Geht es nicht ein bisschen kleiner -Teil 2

Anknüpfend an den letzten Beitrag möchte ich heute mal auf die Instrumentierung eingehen. Maximal 20 kg für Instrumente ist nicht viel. Doch es gibt Kombiinstrumente die zeigen, dass es geht: MICAS von Deep Space 1 kombinierte ein IR Spektrometer mit einem UV Spektrometer und einer Kamera. Optik war ein 10 cm Teleskop – bei nur 12 kg Gewicht. RALPH an Bord von New Horizons wiegt 10.1 kg und kombiniert ein Vis/IR Spektrometer und eine Kamera mit einem 7.5 cm Teleskop.

Damit wäre ein IR Spektrometer und ein Teleskop als Kombiinstrument möglich. Gekoppelt an ein 15 cm Teleskop ergibt dies ein leistungsfähiges Instrument. Sinnvoll ist ein Vis/IR Spektrometer und eine Kamera. Ein UV Spektrometer ist sinnvoll bei Jupiter, nicht jedoch bei den Monden und als Option zu betrachten. Ein gängiger HgCdTe IR Sensor wie der PACE-1 hat 256 x 256 Pixel von 40 µm Wellenlänge bei einer Cut-off Wellenlänge von 4.9 µm. Ein CCD Array für das sichtbare Licht muss bei geringeren Wellenlängen arbeiten, meist nur bis 0.9 µm Wellenlänge. Er kann daher rund 5 mal kleinere Pixels aufweisen (8 µm/Pixel). So wären zwei mögliche Sensoren denkbar:

Für das IR Spektrometer: 256 x 256 Pixel HgCdTe Array – erzeugt Datencuben von 256³ = 16 Millionen Punkten pro 256 x 256 Pixel Messung

Für die Kamera: 2048 x 2048 Pixel CCD mit mehreren Filtern – erzeugt Bilder von 2048² = 4 Millionen Punkten pro Bild.

Die Auflösung des Teleskops würde bei einer Brennweite von 1600 mm (f/D=10.7) bei 5 Mikrorad (optisch) oder 25 Mikrorad (IR) liegen. Das entspricht einem Kilometer Auflösung aus 200.000 bzw. 40.000 km Entfernung.

Zur Stromversorgung: Es stehen bei Jupiter noch rund 234 Watt zur Verfügung – Das ist deutlich mehr als bei New Horizons die 202 Watt bei Pluto hat und rund 175 Watt benötigt. Da erlaubt es einen stärkeren Sender mitzuführen. Bei New Horizons beträgt die Sendeleistung 12 Watt (30 Watt Gesamtstromverbrauch). Nimmt man einen 24 Watt Sender (60 Watt Gesamtstromverbrauch), so würde New Horizons bei einem Stromverbrauch von 205 Watt liegen. Unsere Sonde wäre eher günstiger, da nicht so viele Experimente an Bord sind. Auf der anderen Seite nimmt der Strom von Solarzellen auch ab  Eventuell wäre ein Sender mit verschiedenen Leistungen interessant um sich dem verfügbaren Strom anzupassen. Auf der anderen Seite ist die Sonde leichter als New Horizons, die ohne Antriebssystem und Stromversorgung rund 300 kg wiegt. Eine 2.1 m große Antenne sollte so nicht möglich sein, aber vielleicht eine von 1.0 m Durchmesser (kleine Änderung zur ersten Überlegung im letzten Beitrag, weil die Sonde doch ziemlich viel leichter ist). Immerhin, basierend auf den New Horizons Daten sollte eine 1.0 m Antenne mit 24 Watt Sendeleistung noch 17.6 KBit/s senden.

Bei gleicher Aufteilung zwischen den Instrumenten und 6 Stunden Sendezeit pro Tag sowie JPEG Komprimierung (Faktor 8) sind bei 12 Bits/Meßpunkt pro Tag rund 30 Bilder und 7.5 IR Cuben möglich. Über 600 Tage Primärmission sind dies rund 18000 Bilder und 4500 Kuben. Das ist immerhin 3 mal mehr Bildmaterial als Galileo sandte (auf die 800×800 Pixel von Galileo normiert entspricht es sogar rund 54000 Bildern – in etwa diese Erwartung hatte man auch von der Galileo Sonde). Teilt man die Bilder zwischen Jupiter und den Monden auf, so sollten an jedem der 10 Mondvorbeiflügen rund 900 Bilder gemacht werden, die als Mosaik z.B. ein 30×30 Mosaik ergeben würden, mit einer Auflösung von rund 100-200 m je nach Mondgröße und Überlappung der Bilder. Das ist ausreichend für eine globale Karte. Bei Farbaufnahmen und Detailaufnahmen sinkt natürlich die globale Abdeckung.

Die IR Kartering kann aufgrund der riesigen Datenmenge nicht so gut sein. Die 225 IR Cuben würden ein 11×11 Mosaik pro Vorbeiflug zulassen, dass wäre eine Auflösung von rund 2 km – Doch verglichen mit den wenigen Sensorzellen von Galileos NIMS wäre der Entwicklungsfortschritt enorm. Alleine dafür würde sich wahrscheinlich eine Mission lohnen. Die Messungen des Magnetfeldes und der Radioumgebung von Jupiter soll ja Juno nachholen, so dass dafür keine Sonde nötig wäre. Mir ist allerdings schleierhaft, warum Juno eine Atlas 551 zu Jupiter braucht – Die Sonde macht ja einen Erdvorbeiflug der auch Schwung liefert, so dass im Idealfall eine Startgeschwindigkeit von rund 12.6 km/s nötig wäre. Eine Atlas 551 sollte 3700 kg auf diese Geschwindigkeit bringen (verglichen mit 1700 kg direkt zu Jupiter) – und so schwer und groß sieht Juno auf den Abbildungen nicht aus (wie üblich bei neueren Missionen sind die Infos im Netz spärlich gesät, so habe ich das Startgewicht noch nicht gefunden).

In jedem Falle denke ich sollte die von mir vorgeschlagene Lösung deutlich günstiger al Juno sein – 70 zu rund 700 Millionen Dollar. Selbst wenn man nun mehrere dieser Sonden startet wird es noch billiger. Ansonsten: Ich habe gestern (seit langem mal wieder) einen Ariane 5 Start life gesehen und war erstaunt, dass nun zwei Einblendungen zu sehen waren in denen man die Abtrennung der Booster und der Fairing sah – offensichtlich wie die Animationen eingespielt. Aber immerhin: Es gibt offensichtlich eine "Rocketcam" die man von US-Missionen ja kennt. Ich finde es allerding unverständlich, warum man sie nicht immer einsetzt und das Signal life mit überträgt anstatt eine Grafik und einen Blick ins Kontrollzentrum zu zeigen oder Filme einzuspielen. Hinsichtlich Öffentlichkeitsarbeit muss Arianespace (aber nicht nur sie, wie ich bei der Recherche zu meinen Büchern feststellte) noch einiges lernen. Auf der einen die die Trailer für die Filme und dann deren schlechte Bearbeitung: Leute die französisch sprechen werden English synchronisiert, aber zum einen mit einem miserablen Ergebnis (verrauscht) und zum andern wird das französische nicht ausgeblendet, so dass beide Sprachen vermischt werden. Da gleiche bei Reden die in französisch erfolgen und dann synchronisiert werden (immer noch besser als das grauenvolle englisch von französischen Bürgern). Nachfragen haben sie ja auch nicht so gern -Für die Kontaktaufnahme muss ein Formular mit Presseausweisnummer ausgefüllt werden. Fehlt diese, dann gibt es eine Fehlermeldung. Ach wie lästig sind doch die europäischen Steuerzahler. Solange sie aber 240 Millionen Euro pro Jahr zahlen und man so jeden Kontakt mit ihnen meiden kann geht es aber noch….

8 thoughts on “Geht es nicht ein bisschen kleiner -Teil 2

  1. Schönes Video … gerade die ersten Sekunden scheinen hier viel schneller zu beschleunigen als es aus der umgekehrten Perspektive sonst immer aussieht. Ich bin auch der Ansicht, dass die ESA viel mehr PR betreiben sollte.

  2. Es dürfte einfach an der Übertragungskapazität liegen – Die normale Telemetrie wird mit 1 MBit/s zur Erde gessendet, da hat man sicherlich nicht noch mal 10 MBit/s für ein Video an Bandbreite übrig. Wer einmal mit DSL 1000 Videos angesehen hat kennt die Einschränkungen die es dann gibt. Ich vermute Arianespace (nicht ESA wie im Kommentar angesprochen, die starten die Rakete seit 503 nicht mehr) hat einfach die Framerate gesenkt. Damit es später flüssig aussieht wurde eben die Dauer halbiert.

  3. Ich glaube nicht, dass Juno so leicht ist, dass man sie mit einer Atlas V 551 direkt hätte starten können. Selbst Galileo wäre (ohne Atmosphärenkapsel) zu schwer dafür gewesen. Bei Juno kommen sogar noch einige Sachen hinzu, die im Vergleich zu Galileo zusätzliches Gewicht bedingen. Während Galileo mit RTGs als Stromquelle arbeitete, die zwar sehr teuer, aber andererseits auch recht leicht sind, setzt Juno Solarzellen ein. Die einzig vergleichbare Sonde ist hier Rosetta, die ebenfalls mit Solarzellen ausgestattet ist und sich bis auf Jupiterentfernung von der Sonne entfernen wird. Im Gegensatz zu Juno muss Rosetta aber keine wissenschaftliche Forschung bei dieser Entfernung betreiben, sondern lediglich heizen. Nimmt man das Gewicht der Solarzellen von Rosetta (+ Batterien für Zeiten im Planetenschatten) und kalkuliert einen Strombedarf von 700 Watt, so dürfte (wenn die Solarzellen von Rosetta für 400 Watt schon 180 kg wiegen) allein die Stromversorgung von Juno an die 350 kg wiegen, zudem die Solarzellen von Juno vermutlich einen zusätzlichen Strahlenschutz benötigen (höhere Strahlenbelastung allgemein als bei Rosetta und Strahlenbelastung beim Eintritt in den Orbit).

    Zudem erzeugen die großen Solarzellenausleger deutlich höhere Störkräfte durch den Sonnenwind als die kleinen RTGs von Galileo, es ist im Vergleich zu Galileo also auch ein höherer Treibstoffverbrauch für Kursmanöver und Lageregelung einzuplanen. Darüber hinaus setzte Galileo ein anderes Lageregelungssystem aus Deutschland ein, bei dem MMH / NTO verbrannt wurden. Juno dagegen nutzt die bei US Raumsonden übliche katalytische Zersetzung von Hydrazin, die zwar einfacher, aber auch Energieärmer ist. Auch dadurch ist im Vergleich zu Galileo der Treibstoffbedarf für die Lageregelung bei Juno höher.

    Nimmt man alles zusammen, glaube ich nicht, dass die Startmasse von Juno bei unter 2000 kg liegt. Alternativ wäre dann nur der Start mit einem stärkerem Träger (Delta 4 Heavy) oder die Umstellung auf RTG zur Energieversorgung möglich gewesen, was aber in beiden Fällen deutlich teuer geworden wäre als die knapp 3 Jahre längere Flugzeit.

    Dennoch ist Juno eine sehr sinnvolle Mission, die zumindest einen Teil der bei Galileo entfallenen Messungen nachholt. Allerdings bin ich etwas traurig darüber, dass man nicht noch einmal eine Kapsel zur Untersuchung der Jupiteratmosphäre mitführt. Von der Startmasse hätte das noch möglich sein müssen, da man nicht direkt fliegt, zudem hätte man sehr viel von der Galileo Kapsel übernehmen können (Hitzeschild, Fallschirme).

  4. Ich denke schon, dass Juno unter 1700 kg liegen würde bei einem direkten Start. Es gibt eine Reihe von gründen dafür.
    Erstens Solarzellen: Nach offiziellen Angaben sind es 40 m². Bei Kommunikationssatelliten rechnet man mit 4 kg/m², so dass diese mit 160 kg nicht emhr als die 3 RTG von Galileo wiegen. Dafür ist die Kommunikationsantenne kleiner (2.5 m anstatt 4.8) und die aufwendige Konstruktion mit sich drehendendem und dreiachsenstabilsierten Bereich entfällt. Weiterhin sind alle Instrumente fest montiert ohne Instrumentenausleger.

    Zuletzt kommt der Orbit mit einem Jupiternächsten Punkt von lediglich 1.06 Rj mit weniger Treibstoff aus. Galileo hatte Vorräte für 1600 m/s. Juno benötigt um den Orbit zu erreichen 1255 m/s. Bei Galileo entfiel alleine auf den Treibstoff die Hälfte der Startmasse. Bei heutigen Antrieben, z.B. dem 500 N Triebwerk von EADS mit einem Ispz von 3188 m/s sollten von 1700 kg Startmasse noch rund 1130 übrig bleiben wenn der Treibstoff für 1300 m/s kalkuliert ist. Galileo wog trocken nur 922 kg. (ohne Atmosphärenkapsel). Daher denke ich ist Juno durchaus mit 1700 kg machbar.

    Aber darum geht es ja nicht: Die Sonde macht ja einen Erdvorbeiflug, der die Startgeschwindigkeit rapide reduziert. Nach den Abbildungen geht die erste Umlaufbahn nur wenig die Marsbahn heraus. Eine Bahn in maximal 370 Millionen km Entfernung hätte eine Umlaufszeit von 2 Jahren 3 Monaten, was verträglich ist mit einem Erdvorbeiflug nach rund 2 Jahren 3.5 Monaten. Die Startenergie für diese Bahn beträgt aber nur 12.5 km/s anstatt 14.3 km/s zum Jupiter (passend zu meiner Schätzung von 3 km/s Gewinn bei einem Erdvorbeiflug, eine eher konservative Schätzung).

    Die Frage ist: Brauche ich für eine v=12.5 km/s denn eine Atlas 551 oder hätte es nicht eine Nummer kleiner getan?

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.