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Uranus und Neptun sind mit der heutigen Technologie auf Basis von chemischen Treibstoffen schwer erreichbar, und Orbiter um diese Planeten sind zwar technisch möglich, aber äußerst riskant. Die Abbremsung mit einem chemischen Triebwerk alleine scheitert an dem hohen Treibstoffbedarf. Möglich erscheint heute nur ein "Aerocapture Manöver", bei dem die Raumsonde in die äußere Atmosphäre des Planeten eintritt. Das ist riskant. Zum einen wissen wir heute noch zu wenig über die Atmosphären von Uranus und Beptun, um die genaue Route festzulegen. Schließlcig geht es um nicht um die Abbremsung um 10 m/s wie sie bei den Marsorbitern beim Aerobraking üblich ist, sondern um mehrere Kilometer pro Sekunde - wird zu wwenig Energie vernichtet, so erreicht die Sonde keine Umlaufbahn. Bei zu viel ist sie zu niedrig und kann durch das anschließende Manöver zur anhebung der Bahn (sonst würde die Sonde nach einem halben Umlauf erneut in die Atmosphäre eintreten. Von der Belastung des nötigen Hitzeschutzschildes (die Energie liegt in der gelciehn Größenordnung wie bei einer rückkehr vom Erdorbit) ganz zu schweigen. Das Risiko, dass die sonde verglüht, die falsche Umlaufbahn erreicht ist hoch und das ganze Manöver ist auch noch unerprobt und sollte vielleicht zuerst mit einer Testsonde an Jupiter erprobt werden.
Daher sehe ich für beide äußere Planeten in den nächsten Jahrzehnten nru die Möglichkeit einer Erkundung durch Vorbeiflugsonde. Das ist natürlich bei den heutigen Kosten für eine solche Sonde nicht sher aktraktiv. Ih habe die Attraktivität durch eine Atmosphärenkapsel, die beim Abstieg die Atmosphäre untersuchen steigern. Weiterhin können diese Kapseln die nötigen Basisdaten gewinnen, die benötigt werden, wenn dann weitere Sonden die Aerocapturetechnik einsetzen.
Konzeption
Uranus und Neptun sind zwar mit den leistungsstärksten Trägerraketen auch ohne Fly-By erreichbar. Die Nutzlast kann jedoch beträchtlich gesteigert werden, wenn eine Raumsonde vorher Jupiter passiert. Zugleich steigerrt dies die Reisedauer. Die Umlaufdauer beider Planeten ist so lang, dass Startfenster von Ihnen praktisch von Jupiter bestimmt weerden und alle 12-13 Jahre vorliegen. Es gibt dann jeweils 4 Jahre in denen eine Raumsonde von Jupiter umgelegt werden kann, was einen komfortablen Planungshorizont ergibt, da eine Startverschiebung dann im nächsten Jahr nachgeholt werden kann.
Die Passage an Jupiter erlaubt als Nebeneffekt eine sehr ausgehende Studie dieses Planeten. Weiterhin bietet sich je nach Startfenster die Möglichkeit auch einen doer mehrere der galileischen Monde nahe zu passieren. Deren detaillierte fotografische Erkundung durch Galileo litt an der ausgefallenen HGA, wodurch nur wenige Bilder gewonnen wurden. Seitdem passierte keine raumsonde mehr einen der vier großen Jupitermonde nah. Die Möglichkeit vor allem die mittelauflösende Kartierung nachzuholen, die bei Galileo wegfiel ist dabei besonders hervorzuheben.
Startfenster
Es fehlt mir die Möglichkeit detaillierte Startfnester zu berechnen. Ich stütze mich daher auf einen Aufsatz über Vorbeiflugsonden zu Uranus bis Neptun von Longuski und Williams.Er untersuchte Fluggelegenheiten zwischen 1967 und 2037. Es gibt dabei auch zwei 3-Planeten Vorbeiflugmöglichkeiten:
| Zeitraum | Planeten | Reisezeit |
| 2016 - 2019 | Jupiter- Saturn - Neptun | 2500 Tage (7 Jahre) |
| 2021 - 2023 | Jupiter - Uranus - Neptun | 6500 Tage (18 Jahre) |
Die zweite Möglichleit mit einer Sonde alle drei Planeten zu besuchen würde ich wegen der langen Missionsdauer von 18 Jahren ausschließen. Doch auch so gibt es zwischen 2017 und 23 5 Gelegenheiten zu einer Jupiter-Uranus Mission mit Flugzeiten von 1600 bis 2300 Tagen (4,4 bis 6,3 Jahre). Drei Startgelegeneheiten zu einem Jupiter-Uramnus-Neptun rip, die es 2008 gab mit Flugzeiten zwischen 4500 und 5000 Jahren wurden leider verpasst.
Eine Nebenbedingung für alle Bahnen war eine Endgeschwindigkeit nach Verlassen der Erdgravitation von 12 km/s. Das entspricht 16,3 km/s. Damit ist die Nutzlast beschränkt. Die Atlas 551 mit einer PAM-D kann nur 690 kg auf eine solche Geschwindigkeit bringen. Daher habe ich noch eine zweite Möglichkeit eingeplant: Einen Erdvorbeiflug.
Die Raumsonde erreicht zuerst einen 149,5 x 473 Millionen km Orbit, für den eine Abfluggeschwindigkeit von 13,05 km/s nötig ist. Diese Bahn hat eine Umlaufszeit von 3 Jahren, führt also nach 3 Jahren zur erde zurück, wo dann rund 3,3 km/s addiert werden können. Da dies recht viel ist, gibt es als Alternative noch eine 149,5 x 604 Millionen km Bahn mit einer Startgeschwindigkeit von 13,58 km/s.
Aufbau der Atmosphärensonden
Für den Grundsätzlichen Aufbau kann die Galileo-Eintauchprobe verwendet werden. Die Geschwindigkeit beim Auftreffen auf die Atmosphäre ist allerdings geringer und liegt bei nur rund 29 km/s anstatt 48 km/s. Dadurch kann der Hitzeschutzschild kleiner ausfallen. Er machte bei Galileos Sonde mit 145 kg beim unteren Schild fast die Hälfte dr Sondemnmasse aus. Das eingesparte Gewicht kann leistungsfähigeren Instrumenten zugute kommen. Die Instrumente sollten, Druckprofil, Temperatur, Zusammensetzung der Atmosphäre messen, dazu kommen noch Untersuchungen der Winde, Strahlungsabgabe und Blitze.
Neu sollten drei Experimente sein, die vor dem Atmosphäreneintritt aktiv sind:
Magnetometer: Bestimmung des Magnetfeldes in der Nähe des Planeten: Die planetennahe Zone ist sonst wegen der Ringe kaum zugänglich.
Teilchenzähler: Beeinflussen die Ringe die Anazhl der elektrisch geladenen Teilchen? Aufrund der Gewichtsbeschränkungen kommt nur ein einfaches Onstrumente das Teilchenart und Energibereich groob bestimmen kann in Frage
Staubdetektor: Beide Planeten haben Ringe aus staub. Wie beeinflussen die die staubverteilung nahe des Planeten? Ein einfaches Instrument wie das auf New Horizonts sollte nur Teiclehngröße und energie bestimmen, aber keine Chemiwshce Analyse druchführen.
Kameras:
Dieses Experiment will ich erläutern. Die Verwendung einer Hochgewinnantenne beim Orbiter erlaubt es wesentlich höhere Datenraten zu übertragen als bei Galileo, dazu kommt eine niedrigere Distanz. Deis sollte auch ausgenutzt werden um Aufnahmen zu übermitteln. Zum einen von Uranus und Neptun vor dem Eintritt. Zum andern erlaubt der von der Haupstonde unterschiedliche Kurs es die Eintauchsonde an einem der anderen Monde nahe vorbeizuführen. Bei Uranus ist bedingt durch die Lage der Rotationsachse in der ekliptik nur einer der fünf Monde nahe passierbar. Bei Neptun gibt es neben Triton als Hauptziel noch Proteus als Mond von rund 200 km Größe als sekundäres Ziel.
Daher befinden sich an der seite der Kapsel (zwsichen vorderem und hinterem Schutzschild sechs Kameras dazu kommen weitere auf dem vorderen Schutzschild, die durch Kabel mit dem innern verbunden sind. Da die Kapsel ungesteuert ist, sind so viele Kameras notwwendig. Jede hat ein Blickfeld von 60 Grad (entspricht einem Normalobjektiv) udn daher sehr leicht. Es könnten Kosntruktionen wie die MARDI Kamera zum Einsatz kommen die nur 500 g wiegt. So decken die 5 Kameras im vorderen Teil die vorderen 180 Grad ab, dazu kommt ein Ringe an der Seite.
Jede ist verbunden mit einem KAF 16081 CCD Chip. Deiser Sensor hat 4096 x 4096 Pixel. Das entspricht einer Auflösung von 53 Bogensekunden. Die hohe Bildzahl ist notwendig um auch bei einem kleinen Blickwinkel eine mittelhohe Auflösung zu erreichen. Passiert die Sonde einen Mond in 10.000 km Entfernung so beträgt die Auflösung nur 2,6 km. Selbst Oberon und Titania als größte Uranusmonde haben dann nur einen Durchmesser von 600 Pixel, werden also nicht wesentlich besser als von Voyager abgebildet. Übertragen werden daher nur die Bereiche, auf der Mond erkennbar ist. Das kann eine Software licht feststellen, indem sie vor der Übertragung jeweils die erste/letzte Zeile und erste/letzte Spalte ermittelt in denen mehr als zwei Pixel nebeneinander einen bestimmten Helligkeitswert überschreiten.
Eine Alternative ist es wie in Digitalkameras ein Zoomobjektiv einzusetzen. Heutige Digitalkameras haben Zoomobjektive bis zum Faktor 21 bei einem Gewicht unter 0,5 kg. Der CCD Chip muss dann deutlich kleiner sein, da er erheblich lichtempfindlicher sein muss. Beim gängigen 1/1,8" Format ist ein Chip 7,2 x 5,3 mm groß. Bei 9 µm Pixelgröße sind dies 600 x 800 Pixel. Ein Zoomobjektiv mit dem Faktor 20 weist dann eine Auflösung von 13,5 Bogensekunden auf. Das sind 650 m aus 10.000 km Entfernung. Hier kommt außer dem motor für das Zoomobkjketiv noch ein zweiter hinzu, der das Objektiv dorthin dreht wo das Objekt sich befindet. In der Summe wird es aber dann mechanisch sehr aufwendig und anfällig. Daher habe ich mich für das Fixfokusobjektiv entschieden.
Die Datenrate beträgt bei einem 5 Watt Sender zu einer 4,6 m HGA noch 90 kbit (aus 100.000 km Entfernung). Bei Einsatz einer Mittelgewinnantenne mit 30 Grad Öffnungswinkel sind es noch 9 kbit/s. Feht man von einer Zwischenspeicherung von Bildern des Mondes an Bord aus und einer Sendedauer von 1 Stunde so ist bei einer JPEG-komprimierung von 1/10 und durchschnittlich 800 x 800 Pixel pro Bild aus, so können bei 9 kbit/s rund 63 und bei 90 Kbit rund 630 Bilder übertragbar. Ein Teil stammt vom Mond, ein Teil vom Planeten.
Vorbeiflugsonde
Es bietet sich an, eine schon bestehende Vorbeiflugsonde erneut zu verwenden um das Kostenrisiko zu begrenzen. Die einzige Sonde ins äußere Sonnensystem die in den letzten Jahren startete war New Horizons. Die einschränkungen die New Horizons hat sind:
- Beschränkte Datenrate durch kleine Sender und kleine Antenne
- wenige Instrumente
- Stromversorgung durch GPHS
Die GPHS sind recht teuer durch das benötigte Plutonium-238. Es gibt nun aber die Alternative in Form von Sterling-SRG. Ein SRG hat 110 Watt Leistung. Drei davon bieten eine Leistung von 110 Watt nach 14 Jahren und damit 50% mehr als der GPÜHs von New Horizons, Dabei benötigen sie nur 3,6 anstatt 9,7 kg Plutonium, da der Wirkunggrad erheblich höher ist. Damit steht die Leistung für weitere Instrumente zur Verfügung und einen stärkeren Sender.
Die Antenne sollte weheblich größer sein. Es bietet sich die entfaltbare 4,6 m Parabolantenne von Galileo (die wiederum auf den TDRS Antennen) zu verwenden. Zusammen mit ein2m 20 Watt Sender sollten so 40 kbit/s vom Uranus und 17 kbit/s aus Neptundistanz im X-Band möglich.
Der Großteil der Sonde kann sonst uncerändert übernommen werden. Da Wegen des Plasmaspektrometers ist eine Dreiachsenstabilisierung durch Drallräder wünschenswert, da dafür zahlreiche Drehungen der sonde nötig sind. Der eingesparte Treibstoff wird auch benötigt, da die sonde deutlich schwerer ist (höherer Treibstoffverbrauch) und zudem nach Abtrennung der Atmosphärensonde eine Abbremsung nötig ist. So kommt man mit den Tanks von New Horizons aus.
Nötig ist auch ein großer Datenspeicher, da die meisten Aufnahmen in nur wenigen Stunden und Tagen entstehen, die Sonden aber nach der Passage genügend viel Zeit haben noch weitere Daten zu übertragen. New Horizons wird sehcs Monate damit zubringen. Bei 8 Stunden Sendezeit pro Tag entspricht dies 58 Gbye aus Uranusentfernung. Daher plane ich den Einbau zweier 128 GByte SSD aus Flash-RAM (als RAID um die Daten redundant abzulegen).
eine bessere instrumentelle Ausrüstung ist notwendig. Um das Gewicht zu begrenzen, habe ich mich entschlossen die optischen Instrumente zusammenzufassen. Zentrales optisches Instrument ist ein 36 cm Cassegrain Teleskop mit 5400 mm Brennweite. Am Fokus befindet sich ein Drehspiegel, der das Bild in eines von zwei Instrumenten lenkt:
Eine Kamera mit vorgeschlatetem Filterrad und einem KAF6303 Xensor (3088 x 2056 Pixel). Die Auflösung beträgt 0,33 Bogensekunden. Neptun und Uranus sind in jeweils etwa 15 Millionen km Entfernung bildfüllend. Das ist etwa 12 Tage vor der Ankunft der Fall. Bisherige Vorbeiflugsonden begannen mit ihren Beobachtungen, wenn der Planet eine Größe von 200 Pixeln hatte, das ist dann in 150 Millionen km Entfernung, rund 12ß Tage vor der Ankunft der Fall. so resultiert so eine 3-4 Monate dauernde Beobachtungsperiode.
An der zweiten Position befindet sich ein Spalt und ein Gitter. Es spaltet das Spektrum auf. Dahinter befinden sich an den entsprechenden Positionen im Spektrum drei HgCdTe Sensoren: Einer für den Bereich von 1-2 µm Wellenlänge, einer für den Bereich von 3-5 und eienr für den Bereich von 8-12 µm. Eingesetzt werden sollten Sensoren wie vom Typ TCM 5504 von Teledyne/Rockwell. Bei einer Pixelgröße von 27 µm beträgt die Auflösung 1,03 Bogensekunden. Von den 640 x 480 Pixels wird die Hälfte genutzt um ein Spektrum zwischenzuspeichern, da der Chip dauernd dem Licht exponiert ist. So stehen 480 Pixel (Höhenauflösung) x 320 Pixel (Spektralauflösung) zur Verfügung. Das Gesichtsfeld beträgt dann 0,1275 Grad und Neptun/Uranus sind formatfüllend aus 21 Millionen km Entfernung, rund 17 Tage vor der Ankunft.
Ein zweiter wichtiger Punkt beider Riesenplaneten ist ihre Umgebung. Beide Planeten haben ein ausgedehntes Magnetfeld und einen Strahlungsgürtel. Die Mitführung eiens Magnetometers ist kein großes Problem. Es wiegt relativ wenig und liefert nur geringe Datenraten.
Hohe Datenraten, aber ein gerinegs Gewicht weist eine Petischenantenne für ein Radiowellen-Plasmawellenexperiment auf.
von den zahlreichen möglichen Instrumenten zur Detektion von Teilchen habe ich mich für ein abbildendes Instrument analog MMI auf Cassini entschieden.
Die gesamte Instrumentensuite könnte rund 50-60 kg wiegen.
Optionale Instrumente:
Ein UV-Spektrometer wäre für die Untersuchung des Randes der Atmosphäre und für die obere Atmosphäre interessant. Dort emittieren ionisierte Atome Strahlung bzw. absorbieren die solare Strahlung
Ein IR-Spektromer für den langwelligen Bereich erlaubt eine genauere Temperaturmessung und eine bessere Untersuchung der Atmosphäre im langwelligen Bereich.
Ein Staubdetektor
Bisher flogen Staubdetektoren an Bord von Cassini und Pioneer 10+11. Ein Instrument der einfachen Bauart ist an Bord von New Horizons unterwegs. Allerdings wird diese sonde bis zu Pluto vorwiegend im Schlafmodus sein. So gibt es praktisch keine Daten jenseits des Saturns über Staub im Sonnensystem. Zumindest nahe der Planeten dürfte die Umgebung sehr staubreich sein, da beide Planeten Ringsysteme aufweisen. Es ist daher auf der einen Seite wünschenswert den Staub zu bestimmen. Andererseits wird ein Großteil der Ereignisse auf den interplanetaren Staub entfallen und nur wenige Ereignisse auf die kurze Zeit der Planetenpassage. Daher wäre ein komplexerer Staubdetektor als auf den Atmosphäörensonden, der auch die chemische Zusammensetzung bestimme kann zwar interessant, aber er wäre nur kurz aktiv.
Mission
Nach einem Start von der Erde steht zuerst ein Checkout der Subsysteme der Sonde an. Danach wird diese über 3 Jahre in einen Schlafmodus geschickt um Missionskosten zu sparen. 3 Jahre nach dem Start passiert die Sonde erneut die Erde um Schwung zu holen. Dieser Vorbeiflug kann genutzt werden um die Instrumente zu testen und auch die Kommunikationsstratgeie also um die Daten schnell zu gewinnen und zuerst zwischenzuspeichern und dann zu übertragen. Als Ersatz für einen Mond kann dabei der erdmond dienen.
Viereinhalb Jahre nach dem Start passiert die Sonde den Jupiter. Jupiter ist aufgrund seiner Größe schon mehr als einen Monat vor dem Vorbeiflug bildfüllend. Wenn man das 200 Pixel Kriterium ansetzt so kann er schon ein Jahr vor dem Vorbeiflug beobachtet werden. Intensive Beobachtungen werden wohl 3-4 Monate vor und nach dem Vorbeiflug erfolgen. Jede Sonde sollte einen der gelileischen Monde genauer unteruchen. Besonders interessant sind Europa und Io. Zumindest letzterer wird nicht Ziel eines Orbiters sein, weil er zu nahe am Planeten ist. Ob ein Europaorbiter kommt, der schon lange geplant ist, dürfte auch offen sein. Bedingt durch die hohe Vergrößerung des Teleskops sind aber selbst aus 1,5 Millionen km Entfernung noch formatfüllende Aufnahmen von Kallisto und Ganymed möglich. Bei Passsagedistanzen von 200.000 bis 300.000 km, wie sie bei Voyger auftreten, sind Aufnahmen mit 0,5 km Auflösung möglich, besser als die besten Aufnahmen von Voyager und besser als die globalen Aufnahmen von Galileo.
Auch hier werden zahlreiche Daten zuerst zwischengespeichert und dann später übertragen.
Währned des Flugs zum Uranus und Neptun befindet sich die Sonde in einem Semi-Schlafmodus: Die Plasma- und Staubdetektoren und Magnetometer sind aktiv, zeichnen Daten auf und speichern sie lokal ab. Einmal pro Woche wacht die Sonde auf, überträgt die Daten zur Erde und macht eine 360 Graddrehung um die Plasmawellen und Radioelwellen der umgebung aufzuzeichenn und überträgt auch diese Daten. Dies minimiert die Missionskosten
Etwa 3-4 Monate vor dem Vorbeiflug beginnt dann die Observation des Zielplaneten. Mindestens einen Monat vor der Passage muss die Atmosphörenkapsel abgetrennt werden. Danach bremst die Raumsonde um 30 m/s ab um zum einen die Distanz zu vergrößern und zum anderen nicht auf dem Planeten aufzuschlagen. Es glt dabei die Stratgeie zu optimieren. Eine nahe Passage am Plameten (z.B. im Bereich von 5000 bis 10000 km) erhöht die Datenrate durch eine niedrige Distanz zur Atmosphörensonde. Sie gerät aber dann auch schneller aus dem Empfangsbereich. Galileos Eintauchkapsel überlebte rund 60 Minuten in der Atmosphäre. Mit Unsicherheiten sollte die Hauptsonde mindestens 75 Minuten lang die Daten von der Eintauchseonde empfangen können.
Der Kurs der eintauchsonde sollte so gewählt sein, dass ein Mond in naher Distanz passiert wird (idealerweise in einem Abstand von 1000 bis 10.000 km). Bei Uranus können dies Ariel und Miranda sein. Beim Neptun wahrscheinlich Proteus. Die Hauptsonde kann dann einen zweiten Mond in naher Distanz passieren. Bei Neptun ist dies Triton, ein anderes Ziel gibt es nicht. Das macht auch eine sehr nahe Passage von Neptun notwendig, da dessen Umlaufbahn stark geneeigt ist und der Planet damit die Sonde aus der Ekliptik herauslenken muss. Bei Uranus stehen alle größeren Monde zur Auswahl. Ich würde die Wahl auf die beiden von Voyager nur in großer Distanz passierten Monde Titania oder Oberon fällen. Dank der hochaufllösenden Kamera sind bis in 600.000 km Erntfernung Aufnahmen mit einer Auflösung von 1 km/Pixel möglich.
Beginnend ab dem Zeitpunkt wo der Planet das Blickfeld ausfüllt wird begonnen die Daten auf die SSD zwischenzuspeichern. Es werden mehr und mehr. Von der Mondpassage werden die meisten Daten zwischengespeichert. Nedingt durchd as unetrschiedliche Datenvolumen wird das IR-Spektrometer am meisten Platz benötigen. Es folgt dann die Kamera und die Plasmaantenne. Entfallen 25% des Datenvolumens auf die Kamera, so sind dies bei Uranus 16.000 Bilder. Bei Neptun etwa 7.000 Bilder. (bei einer Kompression von 1:10). Die gesamte Datenmenge, die auch noch die Daten die liefe 3-4 monate vor dem vorbeiflug und danach dürfte ungefähr doppelt so hoch sein.
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