Voyagers brauchten nur 14 km/s. Eine Sonde die 18 km/s Startgeschwindigkeit braucht, würde selbst bei einer zusätzlichen Oberstufe bei den größten Trägerraketen der USA nicht mehr als 200-300 kg wiegen dürfen. Alternativ kann man mit niedrigerer Geschwindigkeit starten. Doch ohne ein Swing-By bei Jupiter braucht man mindestens 16.1 km/sec (Reisezeit dann 30 Jahre).

Startgelegenheiten über Jupiter gibt es alle 11-12 Jahre. Dann gibt es drei bis vier Jahre lang jedes Jahr ein Startfenster zu Jupiter, der einen dann zu Pluto weiterführt. Das günstigste Startfenster ist das erste. Dabei kommt die Sonde Jupiter sehr nahe, wird von ihm dadurch stark beschleunigt und erreicht Pluto recht schnell. Durch die starke Annäherung bekommt die Bahn einen Knick bei Jupiter. Bei den folgenden Startfenstern ist Jupiter um jeweils 30 Grad weiter gewandert. Nun darf der "Knick" nicht so stark sein, sonst würde man Pluto verpassen. Also darf die Sonde sich Jupiter nicht so stark nähern. Dann kann sie Jupiter weniger stark beschleunigen. Die Reisezeit steigt an. Gleichzeitig muss die Sonde eine größere Startgeschwindigkeit von der Erde haben um dies auszugleichen. Die benötigte Trägerrakete wird also immer größer. Da man das Startfenster 2003-6 ausnutzen will und für dieses Raumsonden geplant waren (zuerst Pluto Kuiper Express und dann New Horizons) gibt es für diese Startfenster konkrete Daten.

Startdatum Reisezeit Startgeschwindigkeit Jupiternächster Punkt
2003 8 Jahre 15.757 km/s 142.800 km
2004/12 8 Jahre 16.024 km/s 585.000 km
2006/1 9 Jahre 16.90 km/s 2.300.000 km
2007 13 Jahre 17.00 km/s Kein Flug über Jupiter mehr möglich

Im Jahre 1976/77 gab es Startfenster Jupiter-Saturn-Pluto. Dieses wurde für Voyager erwogen, es kam jedoch nie zu dem Bau einer dritten Sonde. Man hätte Pluto dann im März/September 1986 erreicht. Als Backup gab es das reguläre Jupiter-Pluto Startfenster, dass sich 1979 öffnete. Das nächste öffnete sich 1991 und das bislang letzte 2003. Flüge über Saturn oder die anderen äußeren Planeten sind uninteressant. Zum einen sind Startfenster seltener und zum anderen steigt die Startgeschwindigkeit von der Erde und die Reisedauer an. Das ideale Startdatum wäre Ende 2004 gewesen - es erlaubt eine schnelle Reise bei einer nicht zu starken Annäherung an Jupiter verbunden mit einer hohen Strahlenbelastung.

Geschichte der Missionen

1977 öffnete sich ein Startfenster über Jupiter-Saturn zu Pluto. Dieses wurde wie schon geschrieben für die Voyagermission erwogen. Zwei Jahre später 1979 wäre der direkte Flug über Jupiter möglich gewesen. So kann man leicht errechnen, dass die beiden nächsten Startfenster 1991 und 2002/3 sich öffneten. Das 1991 er Startfenster war nicht nutzbar, da in den achtziger Jahren kaum noch Planetensonden gebaut wurden und der Space Shuttle den Großteil der NASA Mittel beanspruchte. Doch die nächste Gelegenheit wollten sich viele Forscher nicht entgehen lassen.

So gab es im Laufe der Jahre mehrere Vorschläge für Kleinstsonden. 1989 gab es den Vorschlag von Stacy Weinstein, Physiker und Spezialist für Flugbahnen und Ross Jones, Experte für den Bau von Raumsonden, für eine 35 kg schwere Mikroraumsonde für eine 5-6 Jahre dauernde Direkt-Reise und 1991 das überarbeitete Konzept von Robert Stähle und Stacy Weinstein von "Pluto Very Small", einer 39 kg schweren Sonde mit 5 kg Nutzlast und 3 Watt Leistung, welche in 18 Jahren zum Pluto gelangen und sogar als Orbiter eingesetzt werden sollte. Beide Konzepte erwiesen sich als technisch nicht realisierbar.

Dafür akzeptierte die NASA im Jahre 1992 einen Vorschlag einer Gruppe (Discovery Programm Science Working Group (DPSWG)) mit einer Titan IV Centaur zwei Raumsonden zu Pluto zu starten. Das Konzept sah eine 350 kg schwere Sonde mit 4 Instrumenten (Kamera, UV Spektrometer, Radio-Science und Plasmauntersuchungen) vor. Dieser Vorschlag von Bob Farquhar vom NASA-Hauptquartier beruhte auf  weitgehend konventioneller Bauweise, mit 45 kg Nutzlast. Der Start wäre mit einer Delta 2 gedacht und die Reisezeit wurde mit 13.6 Jahren angegeben. Starttermin war 2001/03. Dieses Projekt fand jedoch keinen Anklang bei der NASA.

Gleichzeitig untersuchte die NASA eine noch größere Mission, eine Pluto Sonde auf Basis des "Mariner Mark II" Körpers. Zu diesem Zeitpunkt (1990) plante die NASA Missionen zu einem Kometen und Saturn. Die letzte wurde später Cassini, die Sonde zum Kometen wurde gestrichen und die ESA baute diese später in veränderter Form als Rosetta. Die Pluto Raumsonde wäre dann die dritte gewesen, die denselben Sondengrundkörper genutzt hätte. Anstatt einer Huygens Landekapsel wäre eine kleine Schwestersonde befestigt worden, die so vor Pluto abgelöst worden wäre, dass sie genau 3.2 Tage (eine halbe Rotationsperiode) nach der Hauptsonde ihn passiert hätte. Damit hätte man die ganze Oberfläche einsehen und kartieren können. Dieses wurde als zu teuer und aufwendig angesehen. Um zu Pluto zu kommen hätte man die Sonde nicht nur über Jupiter schicken müssen, sondern Venusvorbeiflüge hätte sie erst auf Jupiterkurs gebracht.

In Zeiten des Discoveryprogramms favorisierte man jedoch kleine miniaturisierte Sonden. Im Mai 1993 wurde daraus das Projekt Pluto Fast Fly-By (PFF). Diese Sonden waren zwar immer noch sehr klein, aber immerhin 3 mal schwerer als die Miniatursonden. Sie sollen Pluto in nur 6-7 Jahren erreichen. 2 Raumsonden von 35-50 kg Gewicht mit 7 kg Instrumenten sollten mit einer Titan 4 gestartet werden. Die Projektkosten sollten unter 500 Millionen USD liegen.

Sehr rasch stiegen die Startmassen an, einfach weil es mit der Technologie nicht möglich war diese miniaturisierten Sonden zu bauen. Man ging nun von 140 kg Startmasse aus - bei immer noch gleicher Nutzlastmasse. Nun waren 2 Trägerraketen notwendig die alleine über 800 Millionen Dollar kosten würde und die Projektkosten steigen über 1 Milliarde Dollar. Nach dem Verlust des Mars Observers im September 1993 wurde daher eine der beiden Sonden gestrichen.

PFF ProjektzeichnungAls die Sowjetunion zusammenbrach, begann eine Phase der Zusammenarbeit mit dem Westen und man sah die Möglichkeit durch einen Start mit einer Proton die Startkosten rapide zu senken. Eine Proton hätte mit der sowjetischen Traktorstufe der Mars 96 Sonden und einer westlichen PAM Oberstufe eine 200-300 kg schwere Sonde zu Pluto schicken können. Russland wollte sogar eine Landesonde namens "Dropzond" stellen, welche ein Massenspektrometer, eine Kamera, einen Verzögerungspotentialanalysator und einen Beschleunigungsmesser beinhaltete. Im Jahre 1994 akzeptierte die NASA diesen Vorschlag und Russland arbeitete mit an PFF.

1995 wollte Russland wegen knappen Finanzmitteln die Dropzond streichen und den Start (30 Millionen US-$) bezahlt haben. Deutsche Wissenschaftler wären dafür aufgekommen wenn man dafür eine Sonde mitgeführt hätte die auf dem Jupitermond Io beim Vorbeiflug aufgeschlagen wäre.

Die Startmasse der im März 1993 konzipierten Sonde lag bei nur 110-120 kg. Mit dem Bau sollte 1996 begonnen werden. Der Start war für 1999/2000 vorgesehen und die Passage von Pluto im Jahre 2006/8. Als Experimente waren eine Kamera mit CCD Sensor und ein IR Spektrometer vorgesehen, welches mit der Kamera die Optik geteilt hätte. Dazu käme ein UV Spektrometer zur Beobachtung der Atmosphäre. Diese Kernexperimente blieben auch bei den späteren Wandlungen des Projekts erhalten. Anders als bei den späteren Projekten ging man von einem Doppelstart von zwei Sonden aus. Diese würden mit einer Trägerrakete (Proton oder Titan IV/Centaur) zusammen gestartet werden, ohne Vorbeiflug an Jupiter. Später favorisierte man eine Delta II, wodurch die Startkosten sanken, aber die Reisezeit auf 12-15 Jahre anstieg. Je nach eingesetzter Trägerrakete betrüge die Reisezeit zwischen 6.5 und 15 Jahre (Titan 4 6.5, Proton 8.5, Delta 12-15) . Zwei Sonden haben zwei entscheidende Vorteile: Zum einen kann man so Pluto und Charon vollständig kartieren: Da der Pluto in 6.4 Tagen um seine Achse rotiert, kann man eine Hemisphäre mit einer Sonde nur aus großer Distanz von mehreren Millionen km Entfernung aufnehmen und erhält so sehr grob aufgelöste Bilder. Zum anderen kann die zweite Sonde ihr Augenmerk auf Dinge richten, die bei der Passage der ersten Sonde besonders interessant waren. Diese Strategie nutzte man schon bei den Voyager Vorbeiflügen an Jupiter und Saturn. Auch wäre es möglich gewesen, die zweite Sonde an Charon vorbeifliegen zu lassen, und diesen Mond genauer zu untersuchen.

Modell von PFFDoch die Entscheidung war nicht von Dauer. Noch während man Mitte der neunziger Jahre an PFF plante, änderte sich die Ausrichtung der Politik der NASA. Teure und langwierige Missionen waren "out". Schnelle und preiswerte Missionen waren "in". Die Richtungsänderung hieß nun "Discovery Programm" und war eine Folge davon, dass die NASA in den letzten 20 Jahren zahlreiche Missionen zu den Planeten nicht starten konnte, weil sie zu teuer wurden oder ein neuer Präsident meinte die Gelder lieber woanders besser zu finanzieren.

Die Mission PFF war innerhalb dieses Programms von Anfang an unter Kritik. Zwar war es keine Großmission, aber teuer (die zwei Sonden waren noch bezahlbar und sollten ohne Start und Missionsdurchführung 400 Millionen Dollar kosten), vor allem wegen der großen Trägerrakete, die man benötigte und den RTG, die Strom lieferten. Inzwischen schätzte man nach den ersten Erfahrungen mit MIR auch die Russen nicht mehr als Partner und wollte die Sonde selber starten. Russland konnte nun auch ihre Zond Kapsel nicht mehr finanzieren. Man schuf nun ein neues Programm namens "New Millennium". In diesem sollten Sonden noch kleiner und noch smarter als im Discovery Programm sein. Aus PFF wurde Pluto-Kuiper Express (PKE). Nach einer Phase von 2 Jahren in denen nicht klar, war ob die Sonde gebaut wird, scheint 1997 ein Neuanfang mit Pluto Kuiper Express möglich. Dabei ist die Sonde besser ausgestattet als PFF und erheblich schwerer, aber es ist nun nur noch eine Einzelsonde. Im Jahre 1998 wurde die Sonde in das Programm Outer Planet/Solar Probe Projekt zusammen mit dem Europa-Orbiter und einer Mission zur Erforschung der Sonne aufgenommen. Ziel ist es, bei allen 3 Sonden gemeinsame Technologien einzusetzen um Kosten zu sparen.

Es gab auch ein weiteres Ziel: Anfang der neunziger Jahre hatte man jenseits der Umlaufbahn von Neptun Planetoiden entdeckt. Einen Asteroidengürtel in dieser Entfernung hatte der Planetenforscher Kuiper schon vor Jahrzehnten postuliert und so erhielten die Planetoiden den Namen Kuiper Belt Objects (KBO). Diese dürften wegen der großen Entfernung anders zusammengesetzt sein als die Planetoiden des Hauptgürtels. Sie können Wasser und Gase halten wie Methan. Eine Erforschung aus der Nähe wäre also interessant zumal man dann auch Vergleiche mit Pluto oder Triton ziehen kann. Einige KBO sind größer als Ceres, der größte Asteroid des Hauptgürtels , andere besitzen einen Mond oder weisen Absorptionslinien von Methan im Spektrum auf. So sollte PKE auch einen KBO aus der Nähe untersuchen. Die Startmasse lag anfangs bei 175 kg mit 9 kg Nutzlast stieg aber auch wie bei PFF laufend an.

Die Sonde wäre im Dezember 2004 gestartet worden und hätte zwischen April und Juni 2006 den Jupiter untersucht. Dieser hätte ihr neuen Schwung gegeben, so das die Sonde im Dezember 2012 Pluto in einer Distanz von 15000 km mit einer Relativgeschwindigkeit von 17-18 km/s passiert hätte. Die Kamera hätte Bilder mit etwa 1 km Auflösung machen können.

PKEDoch PKE war auch klein Glück beschieden. Als nun PKE den Finanzrahmen von 400 Millionen USD zu sprengen drohte, wurde er am 25.9.2000 gestoppt. Dabei war PKE vor allem deswegen so teuer, weil diese Sonde zusammen mit der Sonde Europa Orbiter entwickelt wurde, die 2006 starten sollte und eine Reihe von Technologien beinhaltete, welche die Sonde brauchte, um im Strahlungsgürtel von Jupiter überleben zu können. Diese brauchte PKE gar nicht. Der Teamleiter für den Europa Orbiter bot sogar an, seine Sonde zu verschieben, um das Geld PKE zukommen zu lassen. PKE hatte einen finanziellen Rahmen von 400 Millionen USD, sollte aber bis zu 800 Millionen USD teuer werden, vor allem weil man in den Jahren 1994-2000 alleine für die Planung der Sonde 200 Millionen USD ausgegeben hatte. Dazu kamen die Entwicklungskosten von 75 Millionen USD für neue Radioisotopengeneratoren (Alkalimetall Thermal to Electric Converters (AMTEC) mit 15-20 % Wirkungsgrad anstatt der 6-7 % der bei Galileo bis Cassini verwendeten). Zusammen mit der Trägerrakete schien die Sonde die 1 Milliarde Dollar Grenze sprengen.

Doch auch die Intervention des Europa Orbiter Teams rettete die Mission nicht mehr, sie wurde gestrichen. Nun regte sich aber Widerstand. Zuerst machten nur die Wissenschaftler mobil, dann bekam die Öffentlichkeit Wind von dem Vorhaben und es regnete Protestschreiben. Die Mission zu Pluto hatte einen amerikanischen Nerv getroffen. War es doch:

So gab es am 19.ten Dezember 2000 eine erneute Chance für das Projekt. Es gab einen Aufruf für eine neue, preiswertere Mission. Auch der Kongress bewilligte 30 Millionen Dollar für eine Mission, die nicht von der NASA beantragt wurde. Am 29. November 2001 wurde die Sonde "New Horizons" unter den Vorschlägen ausgewählt. Allerdings gab es eine einjährige Pause und dies kostete PKE das Leben. Der Starttermin 2004 war nun nicht mehr zu halten. Wenn man gerade dran war, strukturierte man auch PKE um, zumal das Schwesterprojekt Europa Orbiter im Jahr darauf gestrichen wurde. Aus PKE wurde nun New Horizons. Im März 2003 ging das Projekt in die Entwicklungsphase. Das weiße Haus versuchte allerdings weiter das Projekt zu torpedieren. Im Juli 2003 beantragte die NASA 130 Millionen USD für das Haushaltsjahr 2004. Dies wurde vom weisen Haus um 55 Millionen USD gekürzt. Doch der Kongress spielte nicht mit und genehmigte weitere 105 Millionen USD, so dass sogar mehr Geld für das Programm gab, als erforderlich. Damit war es möglich (falls es nicht neue Probleme gibt) einen Starttermin im Jahre 2006 einzuhalten. Im folgenden sollen nun die Raumsonden und ihre Missionen beschrieben werden.

Pluto Fast Fly-By (PFF)

Die Raumsonde und die Mission

PFF SondePFF sollte unter 150 kg mit der russischen Zond Kapsel wiegen. Ziel war eine Startmasse von PFF alleine von 110-120 kg. Die Trockenmasse der Sonde, ohne Treibstoff, sollte nur 79-85 kg betragen. Katalytisch zersetztes Hydrazin sorgte für die Kurskorrekturen. Es war eine maximale Geschwindigkeitsänderung von 350 m/s vorgesehen. Die gesamte Struktur sollte nur 14.6 kg wiegen. Geplant war der Start von zwei identischen Sonden mit einer Trägerrakete. Andere Quellen sprechen von einer Startmasse von 164.16 kg.

Die Lage sollte durch einen Weitfeld-Startrackerkamera mit einem Blickfeld von 8 Grad und einen Rindkreisel Laser als interne Referenzeinheit bestimmt und durch drei Reaktionsschwungräder verändert werden.  Die Kameras wiegen 2kg und die interne Referenzeinheit 0.22 kg. Erfasst werden konnten noch Sterne mit einer Größe von 6 mag.

Die Instrumente waren fest an der Sonde befestigt und so muss die gesamte Sonde auf das Ziel ausgerichtet werden. Die Ausrichtungsgenauigkeit sollte 1.5 mrad (52 Bogenminuten) auf Dauer und 1 Mikrorad (0.2 Bogensekunden) für 1 Sekunde betragen. Ein 42 cm großer kugelförmiger Tank nahm den Stickstoff für die Lageregelung auf. Dazu dienten 16 Düsen mit 0.005 N Schub sie sollten Instrumente und Sonde auf ein Ziel ausrichten und nachführen  Die Bahnänderung erfolgte durch Hydrazin. Drei Düsen mit 4.45 N Schub dienten dazu. 6 weitere von 0.15 N Schub dienten größeren Lageänderungen. 360 m/s Geschwindigkeitsänderung waren bis Pluto geplant.

Kaltgasdüsen, angetrieben mit Stickstoff, erlauben es die Sonde in 3 Minuten um 90 Grad zu drehen. Kommuniziert wird mit der Erde über eine 1.47 m durchmessende Parabolantenne mit einem Sender im X-Band mit lediglich 25-40 Bits/sec. Die meisten Daten wären daher auf einem 400 MBit Speicher abgelegt. Ein 1.5 MIPS schneller RISC Prozessor sollte die Daten mit einer Datenrate von 5 MBit/sec verarbeiten und komprimieren. Andere Quellen sprechen von der Verwendung des RAD-6000, eines 32 Bit Prozessors mit 10-20 MIPS Leistung, der auch auf den Marssonden von 1997-2001 eingesetzt wurde.

Strom hätte ein von Cassini übrig gebliebener RTG mit einer Anfangsleistung von 98 Watt und einer Leistung bei Pluto von 75 Watt geliefert. Man hätte dazu jeweils einen der beiden Teilhälften einer Sonde zugeteilt, aber nur teilweise gefüllt um Gewicht zu sparen (ein voll gefüllter halber RTG wiegt etwa 28 kg, die teilbefüllten RTG sollten etwa 13 kg wiegen. Eine Star 27 Oberstufe hätte der Sonde zusätzlichen Schub geliefert. Der Adapter zur STAR 27 Oberstufe wog 12.5 kg. Die Oberstufe selbst hat eine ´Masse von maximal 2361 kg bei einer Leermasse von 27 kg. Ihr TM-616 Feststoffantrieb liefert über 34 Sekunden einen Schub von 27 kN. Alternativ überlegte man den Einsatz von AMTEC oder RTG mit 80-86 Watt Leistung nach 10 Jahren.

Bahn von PFFDie instrumentelle Nutzlast hätte nur ein Gewicht von 7 kg gehabt und war aus folgenden Experimenten zusammengesetzt:

Ziel war eine Passage der ersten Sonde innerhalb von 10000 km an Pluto, mit einer Relativgeschwindigkeit von 12-18 km/s. Die Passage der zweiten Sonde wäre abhängig von den Ergebnissen der ersten Sonde gewesen. Jede Sonde hätte über ein Jahr etwa 1 Gigabit an Daten zur Erde gesandt.

Die russische Kapsel sollte 32 Tage vor dem Vorbeiflug abgetrennt werden. Der nahe Vorbeiflug an Jupiter zur Kursänderung hätte eine Gesamtstrahlenbelastung von 22 krad erfordert, etwa ein Siebtel welches Galileo beim Einschwenken in den Orbit bekam.

Auch PFF wurde im Laufe der Planungen immer schwerer. 1994 war die Masse schon bei 182 kg, davon 158 kg Trockenmasse angekommen.

Pluto Kuiper Express

Die Raumsonde

PKE RisszeichnungPKE wurde zusammen mit den Raumsonden Solar Probe (Start auf unbestimmte Zeit verschoben), Europa Orbiter (Start geplant 2003-6, im Jahre 2002 eingestellt) entwickelt. Bestimmte Kernkomponenten waren bei allen drei Sonden identisch, wie der X2000 Sondenbus, die Elektronik, Batterie, Star Tracker Kameras, RTGs (Radioisotopen Thermoelement Generator als Stromquelle), Verbindungen zur Star 48 V Oberstufe, mit der alle drei Sonden gestartet werden sollten. Europa Orbiter und PKE hatten noch mehr Gemeinsamkeiten, da es beides Missionen ins äußere Sonnensystem waren. Lediglich Antriebmodul, Verkabelung und Instrumente waren beim PKE anders als beim Europa Orbiter. Das Gewicht der Sonde war nicht bekannt, es hätte aber in dem Bereich von max. 150 kg (Delta 3) bis 350 kg (Space Shuttle) je nach eingesetztem Trägersystem liegen müssen. Ein Draft ging von einer Trockenmasse von 223.5 kg aus.

Die Höhe der Sonde lag bei 2.0 m, der maximale Durchmesser ebenfalls bei 2.0 m. Die Sonden sollten den X2000 Bus verwenden. Der X2000 Bus mit der gesamten Elektronik hätte eine Masse von 52 kg, ein Volumen von 74 l und einen Stromverbrauch von 85 Watt besessen.

Ein einzelner RTG liefert die für den Betrieb notwendigen 100 Watt an Strom. Eine Studie ging von einem Strombedarf von 82.5 Watt bei Pluto ohne das Kommunikationssystem aus. Dies kann ein halber RTG des GPHS Typs wie er seit Galileo eingesetzt wird leisten (142 Watt Anfangsleistung, 104 Watt nach 11 Jahren). Andere Quellen sprechen von zwei AMTEC RTG mit einer Leistung von 185 Watt bei Pluto, entwickelt für den Europa Orbiter. Das Requirement sprach von einer maximalen Leistung von 130 Watt bei Pluto.

PKE Bild (1999)PKE verwendet eine 2 m durchmessende Hochgewinnantenne (HGA) mit einem 5 Watt oder alternativ mit einem 15 Watt Sender. Gesendet sollte bei 8.4 GHz werden und empfangen bei 7.1 GHz. Neben der HGA mit einem Gewinn von 42-44 dbi gab es auch eine Niedriggewinnantenne mit einem Gewinn von 6 dbi. Man wollte mit einem Ultrastabilen Oszillator auch bei der Passage das Trägersignal zur Erde senken um den Dopplereffekt von Pluto und Absorptionen durch die Atmosphäre zu vermessen. Die Datenrate von der Erde zur Sonde hätte bei Pluto 20 Bit/sec und von der Sonde zur Erde 340 Bit/sec betragen. Pro Jahr wären 2.2 GBit an Daten übertragen worden.

Die Lageregelung und Kurskorrektur sollte durch katalytische Zersetzung von Hydrazin erfolgen. Eine Gesamtgeschwindigkeitsänderung von 90 m/s war vorgesehen, 35 kg Hydrazin waren an Bord. Dafür gab es größere Düsen mit 22 N Schub. Kleinere Lageänderungen erfolgen durch Triebwerke mit 0.9 N Schub. Die Lage sollte durch Gyroskope, Startrackerkameras und Sonnensensoren als Backup bestimmt werden. Die HGA und Experimente sollten mit einer Genauigkeit von 5 mrad (0.3 Grad) ausgerichtet werden können. Über 1 Sekunde sollte die Position auf 0.05 mrad (10.3 Bogensekunden) genau gehalten werden. Die Sonde kann mit einer Geschwindigkeit von maximal 9 mrad/sec (0.51 Grad/sec) gedreht werden, entsprechend einer Rotation um 180 Grad in 349 Sekunden. Anders als die Nachfolgesonde New Horizons sollte Pluto Kuiper Express eine rein dreiachsenstabilisierte Raumsonde sein.

Pluto ExpressDer Computer hätte eine Geschwindigkeit von 100 MIPS (Mindestforderung 30 MIPS) gehabt, um Daten mit bis zu 100 MBit/sec auf einen 6 Gigabit großen Recorder aus Flash-RAM Bausteinen abzulegen. Er sollte 20.-50 mal schneller als Galileos Bordcomputer sein. Er bestand aus standardisierten Multi-Chip Modulen von 10 x 10 cm Größe-

Die unkomprimierte Übertragung des gesamten Inhalts hätte 205 Tage bei ununterbrochenem Funkkontakt gebraucht.

Die gesamten Instrumente befinden sich in einem nur 45 × 35 × 22.5 cm großen externen Packet, welche am Elektronikteil befestigt ist. Die Gesamtmasse beträgt 14 kg bei einem Stromverbrauch von maximal 7.5 Watt. Die Herausforderung war die geringe Sondenmasse. Um diese zu erreichen sollte die Raumsonde integral entwickelt werden. Bisher war es so, dass eine Raumsonde als Instrumententräger und die wissenschaftlichen Experimente getrennt entwickelt wurden. Die wissenschaftlichen Experimente besitzen eigene Elektronik und sind gewissermaßen die "Nutzlast" der Raumsonde. Um Gewicht zu sparen sollten nun Raumsonde und Instrumente zusammen möglichst viele Systeme gemeinsam nutzen, wie Stromwandler, Bordcomputer und Datenspeicher. Man sprach daher auch von einem "Science Craft" anstatt einem "Spacecraft",

Modell von Pluto ExpressDas Kameraexperiment sollte einen 1024 × 1024 Pixel CCD verwenden. Er war angeschlossen an ein 10 cm Teleskop mit einer Brennweite von 75-100 cm (Öffnungsverhältnis 1:7.5-10). Die Angaben über die Brennweite variieren hier nach Quelle. Bei einer Pixelgröße von 10 Mikrometer kann dieses Teleskop aus 75.000-100.000 km noch Details von 1 km/Pixel abbilden. (Zum Vergleich: Voyager 109.000 km, Cassini 166.000 km).

Ein Airglow UV Spektrometer hätte bei der Passage nur in einem kurzen Augenblick eingesetzt werden können: Wenn die Sonde von der Sonne aus gesehen hinter Pluto verschwindet und dann das Sonnenlicht die Atmosphäre durchdringt. Das Instrument hätte dann Spektren der Atmosphäre gemacht. Diese Methode ist sehr empfindlich und misst auch kleinste Teilchenkonzentrationen. Damit konnte schon von Mariner 10 die dünne Atmosphäre von Merkur untersucht werden. Das Gesichtsfeld des UV Spektrometers sollte 4 Grad betragen.

Anders als bei New Horizons waren keine Instrumente zur Detektion von Teilchen und Feldern vorgesehen.

Die Mission

Bahn von PKE durch das JupitersystemPKE wurde als Mission am 9.1.2000 beschlossen und erhielt die ersten Mittel für den Bau im Juli 2000. Es gab Startgelegenheiten im November 2003 und Dezember 2004. Am besten steht Jupiter bei einem Start im Dezember 2004. Er lenkt die Sonde um, macht aber keine nahe Passage (mit größerer Strahlenbelastung nötig). Wäre die Sonde im November 2003 gestartet, hätte sie sich bis auf 2 Jupiterradien Jupiter nähern müssen, um eine Flugzeit von 8 Jahren zu erreichen. Beim Start im Dezember 2004 reicht dazu eine Annäherung auf 8 Jupiterradien, da Jupiter die Bahn nicht so stark umlenken muss. Der Vorteil eines Starts im November 2003 liegt in der geringeren Startenergie, die eine 20% schwerere Sonde erlaubt. Nach 2004 nimmt die günstige Stellung wieder ab, weshalb New Horizons nicht 8 Jahre für den Flug braucht sondern 9.5 Jahre.

Träger Start 11/2003 Start 12/1004
Delta 3/Star 48V 200 kg 160 kg
Atlas 3A/Star 48V 310 kg 260 kg
Shuttle IUS/Star 48V 420 kg 350 kg

PKE sollte am 18.12.2004 starten und am 9.3.2006 Jupiter passieren. Gegenüber New Horizons musste man mit geringerer Antriebsenergie starten, weil man sich mehr Zeit zum Jupiter lassen konnte. PKE braucht 27 Monate zu Jupiter, New Horizons nur 14. Daher genügte eine kleinere Trägerrakete für PKE. Möglich wäre ein Start mit einer Delta 3 gewesen oder mit dem Space Shuttle (IUS/Star 48 V). In jedem Fall wäre eine Star 49 V Oberstufe eingesetzt worden. Dies ist eine leicht abgewandelte Version der PAM D Oberstufe. Sie hätte der Sonde die nötige Geschwindigkeit von 14.2 km/s gegeben, die nötig ist um Jupiter zu erreichen.

Die Bahn von PKE führt ihn wesentlich näher an Jupiter heran als New Horizons. Die links abgebildete Bahn zeigt dass der jupiternächste Punkt zwischen den Bahnen von Io und Europa liegt, etwa 500.000 km von Jupiter entfernt. In etwa dieser Distanz werden auch Io und Ganymed passiert, was globale Aufnahmen erlaubt. Kallisto wäre sogar in weniger 200.000 km Entfernung passiert worden, was Aufnahmen mit einer Auflösung von 2-3 km/Pixel erlaubt hätte.

Bahn von PKE bei PlutoPluto wäre am 24.12.2012 erreicht worden. Die minimale Distanz zu Pluto hätte 11308 km betragen und die zu Charon 26828 km. Der Vorbeiflug wäre bei einer Geschwindigkeit von 18.43 km/s erfolgt. Das Missionsende war für den 30.6.2014 festgelegt worden.

Man rechnete mit einer Beschleunigung der Sonde bei der Passage um 60 m/s. In etwa derselben Größenordnung (50-70 m/s) wäre eine Bahnänderung nötig, um ein Objekt der Kuiper Gürtels zu erforschen. Dessen Position müsste vor der Pluto Passage bekannt sein, da man da diese die Weichen für eine Änderung der Trajektorie um maximal 0.5 Grad stellt. Analysen ergaben im Vorfeld, dass mit ausreichender Sicherheit ein Objekt von maximal 400 km Größe nach der Plutopassage erreichbar ist.

Doch schon wenige Monate nach Projektbeginn wurde die Mission eingestellt: Weil sie zu teuer geworden wäre. Man schätzte, dass die Mission 800-1000 Millionen Dollar teuer geworden wäre, etwa das doppelte was die Mission hätte kosten dürfen.

Links:

Pluto Kuiper Express Daten vom NSSC

New Horizons Homepage

Geschichte der Pluto Projekte

New Horizons an der Uni in Boulder/Colorado


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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