Die JUNDAS Raumsonden

Erstmals hat das JPL ein Konzept vorgelegt, wie die SLS für planetare Missionen eingesetzt werden könnte. Das JPL will den zweiten oder dritten Testflug ausnützen, um recht preiswert ein neues Missionskonzept zu erproben. Für das JPL hat ein Start mit der SLS bei den ersten drei Flügen den Vorteil, dass diese Träger vom Posten „Heavy Lift Launchers“ finanziert wird und so die Startkosten wegfallen, was die Missionskosten deutlich reduziert. Die SLS ist leistungsfähig genug, in diesem Falle sogar zwei Raumsonden zu starten. Das ist schon die erste Neuerung.

Gestartet werden mit einem Start zwei Raumsonden, die als erstes Ziel Jupiter passieren sollen. Hier gibt es schon die erste Neuerung. Sie werden auf zwei Centaur Oberstufen gestartet, die gleichzeitig transportiert werden. Die SLS hat eine Nutzlasthülle von 8,50 m Durchmesser, da passen ohne Problem mehrere der 3 m breiten Oberstufen hinein. Wenn die Nutzlast auf 105 bzw. 120 t gesteigert wird, könnten es sogar vier Stufen werden. Beide Stufen gelangen in eine Erdumlaufbahn, werden aber einen bzw. zwei Umläufe später getrennt gezündet. Die unterschiedlichen Bahnen führen dazu, dass eine Raumsonde nach 18 Monaten den Jupiter erreicht, die andere nach 24 Monate. Neben ausführlichen Beobachtungen sind auch zwei nahe Vorbeiflüge geplant. die erste Sonde an Io, die Zweite an Europa. Beide Monde wurden von Galileo kaum untersucht und gelten als geologisch aktiv und interessant. Passagedistanzen unter 1000 km werden angestrebt. Zusammen mit den Möglichkeiten von JUNDAS 1+2 werden sensationelle Aufnahmen mit hoher Detailauflösung und eine genaue spektrale Kartierung auch von Spurenbestandteilen im Eispanzer oder der Gesteins-Schwefelkruste erwartet. Insgesamt wird so das Jupitersystem rund 9 Monate lang untersucht werden.

Jupiter lenkt beide Raumsonden zu ihrem endgültigen Ziel um. Die erste Sonde zu Neptun, die zweite zu Uranus. Neptun wird acht Jahre nach dem Start erreicht, Uranus sechs Jahre nach dem Start. Dort findet die zweite Neuerung statt. Beide Raumsonden werden einen Schutzschild entfalten, der aus aufblasbarem Schaum, belegt mit einer dünnen Metallfolie besteht und die Atmosphäre streifen, was sie abbremst und wieder zurück ins innere Sonnensystem umlenkt. Eine Kurskorrektur beim Rückflug führt zu einer Umlaufbahn die nahe an der Erde zurückfuhrt. bei der dann ein Großteil der Ergebnisse mit hoher Datenrate übertragen werden, daher auch der Projektname: Jupiter-Uranus-Neptun Dump and Store kurz JUNDAS. Nur ein kleiner Teil wird „life“ übertragen, vor allem zur besseren Missionsplanung. Ein größerer Teil dann auf dem Rückflug, doch der größte Teil der Ergebnisse erst, wenn die Raumsonde wieder näher als 400 Millionen km von der Erde entfernt ist.

Das Projekt wurde auch im JPL kontrovers diskutiert. Unbestritten ist, das es die preiswerteste Möglichkeit ist, die Planeten zu erkunden. Bedingt durch die Rückkehr ins innere Sonnensystem ist weder eine große Kommunikationsantenne nötig, noch leistungsfähige Sender, schon entwickelte Systeme von Juno können übernommen werden. Das gilt auch für einen Teil der Instrumente. Als Folge benötigt man weniger Strom, was bei den explodierenden Kosten des Plutonium 238 von Vorteil ist. Kritiker vertreten die Meinung, man sollte gleich bei den Zielen in eine Umlaufbahn einschwenken, doch hat man dies nach eingehender Prüfung verworfen. Es gab mehrere Gründe, die dagegen sprechen. Das Erste ist, das man zu wenig über die Atmosphären der Planeten weiß, um effektiv stark abzubremsen. Dafür müsste die Raumsonde viel tiefer eindringen und viel besser geschützt sein. Trotzdem ist das Risiko zu hoch das die Sonde zu tief in der Atmosphäre versinkt oder nicht ausreichend abgebremst wird oder nicht ausreichend abgebremst wird und keinen Orbit erreicht. Bei JUNDAS ist nur eine leichte Abbremsung geplant, der Effekt ist weniger eine drastische Geschwindigkeitsreduktion, als vielmehr eine Drehung des Geschwindigkeitsvektors ins innere Sonnensystem – anstatt das die Raumsonde nun das Sonnensystem verlässt, fliegt sie wieder zurück ins innere Sonnensystem. Eine kleine Korrektur in dieser großen Entfernung bringt die Sonde dann wieder auf einen erdnahen Kurs. Bei der Passage der Erde steigen die Datenraten enorm stark an und die gesamten an Bord gespeicherten Daten können übertragen werden. Die Raumsonde wird mindestens zwei Monate in maximal 30 Millionen km Entfernung von der Erde sein, die Gesamtmenge der Daten, die man in dieser Zeit übertragen kann, entspricht 16 Jahren in Uranusentfernung und sogar 37,5 Jahre in Neptunentfernung. So könnte man viel mehr Daten erfassen als mit jedem Orbiter, können hochauflösende Bilder und Spektren, 3D-Aufnahmen der Plasmaumgebung etc. gewinnen, die mit einem Orbiter kaum möglich wären. Man erhält einen Schnappschuss des Systems – aber einen sehr genauen.

Ein Orbiter wäre erheblich schwerer gewesen wegen eines größeren Kommunikationssystems, mehr RTG-Elemente und vor allem Treibstoff, denn da nach der Abbremsung der planetennächste Punkt in der Atmosphäre liegt. Er mus über das Ringsystem angehoben werden, wofür sehr viel Treibstoff benötigt wird. In der Summe kommt jeder Orbiter erheblich teuerer als eine Vorbeiflugsonde, es kann nur einer gestartet werden und trotzdem ist die Mission riskant. Auch dieses Risiko könnte JUNDAS senken, denn dann liegen in-Situ Angaben über die oberen Atmosphären vor. Die nächste Mission könnte dann tatsächlich Aerobraking nutzen um einen Orbit zu errreichen.

Optional, wenn das Budget es erlaubt, wird auch gedacht eine Kapsel zur Erde zurückzubringen. Zwei Möglichkeiten gibt es. Die Aufwendigere ist es, eine Gasprobe bei den Planeten zu gewinnen und zur Erde zurückzubringen. Wegen der Forderung nach Gasdichtigkeit wird dies aber wahrscheinlich nicht umgesetzt werden. Einfacher und umsetzbar erscheint ein Nachbau der Aerogelkapsel von Stardust, die während der Reise eine Probe von Staub aus dem gesamten äußeren Sonnensystem sammelt.

Beide Raumsonden können, wenn sie nach 11 bzw. 16 Jahren wieder an der Erde vorbeikommen erneut eingesetzt werden. Ein naher Erdvorbeiflug könnte sie erneut zu Jupiter lenken, wo man sie nun tatsächlich einfangen lassen kann. Zum einen ist bei Jupiter die Relativgeschwindigkeit gering genug, zum anderen gibt es dort vier große Monde, deren Schwerkraft genutzt werden kann, den planetennächsten Punkt soweit anzuheben, dass eine stabile Umlaufbahn jenseits des Gossamer Rings resultiert.

Kernstück für JUNDAS sind neue Solid State Disks. Schon heute fassen die größten Exemplare 5 Terabyte. Sechs Stück davon an einem SATA-Chipsatz bieten als redundantes Array 15 Terabyte Speicher. Das ist 200-mal mehr als Voyager an Daten zur Erde sandte. Es reicht z.B. für 300,000 Bilder mit je 50 MegaPixeln Große (den großen derzeit verfügbaren astronomischen CCD). Ein Orbiter könnte nur einen Bruchteil dieser Datenmenge übertragen. Bei New Horizons wird man z.B. nur einen Bruchteil der 16 Gigabyte, die die Raumsonde als Speicher hat, übertragen. Mehr ist wegen der geringen Datenrate nicht drin. Begrenzend ist bei JUNDAS vielmehr die schnelle Passage der Erde. In den 60 Tagen werden maximal 4,7 Terabyte übertragen werden. Nimmt man noch die Zeit davor und danach in etwas größerer Entfernung hinzu, so sollen 6 Terabyte möglich. Schon heute könnte man also die gesamte Datenmenge ablegen. Trotzdem ist dies immer noch ein vielfaches dessen, was ein Orbiter bei Uranus mit 10 kbit/s und Neptun mit 4 kbit/s übertragen könnte.

DAS JPL hofft, beide JUNDAS Raumsonden für nur 600 Millionen Dollar bauen zu können. Die Trägerrakete iost umsonst und die Missionskosten auch gering, da die Raumsonde außer 6 Monate beim Jupiter, 6 Monate am Ziel und 3 Monate bei der Rückkehr zur Erde im Schlafzustand sein wird. Das Hauptproblem scheint das generelle, sinkende NASA Budget zu sein.

 

9 thoughts on “Die JUNDAS Raumsonden

  1. Hi
    ich frage mich, was daran Satire sein soll, wenn man es mit den derzeit kursierenden, akut Schwachsinnigen Konzepten vergleicht: „Asteroid einfangen“ „Bemannter Mars Fly-By“ oder „Mars one“ = (Operation Certain Death, präsentiert von der Big-Brother Nachfolgesendung „Doom direct“…) usw usfort…..
    Irgendwei braucht man gerade wenig Satire, die mit Todernster Überzeugung gelieferten gehirntoten Konzepten schlagen derzeit alles.

    LG
    Mike

  2. Was spricht eigentlich ERNSTHAFT dagegen, eine Sonde wieder zurück in Erdnähe fliegen zu lassen, um von einer höheren Datenrate zu profitieren?

  3. Ich glaube es ist der Fakt, dass weder Uranus noch Neptun genug massenreich sind, um ein derartiges Manöver auszuführen. Und wenn man mit diesem Schutzschild bremst, gelangt man dann nicht mehr zurück, oder es dauert sehr lange.

  4. Was macht man mit einer Superrakete, wenn
    a)
    man sich bemannte Mondflüge nicht leisten kann
    b)
    bemannte Marsflüge noch in weiter Ferne sind
    c)
    man keine Superraumstation braucht, weil man ja eben aus dem erdnahen Orbit heraus will
    d)
    man sich ansonsten einfach keine sinnvollen Ziele für bemannte Flüge aus den Ribben schneiden kann??

    Es bleiben wohl nur Missionen zu den äußeren Planeten. Oder man schickt den Voyagersonden ein paar modernere und schnellere Sonden hinterher.
    Wäre bestimmt ein gutes Thema für einen Artikel (Wie schnell kann eine Sonde das Sonnensystem verlassen, mit schnellem Start, Jupiterflyby, eventuell in Jupiternähe noch einmal zusätzlich beschleunigen usw.)

  5. Interessantes Konzept! Weil man keine Relais-Satelliten mitstarten will oder neuartige Laser-Kommunikation verwenden will, verwendet man im Weltraum das „Turnschuh-Netzwerk“: Man fliegt zurück zur Erde *g*

    Allerdings braucht man für eine „free-return“-Trajektorie kein Aerobreaking, sondern nur die Gravitation: Apollo konnte das schon vor Jahrzehnten mit dem Mond. Wir erinnern uns alle daran, wie Apollo 13 zur Erde zurückkam. Dieselbe Technologie könnte man nun verwenden, um einen Satelliten nach dem Vorbeiflug an Uranus oder Neptun zurück zur Sonne zu schicken. Bei Ulysses wurde ein Jupiter-Vorbeiflug genutzt, um diese nicht nur zurück ins innere Sonnensystem zu schicken (minimale Distanz zur Sonne: 1 AE), sondern auch gleich noch die Inklinitation auf 80° zu erhöhen, also fast über die Pole der Sonne zu fliegen.

    Mit Aerobreaking wird der Swing By zurück ins innere Sonnensystem schwieriger, weil man dabei – von der Sonne aus betrachtet – eigentlich unweigerlich Drehimpuls aufnimmt. Der verhindert dann aber, dass man in Sonnennähe zurückstürzt. Allenfalls könnte der zusätzliche Drehimpuls nützlich sein, wenn man ohne diesen auf eine retrograde Bahn geraten würde und man diese nicht will.

    Kai

  6. @peter Stohl
    Das gibt es schon längst:
    http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2010/05/27/heliopause/

    @kai Petzke
    Eine freie Rückkehrbahn setzt voraus, dass die Raumsonde mit fast keiner Geschwindigkeit aus dem unendlichen kommt. Das ist bei nach einem Swing-by nicht der Fall, die Sonden haben >10 km/s relativ zu Uranus/Neptun. Dazu müsste man sie auf Hohmannbahnen mit Reisezeiten von einigen Jahrzehnten starten. Sonst hätte man auch Voyager wieder zurückschicken können.

    Auch die Drehung der Inklination ist eine Geschwindigkeitsänderung – nur bleibt der Betrag konstant aber der Vektor wird um 80 Grad gekippt.

  7. Ich muss schmunzeln, vor wenigen Tagen erst haben mein Bruder und ich bei ein paar Bierchen Ideen gesponnen wie man das SLS sinnvoll unbemannt einsetzen könnte, da war neben JWST direkt entfaltet im SLS zu starten auch die Idee, man könnte doch basierend auf Cassini zwei neue Sonden bauen, jede auf eine Centaur schnallen und beide ins SLS packen und starten, auf dem Weg zu Jupiter ändern sie ihre Flugbahn nach und nach sodass die eine dann mit dem Swing-by an Jupiter zu Uranus und die andere zu Neptun geschleudert wird. Mit entsprechnd Treibstoff könnten die dann jeweils in einen Orbit einbremsen und für viele Jahre eine änlich erfolgreiche Mission absolvieren wie das derzeit Cassini am Saturn macht. Der Gedanke war eben dahinter auch, das SLS wird wohl so oder so kommen, Ideen bzw. das Geld um damit bemannt sinnvolle Missionen zu machen hat die NASA sowieso nicht, also warum nicht mal sowas ambitioniertes probieren? Wie weit das technisch und finanziell vertretbar zu lösen wäre mit der Stromversorgung der Sonden, der Datenübertargung und dem benötigten Treibstoff für den Orbitburn fehlt mir natürlich etwas der fachliche Hintergrund, aber so als Idee find ich das ganz interessant.

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