Der Mars-Kommunikationsorbiter

Ein Projekt das seit langem in den NASA-Langzeitplanungen schlummert, ist die des Mars Kommunikationsorbiters. Er ist nötig für Landemissionen, sowohl unbemannt wie bemannte. Bei einem Orbiter ist es kein Problem eine große Parabolantenne einzubauen und starke Sender. Ein Lander hat aus Gewichts- und raumgründen nur eine kleine Mittelgewinnantenne (typisch nur 30-40 cm groß). Bei einem Rover, der sich bewegt kommt auch aus diesem Grunde keine große Antenne in Frage. Weiterhin ist die Sendeleistung beschränkt denn RTG geben nur wenig Strom ab und Solarzellen sind schwer und ebenfalls im Volumen beschränkt.,

Aber auch Orbiter könnten von einem Kommunikationsorbiter profitieren. Bei ihnen kann das Sendesystem kleiner ausgelegt werden. Vor allem kleinere Orbiter wie z.B. Odyssey die sonst nur 10-120 kbit/s vom Mars übertragen können, würden so erheblich mehr Daten übertragen.

Das Konzept ist nicht neu. Die Viking Orbiter übertrugen die Daten der Lander, die derzeitigen Lander nutzen die beiden US-Orbiter MRO und Odyssey. Vor allem bei letzten ist die Kontaktzeit aber auf einige Minuten beschränkt. Mehrmals am Tag ist aber eine Datenübertragung möglich. Wegen der schnellen Bewegung ist dann nur eine Antenne mit niedrigem Gewinn (omnidirektionale Antenne) nutzbar. Das limitiert die Datenrate.

Die NASA plante daher schon lange einen Kommunikationsorbiter in einer geostationären Umlaufbahn um den Mars. Diese liegt in rund 17.000 km Höhe. Er steht über dem Landepunkt stabil. Das erlaubt es eine Antenne mit höher, Gewinn einzusetzen die man relativ schnell mittels Peilsignal ausrichten kann.

Die NASA plante einmal einen solchen, musste bei den Kürzungen die nach Amtsantritt der Bush-Regierung kamen, ihn aber streichen. Er sollte neben der primären funktechnischen Nutzlast auch ein experimentelles Laserterminal einsetzen.

Nun gibt es erneut Bewegung in diesem Vorhaben. Der Ansatz ist es nun zu prüfen, ob man das in anderen Bereichen schon genutzte Modell, dass man den Auftrag komplett an die Industrie abgibt nutzen könnte. Das klingt zuerst vernünftig. Kommunikationssatelliten werden zu Dutzenden jedes Jahr gestartet. Sie sind ausgereift und haben lange Lebensdauer. Die Frage ist nur ob sie den nutzbar sind, schließlich unterscheiden sich Marsrobiter und geostationären Satellit doch deutlich.

Heute sind Kommunikationssatelliten recht schwer, wiegen beim Start 3 bis 7 t, die meisten liegen um 4-5 t. Davon sind aber die Hälfte bis zwei Drittel nur Treibstoff. Sie haben sehr viele Transponder in vielen Frequenzbereichen (meist C/K-Band kombiniert) und Sendeleistungen bis 250 Watt. Entsprechend verfügen sie über viele Antennen um zahlreiche einbandige „Beams“ zu generieren- sprich ein kleines Gebiet auf der Erde zu versorgen.

Allerdings ist ein Satellit im GEO rund 1.500 bis 11.000 mal näher an der Erde als der Mars. Selbst wenn man berücksichtigt, dass die Empfangsantennen nicht 0,6 sondern 35 oder 64 m groß sind, sinkt die Datenrate so gravierend ab.

Das bedeutet die funktechnische Nutzlast wird eine andere sein. Sie wird aus einer relativ großen Sendeantennen zur Erde mit einem starken Sender bestehen und einer Mittelgewinnantenne für den Empfang ohne Ausrichtung und vielleicht einigen kleinen Hochgewinnantennen die man auf die Punkte wo Landemissionen sind ausrichtet. Denkbar wäre das Ergänzen durch eine wissenschaftliche Nutzlast. Aus dieser Entfernung wäre der wichtigste Einsatzzweck wohl der von globalen Aufnahmen, entsprechend einem Marswettersatelliten. Sinnvoll wäre auch die Hinzunahme des Laserterminals, denn diese Technologie ist von Bedeutung für die Zukunft.

Damit ähnelt der Mars-Kommunikationsorbiter eher einem der NASA-Datenrelay Satelliten TDRS. Trotzdem denke ich dass der Ansatz einen kommerziellen Anbieter damit zu beauftragen nicht dumm ist, man muss eben die funktechnische Nutzlast anpassen. Eventuell auch Änderungen am Thermalhaushalt machen. Trotz größere Entfernung wird man auch kleinere Solarpanels brauchen, denn heutige Satelliten haben Panels mit eienr Leistung von 8-12 kW, das sind beim Mars immer noch 3-5 kW.

Ein Problem ist eher das Gewicht. Die Treibstoffzuladung ist in etwa vergleichbar mit denen für Kommunikationsmissionen. Man braucht etwa 1.800 m/s um die Zielbahn zu erreichen. Beim Übergang von dem GTO in den GEO sind es 1.500 m/s, dazu kommt der Treibstoff um die Bahn stabil zu halten – Mars hat durch die Einschlagsbecken und die Tharsisregion ein noch unregelmäßigeres Schwerefeld als die Erde. Aber der Satellit muss erst zum Mars transportiert werden. Daher wird man eher einen der kleineren Busse von 3 t Gewicht einsetzen, selbst die brauchen aber schon die mittlere Größe fder Atlas V. Eine Zusammenarbeit mit der ESA wäre hier möglich, die derzeit den Bau kleinerer Kommunikationssatelliten finanziell fördert und Bedarf wegen ihrer Exomars Mission hat.

Die wichtigste Frage am Schluss: braucht man ihn? Derzeit wohl nur für die USA nicht. Er hätte sich gelohnt als vor einem Jahrzehnt die Planung von zwei Missionen pro Startfenster ausging. Derzeit ist aber nur eine Mission alle zwei Startfenster geplant. Opportunity ist schon lange auf dem Mars, ob er noch betrieben werden kann wenn man in einigen Jahren ein Kommunikationsorbiter startet nicht sagen. Das gleiche gilt für Odyssey, dem auch langsam der Treibstoff ausgeht und der schon in seinem Betrieb heruntergefahren wurde. Der MRO hat ein eigenes, leistungsfähiges Sendesystem. MAVEN, derzeit auf dem Weg zum Mars ist eine Kurzzeitmission. Durch das eintauchen in die Marsatmosphäre verbraucht er schnell seinen Treibstoff. Geplant sind derzeit nur zwei weitere Missionen, davon eine Landemission die davon profitieren würde. Für zwei Landemissionen ist ein eigener Kommunikationsorbiter aber überdimensioniert. Daher denke ich wird er erst angegangen werden, wenn man die Marsforschung wieder intensiviert, eventuell bei einer Bodenprobenrückführung oder einer bemannten Landung.

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