Ein Vorschlag für die Weltraumorganisationen

OneWeb will ja wie sicher allgemein bekannt, von 2017 bis 2019 720 Satelliten für ihr Internet-by-Orbit Projekt starten, weitere 180 Stück sollen als Reserve am Boden bleiben. Die Kosten des Projektes sind noch nicht so genau umrissen. Im Juni hieß es 1,5 bis 2 Milliarden Dollar, wenig später war von 2,5 Milliarden die Rede. da alleine der Start rund 1 Milliarde kosten wird ist das nicht verwunderlich. Doch lassen wir es auch 3 Milliarden sein, davon 2 Milliarden für 900 Satelliten, das sind dann 2,3 Millionen pro Stück – enorm preiswert für einen Satelliten. Ein Nachbau eines Forschungssatelliten, also keine Neuentwicklung kostet mindestens 100 bis 150 Millionen Euro, in der Größenordnung liegen Cryosat 2 (109 Millionen Euro) und Tandem X (165 Millionen Euro), aber mit Start. Selbst der experimentelle Kleinsatellit Probe-A kostete 13,5 Millionen Euro.

Natürlich sind die Satelliten klein. Sie sollen weniger als 150 kg wiegen. Doch wenn man gängige Faktoren für den Nutzlastanteil anlegt könnte ein 150 kg schwerer Satelliten dann durchaus noch 25 bis 40 kg Nutzlast tragen. Die Kommunikationsausrüstung für hohe Datenraten und eine leistungsfähige Stromversorgung für den Strombedarf sind ja schon vorhanden. Ich sehe hier eine Chance für die Weltraumorganisationen sich einzuklinken und für wenig Geld 100 Satelliten mit den für ihre Zwecke nötigen Modifikationen dazu zu bestellen und diese dann sukzessive zu starten.

25 bis 40 kg Instrumente sind nicht viel, doch es reicht für ein schweres und zwei bis drei kleinere Instrumente. Natürlich bleiben dann schwere Instrumente wie große Teleskope für Astronomie aber auch Detailaufnahmen der Erde oder SAR-Antennen außen vor, aber eine mittelauflösende Kamera oder ein Spektrometer, Teilchen- und Magnetfelddetektoren, Massenspektrometer das alles ist möglich, nur würde eben auf einem Satellit nur wenige oder nur ein Instrument sitzen, während es sonst mehrere pro Satellit sind, dann startet man eben einige Satelliten mehr.

Was gäbe es an Einsatzgebieten?

In der Erdbeobachtung könnten mehrere Satelliten zwar nicht die großen ersetzen, die Detailaufnahmen machen, aber sie können mittelauflösende Aufnahmen machen, auch in vielen Spektralkanälen vor allem aber können sie die Revisitzeit verringern, das ist die Zeit in der ein Gebiet erneut aufgenommen wird. Dies erreicht man primär durch mehr Satelliten. für die Verfolgung von Umweltsündern, aber auch schneller Bestandsaufnahmen bei Naturkatastrophen ist dies wichtig.

Für die Astronomie ist die Nutzlast bescheiden, wiegen doch Teleskope recht viel. Doch für die Sonnenforschung reicht sie aus. Ein 30 cm Teleskop wäre damit möglich, das hat eine Auflösung von 0,33 Bogensekunden, die Sonnenscheibe ist dann über 5000 Pixel groß, das ist schon ausreichend groß. Auch wenn jeder Satellit nur eine Wellenlänge beobachten kann, so ersetzen dann ein Dutzend dieser ohne Problem einen größeren wie SDO.

Aus dem erdnahen Orbit kann ein Spektrometer auch die Atmosphäre auf Spurengase wie Kohlenmonoxid, Ozon, Stickoxide untersuchen.

Geht man vom erdnahen Orbit weg, dann eröffnen sich neue Möglichkeiten. Die Untersuchung der Plasmaumgebung der Erde und der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind geschieht seit jeher mit Teilchendetektoren, Teilchenspektrometern, Magnetfeld oder andere Feldsensoren. Diese wiegen vergleichen mit optischen Instrumenten verhältnismäßig wenig und erzeugen auch kleine Datenmengen. Hier wären diese Kleinsatelliten also durchaus geeignet. Sie würden in einen elliptischen Erdorbit transportiert werden (vorzugsweise wie bei Cluster mehrere Satelliten in einer Tandemformation) oder für die Vorwarnung vor Sonneneruptionen in den sonnennäheren Liberationpsunkt.

Selbst im inneren Sonnensystem gäbe es noch einige Aufgaben die solche Kleinsatelliten durchführen könnten. Zum einen die gleichen wie bei der Erde, also die Untersuchung der Plasmaumgebung der Planeten oder die Untersuchung der Atmosphären auf Spurengase. Denkbar wären aber auch globale Aufnahmen die nicht so viele Daten generieren wie Kartierungsmissionen das sind „Wettersatelliten“ für Venus und Mars. Für solche Zwecke reicht dann auch eine kleine Kommunikationsantenne von 60 bis 90 cm Durchmesser die bei so kleinen Satelliten die Gewichtsbilanz nicht stark negativ beeinflusst. Der Nachteil bei so kleinen Sonden ist dass man auf der Erde trotzdem recht große Empfangsantennen bei kleinen Datenraten braucht. Aus maximaler Marsentfernung (400 Millionen km) kann eine 0,9 m Antenne mit 20 Watt Sendeleistung im X-Band nur 25 KBit zu den 35 m ESA-Stationen übertragen.

Der Mond ist so nahe, dass man hier das gleiche tun kann wie bei großen Missionen, nur eben mit der Beschränkung auf die Masse pro Instrument. Ein halbes bis ein Dutzend Kleinsatelliten könnten dann eine Mission wie LRO ersetzen.

Für die letzten Missionen braucht man natürlich noch einen Antrieb um in die Bahnen zu gelangen, will man nicht eine eigene Rakete  für diese Missionen buchen, was den Einspareffekt zunichte macht. Ich würde ein einheitliches Antriebsmodul vorschlagen, das je nach Mission missionsspezifisch mit Treibstoff gefüllt wird. Das könnte ein normaler Antrieb für Satelliten mit einem Apogäumsantrieb, Standardtanks für NTO und UDMH und eine Druckgasflasche sein. Ich würde ein dV von 2500 m/s vorschlagen. Das reicht für folgende Missionen:

GTO → Elliptischer Marsorbit (1500 m/s für Marstransferbahn, 900 m/s für Marsumlaufbahn 100 m/s für Lageregelung/Reserve)

GTO → elliptischer Venusorbit (1200 m/s für Venustransferbahn, 1200 m/s für Venusumlaufbahn, 100 m/s Lageregelung/Reserve)

GTO → Mondorbit (700 m/s für Mondtransferbahn, 1000 m/s für Mondumlaufbahn, 100 m/s Lageregelung/Reserve))

GTO → Sonnenorbit (800 m/s für Transferbahn, 100 m/s Lagereglung/Reserve)

GTO → elliptischer Erdorbit (600 m/s ΔV, 100 m/s Lageregelung/Reserve)

SSO → elliptischer Erdorbit (2400 m/s ΔV)

Bei einer Anfangsmasse von 190 kg (150 kg Satellit + 40 kg Instrumente) würde man bei Ausnützung des vollen dV von 2400 m/s auf eine Gesamtmasse mit Antrieb von etwa 570 kg kommen. (70 kg Trockenmasse). Das wäre noch optimierbar wenn man je zwei Tanks pro Komponente vorsieht und dann einen weglässt, wenn das ΔV klein genug ist.

Das wäre noch im Bereich einer Sekundärnutzlast einer Ariane 5 oder eines zweiten Satelliten für die Vega, wobei diese weil sie in den sonnensynchronen Orbit geht besser keine Missionen mit Antrieb durchführt sondern hier Erdbeobachtungsmissionen durchführt.

Wie wird gestartet?

Doch betrachten wir es genauer: Bei einem Ariane 5 Start in den GTO müsste die Nutzlast kleiner als 9400 kg sein, wenn man einen Satelliten zu Mars und Venus schickt. Für Missionen in hochelliptische Erdumlaufbahnen oder den solaren Orbit, können es sogar 9700 kg sein. Von den letzten Starts ab 2011 wäre bei dreizehn ein 600 kg Satellit und bei drei ein 350 kg Satellit (solare Umlaufbahnen, hochelliptische Erdumlaufbahnen) mitführbar. Bei der Vega war dies bei drei der fünf Starts möglich. Bei drei Sojus Starts vom CSG aus in sonnensynchrone Umlaufbahnen war die Nutzlast ebenfalls klein genug um weitere Satelliten mitzuführen. Die anderen in hohe Orbits habe ich nicht untersucht. Nimmt man zwei Satelliten bei jeder Vega und Sojus an und einem bei jedem Ariane 5 Start so ergibt sich in den letzten fünf Jahren die Gelegenheit für 6 Satelliten in erdnahe Umlaufbahnen und 16 in GTO. Da die ESA Arianespace lange Zeit subventioniert hat sollte sie eigentlich den Transport zum Selbstkostenpreis durchsetzen können.

Bei der NASA sieht es noch günstiger aus. Auch hier gibt es mit dem ESPA-Ring die Möglichkeiten Sekundärnutzlasten zu starten. Potenzial gibt es noch mehr Startmöglichkeiten, doch da die meisten US-Starts vom Militär durchgeführt werden ist das schwer zu beurteilen. Die GPS-Satelliten sind zumindest zu leicht selbst für die kleinste US-Trägerrakete der mittleren Klasse. Bei ihnen könnte man immer einen oder mehrere Sekundärnutzlasten mitführen. Im erdnahen Orbit sieht es übersichtlicher aus. Bei den ISS Missionen ist es so, dass jede Dragon volumenbegrenzt ist. Schon dem der Falcon v1.1 gibt es 1,5 bis 2 t ungenutzte Nutzlast. Das reicht für etliche Satelliten. Noch mehr ist es bei SSO-Missionen, weil hier eine Riesenlücke zwischen der Flacon 9 und Pegasus klafft. Die Taurus liegt zwar dazwischen ist aber teurer als eine Falcon 9 und unzuverlässiger. Jason 3 wiegt z.B. 1300 kg, die Rakete könnte mehr als 8 t transportieren. Auch hier genug Platz für Sekundärnutzlasten.

Ein Beispiel

Ein Beispiel für eine solche Mission wäre ein Ersatz von Tirana in der ursprünglich geplanten Form. Sie ist nun ja als DSCOVR im Einsatz. Ursprünglich sollte sie aber nur ein Bild der Erde aus 1,4 Millionen km Entfernung machen. Das sollte laufend im Internet gezeigt werden. Ein 10 Zoll Teleskop mit 4096 x 4096 Pixel CCD-Chip und Bayermaske kann solche Farbaufnahmen machen. Bei 7 µm Pixelgröße würde ein Teleskop mit 2900 mm Brennweite ausreichen. Die Erde wäre dann bis zu 3758 Pixel groß, 3,33 km/Pixel. Das sind bessere Werte als bei der EPIC Kamera. Trotzdem bekommt man ein solches Instrument in Cassegrainbauweise in 20 bis 25 kg Gewicht unter. Die EPIC Kamera verwendet ein etwas größeres 12″ Instrument und einen kleineren Chip (2048 x 2048 Pixel).

Überträgt man ein Bild alle 15 Minuten und nimmt eine superfeine JPEG-Datenkomprimierung so hat man eine Datenmenge von 8 MByte pro 15 Minuten, mithin eine Rohdatenrate von 71 Kbit/s. Überträgt man per PNG so benötigt man etwa 165 KBit/s. Eine 60 cm Parabolantenne kann aber selbst aus Maximalentfernung (1,62 Millionen km) bei 10 Watt Sendeleistung 283 KBit/s zu einer 12 m Empfangsantenne senden. Das ist ausreichend auch wenn noch Korrekturcodes und Telemetrie hinzukommen.

Das ΔV beträgt 800 m/s für den Transfer. 600 m/s für die Lagereglung. Das würde bei 250 kg Masse (180 kg Satellit + 70 kg Antriebssystem) einer Startmasse von 394 kg entsprechen. Triana sollte einmal  100 Millionen Dollar kosten. Nimmt man an, dass der Nachbau 2,3 Millionen Dollar kostet. Die Umrüstung und der Antrieb weitere 2,7 Millionen Dollar und die Kamera 1 Million Dollar so ist man bei 6 Millionen Dollar für die Sonde. Die Startkosten sind schwer zu beziffern. Nehmen wir das Worst-Case Szenario, man müsste anteilsmäßig den Ariane 5 Start mitfinanzieren, dann wären das weitere 7 Millionen Dollar für den Start.

Die Missionskosten sind schwer zu beziffern. Auch hier kann es extrem teuer werden. Nehmen wir nochmal das Beispiel DSCOVR. Hier managt die NOAA nur die Mission. Das umfasst also keine Kosten für Sonde und Start. Trotzdem wird das über 100 Millionen Dollar teuer. Alleine 4,8 Millionen Dollar wurden für den Webauftritt geplant. Auch hier gilt: in der Weltraumfahrt ist alles teurer. Auch hier könnte man sparen. Wenn alle Satelliten gleich aufgebaut sind, vielleicht auch viele die gleichen Instrumente haben, dann sollte man viel automatisieren können und wenige Personen viele Satelliten betreuen.

Einsparungen muss es auch bei den Instrumenten geben, die heute bei anspruchsvollen Sonden teurer als die Sonde selbst sind. Auch hier sollte man auf Kosten achten. Ein Effekt ist auf jeden Fall gegeben: man wird Instrumente in identischer oder fast identischer Bauweise auf mehreren Satelliten einsetzen und so durch Serienbauweise kosten senken. Das geht aber auch durch konventionellere Technik. So habe ich ein normales Teleskop und einen Chip mit Bayermaske angesetzt, nicht wie sonst üblich mehrere Chips mit Strahlteiler oder ein bewegliches Filterrad. Das senkt Kosten und macht anfällige, bewegliche Teile überflüssig. Man kann das noch weiterführen und einen größeren Chip vorsehen, der zum Teil abgedeckt ist. Dann braucht man auch keinen Verschluss sondern kopiert bei einer Aufnahme einfach das Bild in den unbelichteten Teil (Frametransfer und liest es von dort langsam aus. Das ist ein Beispiel das Schule machen kann.

Insgesamt denke ich ist es möglich so Kleinsatelliten zu einem Bruchteil der Kosten einer normalen Mission. Selbst wenn mehrere Kleinsatelliten dann eine größere Mission ersetzen gibt es eine Einsparung. Das geht aber nur wenn auch das Umfeld stimmt, also man auch preiswert Instrumente entwickeln kann, Start und Missionsbetreuung dann nicht die Einsparungen zunichte machen.

Die Industrie geht neue Wege. Airbus muss seine Produktionsprozesse umstellen um 900 Satelliten in 3 Jahren zu einem Bruchteil der Kosten eines normalen Satelliten zu bauen. Auch der Start wird billiger sein. Arianespace musste seine Preise deutlich senken, sonst wäre der Start 70% teurer gewesen. Auch hier liegt der Schlüssel in 21 gebuchten Starts anstatt sonst einem oder wenigen. Serienproduktion ist das Schlüsselwort. Warum sollte dies nicht auch bei Instrumenten und Überwachung möglich sein? Oneweb wird auch nicht pro Satellit einige Kontrolleure anstellen können, da brächten sie bei der heutigen Vorgehensweise Tausende von Personen die die Satelliten überwachen.

Es gibt das ja heute schon in kleiner Form. Die Galileosatelliten kosten pro Stück 40 Millionen Euro – schon das ist günstig. Es werden eben 24 und nicht einzelne Satelliten gebaut.

Ich bin mir aber sicher das weder NASA noch ESA diese Chance der Serienproduktion und Kostenreduktion nicht nutzen werden.