Heliopause

HeliopauseHeute mal wieder eine Idee für eine spekulative Sonde. Eine Sonde welche die Grenze des Einflussbereichs der Sonne zum intergalaktischen Medium erforschen soll. zur Erklärung: Die Sonne sendet laufend einen Strom von Protonen und Heliumkernen aus. Diese verlassen mit hoher Geschwindigkeit (einige 100 km/s) das Sonnensystem mit steigender Entfernung wird die Dichte kleiner und nimmt ab und erreicht schließlich die des galaktischen Mediums. Es gibt dann eine Zone in der der Sonnenwind auf das galaktische Medium prallt und eine Schockzone, bevor dahinter das intergalaktische Medium beginnt. Wo diese Zone beginnt ist offen. Sie hängt auch von der Richtung ab (in Bewegungsrichtung der Sonne wird sie zusammengedrückt, dahinter auseinander gezogen und der Aktivität der Sonne ab. Schätzungen belaufen sich zwischen 100 und 150 AE (AE: Astronomische Einheit = mittlere Entfernung der Erde von der Sonne). Starke Sonnenaktivität führt zu einem verstärkten Aufprallen von Teilchen auf das Medium, was dann Radiowellen erzeugt. Aufgrund der Reisegeschwindigkeit und bekanntem Ausbruchszeitpunkt kann man dann bei einem solchen Ereignis berechnen wo die Zone aktuell liegt. Voyager 1+2 haben schon erste Anzeichen vermeldet, dass sie sich der Zone nähern. Wie das galaktische Medium dahinter aussieht weis keiner. Im Prinzip ist das wie wenn die ersten Sonden das Erdmagnetfeld verließen und denn interplanetaren Raum erforschen, nur braucht man Jahrzehnte um in diese Zone zu gelangen (selbst Pluto ist nur rund 38 AE von der Sonne entfernt).

Bei Voyager 1+2 ist das ein Bonus, denn die Raumsonden sollten niemals so lange arbeiten. Doch warum nicht eine Raumsonde konstruieren die direkt das Medium erforscht? Eines ist klar: Sie muss irrsinnig schnell sein, denn selbst Voyager haben die Heliopause, also den Grenzbereich nach fast 33 Jahren noch nicht erreicht.

Daher mein Vorschlag für eine solche Sonde. Damit sie maximal beschleunigt wird muss man einige Tricks anwenden. Zuerst mal zur Sonde selbst. Diese benötigt nur Teilchen- und Wellenexperimente gedacht ist an folgende Architektur:

  • Experimente: 50 kg, 7-10 Stück: Teilchendetektoren, Plasmawellenexperimente, Staubdetektoren, Magnetometer
  • RTG: 120 kg für 600 W Anfangsleistung
  • TDRS 4,8 m Antenne: 24 kg
  • Sondenkörper: 300 kg
  • Zusammen: 500 kg
  • Dazu kommt ein Post-Jupiter Ionenantrieb mit folgenden Daten:
  • Triebwerk: RIT-10
  • Betrieb: 50 Jhare mit durchschnittlich 150 W
  • Treibstoff: 276 kg
  • Tank: 46 kg
  • Gesamtmasse: 326 kg

Bei Jupiter wird dann noch ein Feststoffantrieb gezündet: 800 kg Startgewicht, 70 kg Leergewicht, spezifischer Impuls 2845 m/s.

Bei der Venus wird dann noch eine Landesonde abgesetzt: Gewicht 600 kg

Zwei Sonden werden mit jeweils einer Sojus 2a von Kourou aus gestartet: Startgewicht pro Sonde 4200 kg. Die Differenz zu den bisherigen Angaben entfällt dann auf das Ionantriebsmodul im inneren Sonnensystem: 1974 kg. Ich habe ein bisschen mit den Zahlen gespielt und bin zu folgendem Ergebnis gekommen:

Ionentriebwerk: RIT-22
Spezifischer Impuls: 44150 m/s
Stromverbrauch 5000 W
Schub 0,15 N
Wirkungsgrad 66 Prozent
Gewicht eines Triebwerks 7 kg
Treibstoffverbrauch 3,4 mg
Gewichtsbilanz:
Strukturgewicht: 200 kg
Treibstoff: 1057 kg
Tankgewicht: 176 kg
Triebwerkszahl 16
Triebwerksgewicht: 112 kg
Nutzlast: 2226 kg
Startgewicht: 4192 kg
Solargenerator:
Leistung: 180 W/kg
Gewicht: 420 kg
Mittlere Distanz zur Sonne: 150,0 Mill km
Leistung bei der Distanz 179 W/kg
Bahndaten:
Geschwindigkeit um die Erde zu verlassen: 3840 m/s
Geschwindigkeit um zum Planeten zu gelangen: 9000 m/s
Gesamte Geschwindigkeit: 12840 m/s
Gesamte Reisedauer: 334 Tage
Davon in der Erdumlaufbahn (12 h/d) 159 Tage
Davon in der Sonnenumlaufbahn (24 h/d) 176 Tage

So nun zur eigentlichen Mission, da damit erst das ganze Konzept schlüssig erklärt wird. Zwei Sonden werden jeweils mit dem interplanetaren Antriebsmodul in eine 500 km Erdumlaufbahn gestartet. Von dort aus spiralen sie sich während 159 Tagen heraus. Dann kommt eine kurze Betriebszeit, in der sie zur Venus aufbrechen. Ist eine Hohmannbahn an der Venus erreicht, so wird der Betrieb eingestellt und die Landesonde abgetrennt. Die 4,80 m Antenne entfaltet und die Sonde empfängt Bilder der Landesonde vom Abstieg, während sie selbst die Venus in geringer Distanz (200-1000 km) passiert und dabei 3,5 km/s schneller wird.

Danach wird das Ionenantriebsmodul wieder aktiviert und es beschleunigt die Sonde weiter bis eine Geschwindigkeit von weiteren 6 km/s erreicht ist (Bahn 108 x 1100 Millionen km). Die Sonde befindet sich nun auf einem Kurs zu Jupiter. Wenige Monate vor der Ankunft wird das Ionenantriebsmodul für das innere Sonnensystem abgetrennt. Es beinhaltet auch eine 1,50 m Antenne und ein Kamerasystem, das über einige Monate bis zum Einschlag auf dem Jupiter oder einer nahen Mondpassage noch Aufnahmen zur Erde senden kann (der Solargenerator sollte noch 2,8 KW Leistung bei Jupiter haben – genug für leistungsstarke Sender).

Die Sonde nähert sich nun Jupiter. Alleine durch die nahe Annäherung müsste die Sonde um 13 km/s schneller werden – auf rund 20 km/s. Doch nun kommt der nächste Trick. Wir zünden in 1000 km Entfernung das Feststofftriebwerk. Es beschleunigt unsere Sonde um 1.700 m/s. Doch diese Geschwindigkeit wird zur maximalen Geschwindigkeit von 59.520 m/s addiert. Nach Verlassen des Jupiters erhöht sich die Geschwindigkeit so um 14,3 km/s (dieses Paradoxon resultiert aus dem Energieerhaltungssatz – 1,7 km/s zu 59,5 km/s addiert ergeben eine höhere Energie als 1,7 km/s zu 0 m/s addiert).

Nachdem Jupiter passiert ist hat unsere Sonde eine Geschwindigkeit von 34,3 km/s. Davon wird sie einen Teil verlieren, doch es bleiben noch 28,9 km/s im Unendlichen.

Nun kommt Trick 3: die Sonde ist ausgelegt auf einen Energiebedarf von 300 W. Sie hat aber anfangs 600 W verfügbaren Strom. Nach 50 Jahren wird der Strom der RTG auf die 300 W abgesunken sein. Doch bis dahin hat sie im Schnitt 150 Watt übrig. Mit diesen 150 Watt wird ein kleines Ionentriebwerk über 50 Jahre lang betrieben: Das bringt nochmals rund 15,7 km/s. Im Mittel hat die Sonde daher eine Geschwindigkeit von 36,7 km/s relativ zur Sonne. In 50 Jahren kann sie dann eine Distanz von 370 AE erreichen. Nach 22 Jahren sind 150 AE erreicht.

Sinn machen insgesamt sechs Sonnen, welche in den sechs Raumrichtungen starten. Da Jupiter zum Umlenken benutzt wird, können diese in einem Jupiterumlauf, also rund 11 Jahren gestartet werden, jeweils in Paaren alle vier Jahre ein Start. Es gibt einige positive Nebeneffekte. Es werden auch sechs Venuslandesonden abgesetzt, die so einen Gratisflug zur Venus bekommen (Hauptzweck: Übertragen von Aufnahmen von der Venusoberfläche kurz vor und nach der Landung). Sie profitieren neben der kostenlosen Mitfluggelegenheit auch von der großen 4,80 m Antenne zum Empfangen der Daten – mehr Bildpunkte. Dazu später was in diesem Blog.

Kameras sind auf den eigentlichen Sonden unnötig und nur Ballast. Zudem sollen diese den Jupiter nahe passieren, was einen nahen Vorbeiflug an einem Mond nahezu ausschließt. Die Ionenmodule für den Betrieb nahe der Sonne haben dagegen noch mehr als genug Strom wenn sie bei Jupiter ankommen um einen 2 kW Sender zu betreiben. Dann reicht auch eine kleine 1,50 m Antenne für eine Datenrate von 500 kbit/s bei Jupiter. Dies kann ausgenutzt werden um ein Teleskop und Spektrometer zu betreiben und über etwa 3 Monate vor und nach dem Vorbeiflug Bilder und Spektren von Jupiter anzufertigen und jeweils einen Jupitermond nahe zu passieren und Aufnahmen zu machen – Alle sechs Sonden zusammen decken dann einen Zeitraum von rund 3 Jahren ab und könnten zumindest was das Bildmaterial angeht die Galileomission ersetzen. Zusammen mit den Sensoren auf den Heliopause Sonden müsste so die Galileomission komplett ersetzbar sein.

Es gäbe aber noch eine Alternative, die ich aber für technisch zu aufwendig und riskant halte. Auch sie befördert mit einem Ionenantrieb eine Sonde zu Jupiter. Doch dieser lenkt sie in eine Umlaufbahn um, in der sie die Sonne in nur 1 Millionen km Entfernung passiert. Dort zündet ebenfalls ein Feststoffantrieb, Wenn es dasselbe ist wie bei der ersten Sonde und es diese um 1.700 m/s beschleunigt so resultiert ein Geschwindigkeitsgewinn von 37586 m/s im Unendlichen. Ja sie haben richtig gelesen. Sie haben richtig gelesen. Sie ergeben sich aus: ?((514887+1700) – 2*(364314)) – 364314 m/s ist die Kreisbahngeschwindigkeit in 1 Million km Entfernung von der Sonne und 514887 m/s die Geschwindigkeit in einer Bahn von 1 Million km Perihel und 780 Millionen km Apohel (Jupitertransferbahn) – auch hier der Energieerhaltungssatz macht es möglich.

Das Problem ist nur: Dafür braucht man einen wirklich guten Hitzeschutzschild, der Tagelang recht hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Der wiegt zudem einiges und würde so den Gewinn durch das Feststofftriebwerk verringern.

9 thoughts on “Heliopause

  1. hm… – irgendwie hat mich dieser letzte Abschnitt jetzt an Stagate Universe erinnert, obwohl es da ja auf die Spitze getrieben wird, indem das Raumschiff direkt in eine Sonne rein fliegt, um aufzutanken.
    Aber das brachte mich auf eine andere Idee: Wäre es, um den Schild zu optimiren, nicht Sinnvoll, auch eine Sonde zum Merkur zu starten, die sich eine Weile auf dessen Sonnenzugewandter Seite aufhält? – Oder wären die Ergebnisse nicht so einfach übertragbar, weil der Merkur mit seinen knapp 60 Mio km Abstand von der Sonne dafür doch zu weit weg ist?

    Ansonsten wäre es wirklich mal interessant, wenn sich hier auch mal die Leute mit ihren Meinungen zu Wort melden würden, die auch beruflich mit der Thematik befasst sind. Oder tun sie das bereits, outen sich aber nicht?

    Hans

  2. Die 60 Millionen km bedeuten 3600 mal weniger übertragene Energie als 1 Million km Entfernung (zwar 6-7 mal mehr als wie auf der Erde, aber das Missverhältnis ist gegeben9. Die NASA plante mal Ende der 90 er Jahre eine Sonde die sich sehr nahe der Sonne nähern sollte, die fiel aber Einsparungen zum Opfer.

    Die Fachleute die den Blog lesen melden sich meist bei mir per Email.

  3. Hi,

    okay, ein Schild am Merkur zu testen, der dann später 3600 mal mehr aushalten muss, ist nicht sehr Sinnvoll. Und das sich die Profis nur per email melden, kann ich sogar nachvollziehen.

    Ansonsten würde ich diesen Artikel glatt noch als Vorschlag für die HP auswählen, wenn da nicht schon was ähnliches stehen würde. Man könnte es aber auch als Heliopause 2 dort einführen, weil der Feststoffantrieb in dem dort bereits vorhandenen Artikel nicht enthalten ist. Und die Annäherung bis auf 1 Mio. km an die Sonne taucht dort auch noch nicht auf.

    Hans

  4. Hallo Bernd,

    ich kenne dich als korrekt wissenschaftlich denkenden Mensch, der zu recht die schlampige Verwendung von „Kalorien“ (gemeint sind kcal) statt der SI-Einheit Joule bzw. kJ kritisiert.

    Daher bitte ich dich um korrektes Bezeichnen anderer physikalischer Einheiten (außerhalb von Chemie und Ernährungslehre):

    Korrigierte Passage:
    …die Sonde ist ausgelegt auf einen Leistungsbedarf von 300 W. Sie hat aber anfangs 600 W verfügbare elektrische Leistung. Nach 50 Jahren wird die verfügbare Leistung der RTG auf die 300 W abgesunken sein.

  5. So, und nach meiner anfänglichen Kritik (die dem Autor hoffentlich nicht vor den Kopf gestoßen ist) nun ein Lob. Interessantes Thema!

    Nur leider werden wir alle es höchstwahrscheinlich nicht mehr erleben, wie diese Sonden (sofern sie jemals gestartet werden) die alten Voyagers überholen.

    Übrigens beginnt jenseits des Sonnenwind-Einflusses nicht der intergalaktische, sondern zunächst der interstellare Raum.

    Ohne daß die Menschheit (seit WW I) ständig Kriege geführt und ständig Ressourcen zerstört hätte, hätten wir wahrscheinlich längst ein ständig bewohntes Mars-Habitat, Lander auf den 4 gallileischen Jupitermonden abgesetzt, Ballons auf der Venus und Flugzeuge (mit thermonuklearem Sterling-Propellerantrieb) auf Titan, und natürlich eine interstellare Sonden-Armada in alle 6 Raumrichtungen entsandt.

    Es ist eine philosophische Frage, ob die Menschheit reif dafür ist oder das Destruktive überwiegt. Wieviel Mrd. werden in Militär und Krieg investiert, wieviel in Raumfahrt?

  6. @Verkehrsvision: SAEMTLICHE Apollo-Fluege zum Mond ZUSAMMEN, inklusive ALLER Entwicklungskosten, Testfluege etc., haben (inflationskorrigiert!) etwa 170 Milliarden US$ gekostet.

    Der Irak-Krieg hat, ebenfalls inklusive ALLER „Nebenkosten“, bis jetzt etwa 2000 (nein, keine Null zuviel) Milliarden US$ gekostet.

    Also natuerlich hast Du Recht: Fuer EINEN der US-amerikanischen Kriege ALLEIN haette man ELF Mondprogramme und somit etwa 100 Mondlandungen finanzieren koennen 😉

  7. @Pragmatiker: Ja genau, du bestätigst das ja nochmal in Zahlen. Genau das läßt mich an der Reife der Menschheit zweifeln. Wir könnten so viel, aber wir sind zu dumm dafür. Besonders herabwürdigend ist die Tatsache, daß wir (so wie Bernd) vorrechnen können, was wir alles könnten, aber uns fehlen die Mittel, da wir mit Selbstzerstörung beschäftigt sind.

  8. Ich würde eher sagen, das die Mittel nicht fehlen sondern sehr wohl vorhanden sind. Allerdings scheinen die Leute, die die Macht haben, um über die Verwendung der Mittel zu bestimmen, es vorzuziehen, die Welt in Gut und Böse aufzuteilen, um dann gegen die „Bösen“ in den Krieg ziehen zu können. Oder wie es neulich mal irgendwo zu lesen war: “ … egal, hauptsache es macht Bumm.“

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