Könnte New Horizons nur die Erste sein?

Es dauerte lange bis man eine Pluto Mission auf den Weg brachte. New Horizons ist der dritte Anlauf der nicht nur ein Papierprojekt ist sondern in die Planung ging. Die beiden vorherigen Pluto Fast Flyby und Pluto Kuiper Express wurden dann aber gekippt. Aus der Asche von PKE wurde dann New Horizons, weil das Parlament den Beschluss der Bush Administration kippte.

Ich senke man kann jetzt schon sagen, das die investierten Millionen sich gelohnt haben. Pluto und Charon sind anders als die meisten Körper im äußeren Sonnensystem. Bis 1979 waren die Monde der Planeten in den Fernrohren nichts als Lichtpunkte, bei den Planeten sah es jenseits von Saturn auch nicht besser aus. Wer ein Astronomiebuch aus dieser Zeit aufschlägt entdeckt mit etwas Phantasie zwei Bänder bei Uranus und Neptun. Dass hat sich geändert vor allem durch die Voyager Sonden. Galileo und Cassini setzten ihre Arbeit fort. Wir haben heute eine grob oder fein aufgelöste Karte von allen Monden mit mehr als 300 km Durchmesser. Aber: die meisten entpuppten sich als kraterbedeckte Eiswüsten. Sicherlich der eine oder andere mit interessanten geologischen Features wie langen Gräben, einem Riesenkrater wie Mimas. Aber wenn es nicht eine Aufheizung durch Gezeitenkräfte gab (Io, Europa, Ganymed oder Enceladus) oder der Körper eine Atmosphäre hatte (Titan), dann waren die Monde kraterbedeckt, langweilig, austauschbar. Im Prinzip sieht so das ganze Sonnensystem aus – auch Merkur, Erdmond und die bisher besuchten Asteroiden sind weitgehend kraterbedeckt.

Die einzige Ausnahme war Triton. Triton wies kaum Einschlagkrater auf, dafür fand man Geysire, dunkle Ablagerungen und ein seltsam gerunzeltes Terrain. Triton hatte verschiedene Geländeformen mit Kryovulaknismus. Triton war auch der entfernteste Himmelskörper den wir bisher untersucht haben (zusammen mit Neptun) und er steht im Verdacht ein eingefangenes KBO zu sein.

Nun sieht man schon auf den wenigen schon vorliegenden Bildern das Pluto und Charon ebenfalls anders sind als die anderen Eismonde. Beide haben kaum Krater. Charon weist Hochländer, Gräben und eine dunkle Region auf, die wohl einen Einschlag auffüllte. Pluto hat ebenfalls eine auffällige Region die deutlich heller ist und wegen der andeutungsweisen Herzform schon als the „Heart“ bezeichnet wurde. (Sie wird wohl nach dem Entdecker Plutos „Tombough Regio“ genannt werden. Die Detailaufnahme von ihrem Rand zeigt ebenfalls keine Krater, dafür bis zu 3500 m hohe Berge. Wir wissen, das Pluto eine Atmosphäre aus Stickstoff hat. wie Triton Methan wurde auch bestimmt. Nach den IR-Spektren sind Pluto und Charon unterschiedlich auch in der Zusammensetzung der Oberfläche – das sie unterschiedlich sind sieht man schon auf den Aufnahmen Charon ist dunkler und hat nicht den roten Farbton von Pluto,

Wenn Pluto, Charon und Triton „typische“ KBOs sind, dann dürften sich weitere Trips zu ihnen lohnen. Das will ich mal heute untersuchen. Ich habe mich dem Thema ja schon mal mit dem Vorschlag von Miniatursonden genähert. Heute mal ein anderer Ansatz: Als New Horizons kurz vor dem Start statt plädierte der PI Alan Stern die Sonde nachzubauen und zu einem anderen Ziel – Uranus wurde vorgeschlagen – zu senden. Es gibt daher eine Untersuchung was diese Mission kosten würde. Die NASA kam damals zu dem Schluss es wäre zu teuer. Eine Kopie der Sonde würde 623 Millionen Dollar kosten – zu wenig Einsparungen gegenüber New Horizons I. Doch schauen wir uns mal die Kostenaufstellung genau an:

New Horizons New Horizons II
Raumsonde und Mission 443 302
Trägerrakete 213 223
RTG 65 65
Reserve 0 33
Gesamt: 720 623

 

Knackpunkt war das die Trägerrakete und der RTG gleich teuer waren und rund 3/7 des Projektes ausmachen. doch für beide gibt es Alternativen. Beim RTG entstehen die Kosten tatsächlich durch die Füllung. Die NASA hat leider die Forschung an STRG, also Nutzung des Stirling-Motors als Stromgenerator eingestellt. Diese Technik hätte die Menge an Plutonium deutlich verringert, da die Umwandlung von Wärme in Strom effizienter ist. Drei SRG hätten 369 Watt Leistung bei 3,6 kg Plutonium, ein GPHS-RTG dagegen 285 Watt Leistung bei 9,7 kg Plutonium. Auch die Masse ist mit 80,1 zu 56,3 kg vergleichbar, wenn man die höhere Stromausbeute berücksichtigt. Bei 6 Millionen Dollar pro Kilogramm resultiert so eine Einsparung von 36 Millionen Dollar.

Bei der Trägerrakete gibt es mit der Falcon 9 auch eine Alternative. Der Jason Start wird die NASA 83 Millionen Dollar kosten. Nur braucht man noch eine weitere Stufe um die Sonde zu Jupiter zu bringen. Auf 14,3 km/s, das reicht für Jupiter würde eine PAM-D die Nutzlast auf 728 kg steigern, ein zusätzlicher Star 37Y Antrieb auf 765 kg. New Horizons wiegt 416 kg trocken und 578,4 kg beim Start (mit großzügigen Treibstoffvorräten – man hat erst die Hälfte verbraucht). Das reicht also dicke. Die PAM-d kostet 20 Millionen Dollar, das geht aus dem Dokument hervor das New Horizons ablehnte. Damit würde eine Sonde mit SRG(/Falcon nun folgende Bilanz haben:

New Horizons New Horizons II
Raumsonde und Mission 443 302
Trägerrakete 213 103
RTG 65 30
Reserve 0 33
Gesamt: 720 471

Die Sonde würde damit in den Preisrahmen von Discovery Projekten passen die 450 Millionen Dollar ohne Trägerrakete kosten dürfen.

Die Idee ist aber nicht nur eine Sonde zu bauen sondern mehrere. Sieht am sich die Kosten des Nachbaus an, so passen die sehr gut zu einer Erfahrungskurve mit einem Koeffizienten von 0,75. Demnach würde jedes folgende Exemplar so viel kosten:

Exemplar 1 2 3 4 5
Kosten 443 302 265 243 228
Gesamtprojektkosten 720 Millionen (New Horizons) 623 434 412 397

Alle zwei Jahre sollte ein Start stattfinden. Er Hintergrund ist das man ja nicht zu einem festen KBO fliegen muss, sondern es schon heute einige interessante Kandidaten gibt mit außergewöhnlicher Form, eigenen Mond, besonderen Spektren oder einfach weil sie groß sind. Nutzt man Jupiter als Sprungbrett, so kommt man zu einem bestimmten Ziel nur alle 14 Jahre. Wenn man aber viele Kandidaten gleichverteilt im Raum hat, kann man eine Sonde zu jeweils unterschiedlichen Kandidaten schicken. Weitere Kosteneinsparungen ergeben sich in der Mission. Obwohl New Horizons die meiste Zeit schlief gab es ein Kernteam von 50 Leuten, momentan sind 200 mit der Sonde vertraut und es gibt noch Wissenschaftler die man auch nicht einfach nach dem Start entlassen und vor dem Vorbeiflug wieder einstellen kann. Durch mehr Sonden sind diese Leute dann ausgelastet und die Missionskosten pro Sonde sinken.

Eines ist jedoch knapp. Ich halte zur Beschleunigung der Reise einen Trick für sinnvoll und zwar dass man die Sonde möglichst nahe an Jupiter heranbringt und dort ein kleines Raketentriebwerk zündet. Aufgrund des Energierhaltungsgesetzes gewinnt man dann viel mehr Geschwindigkeit und erreicht die Objekte schneller. Eine passende Feststoffoberstufe wäre die Altair, die 301 kg wiegt. Mit den etwas schwereren RTG würde das aber einen NH Nachbau auf 803 kg bringen. Wenn man die Masse der Falcon 1 Oberstufe erniedrigt von 5 t trocken auf 4 t trocken (ich bin da vorsichtig, da Elon Musk ja auch twitterte die erste Stufe wiegt 30 t – das passt auch nicht zu seinem Voll/Leermasseverhältnis von 30) dann steigt die Nutzlast auf 779 kg. Das wäre bei etwas weniger Treibstoff in den Tanks akzeptabel (dann gäbe es eben keinen zweiten Vorbeiflug oder man betriebt Offloading). Auch die 14,3 km/s sind bei einer optimalen Bahn nicht nötig, dann reichen 14,15 km/s. Reduktion auf 14,2 km/s würden bei einer Oberstufe von 4,5 t Trockenmasse genau die benötigte Geschwindigkeit liefern.

Jupiter brauchte Voyager 1 auf eine Geschwindigkeit die ausreichte die Strecke zum Saturn, rund 800 Millionen Kilometer in 20 Monaten zurückzulegen, was 15,4 km/s relativ zur Sonne entspricht (die Bahn ist ein Kreisbogen und die Radialgeschwindigkeit geht auch noch ab). Die konkrete Geschwindigkeit, die man gewinnen kann hängt von der Bahn ab, aber einer Faustregel nach liegt sie in der Größenordnung der Differenz zwischen Kreisbahn und Fluchtgeschwindigkeit beim nächsten Punkt. Bei Voyager 1 lag die Kreisbahngeschwindigkeit in 349.000 km Entfernung bei 19 km/s, gewinnen konnte die Sonde so 7,8 km/s gewinnen und hatte vorher 9,6 km/s. Das entspricht 17,4 km/s, was bei Berücksichtigung der Abbremsung gut zu der Durchschnittsgeschwindigkeit passt. Würde man eine Raumsonde außerhalb des Jupiterrings in 113.000 km vom Zentrum entfernt passieren lassen so könnte sie 12 km/s gewinnen.

Durch das Zünden eines kleinen Antriebs wird es noch deutlich mehr, denn die Sonde wird durch die Anziehung von Jupiter und ihre Startgeschwindigkeit von 7,5 km/s bei einer Niedrigenergietransferbahn 43,3 km/s im planetennächsten Punkt schnell. Addiert man durch das Zünden eines Antriebs dazu weitere 1161 m/s so ist die Sonde nach Verlassen des Jupitersystems 10 km/s schneller. Das als Hyperbolischer Exzess beschriebene Phänomen basiert letztendlich auf dem Energieerhaltungssatz: Addiert man bei hoher Geschwindigkeit weitere Energie so gewinnt das Objekt da E=v² mehr Energie als bei Geschwindigkeit 0.

Ein Altair Antrieb von 301 kg Start und 25 kg Trockenmasse würde die 601 kg schwere Sonden um 1161 m/s beschleunigen.  Als Folge wäre die Sonde nach verlassen des Jupiters rund 27.5 km/s schnell, im Unendlichen sollten davon noch 20,2 km/s übrig bleiben. Nimmt man als mittlere Reisegeschwindigkeit 21 km/s, so könnte die Sonde in 8 Jahren eine Distanz von 6,1 Milliarden Kilometer erreichen. Eris, der etwa 14 Milliarden Kilometer entfernt ist wäre aber erst in 22 Jahren nach dem Abflug erreicht.

Eine hohe Startgeschwindigkeit wäre erwünscht weil die meisten KBO weiter von der Sonne entfernt sind als Pluto. Pluto ist praktisch einer der innersten Vertreter dieser Gruppe. Die schweren SRG (sie sind nur in diskreten Einheiten herstellabr) würden zwar die Sonde schwerer machen, aber sie erlauben auch einen längeren Betrieb. Die Sonde braucht mindestens 182 Watt. Bei 369 Watt Ausgangsleistung würde erst nach 81 Jahren die Leistung auf dieses Niveau absinken. Wenn man 209 Jahre als maximale Missionsdauer ansetzt dann würde die stärkere Stromversorgung es erlauben mit höherer Leistung zu senden. Bei New Horizons sind es nur 12 Watt bei 35 Watt Eingangsleistung des Sendesystems. So ständen 128 Watt mehr zur Verfügung (New Horizons startete aus Zeitgründen mit einem nur 230 Watt liefernden RTG) was einer 4,6-fachen Sendeleistung entspricht und so mehgr Daten aus geringer distanz oder der gleichen Datenrate wie bei Pluto in 10,6 Milliarden Kilometern Entfernung erlauben.

Ich denke wenn die NASA dieses Programm angehen würde, dann könnte sie zu einem geringen Preis der Kuipergürtel erforschen.

4 thoughts on “Könnte New Horizons nur die Erste sein?

  1. Mann könnte zusätzlich die Sonden mit größeren Antennen versehen (3,66 m wie bei Voyager) und 3 weitere 70 m Antennen währen auch lohnend. Finanzieren lassen würde sich das sehr leicht, aktuell entwickeln 2 Firmen bemannte Raumkapseln als ISS-Zubringer. Würde man sich für einen Anbieter entscheiden, hätte man gleich ein paar Milliarden zur Verfügung. New Horizon hat gezeigt, das ein stramm geplantes Programm, bei dem man nicht 100 x umplant, problemlos im finanziellen Rahmen bleiben kann, das Geld sollte also nicht das Problem sein.

    Leider wird es nicht so kommen. Ich vermute, das wir so schnell kein weiteres KBO erforschen werden. Auch von Pluto werden die jetzt eintreffenden Bilder wohl die einzigen Nahaufnahmen bleiben, die es zu unseren Lebzeiten von Pluto geben wird…

  2. Meine Randbedingung war gerade nicht (anders als ich es sonst mache) etwas komplett neu zu konzipieren sondern einfach die Sonde zu nehmen wie sie ist und nur nach Kosteneinsparungen zu suchen.

    Mit der Kommunikation über diese Distanzen und den Alternativen will ich mich aber auch noch beschäftigen.

  3. Ich habe aufgehört darauf zu hoffen, in meinem Leben noch eine Sonde ein Objekt des äußeren Sonnensystems ansteuern zu sehen.
    Nicht Uranus, nicht Neptun, und schon gar kein Kuiper Objekt.

    Es sei denn natürlich, dass eine noch nicht vorhandene, revolutionäre Erfindung entweder im Bereich Stromversorgung oder Antrieb gemacht wird.

  4. Bei Flyby missionen würde es sich aber wirklich lohnen eine Tochtersonde mitzunehmen und diese etwas vor/nach der Hauptsonde das KBO passieren zu lassen. So kann man hochauflösende daten von beiden Seiten der Himmelskörper bekommen.

    Es ist schon sehr schade bis hin zu fliegen und dann die KBOs nur zu 50% in guter auflösung abzubilden :/

    So eine Tochtersonde ist wohl gut machbar – kostet aber eben wieder einiges an Masse :/

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