These are the days, when you wish your bed was already made

Derzeit plant die NASA eine Europa-Mission. Das ist an sich nichts neues. Pläne gibt es schon lange, aber es sieht so aus, als würde sie nun auch kommen. Ich will mich in dem Beitrag aber mit Titan beschäftigen. Ich halte ihn für ein viel besseres Ziel:

  • er ist geologisch aktiver
  • er ist erdähnlicher mit Seen und einer Atmosphäre und Kryovulkanismus
  • eine Landung ist viel einfacher, da die Atmosphäre die Restenergie vernichtet
  • Eine Mission kann viel länger dauernd, da Europa mitten in Jupiters Strahlengürtel seine Kreise zieht

Während eine Europa-Mission sehr viel Treibstoff zum Landen braucht und trotzdem kurz ist, kann man auf dem Titan dank der dicken Atmosphäre sogar ohne Fallschirm landen. Huygens warf ihn in niedriger Höhe ab.

Doch Titan umkreist den Saturn und ist so zwischen 1250 und 1560 Millionen km von der Erde entfernt – mehr als dreimal so weit wie Mars im entferntesten Punkt und 25-mal so viel wie beim marsnächsten Punkt entsprechend sinkt die Datenrate stark ab. Alle folgenden Überlegungen basieren auf dem Sendesystem von Cassini als Referenz. In dem heutigen Artikel will ich mal die möglichen Alternativen für einen Titan Lander und Rover schildern.

Die offensichtlichste Möglichkeit ist eine direkte Funkverbindung. Bei den Marslandern war dies nur einmal der Fall – bei den Viking Landern. Sie hatten eine 76 cm große Parabolantenne an Bord die auf die Erde ausgerichtet werden konnte. Doch schon bei ihnen war der Orbiter als primäres Relais vorgesehen. Bei allen Folgenden ist die direkte Antenne wesentlich kleiner und diente zur Absicherung, aber der Funkkontakt verläuft über die Orbiter. Das ist seit 2003 auch kein Problem denn seitdem gibt es immer zwei Orbiter im Marsorbit die Daten empfangen können. Selbst wenn einer ausfällt ist die Verbindung also noch möglich.

Würde ein Titan Lander eine 76 cm große Parabolantenne einsetzen (wie der Viking Lander), zusammen mit einem 20 Watt Sender, so würde er knapp 6 Kbit/s zu den 70 m Antennen zur Erde senden können. Das ist wenig verglichen mit den 128 bis 1 MBit die heute Marssonden über die Orbiter senden können, aber dort gibt es die Verbindung nur über wenige Minuten. Trotzdem: Curiosity überträgt nominell 250 MBit pro Tag. Dafür bräuchte man bei 6 Kbit rund einen halben Tag. Nicht unmöglich, aber nur praktikabel bei einem festen Lander. Bei einem Rover gibt es zum einen nicht die Zeit. Zum andern muss man dann zeitraubend die Antenne jeweils neu ausrichten. Kleinere Antennen die nicht genau ausgerichtet werden müssen, haben dagegen eine indiskutabel niedrige Datenrate.

Die zweite Alternative ist es dann einen Orbiter zu nutzen. Hier bietet Titan sogar Vorteile: Durch seine mächtige Atmosphäre wird ein Orbiter in mindestens 1000 km Höhe über der Oberfläche seine Kreise ziehen. In dieser Höhe hat er bei einem nur 5.120 km großen Himmelskörper fast dauernden Funkkontakt zum Lander. Bei der kleinen Entfernung riecht auch eine ungerichtete Antenne zur Kommunikation aus. Doch man muss erst mal in einen Orbit gelangen. Bei Jupiter gibt es vier große Monde, die man passieren kann und jeder Vorbeiflug kann die Umlaufdauer verkürzen, bis man schließlich mit wenig Treibstoffverbrauch in eine Umlaufbahn einschwenken kann. Bei Saturn gibt es nur Titan. Entsprechend länger dauert es. Studien für Titanorbiter die ich gesehen habe, haben daher auch eine ziemlich hohe Treibstoffzuladung. Bedingt durch die ausladende Atmosphäre gibt es aber auch noch eine Alternative: Aerobraking. Das wird seit 1996 für Marssonden genutzt. Doch ein Titanorbiter muss eine viel höhere Geschwindigkeit abbremsen und kann nicht so viele Vorbeiflüge wie die Marssonden durchführen bei dem pro Vorbeiflug die Geschwindigkeit um einige Meter sinkt. Als „Hausnummer“ müsste ein Titan Orbiter die 100-fache Energie pro Vorbeiflug vernichten. Damit dies geht wären einige umbauen nötig. So müsste zumindest die dem mondzugewandten Seite aerodynamisch sein, z.B. mit einem elliptischen Schild um eine lokale Überhitzung und das unkontrollierte Drehen der Sonde durch die Kräfte zu verhindern. würde dieser Schild mit einem Leitungssystem durchzogen so könnte man die Energie zu allen Systemen der Sonde leiten und sie aufheizen und so den Schild kühlen. Trotzdem muss man den Mond oft passieren: Würde man eine Geschwindigkeit von 3000 m/s so vernichten wollen, so würde (bei Annahme das die Sonde aus Aluminium besteht und pro Vorbeiflug um 100°C erhitzt wird z.B. von -50 auf +50°C) die Sonde rund 50 Vorbeiflüge durchführen um die Geschwindigkeit zu vernichten. Viel weniger Vorbeiflüge braucht man wenn man nur die Gravitationswirkung ausnutzt.

Ein Orbiter wäre also sehr aufwendig und es würde entweder lange dauern bis er in der Umlaufbahn wäre oder er würde viel Treibstoff verbrauchen. Zudem würde dieser wohl den Lander zum Planeten bringen. was seine Masse weiter reduziert. Ein Orbiter wäre aber sehr wünschenswert, denn er könnte aus der Umlaufbahn eine Radarkartierung durchführen. Bisher ist die Oberfläche nur grob bekannt und nur Teile von Cassini erfasst.

Die zweite Möglichkeit ist ein Saturnorbiter. Selbst wenn er nicht Titan nah passiert profitiert er von der größeren Nähe. Cassini entfernt sich nach dem dritten Umlauf nie weiter als 3,5 Millionen km vom Saturn. Titan ist so maximal 4,7 Millionen km entfernt. Verglichen mit der Erde erhöht das die Datenrate, wenn der Orbiter eine 4 m Antenne wie Cassini hat um mindestens den Faktor 200 und damit auf ein Niveau das mehr als ausreichend ist. Ein spezieller Kommunikationsorbiter kann (wie es Cassini auch eine Zeitlang tat) sich in eine Umlaufbahn bringen die die Hälfte der von Titan beträgt, dann nähert er sich alle 16 Tage an Titan. Zudem kann er alle inneren Monde passieren, das sind die meisten mit Ausnahme der drei größeren Monde Hyperion, Iapetus und Phoebe. Da man auch ein Gefährt braucht die den in einer aerodynamischen Kapsel eingeschlossenen Lander braucht halte ich dies für die natürlichste Wahl. Bei einer primären Landemission muss ein solcher Saturnorbiter nicht so groß wie Cassini sein. Eine etwa 2 t schwere Sonde, hätte Fähigkeiten wie Galileo, zusammen mit einem 1 t schweren Lander (etwa 500 bis 700 kg auf der Oberfläche) wäre das heute mit Swing-Bys mit einer Atlas auf den Weg zu bringen oder direkt mit einer Falcon Heavy. Ein Orbiter der Titan häufig passiert (Cassini tat dies eine Zeitlang sogar einmal pro Woche) kann auch eine Radarkartierung durchführen, aber mit niedriger Auflösung und nur einen kleinen Teil pro Vorbeiflug, also wie Cassini. Allerdings sind SAR-Radargeräte heute deutlich leistungsfähiger als damals.

Viele Optimierungen die es seit Cassini gibt scheiden zumindest für den Lander aus. So erlaubt die dichte Atmosphäre mit vielen mehratomigen Molekülen nicht die Nutzung höherfrequenter Bänder wie dem Ka- oder Ku-Band. Bei diesen ist die Datenrate höher, weil eine Sende einen engeren Öffnungswinkel hat. Ebenso scheidet Laserkommunikation aufgrund der Smogschicht aus. Derartige Techniken kann aber ein Orbiter  egal ob um Saturn oder um Titan nutzen.

4 thoughts on “These are the days, when you wish your bed was already made

  1. Könnte man es nicht folgendes machen:
    Der Orbiter ist fest mit dem Rover/Lander verbunden. Der der Ankunft an Saturn steuert die Sonde direkt den Titan an und dringt in den Atmosphäre ein, allerdings nicht zu tief. Durch das Abbremsen erreicht man jetzt eine Umlauf um Saturn mit dem Peruapsis auf der Titanbahn, und dem Apoapsis ausserhalb. Beim nächsten durchlaufen des Peruapsis wird der Apoapsis gesenkt, so dass beim nächsten Umlauf Iran an der richtigen Stelle ist. Die Sind dringt dieses Mal etwas weniger in die Atmosphäre, so dass sie in ein Orbit um Titan kommt. Danach wird die Bahn verändert, dass man nicht mehr in die Atmosphäre kommt. Sobald alles bereit ist, wird der Lander abgetrennt, und landet an der gewünschten Stelle.

    Vorteile: Man braucht wenig Treibstoff.Der Hitzeschild führt man eh mit, so dass keine zusätzlichen für Aerocapture braucht.
    Nachteile: Man muss ganz genau navigieren, sonst stürzt man ab, oder verpasst die Umlaufbahn. Man hat kein Platz für ein grosses Triebwerk vor dem abtrennen, weil an einem Ende der Sonde der Schutzschild ist, und am anderen Ende die Hauptantenne.

  2. Mal abgesehen davon das der Hitzeschutzschild viel größer sein muss als nur beim Lander und viel massiver als bei meiner Lösung (es müssen ja mehrer km/s auf einmal vernichtet werden), halte ich das für zu diffizil, Aber man wird diese Technik des Aerocaptures wohl entwickeln müssen, denn für Uranus und Neptunorbiter haben wir fast keine andere Möglichkeit wenn man nicht sehr lange Reisezeiten haben will.

  3. Titan hat gegenüber Europa einen alles entscheidenden Nachteil: Es fehlt das Wasser! Um einen extra terrestrischen Wasserozean zu untersuchen, ist eine Mission zum Titan witzlos. Titans Seen sind aus Methan.

  4. Ja und die Oberfläche ist aus Eis. Titan besteht zur Hälfte aus Wasser, weitaus mehr als dies bei Europa der Fall ist, der komplette obere Mantel und die Oberfläche bestehen aus Eis. Das ist auch bei Europa nicht anders. Auch wird vermutet das unter beiden der Mantel flüssig ist. Bei beiden kann man diesen Mantel nicht untersuchen, außer man kann 20 bis 100 km tief bohren, das schafft man aber nicht mal auf der Erde mit großem Gerät.

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