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Die Psyche Raumsonde

Psyche künstlerische abbildungPsyche ist zusammen mit Lucy die bisher letzte Mission der NASA zu Asteroiden. Da dieser auch Psyche heißt verwende ich in diesem Dokument zur Unterscheidung für den Asteroiden seine komplette Bezeichnung "(16) Psyche". Die Nummer in Klammern gibt die Nummer des Asteroiden nach Namensgebung an, sie wird seit dem ersten hochgezählt. Die permanente Nummer erhalten nur Asteroiden, deren Orbit durch Beobachtungen vollständig bekannt ist. Das waren bis 2019 rund 10.000 Objekte.

Einleitung

Seit Mitte der Neunziger Jahre gab es einige Missionen zu den Kleinplaneten. Es begann mit Near welche den erdnahen Kleinplaneten Eros ein Jahr lang umkreiste. Ein Jahrzehnt später folgte Dawn, welche die beiden Hauptgürtelasteroiden Ceres und Vesta erforschte. Wiederum ein Jahrzehnt später entnahm OSIRIS-Rex die ersten Bodenproben (für die NASA, Japans Raumfahrtagentur JAXA schaffte dies schon vorher mit Hayabusa 1 und Hayabusa 2, nachdem es bei Hayabusa 1 nur wenige Proben gab) eines Planetoiden und die letzten drei genehmigten Discoverymissionen, die auch alle um 2021/22 herum starten haben alle Asteroiden als Ziele: DART wird auf einem Trabanten des Planetoiden Didymos einschlagen. Lucy wird bis zu acht Kleinplaneten der Trojanergruppe in Jupiterentfernung besuchen und Psyche eben den gleichnamigen Asteroiden des Hauptgürtels.

Zahlreiche andere Asteroiden wurden im Vorbeigehen zumindest abgelichtet, wenn auch nicht detailliert untersucht. Der erste (Gaspra) wurde schon von Galileo in den frühen Neunzigern (29.10.1991) erkundet.

Noch eine Bemerkung: ich verwende in diesem Artikel beide gängigen Bezeichnungen "Asteroiden" und "Planetoiden". "Asteroiden" ist die gängige Bezeichnung für alle Körper, welche die Sonne umkreisen und kleiner als ein Zwergplanet sind. Die Bezeichnung ist aber alt und die wörtliche Übersetzung "sternähnlich" gibt deren Natur nicht wieder. Sie ist vielmehr darauf zurückzuführen, dass die Körper so klein sind, das man bis vor wenigen Jahrzehnten sie nicht in einem Teleskop auflösen konnte und sie so anders als Planeten nur ein Punkt waren wie ein Stern. "Planetoiden", also "planetenähnlich" trifft die Sache schon eher. Im Prinzip sind Planetoiden Körper, die von der Planetenentstehung übrig blieben und die aus verschiedensten Gründen nicht in einem der Planeten aufgingen. Die offizielle und aussagekräftigere Bezeichnung "small solar system body" ist im Deutschen nicht gängig, die deutsche Bezeichnung "Kleinplaneten" ist eine starke Verkürzung des offiziellen Begriffs. Unter einem Meteorit versteht man einen kleinen Körper der auf der Erde einschlägt. Der Meteor ist die Leuchtspur eines solchen Körpers beim Passieren der Atmosphäre. Ganz kleine Körper die nur kurz aufleuchten (typischerweise von Staubkorngröße bis maximal einige Zentimeter) nennt man Sternschnuppen.

Bilder des VLT von (16) PsycheDie Vielzahl der bisher erfolgten Missionen zeigt zum einen verschiedene Aufgabenstellungen, wie Orbit um einen Körper, Probenentnahme oder Aufschlag. Es sind aber auch verschiedene Klassen an Kleinplaneten, die besucht werden. Am häufigsten natürlich erdnahe Körper, die am schnellsten und mit dem geringsten Aufwand erreichbar sind. Diese sind aber klein, maximal einige Kilometer groß. Psyche besucht erneut einen Hauptkörperasteroiden. Dieser Gürtel enthält die meisten Planetoiden, die aus Gestein bestehen und auch größere Körper. Der Asteroid (16) Psyche hat einen Durchmesser von über 200 km und wurde aufgrund ihrer Größe auch schon früh, 1852, entdeckt und ist der 16.te bekannte Asteroid. Noch weiter draußen im Sonnensystem befinden sich die Trojaner die Jupiter besucht und von denen man annimmt das sie aus einer Mischung von Eis und Stein bestehen. Die Kuiper-Gürtel Objekte, die sich jenseits der Umlaufbahn von Pluto befinden, bestehen nur aus Eis. Bislang wurde nur eines dieser Objekte im Vorbeiflug von New Horizons abgelichtet. Der zweite Grund ist, dass die erdnahen Kleinplaneten eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Man weiß das zum einen durch geborgene Meteorite, zum anderen durch Teleskopbeobachtungen. (16) Psyche gehört zu einer Klasse, die sehr selten ist, den metallhaltigen oder M-Asteroiden. Sie enthält größere Mengen an Eisen und Nickel. Das war auch der Grund, warum (16) Psyche als Beobachtungsobjekt selektiert wurde.

(16) Psyche hat eine Bahn mit einer Halbachse von 2,926 AE (Astronomische Einheit, 1 AE ist der mittlere Erdbahnradius, rund 149,6 Millionen km) und eine Exzentrizität von 0,1349, sie kommt der Sonne also bis auf 2,531 AE nahe und entfernt sich bis auf 3,320 AE von der Sonne. Für die Mission der Raumsonde Psyche auch wichtig ist die geringe Bahnneigung von nur 3,1 Grad. Der Asteroid ist nach Teleskopbeobachtungen kartoffelartig mit Dimensionen von ~ 240 × 185 × 145 km. Die Dichte von (16) Psyche wird sehr hoch angenommen zwischen 6,5 und 7,6 kg/l. Damit würde er fast aus reinem Eisen bestehen (Dichte 7,874 kg/l).

Geschichte

2011 begann das Team das Konzept der Mission auszuarbeiten. In der NASA gibt es regelmäßig Ausschreibungen für neue Missionen, je nach zu erwartendem Kostenrahmen als Discovery Class Mission oder New Frontier Mission. 2014 beginnt das Team das erste Proposal, also Vorschlag für die Mission zu schreiben.

Schließlich bewerben sie sich für die Discovery Ausschreibung und vom September 2015 bis Herbst 2016 wird der Vorschlag weiter vertieft. Die NASA erhält sehr viele Vorschläge für Missionen und sichtet diese. Missionen die sich für umsetzbar und finanziell durchführbar hält bekommen, dann weitere Gelder, in denen die Teams ihr Konzept vertiefen können. Dabei entsteht durch ein großes Team aus Wissenschaftlern, Ingenieuren und Projektmanagern ein 1.000 Seiten dickes Dokument das bei einem Besuch von 30 NASA Verantwortlichen bei Maxar, dem späteren Hersteller der Sonde präsentiert wird.

Psyche wurde im Januar 2017 zusammen mit der Mission Lucy als Discovery Mission #14 selektiert. Das war gleichzeitig der Abschluss der Phase A eines Raumfahrtprogramms, die Konzeptphase.

Es folgte von Januar 2017 bis Mai 2019 die Phase B, die Designphase die mit dem Preliminary design review endet, einer Überprüfung, ob das Design auch so im Kostenrahmen umsetzbar ist.

Im Mai 2019 ging es dann an die Phase C, die eigentliche Entwicklung und den Bau. Seitens der NASA vor allem der Instrumente. Dies wurde im Januar 2021 abgeschlossen.

Im Januar 2021 trat dann das Raumfahrtprojekt in die letzte Phase ein: Endzusammenbau und Tests, Start und Betrieb, die Phase D. Dazu wurde die von Maxar gebaute Raumsonde zum JPL nach Kalifornien verschifft, wo die Instrumente eingebaut wurden. Ebenfalls wurden nun die Teile integriert die vom JPL stammten wie der Bordcomputer und die Software aufgespielt.

Die letzte Phase vor dem Start endete im Mai 2021 mit dem Operation Readiness Review. Dabei wird überprüft ob auch die Software fertig ist, das Personal geschult ist, die Prozeduren, also Vorgehensweisen sitzen und danach wurde Psyche zum Startplatz verschifft.

Bahn 2022Die Bahn zu (16) Psyche

Eine Besonderheit von Ionentriebwerken ist das bedingt durch die langen Brennzeiten die üblichen "idealen" Startfenster an Bedeutung verlieren. Wichtig ist nur das die Raumsonde in der zur Verfügung stehenden Zeit ihr Ziel erreicht. Bei Psyche gab es aber einen Punkt der fix war. In allen Vorschlägen war ein Marsvorbeiflug vorgesehen der bei allen Starts im Mai 2023 stattfand. Er addiert Geschwindigkeit, sodass die Ionentriebwerke weniger Geschwindigkeit aufbringen müssen.

Der Vorschlag basierte auf dem Start mit einer Atlas V 411 für die Berechnung der Nutzlast vor. Im Proposal sah das Team einen Start zwischen dem November 21 und 10. Dezember 2020 vor. Als Backup für dieses Startfenster gab es einen Start vom 1 bis 20. August 2021, der geringere Geschwindigkeitsanforderungen hatte und trotzdem fast dasselbe Ankunftsdatum. Die NASA wählte diesen Starttermin im August 2021.

Doch das Team fand, dass ein Jahr später, 2022 ein noch günstiges Startdatum bot, das die Reisezeit reduziert. Dieses wurde nun angestrebt. Ein Backup-Startfenster gibt es 2024. Als Folge müssen die Ionentriebwerke aber in noch größerer Distanz arbeiten, sodass man fünf Paneele benötigte anstatt vier bei den Startmöglichkeiten 2020 und 2021.

Starttermin

21.11.2020 - 10.12.2020

1 - 20.8.2021

1 - 20.8.2022

18 - 27.8.2024

Vorbeiflüge an

Mars, 10.5.2023 in 500 km Distanz

Erde am 3.8.2022 in 14.282 - 25.074 km Distanz

Mars am 7.5.2023 in 500 km Distanz

Mars am 24.5.2023 in 500 km Distanz

Mars in 500-973 km Distanz

Dauer

5,3 Jahre

4,4 Jahre

3,6 Jahre

5,1 Jahre

Ankunft

1.1.2026

26.1.2026

Januar 2026

Dezember 2029

C3

16,8 km²/s²

14,8 km²/s²

14,5 km²/s²

13,6 km²/s²

Ankunftsmasse bei Psyche

1.946 kg

1.790 kg

1.965 kg

2.020 kg

Benötigter Treibstoff:

915 kg

935 kg

915 kg

915 kg

Benötigte Solarpaneele

4

4

5

5

Das 2022 Startfenster ist von der Reisezeit her das günstigste, allerdings liegt das nächste, wenn dieses verpasst wird, dann erst 2024 und der Flug dauert ebenfalls 1,5 Jahre länger. Trotzdem entschied sich die NASA für das 2022 Startfenster, auch um Verzögerungen durch die Covid-19 Pandemie abzufangen.

RaumsondeDie Raumsonde

Psyche verwendet einen kommerziellen "Bus", das ist im Prinzip ein modular aufgebauter Satellit der verschiedenen Anforderungen angepasst werden kann. Gewählt wurde der SSL 1300 Bus von der Firma SSL, da ein wesentliches Element der Ionenantrieb ist und SSL über zehn Jahre Erfahrung beim Einsatz dieser Triebwerke in Satelliten hat. Es gab aber Änderungen. Sie erfolgten aus der Auslegung des Busses für Kommunikationssatelliten und den davon abweichenden Anforderungen für die Raumsonde.. Der Bus ist normalerweise ausgerichtet eine Kommunikationsnutzlast von bis zu 1.100 kg Gewicht zu tragen, dazu kommen über 2 t chemischer Treibstoff. Hier sind es nur 70 kg Instrumente dafür aber 1 t Arbeitsgas für die Ionentriebwerke. Es muss weniger Abwärme abgeführt werden, dafür arbeitet die Raumsonde in viel größerer Entfernung von der Sonne als ein Satellit. Der Bus wiegt leer unter 1.400 kg. Gebaut wurde die Sonde dann von Maxar, nachdem diese SSL übernommen hatten. Der SSL-1300 Bus ist ausgelegt für eine Gesamtmasse von bis zu 5.500 kg Gewicht und passt in eine 4 m Nutzlastverkleidung.

Avionik

Die Avionik kommt dagegen vom JPL und wird als Psyche Compute Element (PCE) bezeichnet. Die PCE basiert auf dem RAD750 PowerPC Prozessor, der redundant vorhanden ist. 4 GB Flashspeicher dienen als nichtflüchtiger Speicher. Der RAD750 wurde 2002 vorgestellt und basiert auf dem IBM Power PC Prozessor, er hat in etwa die Leistung eines Pentium II mit 200 bis 266 MHz entspricht also dem Stand eines PC Ende der Neunziger Jahre. Die NASA setzt ihn seit 2005 ein, es gibt inzwischen einen Nachfolger den RAD5500. Das Betriebssystem ist Green Hills Software INTEGRITY Real Time Operating System (RTOS). Für die Steuerung der Ionentriebwerke gibt es eine Schnittstelle zwischen dem sonst für Datenübertragungen genutzten seriellen RS-485 Bus. Für die Schnittstelle zu den Startrackern und der IMU wird der inzwischen veraltete 1553 Bus genutzt.

Die Software basiert auf den Erfahrungen von Dawn bei ähnlicher Mission und ähnlich langen Lichtlaufzeiten. Sie soll mehr Autonomie besitzen als bei bisherigen Missionen. Während des Wegs zu Psyche werden die Aufgaben in Vierwochen-Blöcken zusammengefasst und dann von der Raumsonde autonom durchgeführt. Die Entwicklung erfolgt auch immer im 4 Wochen Zyklus basierend auf den Ergebnissen der gerade erhaltenen Daten.

Die Avionik ist redundant vorhanden, jedoch nur ein Rechner ist aktiv. Eine Schaltung in der Power Distribution Assembly (PDA) erkennt einen Ausfall des primären Bordcomputers und schaltet dann auf den zweiten Prozessor um. Während dieser hochfährt, wird die Raumsonde in einen sicheren Zustand gebracht, so werden alle Systeme welche die Lage ändern, deaktiviert.

Bedingt durch die langen Funklaufzeiten von bis zu 30 Minuten und dem Unterbrechen der Funkverbindung, wenn Psyche von der Erde hinter der Sonne ist, wurde die Avionik mit einem hohen Grad an Autonomie versehen. Sie kann bis zu 28 Tage ohne Kontakt zu einer Bodenstation arbeiten. Das reduziert natürlich auch die Kosten für die Missionsüberwachung,

Stromversorgung

Die Solarzellenflächen stammen vom SSL-Bus. Es sind zwei Ausleger mit je fünf Paneelen in Anordnung einer "5" auf dem Würfel. Pro Einzelpaneel gibt es 65 Stränge mit je 35 Zellen die jeweils ein halbes Wafer (27,55 cm²) groß sind. Zusammen sind dies 22.760 Zellen.

Die Solarzellen liefern 19,2 kW Leistung beim Start und noch mindestens 2.4 kW in maximaler Sonnenentfernung von 3,3 AE. Bis zu einer Distanz von 2,1 AE, das ist jenseits der Umlaufbahn von Mars, liefern sie mehr Leistung als Psyche benötigt. Insgesamt haben die Paneele eine Fläche von 75 m². Die Solarzellen aus drei Schichten haben eine Maximaleffizienz von 29,2 Prozent. Geplant waren ursprünglich vier Paneele, doch beim Suchen nach schnelleren Routen wurde klar, das beim 2022-er Startfenster mit fünf Paneelen die Sonde deutlich schneller beim Asteroiden Psyche ist. Die Solarzellen liefern zu Missionsbeginn nur 60 V Spannung, sie erreicht durch Abkühlung der Zellen mit steigender Entfernung die Norm von 100 V. Man hat dieses Manko in Kauf genommen, weil selbst die Verluste für das Hochwandeln der Spannung angesichts zig Kilowatt überschüssiger Energie tolerierbar sind. Ebenso steigt der Wirkungsgrad mit steigender Entfernung an, da die Zellen dann kühler sind. Die 100 V primäre Bordspannung werden dann für einige Bauteile wie Experimente in eine regulierte 32 V Spannung transformiert. Eine Lithiumionenbatterie steht als Reserve für die Fälle zur Verfügung, in denen die Solarzellen keinen Strom liefern. Die Lithiumionenbatterie aus 13 Zellen ist qualifiziert bis zu einer Stromentnahme auf 20 Prozent ohne Verluste in der Kapazität. Bei der nominellen Mission wird sie aber nie unter 43 Prozent entladen werden. Die JPL-Richtlinien sehen ein Minimum von 30 Prozent als Sicherheitsreserve vor.

Parameter Stromerzeugung

Wert

Paneele:

2 × 5

Gesamtfläche:

75 m²

Belegte Fläche:

62,6 m²

Zellen:

SolAero ZTJ triple junction zu je 27,55 cm²

Leistung bei Missionsbeginn:

> 21 kW

Maximal nutzbare Leistung:

9,5 kW

Leistung in maximaler Distanz (3,33 AE)

2,3 kW

Effizienz:

29,5 % BOL

Stromüberschuss für den Bus:

10 Prozent

Batterie:

Li-Ionen, 7.710 Wh Kapazität, Spannung zwischen 35,6 und 54,2 V

Ionenantrieb

Die Ionentriebwerke SPT-140 stammen ursprünglich aus Russland, wurden aber inzwischen in den USA ausführlich getestet und mittlerweile in Lizenz gefertigt. Die Wahl fiel auf sie, weil SSL die kleineren Modelle vom Typ SPT-100 schon für ihre Satelliten einsetzte. Das SPT-140 Triebwerk ist ein Hall-Effekt Thruster, das heißt die Ionisation des Arbeitsgases Xenon erfolgt durch den Hall-Effekt. Der spezifische Impuls ist mit maximal 17.160 m/s gering, ebenso die Effizienz des Triebwerks mit 46 Prozent beim Nennarbeitspunkt (3,400 kW Leistungsausnahme, 187 mN Schub, bei einem spezifischen Impuls von 16.840 m/s). Der niedrige spezifische Impuls bedeutet das relativ viel Xenon benötigt wird, aber die Reisedauer verkürzt wird. Psyche hat 1.064 bis 1.085 kg Xenon in sieben 82 l Tanks an Bord. 922 kg werden während der nominellen Mission benötigt. Vier Triebwerke werden eingesetzt. Benötigt werden für die mission drei, doch leidglich eines ist immer aktiv. Es ist die Lebensdauer eines Triebwerks kleiner als die Gesamtbetriebszeit, sodass zwei als Reservetriebwerke gedacht sind. Der nominelle Strombedarf von 4,5 kW lässt den Schluss zu, dass jeweils nur ein Triebwerk betrieben wird. Tests erfolgten aber mit bis zu 5,5 kW Leistung. Der spezifische Impuls nimmt mit steigender Leistung beim SPT-140 zu. Das SPT-140 wurde von der NASA einer Qualifikation unterzogen, in dem es 10.371 Stunden lief, dabei 500 kg Treibstoff verbrauchte und einen Gesamtimpuls von 8,79 MN erzeugte (entsprechend einem mittleren spezifischen Impuls von 17.560 m/s). Das war 160 % der Designanforderung. Ebenso ist die Power-Prozessing Unit (PPU) doppelt vorhanden, welche die für die Ionentriebwerke benötigte Hochspannung von 300 V aus dem Bordnetz generiert.

Es werden 140 bis 160 kg mehr Arbeitsgas zugeladen, da man nach dem Festlegen der Anforderungen noch von einem Bedarf von 1.030 kg Treibstoff ausging. Weiterhin ist ein kleiner Rest nicht nutzbar. Für das gewählte Startfenster und nach den Ergebnissen der Tests geht man inzwischen aber von 922 kg aus. Mit 100 kg Treibstoff könnte die Sonde ihre Geschwindigkeit um 800 bis 900 m/s ändern, das ist ein sehr großes Polster für eine verlängerte Mission bei Psyche oder eventuell genug um einen weiteren Planetoiden zu besuchen.SPT-140

Parameter Ionenantrieb

Wert

Anzahl Triebwerke:

5 × SPT-140

Leistungsbedarf:

0,9 bis 4,5 kW

Schub:

186 mN bei 3400 Watt Leistungsaufnahme

Spezifischer Impuls:

Spezifischer Impuls 16.840 m/s @ 3400 Watt

Elektrische Effizienz:

46 % bei 3400 Watt, 55 % bei 5000 Watt

Ausgangsdruck Xenon-Druckgastanks:

323 Bar

Anzahl Tanks:

7 × 82 l, zusammen maximal 1.085 kg Xenon

Xenon Reserve:

4 %

Stromreserve für Ionentriebwerke:

5 %

Kaltgassystem

Psyche ist die erste Raumsonde, die nur Ionentriebwerke für den Antrieb einsetzt. Vorher hatten andere Missionen die auch Ionentriebwerke einsetzten noch zusätzlich Triebwerke mit chemischem Treibstoff an Bord. Selbst kleine Triebwerke von 12 bis 20 N Schub haben aber den hundertfachen Schub eines Ionentriebwerks und vereinfachen bestimmte Dinge wie das Einschwenken in eine erste Umlaufbahn bedeutend, da sie viel schneller die Restgeschwindigkeit abbauen können. Ganz ohne einen schubkräftigen Antrieb kam man aber nicht aus und so setzt Psyche noch zusätzlich einige Kaltgastriebwerke ein, die Stickstoff aus einer Druckgasflasche expandieren. Das Kaltgassystem dient neben einigen Manövern, wo hoher Schub benötigt wird, vor allem als Reserve, für den Fall das die Solarzellen nicht richtig ausgerichtet sind bzw. zu wenig Leistung liefern sowie für die erste Zeit nach dem Start bis sie entfaltet sind. Schließlich wurden 10 Triebwerke installiert. Dafür wurden drei weitere 82 l Flaschen benötigt. Ursprünglich war geplant, dafür das Xenon zu nutzen, doch diese Lösung hat vor allem bei Ankunft bei (16) Psyche wo die Tanks schon weitestgehend leer sind, zu wenig Schub.

Parameter Kaltgassystem

Wert

Zuladung an Stickstoff:

45,9 kg

Nominell benötigt:

12,5 kg

Schub:

0,5 N bei vollem Tank, > 0,25 N bei Ende der Mission

Spezifischer Impuls:

680 m/s

Ausgangsdruck:

186 Bar

Anzahl Tanks:

3 × 82 l

Lagefeststellung und Änderung

Die SPT-140 sind nur für den Antrieb gedacht. Für die immer wieder vorkommenden Lageänderungen der Sonde werden vier Reaktionsschwungräder eingesetzt die in einer dreieckigen Pyramide angeordnet sind. Benötigt werden drei Schwungräder. Das vierte kann so gedreht werden, das es einen Ausfall jedes anderen Schwungrads auffangen kann. Psyche ist dreiachsenstabilisiert. Die Lage im Raum wird durch Startracker, Sonnensensoren und Laser-Ringkreisel als Inertialsystem festgestellt.

KommunikationAnsicht der HGA

Neben dem Technologieexperiment DSOC das auch Daten sendet, erfolgt die Datenübertragung in der Regel mit einem 100-W Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA). Er sendet die Daten mit maximal 180 kbit/s über eine parabolische Hochgewinnantenne (High Gain Antenna, HGA) mit 2 m Durchmesser auf der Oberseite des Busses. Die Antenne stammt von Maxar und basiert auf den Antennen von Kommunikationssatelliten.Verwendet wird das X-Band. Für Notfälle und frühe Missionsphasen, in denen die Hauptantenne noch nicht ausgerichtet ist, gibt es drei omnidirektionale Niedriggewinnantennen (LGA: Low Gain Antenna), die jeweils aus einem Halbkreis Signale empfangen können und daher nicht ausrichtet werden müssen.

Parameter

Wert

Durchmesser HGA

2 m

Sendeleistung HGA

100 Watt

Datenrate:

180 kbit/s Downlink @ 4 AE Distanz
2 kbit/s Uplink @ 4 AE Distanz

LGA:

Min. 10 bit/s bei 4 AE Distanz

Sendeband:

X-Band, 72 GHz Uplink, 8,4 GHz Downlink

Thermalmanagement

Überarbeitet musste das Thermalmanagement werden, da der SSL 1300 Bus normalerweise die Abwärme einer Kommunikationsnutzlast von etwa 8 kW abführen muss. Diese fällt weg. Dagegen entfernt sich Psyche bis auf 3,3 AE von der Sonne und kühlt daher viel stärker aus. Die Positionierung von verspiegelten Flächen zur Minimierung der aufgenommenen Strahlung und Louver (Jalousien zur Abgabe von Wärme nach außen). Für das DSOC Experiment wurde eine eigene Kältezone installiert an die die Heatpipes für das Umverteilen der Abwärme nicht heranreichen.

Gesamtübersicht:

Parameter

Wert

Startmasse:

~ 2.800 kg

Trockenmasse

< 1.400 kg Bus, ~ 1.650 kg gesamt

Ankunftsmasse bei (16) Psyche

~ 1.946 kg

Arbeitsgase:

1.085 kg Xenon
45,9 kg Stickstoff

Abmessungen Bus

3,1 m Höhe × 2,40 m Breite × 2,40 m Tiefe

Abmessungen Flugkonfiguration:

7,5 m Höhe × 24 m Spannweite

Sendesystem:

2 m HGA mit 100 W Sender im X-Band, maximal 180 kbit/s bei (16) Psyche.

Experimente

Für die Startmasse von 2.800 kg trägt Psyche mit drei Experimenten und einer Gesamtmasse von 30 bis 70 kg (je nach Quelle) relativ wenig Instrumente. Die Auswahl erinnert an Dawn, ebenfalls eine Raumsonde zu Asteroiden. Wie bei dieser gibt es eine Kamera (doppelt) und einen kombinierten Gammastrahlen/Neutronensensor. Nur trägt Psyche wegen des erwarteten Metallanteils noch ein Magnetometer, während Dawn noch ein Spektrometer als dritter Instrument hatte.

Psyche Multispectral Imager (PMI)

Zwei identische Kameras an der X-Unterseite bilden das abbildende System von Psyche. Sie schauen auf den Nadirpunkt, also den direkten Punkt Sonne-Raumsonde-Asteroidenoberfläche. Es sind Kameras mit mittlerer Brennweite. Jede hat ein Filterrad mit neun Positionen. Damit sind Aufnahmen in verschiedenen Spektralbereich möglich, was das Fehlen eines Spektrometer etwas kompensiert. Fünf Filter suchen nach auffälligen Mineralien, indem sie um deren Absorptionsbereich zentriert sind. Farbaufnahmen entstehen durch Kombination dreier Filter, was angesichts der Nutzung von Sensoren mit RGB-Pattern heute eher seltener ist.

Das Teleskop ist eine Modifikation des Instruments des Mars Climate Orbiters MARCI Kamera, die Sensorköpfe mit CCD-Sensoren und Elektronik stammen von den Mastcam/Mastcam-Z der Mars Rover Curiosity und Perseverance.

Die Kamera ist relativ einfach aufgebaut und entspricht durch die Übernahme von Komponenten früherer Kameras von Marsraumsonden nicht dem aktuellen Stand der Technik. Neuere Raumsonden der USA wie DART oder die Parker Solar Probe haben schon Sensoren mit 4 bis 5 Mpixeln. Ebenso verwundert das man nicht bei zwei Kameras die Filterräder unterschiedlich bestückt hat, das würde eine bessere Charakterisierung der Oberfläche erlauben. Da es nur ein Kameratyp ist - es gibt auch das Konzept einer Kamera mit einem großen und einer zweiten mit einem kleineren Gesichtsfeld - muss Psyche für Detailaufnahmen ihren Orbit absenken um näher an den Asteroiden heranzukommen.PMI

Parameter

Wert

Teleskop

148 mm Maksutov Teleskop f/1.8 (Öffnung 82 mm)

Gesichtsfeld

4,6 × 3,4 Grad

Sensor:

KAF2020 CCD, 1.600 × 1.200 Pixel, 7,4 µm/Pixel

Auflösung:

0,05 mRad/Pixel, 10 m/Pixel aus 200 km Distanz

Filter:

Parameter

Wert

Zweck

Klarfilter

540 nm ± 280 nm

Optische Navigation, Topografie und Geografie

B

437 ± 50 nm

Asteroidenklassifikation und Blauanteil für Farbaufnahmen

o

495 ± 25 nm

Nachweis von oldhamit

v

550 ± 25 nm

Oldhamit Kontinuum und Grünanteil von Farbaufnahmen

w

700 ± 50 nm

Maximum der Reflektion und Rotanteil für Farbaufnahmen

0,75

750 ± 25 nm

Suche nach Calciumarmen Pyroxenen

p

948 ± 50 nm

Suche nach calciumreichen Pyroxenen Untersuchung einer Helligkeit in bisherigen erdbasierten Beobachtungen

z

1041 ± 90 nm

Suchen nach Olivin

Geplant ist es mindestens 30 Prozent der Oberfläche mit < 20 m/Pixel zu erfassen und 50 Prozent mit mindestens 200 m/Pixel. Daraus soll ein digitales Höhenmodell mit einer Vertikalauflösung von < 70 m entstehen. Der PMI wird von der Arizona State University gestellt.

GRSPsyche Gamma-Ray and Neutron Spectrometer

Gammastrahlen und Neutronen informieren über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche. Die primäre Quelle von Gammastrahlen ist der radioaktive Zerfall einiger Elemente. Ausgangselemente sind die radiogenen Elemente Thorium, Uran und Kalium. Bei dem Zerfall zu den Zerfallsprodukten (Endprodukt ist bei Thorium und Uran Blei, beim Kaliumisotop mit der Atommasse 40 ist es Argon) entsteht Gammastrahlung.

Neutronen entstehen erst an der Oberfläche, wenn solare Protonen (Bestandteil des Sonnenwindes) auf andere Atomkerne prallen und dabei ein Neutron freigesetzt wird. Dieses wechselwirkt dann mit der Materie. Neutronen sind anders als Protonen sehr durchdringend und können je nach Zusammensetzung der Oberfläche einige Hundert Meter Tiefe erreichen. Man kann daher sehr tief in die Oberfläche schauen. Besonders gut kann man damit leichte Atomkerne, vor allem Wasserstoff nachweisen. Die Methode wird daher auch für den Nachweis von Wasser beim Mars verwendet. Bei Metallen wie sie bei (16) Psyche erwartet wird, ist die Eindringtiefe aber nur gering.

Primäre Aufgabe des GNRS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer) ist es das Vorkommen der Elemente Ni, Fe, Si, K, S, Al, Ca, Th und U innerhalb des ersten Meters der Oberfläche. Aufgrund seiner Auslegung kann es auch die Verteilung von Metallen und Silikaten feststellen. Sowie das Vorhandensein des Eisenisotops Fe54. Daneben weist es Wasserstoff, kosmische Gammastrahlen und energiereiche Teilchen nach. (Bild links)

Das Instrument besteht aus zwei Teilen, einem Gammastrahlendetektor (GRS) und einem Neutronendetektor (NS). Der GRS stammt vom Gammastrahlendetektor der Raumsonde Messenger ab. Er besteht aus einem hochreinen 5 cm großen Germaniumkristall. Treffen Gammastrahlen auf den Kristall so zerstören sie das Kristallgefüge und die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ändert sich. Dies ist messbar. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, steckt er in einem Kryostat der ihn auf 90 K abkühlt. Da Gammastrahlen die hoch geordnete Kristallstruktur stören, wird er periodisch auf 105 Grad Celsius erhitzt, das heilt die Defektstellen. Um aus den wenigen herausgeschlagenen Elektronen einen messbaren Lawineneffekt zu erzeugen, wird der etwa ein Kilogramm schwere Kristall unter eine Spannung von 3000 Volt gesetzt.

Um die Einfaltrichtung festzustellen und den Detektor vor energiereichen Teilchen die denselben Effekt haben, zu schützen ist er von einem Antikonzidenzschild aus boriertem Kunststoff umgeben. Das Element Bor hat einen sehr hohen Einfangquerschnitt für Neutronen und andere geladene Teilchen. Mit diesem Schild, der auch elektrisch leitfähig ist, wird auch der Fluss an Neutronen mit Energien von 0,1 eV bis mehreren MeV gemessen.

Der Neutronendetektor setzt das Isotop He3 ein. Das Isotop fängt leicht ein Neutron ein und geht dann in das weitaus häufigere He4 über. Es gibt drei Detektoren in Röhrenform die mit dem Isotop gefüllt sind. Zwei sind parallel angeordnet, einer senkrecht dazu. Von den beiden parallel angeordneten Röhren ist die Stirnfläche bei einem mit einer dünnen Kadmiumfolie zusätzlich abgeschirmt. Diese Folie lässt dann nur energiereiche Neutronen passieren. Der senkrecht dazu angebrachte Detektor ist auf der ganzen Röhrenfläche mit Kunststoff umgeben, welcher ebenfalls Neutronen abschirmt. Er lässt nur Neutronen mit einer Energie von mehr als 100 keV durch, das sind energiereiche Neutronen. In der Summe gibt es zusammen mit dem Antikonzidenzschild vier Detektoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Differenzmessungen zwischen den Detektoren erlaubt dann eine genauere Analyse. (Bild unten)

Der GNRS wird von der John Hopkins Universität gestellt.

Psyche NSMagnetometer

Das Magnetometer misst Magnetfelder. Da man annimmt, das (16) Psyche eisenreich ist, sollte der Kleinplanet ein Magnetfeld aufweisen, wenn auch ein kleines. Das Magnetometer kann das Magnetfeld in allen drei Achsen mit einer Genauigkeit von 0,2 nT messen, der Messbereich liegt zwischen 1 nT und 10.000 nT (das Erdmagnetfeld ist an der Erdoberfläche zwischen 30.000 und 60.000 nT stark).

Das Magnetometer besteht aus zwei Sensoren. Zwei Sensoren auf unterschiedlichen Distanzen vom Sondenkörper erlauben es durch Differenzmessung das Eigenmagnetfeld der Sonde erzeugt durch den elektrischen Fluss durch Leitungen und andere Komponenten) zu bestimmen und abzuziehen. Beide Sensoren sind identisch. Sie bestehen aus einem Eisenkern, umgeben von drei Spulen in jeweils einer Raumachse. Ein Magnetfeld induziert in einer Spuke einen elektrischen Strom der verstärkt und gemessen wird. Es sind Fluxgate Magnetometer. Jeder Sensor ist nur 5 × 5 × 5 cm groß und wiegt 0,3 kg. Jeder Sensor hat seine eigene Elektronik um die Daten zu verarbeiten.

Das Magnetometer stammt von der University of California Los Angeles (UCLA) mit Beteiligung Dänemarks.

Radio Science

Ein Experiment / Instrument hat jede Raumsonde an Bord: ihre Funkverbindung. Funksignale kann man vermessen. Man kann nicht nur bestimmen, wo die Signalstärke am höchsten ist, man kann auch die Frequenzverschiebung durch die Eigengeschwindigkeit der Sonde bestimmen. Die Genauigkeit dieser Methode wurde seit den ersten Raumsonden um den Faktor 105 (100.000) verbessert. So stieg die Genauigkeit der Winkelunsicherheit von 10 mRad auf 1 nRad. 1 nRad sind 100 m in 100 Millionen km Distanz. In der modernsten Version DDOR (Delta - Differential One-way Range) )vermessen mehrere Radioteleskope simultan das Signal. Bedingt durch die Distanz (am besten über mehrere Kontinente verteilt) sieht jedes Radioteleskop Psyche unter einem anderen Winkel und daraus ist die Position noch besser bestimmbar.

Für das Vermessen der Radiofrequenz benötigt Psyche nur ein kleines Zusatzbauteil, einen USO (Ultrastabilen Sonator). Das ist ein Gerät, dass eine Frequenz abgibt die sich nicht oder kaum ändert. Für das Vermessen der Funkverbindung wird alleine diese Trägerwellen ausgestrahlt, aber keine Daten auf die Trägerwelle aufmoduliert.

Da sich die Geschwindigkeit durch die Gravitation von (16) Psyche ändert, verändert sich auch die Funkfrequenz leicht und durch deren Vermessung kann man das inhomogene Gravitationsfeld bestimmen. Das ist auch eine wichtige Voraussetzung das die Raumsonde näher kommen kann.

Deep Space Optical Communications Technology Demonstration

Bisher haben Raumsonden ausschließlich für die Kommunikation Funkverbindungen genutzt. Das gängige Kommunikationsband ist seit 1977 das X-Band mit Uplinkfrequenzen (von der Bodenstation zur Raumsonde) von 7,2 GHz und Downlinkfrequenzen (von der Raumsonde zur Bodenstation) von 8,4 GHz. Seit 2005 wird es sukzessive durch das K-Band (Uplink 34,2 - 34,7, Downlink bei 31,8 - 32,2 GHz) ergänzt. Das Ka-Band lässt höhere Datenraten bei gleicher Sendestärke zu, da die Auffächerung der Antennenkeule von der Frequenz abhängt, bei der viermal höheren Frequenz ist also der Ausstrahlwinkel viermal kleiner und die Signalstärke pro Flächeneinheit beim Empfänger entsprechend höher. Das K-Band ist aber stark wetterabhängig und wird bisher nur wenigen Sonden als primäres Sendeband verwendet, unter anderem der Parker Solar Probe. Psyche setzt daher wie bisher auf das bewährte X-Band als Hauptkommunikationsband.

Licht, selbst das bei optischer Kommunikation genutzte Nah-Infarot hat eine fast 10.000-mal höhere Frequenz, entsprechend höher die Datenrate. Allerdings wird diese in der Praxis bei Funkverbindungen nicht so viel schlechter ausfallen, da Sender und Empfänger viel größere Antennendurchmesser haben, mehr Leistung in das Signal und nicht in Abwärme übergeht und zudem Empfänger für Funkwellen empfindlicher sind als Lichtempfänger. Die NASA spricht immerhin vom Faktor 10 bis 100 mehr gegenüber der etablierten Methode.

Wo eine hohe Datenrate zählt, bei der Kommunikation von erdnahen Satelliten mit geostationären Satelliten, die das Signal dann an die Bodenstation übertragen, haben sich schon Laserterminals eingebürgert, weil man die Lichtstrahlen eng fokussieren kann während bei Funkfrequenzen aufgrund der Vielzahl der Satelliten die Bandbreite beschränkt ist damit andere Kommunikationsverbindungen von Nachbarsatelliten nicht gestört werden. Bei dieser Art von Kommunikation stört zudem nicht die Erdatmosphäre, die Licht schluckt und bricht.

Auf der anderen Seite wird die optische Kommunikation durch die Sonne gestört. Das Experiment von Psyche kann nur arbeiten, wenn Psyche von der Erde aus gesehen mindestens 25 Grad von der Sonne entlernt ist. So gibt es schon in den ersten 600 Tagen einen Ausfall über 114 Tage, in denen der Winkel zu gering ist.

Diese Faktoren führten dazu das man bisher optische Kommunikation jenseits von Erdumlaufbahnen nur experimentell untersucht hat, während sie bei der Intersatellitenkommunikation schon operativ eingesetzt wird.

Die größte Entfernung in der bisher optische Kommunikation erprobt wurde, war die Mondentfernung. Die Raumsonde LADEE hatte ebenfalls ein ähnliches Experiment an Bord, das nicht für die Routinedatenübertragung genutzt wurde. Immerhin übertrug dieses aus Mondentfernung 622 Mbit/s zu vier gekoppelten Empfangsteleskopen. DSOC soll die Technologie weiter erforschen und am Schluss Technology Readiness Level 6 erreichen. Die Technology Readiness Level (TRL) Stufen wurden von der NASA 1988 eingeführt und 2013 erweitert, um Planungssicherheit bei der Nutzung von Technologien zu haben. Sie gehen von 1 bis 9. Die Stufe 6 entspricht einem Prototyp in Einsatzumgebung. Eventuell erreicht DSOC auch TRL 7, das ist ein Prototyp der 1 bis 5 Jahre im Einsatz ist. Im ursprünglichen System war 6 die höchste Stufe, sodass man solche Technologien in den Produktiveinsatz übernehmen konnte.

Die Technologie hinter dem DSOC (Deep Space Optical Communications Technology Demonstration) ist die gleiche wie bei anderen optischen Kommunikationen, es hat sich auch der Ausdruck "Laser-Terminal" für diese anlagen eingebürgert. Bei Psyche heißt das entsprechende Gerät Flight Laser Transceiver (FLT). Es besteht zum einen aus der Elektronik, welche Kommandos empfängt, an den Bordcomputer weitergibt und Telemetrie in Daten umwandelt und zur Bodenstation überträgt. Das Gegenstück zu einer Funkantenne ist ein 22 cm durchmessendes Teleskop, das Optical Transceiver Assembly (OTA). Das Fernrohr bündelt einfallendes Licht auf einen Empfänger und fokussiert den Laserstrahl, der als Sendesignal dient. Der Laser Transmitter Assembly (LTA) gibt einen Laserimpuls von 4 Watt Leistung bei einer Wellenlänge von 1.550 nm im nahen Infrarot ab. Der Empfänger für Signale von der Bodenstation ist die Photon Counting Camera (PCC) die fähig sein muss, Lasersignale der Bodenstation, die sich über die große Distanz natürlich aufgefächert haben, noch zu detektieren. Dazu muss sie eine Empfindlichkeit im Bereich von 100 Femtowatt aufweisen. Zuletzt gibt es noch das Isolation and Pointing Assembly (IPA) mit denen das Teleskop auf die Erde ausgerichtet wird. Da der Strahl viel engbandiger ist als bei einem Radioteleskop, muss der OTA viel genauer ausgerichtet sein.

Der Detektor ist ein superconducting nanowire single photon (SNSP) Detektor der aus Nanofäden besteht und in einem Cryostat bis auf 30 Kelvin heruntergekühlt wird. Der 0,32 mm × 0,32 mm große Detektor aus 64 Elementen wird von vier Filtern geschützt die den Infrarothintergrund ausblenden und eine Bandbreite von nur 0,17 nm haben. Die Filter verhindern sowohl das Erhitzen des Detektors wie auch das andere Wellenlängen außer der eingesetzten detektiert werden. SNSPDs erreichen in Labors (wo man sie allerdings auch noch tiefer auf 1 bis 4 K herunterkühlt) Photoneneffizienzen von 98 Prozent und Ausleseraten im Bereich von > 10 MHz.

Das DSOC soll - je nach Entfernung zwischen 0,2 und 200 Mbit/s übertragen können. Auf der Empfangsseite ist die Datenrate mit 1,6 kbit/s gering, das liegt daran, dass Sendeantennen im Radiobereich Sendeleistungen im zweistelligen Kilowattbereich haben, derartig leistungsfähige Laser gibt es für die optische Kommunikation noch nicht. Das DSOC ist auf denselben Punkt ausgerichtet wie die Hauptantenne von Psyche. Es soll nicht nur experimentelle Daten senden und empfangen, sondern auch Messwerte übertragen. Es ist eine Kommunikation sowohl im optischen wie Radiobereich parallel möglich.

Das Gegenstück am Erdboden ist der Ground Laser Receiver (GLR). Dafür wurde das 5 m Hale Teleskop auf dem Mount Palomar mit einem 1.064 nm Laser ausgerüstet. Das 5 m Teleskop war von 1948 an für mehrere Jahrzehnte das leistungsfähigste Teleskop, es ist von der Größe auch heute noch ein beeindruckendes Instrument, aber die Nähe zum Ballungsraum von Los Angeles schränkt heute den wissenschaftlichen Nutzen für die beobachtende Astronomie ein. Der Laser mit 1.064 nm Wellenlänge wird zum einen vom FLT als Referenz für die Ausrichtung des OTA genutzt, zum anderen wird durch Modulation Daten zur Sonde mit einer Datenrate von 1,6 kbit/s übertragen. Dafür werden zehn Laser mit jeweils 500 Watt Leistung, zusammen also 5 kW eingesetzt. Bis zu einer Distanz von 2,6 AE soll der Laser als Referenz vom FLT detektiert werden. Er setzt somit auch die maximale Distanz für die Nutzung der Technologie.

Geplant sind Sitzungen von zwei Stunden Dauer zwei bis viermal pro Monat. Begonnen wird mit dem Experiment 60 Tage nach dem Start. Geplant ist ein Einsatz zwischen 0,1 und 2,5-facher mittlerer Erdentfernung (Astronomische Einheit, AE). Da Psyche sich bis auf 4,3 AE von der Erde entfernen kann (minimal 1,6 AE) entspricht dies nicht der vollen Missionsdauer. Man erwartet Datenraten, die folgender Gleichung gehorchen:

Mbps × AE² ~ 5 -18

Sprich, in 1 AE Distanz zum Empfänger sollte man 5 bis 18 Mbit/s erreichen, in 2,5 AE dann noch 0,625 bis 2,88 Mbit/s. Ein operationelles Gerät sollte bei Mars in maximaler Distanz zur Erde noch 230 kbit/s erreichen bei einem Fenster von 65 Tagen Dauer, in denen der Mars zu nahe an der Sonne ist und so keine Verbindung möglich ist. Daher wird sicher nicht die optische Datenübertragung die Funkverbindungen nicht vollständig verdrängen, denn bei diesen gibt es zwar auch Zeiten, in denen die Sonne die Verbindung stört, die sind aber bedeutend kürzer und liegen im Bereich von wenigen Tagen. Die maximale Datenrate ist vorgegeben durch die Elektronik und Sensoren und kann bis zu 266 Mbit/s erreichen.

Das Experiment DSOC wird vom JPL gestellt.Psyche DSOC

Parameter

Wert

Gewicht:

25 kg

Stromverbrauch:

75 Watt

Laser Ausgangsleistung:

4 Watt

Teleskopdurchmesser:

22 cm

Wellenlänge Sendelaser:

1.550 nm

Wellenlänge Referenzlaser:

1.064 nm

Sendeleistung Mt. Palomar Teleskop:

5 kW

Teleskopspiegel Mt. Palomar Teleskop:

508 cm

Betriebsdistanz:

0,2 bis 2,5 AE

Datenrate Downlink

0,2 bis 200 MBit/s

Datenrate Uplink

1,6 kbit/s

Detektor:

64 WS SNSPD mit 0,32 mm Durchmesser

Mission

Obwohl die Planung von einer Atlas 411 ausgingen, bekam SpaceX am 28.2.2020 den Startvertrag für Psyche im Umfang von 117 Millionen Dollar zugesprochen. Es handelt sich um eine Falcon Heavy, da Psyche mit einem Startgewicht von über 2,8 t und dem hohen c3 von 14 km²/s² zu schwer für eine Falcon 9 ist. Die NASA war ursprünglich von einer Falcon 9 ausgegangen, vielleicht weil sie der Website von SpaceX glaubte die 4.080 kg zum Mars ausweist und eine Marstransferbahn kann ein durchaus höhere Energie aufweisen, als die Transferbahn von Psyche hat. Nur stimmen diese Angaben nicht, entsprechend musste man die teurere Falcon Heavy buchen. Die Atlas V 411 wäre als Alternative noch zur Verfügung gestanden. Sie hätte 2.880 kg auf ein c3 von 14,5 km²/s² beschleunigen können. Aber SpaceX bot wohl den geringeren Preis, nachdem sie ein Jahr zuvor ULA unterlegen waren, welche die zeitgleich beschlossene Lucy-Mission startet.

Umgekehrt gibt es bei der Falcon Heavy noch Reserven, welche die NASA für die Mitnahme der zwei Sekundärnutzlasten EscaPADE und Janus nutzte. Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers (EscaPADE), sollte die Marsatmosphäre untersuchen und Janus sollte binäre Asteroiden studieren. EscaPADE wurde später im Jahr von dem Start gestrichen, da man keine Bahn fand, in der sowohl EscaPADE einen Marsorbit erreichen konnte, wie auch Psyche den Mars so passieren konnte, das sie möglichst wenig Treibstoff für den weiteren Weg benötigt. Janus bleibt aber noch als Sekundärnutzlast.

Ohne Änderung der Bahnneigung führt die Bahn nach dem Start bis in 261 Millionen km Distanz von der Sonne. Der Vorbeiflug an Mars im Mai 2023 addiert Geschwindigkeit, maximal 1 km/s. Den Rest der Geschwindigkeitsänderung, etwa 7,5 km/s (ohne Marsvorbeiflug) muss Psyche selbst aufbringen. Die 922 kg Treibstoff an Bord reichen bei einer Startmasse von 2,800 kg und einem mittleren spezifischen Impuls von 17.170 m/s für eine Geschwindigkeitsänderung von 6.857 m/s.

Während der 3,5 Jahre auf dem Weg zu Psyche wird die gleichnamige Raumsonde fast dauernd ihre Ionentriebwerke betrieben, wenngleich mit steigender Entfernung auch nicht mehr mit voller Leistung. Nur zwei Perioden sind davon ausgenommen. 60 Tage vor dem Marsvorbeiflug bis vier Wochen danach, um den Minimalabstand von 500 km und den Eintrittswinkel nicht zu verändern. Lediglich vier kurze Perioden, in denen Störungen ausgeglichen werden können, sind in dieser Zeit angesetzt. Eine zweite Periode gibt es zwischen Mars und Psyche da man bei Simulationen feststellte, das es von Vorteil ist sie, während sie in etwa auf halber Strecke ist sie einige Zeit nicht zu betreiben die Route verkürzt. Drei Wochen nach dem Start wird das DSOC Experiment aktiviert.

Während des Marsvorbeiflugs, rund acht Monate nach dem Start, wird der GRNS und die Kamera aktiv sein. Man nutzt ihn auch als Instrumententest. Mars hat kein nennenswertes Magnetfeld, sodass das Magnetometer inaktiv bleibt.

100 Tage vor der Ankunft an Psyche beginnt die Annäherungsphase. Nun arbeitet das Ionentriebwerk nur während 50 Prozent der Zeit, Damit hat man Zeit die Raumsonde dann wieder zur Erde auszurichten und Daten der Kamera, die auch als optische Navigationsaufnahmen dienen zu überspielen sowie Updates des Arbeitsplanes hochzuspielen.

Angekommen bei Psyche wird die Sonde zuerst in einen ersten Orbit mit der Ziel Psyche zu charakterisieren einschwenken. Dieser wird 41-mal in 56 Tagen durchlaufen. In ihm ist die Raumsonde 700 km von der Oberfläche entfernt und vor allem das Magnetometer aktiv. Der Orbit muss niedriger als 800 km sein, um einen Abstand von 10 Grad zwischen zwei Überflugpunkten zu generieren. In diesem hohen Orbit kann man auch durch Vermessung des Doppelshifts das Gravitationsfeld charakterisieren, das bei einem unregelmäßig geformten Körper natürlich auch unregelmäßig ist, ohne das die Gefahr besteht, das Psyche auf ihren Namensgeberin stürzt. Nach 12,2 Tagen wiederholt sich jeweils ein Überflug über denselben Punkt der Oberfläche.

Die nächste Phase dauert 80 Tage in denen 169 Orbits durchflogen werden. In ihr wird die Topografie genauer bestimmt. Die Distanz sinkt auf 290 km und die Kamera ist nun das Hauptinstrument. Daher ist nun der Abstand zwischen zwei Passagen des Äquators 4 Grad, pasend zu dem Gesichtsfeld von 4,6 x 3,4 Grad der Kamera. Die Umlaufszeit liegt mit 11,4 stunden knapp unter 12 Stunden und nach acht Tagen wird erneut derselbe Punkt der Oberflüche überflogen.

Die nächsten 100 Tage mit 360 Umläufen dienen dem Vermessen des Schwerefelds von Psyche mit dem X-Band Sender. Die Distanz sinkt auf 170 km. Ein Zyklus der Wiederholung der Abbildsequenz steigt auf 13,6 Grad und der Abstand zwischen zwei Vorbeiflügen sinkt auf 2,3 Grad.

Die letzte Phase von ebenfalls 100 Tagen mit nun schon 684 Tagen dienen dem Erfassen von einzelnen gebieten in hoher Auflösung erneut mit der Kamera. Dies geschieht aus einer Distanz von 71 bis 85 km. Ein Umlauf dauert nur noch 3,5 Stunden, es dauert 30 Tage, bis ein Punkt erneut überflogen wird, was drei Zyklen für die Erfassung von Details ergibt. Zwischen zwei Punkten liegt nun nur noch ein Winkel von 1,1 Grad, also ein Drittel des Kameragesichtsfeldes, was es erlaubt einen Punkt aus drei leicht verschiedenen Blickwinkeln zu erfassen.

Näher wird man zumindest bei der geplanten Mission nicht an die Oberfläche herangehen, auch weil die Form von (16) Psyche unregelmäßig ist. Es gibt innerhalb der Missionsplanung 85 Tage als Reserve für Verzögerungen. Acht Tage davon fallen aber durch Funkausfall während der Konjunktionsphase weg.

Dies sind zusammen 336 Tage. Zusammen mit den Zeiten des Übergangs wird Psyche 21 Monate bei dem gleichnamigen Asteroiden verbleiben. Der Übergang zwischen den Orbits dauert lange. Zum einen, weil das Ionentriebwerk niemals mehr als in 50 Prozent der Zeit arbeitet, zum anderen, weil die Dauer im Schatten von (16) Psyche auf maximal 65 Minuten begrenzt wird. Gerade diese Einschränkung bedeutet das, je näher man an (16) Psyche kommt, um so mehr Übergangsbahnen gibt es. Vom Orbit A zu Orbit B braucht man noch 17 Tage, beim darauffolgenden Übergang von Orbit B auf C sind es 23 Tage, wesentlich länger dauert der Übergang von Orbit C nach D, nämlich 128 Tage. Am Ende der Mission gibt es noch einen Puffer von zwei Monaten, der dafür gedacht ist die Daten zu übertragen und die Sonde zu passivieren.

Nach den Planungen ist danach die Mission beendet und Psyche wird abgeschaltet. Bisher wurden aber in der Regel noch funktionierende Sonden, sofern sie über genügend Ressourcen verfügten länger betrieben. Die Vorgängersonde Dawn sollte 5 Monate lang Ceres erkunden, tat dies aber bis zum Erschöpfen des Lageregelungstreibstoffs über 42 Monate.

Kosten

Gemessen an nur drei Instrumenten und der Verwendung eines kommerziellen Busses ist die Psyche Mission relativ teuer:

Programmpunkt

Kosten [Dollar]

Raumschiff Entwicklung und Bau

$677.1 Mill.

Start mit einer Falcon Heavy

$112.7 Mill.

Betrieb über die primäre Mission (12 Jahre)

$170.8 Mill.

Gesamt

$960.6 Mill.

Es werden allerdings auch 12 Jahre Missionsdauer ausgewiesen, obwohl die Mission beim 2022 Start nach 5,4 Jahren beendet ist und das Aufarbeiten der Daten meist noch ein bis maximal zwei Jahre benötigt. Offensichtlich hat man schon ab Beginn des Projektes gerechnet also Januar 2017 gerechnet. Wie die gleichzeitig beschlossene Lucy Mission liegt der Kostenrahmen fast doppelt so hoch wie eigentlich beim Discoveryprogramm vorgesehen (500 Millionen Dollar, allerdings nur für Raumsonde und Mission, ohne Start).

Links / Quellen

https://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/201/201D.pdf

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/tdm/feature/Deep_Space_Communications

https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_nanowire_single-photon_detector

https://pdfs.semanticscholar.org/404a/ac311a05d58d6a1050c8c3a5fa453cbe82f7.pdf

https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/48031/CL%2318-0447.pdf

https://elib.dlr.de/110238/1/bell_1366.pdf

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/p/psyche

https://spacenews.com/mars-smallsat-mission-bumped-from-launch/

https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/47495/CL%2317-5366.pdf?sequence=1

https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/51696/CL%2319-5178.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2019/pdf/1554.pdf

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2016/pdf/1622.pdf

https://www.jhuapl.edu/NewsStory/210902-psyche-gamma-ray-neutron-instrument-arrives-in-california

https://ttu-ir.tdl.org/bitstream/handle/2346/86408/ICES-2020-563.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Artikel verfasst am 10.2.2022


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

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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