Die beiden Stiefkinder im Sonnensystem – Teil 1

 128 total views,  2 views today

… sind Uranus und Neptun. Alle anderen Planeten wurden und werden von Orbitern umrundet, nur diese beiden nicht. Das ganze hat natürlich einen sehr einfachen Grund: ein Orbiter ist heute noch eine technische Herausforderung. Das liegt an der großen Entfernung von der Sonne. Will man sie auf einer schnellen Bahn erreichen, also in ein paar Jahren so ist die Ankunftsgeschwindigkeit so hoch, dass sie mit chemischen Treibstoffen nicht reduzierbar ist. Auf einer langsamen Bahn dauert die Reise zu lange (15 bzw. 30 Jahre). Doch selbst dann ist die Nutzlast gering und viel mehr als rund 1000 kg können auch die größten Trägerraketen nicht zu Uranus und Neptun transportieren.

Natürlich gibt es Alternativen. Doch für diese muss noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden. Das eine sind Mini-Orbiter die sich zu den Planeten hochspiralen und einen Ionenantrieb gespeist von RTG mitführen. Mehr als wenige Hundert Kilo dürfen die nicht wiegen. Das zweite ist das Aerocapture wo man in die Atmosphäre eintaucht und innerhalb von wenigen Minuten einige Kilometer Überschussgeschwindigkeit abbaut. ein Manöver, das so noch nicht probiert wurde und ohne Kenntnis über Druck- und Temperaturverlauf sehr riskant ist.

Was heute technisch möglich ist, ist eine Vorbeiflugsonde. Sinnvollerweise eine, welche Jupiter als Sprungbrett nutzt. Das reduziert die Startgeschwindigkeit um etwa 1 km/s und weil Jupiter ebenfalls ein Gasriese ist, kann er so auch besser erforscht werden. Beide Planeten und Jupiter haben Startfenster die sich alle 13-14 Jahre wiederholen. Zwischen 2019 (Neptun Startfenster öffnet sich) und 2024 (Uranus Startfenster schließt sich) können beide besucht werden.

Nun gab es schon mal eine Raumsonde, die beide Planeten besucht hat – Voyager 2. Warum also erneut nur eine Vorbeiflugsonde konzipieren? Nun es gibt eine Reihe von Gründen.

Es gibt seitdem enorme Fortschritte im Instrumentenbau

Voyager hatte noch wenig lichtempfindliche Videocon Röhren. Ihre spektrale Empfindlichkeit war schlecht. Heute können normale CCD Sensoren auch im nahen Infrarot aufnahmen machen und Aufnahmen von Hubble zeigen so teiefere Wolenschichten, die Voyagers Kamera nicht sehen konnte, weil im sichtbaren Bereich ein Nebel das Licht absorbiert. Cassinis CCD sind so lichtempfindlich dass man Aufnahmen der Saturnmonde im Gegenlicht von Saturn anfertigte.

Neben der Sensitivität haben Instrumente auch neue Fähigkeiten. MIMS fertigt eine dreidimensionale Ansicht der Magnetosphären an, Staubdetektoren ermitteln nicht nur Masse und Energie, sondern auch chemische Zusammensetzung und Vis/IR-Spekrometer sind nicht nur hochauflösender, sondern können heute auch Bilder  in jedem Spektralbereich anfertigen, anstatt wie früher nur Punktmessungen anzufertigen.

Das bedeutet, das man heute nicht nur quantitativ mehr Ergebnisse erhält, sondern auch qualitativ bessere Ergebnisse und wahrscheinlich neue Erkenntnisse

Fortschritte in der Datenverarbeitung erlauben es mehr aus einer Vorbeiflugmission herauszuholen.

Das grundsätzliche Problem einer Vorbeiflugmission ist das sie zum einen nur ein Schnappschuss ist und zum anderen nur kurze Zeit der Planet wirklich bildfüllend ist. An der ersten Problematik kann man nicht viel ändern, am zweiten schon etwas mehr. Leichtgewichtige Teleskoptuben erlauben es größere Teleskope mitzuführen. Voyager hatte ein 176,5 mm Teleskop mit einem Gewicht von 28 kg und New Horizons ein 20,8 cm Teleskop mit 8,8 kg Gewicht. Auch die empfindlichen Chips benötigen weniger Fläche pro Pixel wodurch eine größere Vergrößerung resultiert.

Das zweite ist die Datenverarbeitung. Voyager sandte fast ausschließlich die Daten direkt zur Erde. Da Bandrekorder als mechanische Bauteile empfindlich sind, wurden sie nur eingesetzt wenn die Funkverbindung nicht möglich war, aber z.B. niemals um bei nahen Vorbeiflügen die Zahl der Bilder zu erhöhen, weil die Datenübertragungsrate zum Bandrekorder höher als zur Erde ist.

Heute ist es kein Problem SSD mit Hunderten von Gigabytes mitzuführen und dort alle Daten abzulegen und sie dann über Monate nach dem Vorbeiflug zur Erde zu übertragen. Durch Nutzung des K-Bandes und damit erheblich höherer Datenübertragungsrate kann so auch die Gesamtdatenmenge erheblich erhöht werden. SSD haben keine mechanischen Elemente, behalten ihren Inhalt auch ohne Stromversorgung und sind daher ein viel besserer Datenspeicher als Magnetbandgeräte und sind noch dazu viel schneller (sowohl bei der Datenrate wie auch beim Zugriff).

5 thoughts on “Die beiden Stiefkinder im Sonnensystem – Teil 1

  1. Alles richtig!

    Da die Entwicklung einer für die Arbeit in der Nähe von Uranus oder Neptun geeigneten Sonde mindestens 500 Mio. $ verschlingt, zudem die Forderung, gleich sieben Stück davon zu bauen (für je 100 Mio. $) und zu starten (für je weitere 50 Mio. $; sollte die Ariane V starten, würde sie es paarweise tun, was so ca. 2 Tonnen Satellitenmasse zulässt).

    Zwei Sonden gehen auf die Vorbeiflugreise Jupiter – Uranus – Neptun. Die zweite dient als Backup, falls eine der beiden unterwegs ausfällt, und sie kann Objekte, die beim Vorbeiflug der ersten Sonde auffallen, genauer ins Visir nehmen.

    Fünf Sonden probieren das atmosphärische Bremsen, um sich von Jupiter, Uranus bzw. Neptun fangen zu lassen. Sie fliegen dazu den Vorbeiflugsonden hinterher. Zweimal kann das Bremsmanöver scheitern, oder eine Sonde aus anderem Grund verloren gehen, und man hat dennoch eine Sonde um jeden Planeten kreisen.

    Die beiden Vorbeiflugsonden werden auf „besonders ruhigen Flug“ optimiert, insbesondere symmetrische Wärmeabstrahlung und garantiert kein Ausgasen, so dass sie nach allen Vorbeiflügen der genauen Vermessung des Schwerefelds dienen können. Stichwort: Pioneer-Anomalie.

    Die Einfangsonden brauchen hingegen zusätzlichen Treibstoffvorrat. Sie müssen ja nach dem atmosphärischen Bremsmanöver am fernen Punkt der Ellipse, auf die sie gefangen wurden, wieder beschleunigen, damit sie nicht gleich wieder in die Atmosphäre eintreten. Und wenn man schonmal im Orbit ist, will man auch an allen möglichen interessanten Ringen, Monden usw. vorbeifliegen, also wiederholt das Orbit ändern, am besten durch wiederholten nahen Vorbeiflug an einem größeren Mond.

    Die Einfachsonde würde kosten: 500 Mio. Entwicklung 150 Mio. Bau 100 Mio. Start = 750 Mio.

    Die sieben Sonden würden kosten: 500 Mio. Entwicklung 7 * 100 Mio. Bau 8 * 50 Mio. Start = 1600 Mio.

    Und für weitere 200 Mio. (Bau getrennter Start) könnte man noch eine achte Sonde bauen, die Cassini beim Saturn beerbt.

    Jag

  2. Ich würde ja auf Teil 2 morgen warten und Ariane 5 wird wohl kaum eine Sonde zu Uranus schicken können, dazu hat die ESC-A Oberstufe eine zu hohe Leermasse. Ich komme übrigens zu anderen Kostenabschätzungen – auch dazu morgen mehr.

  3. Stimmt, es sind Stiefkinder der Forschung.
    Aber: Vorbeiflüge sind, der Name sagt es, schnell vorbei und das bringt zuwenig Ergebnisse, speziell wenn mit Überraschungen gerechnet werden muß.

    Ich halte längerfristige Missionen an einem Objekt bzw. einer Objektgruppe für sinnvoller. Da reifen Fragen und auch Methoden während des Geschäfts. Und sicher ist auch ein konzipierter „Staffelbetrieb“ von Vorteil.

    Ich wünschte mir z.B. „Die 4 Musketiere“. Motto: „Alle für einen und jeder für sich!“ Die Satelliten sollten zur Froschung senden und empfangen, sowie sich gegenseitig referenzieren können. Standardtechniken bei der Erderkundung und damit eigentlich billig (siehe GPS, Grace, TandemX).

    Vordringliche Fragestellung wäre die „Tomografie“ eines (Gas-) Planeten. Und dafür/dabei nimmt man an Daten aus standardisierten, will sagen nicht mal besonders zugeschnittenen, Känalen (Radar, IR, Laser, Optik, Teilchen, …?) alles mit, was man überhaupt bekommen kann.

    Erste Gruppe: Kalibrieren an der Erde, zur Venus (Swingby) und dann zusammen mit zweiter, inzwischen angepaßter, Gruppe zum Jupiter.

    Das überraschendste Ergebnis wird vermutlich aus der Flugbahnvermessung eines Pulks von Satelliten während der Reise resultieren. 😉

    Heute das Halsband und 20 Jahre später …

    Bernhard

    (Die Voyagers waren eine Gruppe, Halley und Giotto eine Staffel und alle haben sich im Verbund prächtig ergänzt.)

  4. Arianespace gibt im Ariane V User Manual für Erdflucht Endgeschwindigkeit von 3545 m/s (bezogen auf die Erde) eine Performance von 3065 kg für die A5G (das war die Rosetta-Mission) an. Mit der 5ECA sollen 4300 kg möglich sein, was ich für glaubhaft halte.

    Allerdings reicht 3545 m/s natürlich nicht für direkten Transfer zum Jupiter aus, damit kommt man nur bis zum Mars oder zur Venus. Am Ende wird man drei Vorbeiflüge an Mars, Erde und/oder Venus benötigen, um zum Jupiter zu kommen, der die Sonde dann weiterschickt. Das sind zwei oder drei zusätzliche Jahre. Angesichts der im Vergleich zum Direkttransfer zu Jupiter halbierten Startkosten (bei gleich großer Rakete können zwei statt einer Sonde auf einmal gestartet werden) sollte die längere Flugzeug akzeptabel sein.

    Bei der Stromversorgung muss man neue Wege gehen. Atommüll gehört nicht auf Raketen, und er gehört auch nicht auf Satelliten, die nah an der Erde vorbeifliegen. Zu viel kann schief gehen.

    Beim Start wesentlich ungefährlicher wären ein Uran- oder Plutonium-betriebener Kernreaktor, wenn der Kernreaktor erst im Weltraum nach dem letzten Earth-Flyby gestartet wird. Wenn der Reaktor leicht sein soll, wird aber hoch angereichertes Uran oder Plutonium benötigt, und da hat man grundsätzlich ein Proliferationsproblem. Zudem erzeugt so ein Reaktor einen ganzen Zoo an hochenergetischer und durchdringender Strahlung, von dem sich insbesondere die Gamma- und Neutronenstrahlung nie komplett von den Messgeräten abschirmen lassen wird. Bau und Test eines solchen kleinen Kernreaktors (10 kW thermisch) sind aber VIEL weniger gefährlich, als der Umgang mit zig Kilogramm Plutonium-238.

    Alternativ sollte man über Solarenergie nachdenken. Vor zwei Jahren wurde für eine Mehrschicht-Solarzellen 35,8 % Wirkungsgrad gemeldet. Mit der Solarkonstante von 1367 W/m² ergibt sich für eine 1 m² große Solarzelle dann eine Stromproduktion von 489 Watt. Diese Strommenge sollte für die Mission ausreichen, aber man braucht natürlich eine riesige Linse, die auch in 20 AU Entfernung noch ausreichend viel Licht auf die Solarzelle konzentriert. Diese Linse müsste somit mindestens 20 m x 20 m groß sein.

    So genannte Fresnel-Linsen, die hauchdünn sein können, können das leisten. Macht man das Material 100 µm dick und hat es die Dichte von Wasser, kommt man für 20 m x 20 m gerade mal auf 40 kg. Dazu kommen natürlich noch die Arme, an denen die Linsenfolie hängt. Übrigens: Die Hülle der bekannten Stratosphärenballons ist deutlich dünner – obwohl die deutlich mehr Kräfte aushalten müssen und auch noch gasdicht sein sollen!

    Anfangs wird man die Solarzelle außerhalb des Fokus der Linse positionieren, entweder zu nah oder zu weit weg, und dann mit zunehmendem Abstand zur Sonne immer genauer in den Fokus fahren.

    Klar, das ist unerprobte Technologie und am Ende muss man drei Geräte (Solarkonzentrator, Parabolantenne und Instrumentenplattform) unabhängig voneinander auf verschiedene Ziele ausrichten. Aber die Computertechnik ist heute ja weiter als zu Zeiten von Yoyager I und II. Und ich plane, wie schon geschrieben, durchaus den Verlust von Sonden ein.

    Besonders kritisch bzw. wahrscheinlich unmöglich wäre Aerobreaking Fresnel-Linse. Es sei denn, man baut die so, dass sie sich auch wieder zusammenfalten lässt.

    Kai

  5. Ich würde mich erst mal über die Grundlagen informieren, was ziemlich sinnvoll ist wenn man mit dem von dir zitierten Wert mit dem für Jupiter in der Größenordnung von >8700 m/s vergleicht.

    Das gleiche wäre für andere Technologien die Du ansprichst zu sagen.

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.