Raumsonde „Eagle“

Noch ist die Sache nicht finanziert, aber für Aufsehen hat sie schon gesorgt: die geplante Mini-Raumsonde der Planetary Society. Die Idee einer privaten Raumsonde ist ja nicht neu, seit Jahren plant AMSAT einen Mars Orbiter, der von einer anderen Raumsonde huckepack mitgeführt werden sollen, doch mehr als diese Pläne gab es nie, obwohl AMSAT Erfahrung mit dem Bau von Satelliten hat: Sie haben etwa ein Dutzend kleine Kommunikationssatelliten als Sekundärnutzlasten schon gestartet.

Gemäß den Maximen des Gründer der Planetary Society, dem amerikanischen Planetenforscher Carl Sagan, ist der Zweck der Sonde, die unter dem Projektnamen „Eagle“ läuft, mehr Leute für die Planetenforschung zu begeistern. dabei peilt man nicht mal einen Planeten als Ziel an, sondern den Mond. Carl Sagen machte die Voyager Missionen populär, bestand auf wissenschaftlich unnötigen, aber spektakulären Aufnahmen wie dem berühmten Rotationsfilm des Jupiters oder dem Mosaik des Sonnensystems aus 10 Milliarden km Entfernung (den letzten Aufnahmen der Voyagers). Ohne die Begeisterung der Öffentlichkeit wird es viel weniger planetare Raumfahrtforschung geben.

Ziel der Raumsonde ist es, spektakuläre Kameraflüge über die Mondoberfläche zu generieren, die begeistern sollen. Sie sollen vergleichbar der Aussicht sein, die man von einem Flugzeug hätte, wenn man über die Oberfläche schwebt. Der Name wurde nicht aus Zufall von der Apollo 11 Mondlandefähre übernommen: Ein zweiter Zweck ist, die vor allem in den USA sehr populäre These des Moon Hoax zu wiederlegen. Zwar gibt es vom Lunar Reconnaissance Orbiter schon Aufnahmen der Apollolandeplätze, doch Kritiker verweisen, dass diese auch von der NASA stammen und genauso gut durch Bildbearbeitung entstanden sein könnten und man zu wenig auf ihnen sieht. Mondfähren sind z.B. nur einige Pixel groß.

Eagle ist noch nicht endgültig durchgeplant, doch das allgemeine Missionsprofil ist schon festgelegt. Die Raumsonde wird als Sekundärnutzlast in einen GTO-Orbit gelangen. Von dort wird sie mit eigenem Antrieb zuerst zum Mond aufbrechen, dort in eine niedrige Umlaufbahn einschwenken und diese dann mehrmals absenken, sodass der mondnächste Punkt in nur 10 km über der Höhe liegt, eventuell mit etwas Erfahrung auch nur 3 km. Der Treibstoffvorrat soll so bemessen sein, dass mindestens 10 Tiefflüge möglich sind. Bevor die Raumsonde an einen Berg schrammt, wird sie wieder durch eine Zündung in die normale Bahn in 50 bis 100 km Höhe angehoben. Je nach Bahntiefe und Punkt sollen ein bis vier Durchflüge des mondnächsten Punktes möglich sein.

Während des Durchfluges wird die Raumsonde mit einer HD-Videokamera einen kleinen Film drehen, der dann während der nächsten Tage zur Erde übertragen wird. Geplant ist bei den Apollolandeplätzen, die alle auf der Liste der favorisierten Ziele stehen auch die Aufnahme dieser mit einem kleinen Teleskop, das allerdings keine Bilder macht. Die Mission wird mindestens 6 Monate dauern.

Für das Projekt gab es nach dem Bekanntwerden breite Unterstützung, auch da die Planetary Society schon vorher ihre Fühler ausgestreckt hat. Das DoD sicherte einen kostenlosen Start als Sekundärnutzlast an einem ESPA Ring zu. Würde sogar zwei der Raumsonden gleichzeitig starten (wahrscheinlich aber eher aus Symmetrie und Gewichtsgründen). Sony bot eine kostenlose Ausgabe einer HD-Actioncam an, die zwar nicht weltraumqualifiziert ist, aber militärische Spezifikationen erfüllt. MAHLI Space Systems bot ein Reservemodell der MOC Kamera des Mars Global Surveyors an, das allerdings mit einem neuen Sensor ausgestattet werden müsste, die John Hopkins Universität ein Flugexemplar der LORRI Kamera von New Horizons und die Universität von Arizona ein Exemplar der LROC Kamera.

Damit gäbe es schon drei Teleskope mit Durchmessern von 19,5, 20.6 und 35 cm und Brennweiten von 700, 2630 und 3500 mm. Eine beugungsbegrenzte Abbildung würde aus 10 km Entfernung noch Details von 1,7 bis 3 cm Größe abbilden. Das würde so detaillierte Abbildungen ergeben, das man dann sicher auch die Moon Hoaxer überzeugen könnte. Realistisch wird man wohl zur LORRI greifen. Die MOC ist mit 20 kg zu schwer und die LROC hat eine zu geringe Brennweite.

Das Gewicht ist ein Problem: Sehr schwer darf die Sonde nicht sein, denn von den 180 kg die ein ESPA Ring transportieren kann, kommen im Mondorbit noch 86 kg an, zieht man dann noch die Trockenmasse des Antriebssystems ab, so ist man bei 70 kg. Da sind sicher keine Instrumente die viel mehr als 10 kg wiegen möglich. Damit scheidet auch aus, dass die Sonde eine Kopie des LLDC Systems von LADEE bekommt, das eine Datenübertragung von 622 Mbit/s aus Mondentfernung erlaubt und damit Sendungen in Realzeit und HD erlaubt. Dieses wiegt alleine 30 kg. Derzeit laufen Verhandlungen mit der ESA für einen kostenlosen Transport mit einer ASAP-5 und der Ariane 5, das würde die Startmasse auf 300 kg steigern und mehr Möglichkeiten für die instrumentelle Ausrüstung bieten, aber auch für eine längere Mission, denn jeder Tiefflug kostet Treibstoff und auch die Umlaufbahn ist nicht langzeitstabil.

Offen ist auch noch wie die Daten zur Erde kommen sollen. Die NASA bot an die Raumsonde eine Stunde pro Tag mit den 26 m Antennen des DSN abzufragen. Die Planetary Society lehnte dies aber ab, man sollte auf einen Empfang seitens der NASA komplett verzichten und zur Sicherheit auch auf Hilfestellungen der ESA oder JAXA. Stattdessen wolle man eine eigene Sende/Empfangsstation. Das Lunar and Planetary Institute bot dann die kostenlose Überlassung der Empfangsstation von Lunar Prospektor an, die jedoch nur eine 12 m Antenne hat. Sie müsste da sie seit 10 Jahren eingemottet ist jedoch renoviert werden. Darin liegt auch die Chance sie mit Empfängern für das K-Band auszustatten und damit die Datenrate beträchtlich zu erhöhen.

Doch selbst mit diesen Zuwendungen wird die Raumsonde noch Millionen kosten. Erste Schätzungen gehen von 13 bis 18 Millionen Dollar Eigenanteil aus. Soviel kann die Plantary Society nicht durch ihre Mitglieder finanzieren. Stattdessen will man diesen Betrag durch Crowdfunding zusammen bekommen. Das ist der wohl riskanteste Teil des Projekts. Es wäre leicht gewesen, von der NASA auch finanzielle Unterstützung zu erhalten, denn auch Kongressabgeordneten fiel dieses Projekt auf, doch gerade wegen des zweiten Ziels, die Apollolandeplätze abzubilden will man nur Sachleistungen von der Regierung annehmen. Man will dadurch jeden Verdacht der Einflussnahme vermeiden.

Sollte man dieses Geld nicht zusammenbekommen gibt es aber noch einen Plan B: Eine wesentlich kleinere Sonde von der Größe eines Cubesats. soll zumindest einen niedrigen Überflug machen, dafür sollen davon mehrere gestartet werden. Pro Überflug einer Ein ähnliches Projekt Lunarsail hat gerade das Geld dafür per Crowdfunding zusammenbekommen. Allerdings ist die Summe 100-mal kleiner und durch das Segel sind kurzfristige Bahnänderungen kaum möglich, man wird dann nicht in eine Mondumlaufbahn einschwenken, sondern den Mond nur in geringer Entfernung passieren und dabei den Film machen, denn man dann beim Verlassen des Erde-Mondsystems überträgt. Für die HD-Action Cam reicht auch das Gewicht des kleinen Cubesats, doch die Abbildung der Apollolandeplätze wird sowohl aus Gewichtsgründen wie auch aus himmelsmechanischen Gründen nicht möglich sein.

Die Chancen stehen gut, das zumindest diese kleine Version aber umgesetzt wird.

16 thoughts on “Raumsonde „Eagle“

  1. Ja, ich hab mich auch gefragt, wo sich die Satire versteckt. Evtl. hätte ja der Tag „Fiction“ gepasst, dann hätte Bernd das aber wohl kaum als „reale“ Planung geschrieben, …

  2. Wenn ich mich richtig erinnere, können doch auch mehrere Cubesat-Körper zu einem größeren Körper kombiniert werden? Dann braucht man immer noch keine neue Raumsonde planen somdern auf standardisierte Bauteile zurückgreifen und eine kleine Raumsonde planen. Dabei die Instrumente und Experimente von Universitäten und Hochschulen planen und bauen lassen. Wenn man da ein bisschen unkonventionell rangeht, könnte in wenigen Jahren kostengünstig was fliegen. Und das könnte ja der Start zu einer Serie sein.

  3. Von dort wird sie mit eigenem Antrieb zuerst zum Mond aufbrechen, dort in eine niedrige Umlaufbahn einschwenken und diese dann mehrmals absenken, sodass der mondnächste Punkt in nur 10 km über der Höhe liegt, eventuell mit etwas Erfahrung auch nur 3 km.

    Wie schnell soll denn die Sonde sein, wenn sie in 3km Höhe über den Mond rast? – Ich komm da auf 1187m/s, bzw. ~330km/h wenn ich richtig gerechnet habe. (v = Sqrt(GM ÷ x) mit M=7,346*10^22 und x=3479 km). Das ist mMn für hoch aufgelöste Bodenaufnahmen viel zu schnell, wenn die Kamera vertikal auf die Oberfläche guckt. Und selbst für eine Hochgeschwindigkeitskamera die in Flugrichtung bzw. schräg nach unten guckt (-30° bis -45°), dürfte das Tempo zu hoch sein, bzw. die so produzierte Datenmenge zu gross. Oder täusche ich mich da?
    Ich geh mal von Bildern im 720i-Format aus, was ja tatsächlich mit einer Auflösung von 1366x768Pixel produziert wird. Rechnet man dann mit 32Bit pro Pixel, dann ergibt sich ein Speicherbedarf von knapp 4 MB pro Bild. Macht bei ca. 100 Bildern pro Sekunde also rund 400MB. Nun dauert ein hübscher Panoramaüberflug aber nicht nur eine Sekunde, sondern nach meiner Ansicht mindestens 1 Minute. Damit hätten wir die 60 fache Datenmenge, also rund 25*10^9 Byte. – Die Menge lässt sich durch Komprimierung zwar noch eindampfen, aber selbst für eine einzige Umrundung wären das zuviele Daten, denn eine Umkreisung dauert auch bei dem Tempo in dieser Höhe etwa über 5 Stunden und 6 Min. (18421,7s hab ich raus.) Also 400MB mal 18tausend Sekunden ergeben dann etwa 7,4 TB – unkomprimiert jedenfalls.

  4. Also ich errechne für eine 100 x 3 km Tranferbahn am Perilunäum 1681,8 m/s,

    Es soll ja so was wie Bewegungskompensation geben. Wenn immer die Bahn bekannt ist kann das sogar ein Gleichschittmootor einfachster Bauart durchführen, So was hatten schon die ersten Spionagesatelliten Anfang der sechziger Jahre.

    Außerdem gibt es seit gut 10 Jahren Chips die HD-Signale in echtzeit komprimieren um sie als H264 über DVB-C/T zu streamen oder auf SD-Karte aufzuzeichenen. Einem aktuellen ct Test einer Action Cam mit 1920 x 1080 pixel, 50p liefert die 22 Mbit/s. Kayagua hat mit niedriger Datenrate auch schon vor Jahren HD-Videos vom Mond zur erde gesendet.

  5. Also 1681,2 m/s sind 466 km/h. Das ist langsamer als ein Flugzeug. Es sollte kein Problem irgendwelche Aufnahme zu machen.
    Auf dem Mond ist es genug hell, dass man auch mit kurzer Belichtungszeit arbeiten kann. Ein Beispiel wäre 1 ms. In der Zwischenzeit bewegt sich die Sonde 2 m, da braucht man keine Kompensation. Das kriegt man auch mit einer DSLR hin. Die haben neuen haben ja eine Filmfunktion. Die Elektronik selbst ist eigentlich ganz klein

  6. Ah ja. Ich hab mit der Formel für die Kreisbahn gerechnet.
    Und bei der Film/Videotechnik bin ich wohl nicht mehr auf dem laufenden… :-/ Ich frage mich dabei jedoch, ob die Verlustfrei oder Verlustbehaftet komprimieren? – Ich hab nämlich Schwierigkeiten damit, mir vorzustellen, dass verlustbehaftete Bildkomprimierung in der Wissenschaft sinnvoll sein könnte. Meiner Ansicht nach ist sie das nicht.

  7. „Ich frage mich dabei jedoch, ob die Verlustfrei oder Verlustbehaftet komprimieren? – Ich hab nämlich Schwierigkeiten damit, mir vorzustellen, dass verlustbehaftete Bildkomprimierung in der Wissenschaft sinnvoll sein könnte. Meiner Ansicht nach ist sie das nicht.“
    Wenn ich Bernd richtig verstanden habe, dann soll die Sonde auch mit „Bildern begeistern“ statt wissenschaftlichen Zwecken zu dienen.

  8. Also irgendwie habt ihr Probleme mit der Mathematik. Wenn man die Kreisbahn rechnet sind es 10-20 m/s weniger. Und 1681 m/s sind 6061,6 km/h. Sonst wäre die Mondlandung echt einfach wenn der Mondlander in der Umlaufbahn nur so langsam wie eine alte Propellermaschine wäre. Bei 466 km/h könnte man auch direkt neben den Landeplätzen niedergehen und die vom Boden aus filmen….

  9. Zu verlustbehaftet oder nicht. Heute wird alles verlustbehaftet übertragen außer der Bordcomputer schafft das nicht wie z.B. bei Cassini. Selbst militärisch genutzte Aufklärungssatelliten übertragen komprimiert. Ich denke da wird ein Wvaelet oder ähnliches fortgeschrittenes verfahren eingesetzt. Meist wird nur der Kompressionsfaktor veröffentlicht. Bei den Plejades ist er z.B. bei 5.

  10. Ups, in die falsche Richtung dividiert. Natürlich ist es m/s * 3.6 -> km/h.
    Auf jeden Fall bewegt sich die Sonde nur 1.6 m in 1 ms. Ich glaube mit dieser Bewegungsunschärfe kann man leben. Das Ziel der Sonde ist ja publikumswirksame Bilder zu liefern. Die Wissenschaft steht an zweiter Stelle.

  11. Ein Überflugvideo eines ehemaligen Apollo-Landeplatzes mit knapp 1700 m/s ist natürlich für die Zuschauer wenig spannend. Bevor man was richtig erkennt, ist alles schon wieder weg. Man wird also Zeitlupe aufnehmen müssen. Es gab schon vor Jahren Consumer-Kameras, die konnten SD-Video mit 300 fps aufnehmen. Spielt man dann mit 24 fps ab, hat man 12,5-fache Zeitdehnung.

    Überfliegt man das Zielgebiet in 10 km Höhe, kann man sinnvollerweise von ca. 50 km vor dem Punkt der höchsten Annäherung bis ca. 50 km hinter dem Punkt der höchsten Annäherung filmen. Ebenso wird man sinnvollerweise den Satellit während des Vorbeiflugs drehen (oder nur die Kamera), so dass die Kamera die ganze Zeit auf einen fixen Zielpunkt ausgerichtet ist. Das ganze Manöver dauert somit 1 Minute, mit der genannten Zeitlupe bekommt man 12,5 Minuten Film. Da wird dann schon einiges drauf zu erkennen sein, inklusive scheinbar wandernder Schatten (weil sich der Blickwinkel des Satelliten ändert und der Mondboden nunmal nicht eben ist), Mondauto, Landefähre und evtl. sogar einer Flagge oder Experimentierstation.

    Am einfachsten sollte das Anfliegen der Landeplätze sein, an denen die Astronauten jeweils einen Laser-Reflektor zurückgelassen haben. Dank der Bilder des Lunar Reconnaissance Orbiter sollten aber auch die anderen Landeplätze ansteuerbar sein.

    Um unterschiedlich hohe Orbits zu erreichen, kann man auch gezielt die „Unrundheit“ des Monds ausnutzen, die aus einem zirkularen Orbit mit der Zeit eh ein elliptisches macht. Sobald der tiefste Punkt gefährlich weit gesunken ist, zirkularisiert man mit einem gezielten Manöver wieder. Das alles so hinzubasteln, dass man genau die Apollo-Sites immer wieder in niedriger Höhe überfliegt, dürfte sicher ein paar CPU-Zyklen benötigen, aber das zugehörige „Apollo@home“-Projekt macht bestimmt mehr Spaß als Seti@home, wo man ja doch nichts findet.

    Kai

  12. Bei einer Auflösung von 1,7 bis 3cm sind 1,6m Bewegungsunschärfe viel zu hoch. Da geht es nicht mehr ohne die Kamera mitzudrehen, sonst sind nur „Kometenschweife“ statt Details im Bild zu sehen.

  13. Wie erwähnt, man kann die Kamera drehen. TDI Sensoren schaffen bei Erdbeobachtungssatelliten ohne Bewegungskompensation 0,45 m Auflösung bei einer Geschwindigkeit von 7 km/s relativ zum Boden. Bei einem Fünftel der Geschwindigkeit kommt man so auf 9 cm. Und wenn man dann noch dreht, das muss nicht mal 100% genau sein, 90% würden schon reichen, dann kommt man auf 0,9 cm.

    Analog kann man auch den Satelliten schwenken, aber die Technologie ist nun nicht gerade neu, schon die ersten Aufklärungssatelliten der USA hatten Kameras die synchronisiert zur Fortbewegung gedreht wurden, und das war 1958 ….

  14. @Elendsoft:
    Was ich meinte, ist dass die Kamera sich in einer millisekunden um 1.6 m bewegt. Objeke, die weit weg sind, bewegen sich auf dem Bild kaum.
    Dies ist das selbe, wie aus einem fahrende Auto bei 150 km/h zu filmen, wenn die Belichtungszeit 40ms lang ist. Ich habe ja schon aus dem Flugzeug bei der Landung und Start gefilmt, und der ist mehr als 150 km/h schnell. Sobald das Zeug 20-30 m entfernt ist, sieht man alles deutlich.

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