Eine Vorbeiflugsonde zu Uranus und Neptun?

Auf den heutigen Blogeintrag bin ich gekommen, nachdem ich einen Artikel über das Jubiläum von Pluto las – er wurde vor 80 Jahren entdeckt. Da kam auch der Hinweis auf New Horizons, die momentan zu Pluto unterwegs ist. das bringt mich auf die Idee für eine kleine Diskussion: Sollte man heute noch Vorbeiflugsonden zu Uranus und Neptun schicken?

Nun warum nur zu diesen beiden Planeten? Alle anderen Planeten kann man auf den langsamen Hohmannbahnen innerhalb von 6 Jahren erreichen. Für Uranus sind dagegen 16 Jahre und Neptun 30 Jahre auf diesen Bahnen notwendig. Daher wird man durch ein Fly-By oder andere Maßnahmen beschleunigen – um die Flugzeit zu verkürzen. Der Preis ist eine hohe Ankunftsgeschwindigkeit, die dann mit chemischen Treibstoff nicht mehr abzubauen ist. Auf absehbare Zeit sind also Orbiter zu diesen beiden Planeten nicht denkbar. Auf der anderen Seite sind die Planeten noch so groß, dass eine Erforschung mit Vorbeiflugsonden sich über Wochen hinzieht, während andere Ziele im äußeren Sonnensystem wie die Transplutoprojekte so klein sind, dass die nur während einiger Tage im Blickfeld von Fernerkundungsinstrumenten brauchbare Bilder liefern und andere Instrumente wie Magnetometer, Partikelsensoren mangels eigener Magnetfelder kaum Ergebnisse erhoffen lassen.

Ich will mal hier dies diskutieren. Was gibt es an Pro und Kontra für eine Vorbeiflugsonde

  • Pro: Selbst bei einer Vorbeiflugsonde kann mehrere Wochen bis Monate lang der Planet untersucht werden
  • Pro: Beide Planeten haben Monde die ebenfalls kaum bekannt sind und bei einem Vorbeiflug ebenfalls erkundet werden können
  • Pro: Orbiter sind in absehbarer Zeit nicht denkbar. Eine Vorbeiflugsonde wird also nicht Ergebnisse liefern, die bald ein Orbiter ersetzen und ergänzen können
  • Pro: Auf dem Flug zu den Planeten sind durch Fly-Bys auch andere Planeten erforschbar. Bei Jupiter kann die Messperiode dann bis zu einem halben Jahr betragen
  • Pro: Nach dem Vorbeiflug und vorher sind weitere Messungen möglich wie Teilchen, Wellen, Magnetfelder und Staub im äußeren Sonnensystem
  • Pro: Eventuell ist eine Passage an einem Transplutoobjekt denkbar im Anschluss an die Primärmission
  • Contra: Sonden ins äußere Sonnensystem sind äußerst teuer. Selbst bei der kleinen New Horizons Sonde sind über 700 Millionen Dollar fällig gewesen
  • Contra: Jede Vorbeiflugsonde kann nur eine Momentaufnahme liefern. Die Planeten mit ihrer eigenen Atmosphäre verändern sich jedoch laufend
  • Contra: Die Möglichkeiten der erdgebundenen Beobachtung sind laufend besser geworden. Heute liefern Teleskope schon bessere Aufnahmen als Voyager von Uranus, da sie im nahen Infrarot unter den Nebel schauen können. In diesem Spektralbereich arbeiten die Teleskope heute beugungsbegrenzt. Geplant sind 20-30 m Teleskope und Ideen für 100 m Teleskope gibt es. Derartige Giganten könnten in 10-15 Jahren genauso gute Aufnahmen machen wie Raumsonden aus mittlerer Entfernung.

In der summe denke ich überwiegen die Pros. Und das wesentlichste Kontra sind die Kosten der Raumsonde. Doch woher kommen diese? So teilen sich die Kosten von New Horizons auf:

  • Atlas 551: 213 Millionen $
  • RTG: 75 Millionen $
  • Missionskosten: 150 Millionen $
  • Raumsonde: 123 Millionen $
  • Experimente/Sonstiges: 162 Millionen $

Die Raumsonde selbst ist also nicht der Hauptkostenpunkt. Bei einem Nachbau würde man nur wenig bei der Raumsonde einsparen, da sie schon von Messenger und Contour viel erprobtes übernahm, jedoch einiges bei den Entwicklungskosten der Experimente. Praktisch gleich blieben die Missionskosten und die Kosten für eine Trägerrakete und den damals verwendeten GPHS-RTG lagen sogar höher als beim Original. So kam ein Panel zu der Einsicht, das ein Nachbau der Raumsonde nur rund 100 Millionen Dollar preiswerter wäre und das war zu wenig für die NASA.

Doch muss das sein? New Horizons wiegt weniger als 500 kg. Es wäre hier auch eine alternative Strategie denkbar: Ein mehrfacher Vorbeiflug an Erde und Venus um die Geschwindigkeit bis zu Jupiter zu erreichen, der sie dann zu Uranus oder Neptun weitersendet. Selbst wenn bei solchen VEGA Trajektorien noch Treibstoff nötig ist, weil es sehr schwierig ist, ein Startfenster zu finden bei dem die Planeten so stehen, dass drei bis vier Vorbeiflüge ohne kleinere Korrekturen möglich sind. Derartige Korrekturen waren auch bei Galileo und Cassini vorgesehen. Doch selbst damit würde eine Raumsonde des „New Horizons Typs“ vielleicht 800 kg wiegen – eine kleine Nutzlast welche mit einer Sojus, Taurus oder Falcon 9 zur Venus gestartet werden könnte. Damit wäre es möglich die Startkosten auf ein Drittel zu senken. Gleichzeitig würde der wissenschaftliche Wert durch weitere Vorbeiflüge steigen.

Das zweite ist der RTG. Diese sind vor allem durch das Plutonium sehr teuer. Für das Erbrüten des Isotops Pu-238 muss ein Reaktor praktisch für diesen Zweck betrieben werden, er liefern wenig Strom verglichen mit einem konventionellen Reaktor wo das Isotop entsteht aber beim weiteren Betrieb wieder abgebaut wird. Hier liegt die Hoffnung auf der Sterling Technologie. RTG mit dieser Technologie sind zwar nicht leichter aber sie benötigen pro Watt Strom nur die halbe Plutoniummenge. Damit sollten auch die Kosten niedriger sein: Ein neuer RTG sollte in konventioneller Form rund 90 Millionen $ kosten. Vielleicht kann die Sterling Technologie einen für 50 Millionen $ möglich machen. Eine Sonde welches beides umsetzt, wäre also vielleicht für 455 Millionen $ zu machen – ein Preis der auch bei anderen Raumsonden anfällt. Wenn die Raumsonde mit anderen Nationen entsteht – z.B. Europa die Sojus 2 stellt und dafür Experimente aus Europa mitfliegen – sollte es doch möglich sein zwei Exemplare zu bauen und dann zu Uranus und Neptun zu schicken – da jede Sonde nur kurzzeitig volle Aufmerksamkeit benötigt – wenn ein kritisches Manöver ansteht oder ein Vorbeiflug ansteht, dann könnten auch die Missionskosten niedriger sein, da ein Team beide Sonden betreuen kann.

Die Experimentelle Ausrüstung von New Horizons ist schon recht gut. Da Staub bei beiden Riesenplaneten wichtig ist wäre wohl ein bessere Staubdetektor anzuraten. Auch wird ein Magnetometer für die durchaus komplexen Magnetfelder nötig sein. Das nötige Zusatzgewicht könnte durch ein Kombiinstrument – zumindest für das Vis/Ir Spektrometer und die Kamera eingespart werden. Ein derartiges Instrument setzt eine gemeinsame Optik für beide Sensoren ein und ein Strahlenteiler oder Spiegel schaltet jeweils einen Sensor der Oprtik zu. Geht dies auch noch mit dem UV Spektrometer ist sogar ein deutlich größeres Instrument möglich – entsprechend einer längeren Beobachtungszeit.

Ich glaube auch die irdischen Teleskope nicht eine Raumsonde ersetzen, sehr wohl aber ergänzen: Die höhere Auflösung erlaubt es Phänomene en Detail zu untersuchen., während Teleskope auf der Erde immerhin mit der groben Auflösung es erlauben zu verfolgen über einen längeren Zeitraum wie sich die Grobstruktur verändert.

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