Was bringt „Galileo 2“

Nach zwei Jahrzehnten ist der Jupiter wieder in den Blickpunkt der Forschung mit Raumsonden gerückt. Derzeit umrundet Juno den Planeten. Geplant ist die europäische JUICE Mission zu den Monden Ganymed und Kallisto. Die NASA hat nun auch eine Europa-Mission „Europa Clipper“ angeleiert. Pläne für eine Europa Mission gibt es seitens der NASA schon lange und auch jetzt ist noch nicht sicher, ob sie kommt.

Was diese Missionen aber beides nicht leisten, ist das, was mal die Aufgabe von Galileo war. JUICE und Europa Clipper führen die Erkundung der drei äußeren großen Monde durch. Juno nur die Magnetfelduntersuchungen und Teilchenbeobachtungen von Jupiter. Aber Io und die inneren Monde bleiben außen vor und zumindest JUICE und Europa Clipper werden recht teure Missionen.

Ich will in diesem Aufsatz skizzieren, dass meiner Ansicht nach heute eine Mission „Galileo 2“ mit den Zielen von Galileo für einen moderaten Preis möglich wäre und auch sinnvoll ist.

Die Einschränkungen, die Galileo hatte

Wie bekannt, war die Hauptantenne von Galileo nicht ausfahrbar. Die Ursache war, dass die Sonde mehrfach mit dem Truck durch die USA gefahren wurde, als sie erst 1986 auf den Start vorbereitet wurde, dann als dieser sich auf 1989 verschob wieder zurück zum JPL kam, dort teilweise auseinandergebaut wurde und dann wieder zurück zum Startplatz. Die Erschütterungen müssen wohl bei drei Rippen der entfaltbaren Antenne dazu geführt haben, dass das Schmiermittel verloren ging. Ohne eine ausgefahrene Hauptantenne konnte die Sonde mit der Niedriggewinnantenne, die nur für Notfälle vorgehen war, aber maximal 10-40 Bit/s senden. Die Hauptantenne hätte bis zu 134.400 Bit/s erlaubt. Trotz neu eingeführter JPEG-Komprimierung kam so nur ein Bruchteil der Bilder, an die man sich von der Mission erhoffte. (1.600 anstatt 50.000) Das galt auch für andere Experimente, Ebenfalls stark betroffen war das Plasmasubsstem, das ebenfalls eine hohe Datenrate erforderte.

Klar ist das JUICE und Europa Clipper andere aufgaben haben. Zusammen liefern sie außer für den Mond Io deutlich mehr Informationen über die galileischen Monde, aber sie sind auch erheblich teurer als eine Raumsonde, die, wie Galileo an allen Monden vorbeifliegt, ohne sich in der Forschung auf einen zu konzentrieren. Wahrscheinlich gäbe es diese Missionen ohne die geringe Datenmenge von Galileo nicht. Trotzdem hier mal als Gedankenexperiment: Was würde heute eine „Galileo 2“ kosten und was könnte man erwarten.

Verbesserungen bei den Instrumenten

Galileo wurde in der zweiten Hälfte der Siebziger geplant und benutzte die Technik, die damals aktuell war. Bei den Instrumenten sieht man dies deutlich. Nehmen wir mal die Kamera. Galileo war eine der ersten Raumsonden, die CCD als Detektoren einsetzten. Auch wenn es diese schon seit fast 10 Jahren gab, als die Entwicklung begann, war die Herstellung eines fehlerfreien, den Erfordernissen genügenden Sensors eine Herausforderung: von über 1.000 von Texas Instruments hergestellten Sensoren erfüllten nur 2 die Anforderungen. Schuld dafür waren auch die vielen Pixel: 640.000. Die zeitgleich entwickelten Raumsonden zu Halley hatten 113.880 Pixel (Giotto) und 294.912 (Vega). Heute gibt es astronomische CCD die viel größer sind. Gaia brach mit Sensoren von E2V auf die 8.847.000 Pixel haben und davon gleich 106. Einzelexemplare sind das also nicht mehr.

Warum ist dies so wichtig? Nun Galileo ist eine Vorbeiflugsonde, so wie es auch Europa Clipper und Juice sein werden. Erfasst Galileo 2 dann bei gleicher Auflösung ein größeres Gebiet, weil man einen größeren Sensor mit mehr Pixeln hat, so kann man pro Vorbeiflug einen größeren Teil der Oberfläche mit hoher Auflösung kartieren, denn der Abstand steigt ja rund um den nächsten Punkt an.

Noch größer ist der Sprung bei anderen Instrumenten. Während bei Kameras nur die Sensoren leistungsfähiger wurden, können andere Instrumente heute viel mehr als zu Galileos leisten. Galileo war auch die erste Sonde, die ein abbildendes Spektrometer hatte. Ein klassisches Spektrometer macht ein Spektrum eines Punktes. Dazu wurden damals Sensoren wie Temperaturmessfühler oder lichtempfindliche Dioden entlang des Spektrums gefahren. Man erhielt die genaue chemische Zusammensetzung des Punktes, mehr aber auch nicht. Heute spreizt man das Spektrum über einen CCD-Sensor auf, der im visuellen oder IR empfindlich ist. Jede Spalte steht dann für die Intensität einer Wellenlänge und die Zeilen für die Punktinformationen in dem Spalt. Zuerst sieht dies nach keiner großen Verbesserung aus, man erhält eben viele Punktspektren gleichzeitig. Doch wenn man das Instrument (oder die Raumsonde) bewegt, so erhält man ein Bild aus vielen dieser Spalten, das man über den Planeten oder Mond führen kann wie bei einem Zeilenscanner. Und jedes Bild kann man einer beliebigen Wellenlänge ansehen. So kann man die chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern sichtbar als Falschfarbenbild machen.

Plasmainstrumente und Radiowelleninstrumente lieferten bei Galileo Daten über auftreffende Ionen oder gemessene Radiowellen. Letztere konnte man, wenn man sie in den hörbaren Bereich verlagerte, zumindest als Geräusch „visualisieren“. Schon Cassini setzte mit INCA und dem RPWS Instrumente ein, die die dreidimensionale Umgebung der Sonde als Grafik wiedergeben konnten.

Dazu kommen neue Instrumente wie ein SAR-Radargerät dass auch für Europa-Clipper vorgesehen ist. Dieses kann nicht nur die Bodeneigenschaften bestimmen, sondern sogar etwas in den Boden hineinschauen und so feststellen ob dieser aus festem Eis, Eis-Geröllmischung oder eingefrorenen Gasen besteht.

Kurzum: Die Instrumentalisierung hat sich deutlich verbessert. Ein Grund für Galileo 2.

Datenverarbeitung

Bei einer Vorbeiflugsonde wie Galileo ist die Datenverarbeitung ein wichtiger Punkt. Galileo konnte entweder Daten in Echtzeit senden oder auf einen Bandrekorder aufzeichnen. Der konnte 178 Bilder aufnehmen und hatte eine Datenrate von etwa 100 Kbyte/s. Galileo passierte die Monde in Entfernungen von 200 bis 2000 km. Nehmen wir mal 1000 km für ein Beispiel an. Der Bandrekorder brauchte rund 6,5 s für das Aufzeichnen eines Bildes, in der Praxis länger, da ein Bandrekroder erst mal starten und stoppen muss. Bei 5 km Relativgeschwindigkeit zu einem Mond hat Galileo dann schon 33 km zurückgelegt – das nächste Bild entsteht aus 3,3% höherer Distanz. Begrenzender wirkt es sich aus, das der Bandrekorder maximal 178 Bilder aufzeichnen konnte. Aus 1000 km Entfernung nimmt die Sonde einen Ausschnitt von etwa 8×8 km aus. Auch unter Berücksichtigung, das nach 178 Bildern dieser Ausschnitt dann auf 13 x 13 km angewachsen ist, dürfte klar sein, dass man bei einem nahen Vorbeiflug so nur einen kleinen Teil der Oberfläche erfassen kann. Danach hätte Galileo auf die Echtzeitübertragung umschalten müssen, was mit Fehlerkorrekturinformationen dann schon 45 s dauert – dann legt die Sonde pro Zeit für das Speichern eines Bildes schon 225 km zurück. Kurz: Galileo konnte nur einen kleinen Teil der Oberfläche erfassen. Bei 5 km/s relativ zu Ganymed und einer Minimaldistanz z.B. 50% mit einer Auflösung von 490 m und die gesamte Oberfläche mit 620 m. Würde man den Detektor mit der Geschwindigkeit einer SSD (200 Mbyte/s) auslesen können, so wäre eine komplette Kartierung auf 30 m möglich. Selbst bei moderaten 40 MByte/s wären es noch 50 m Auflösung. Also eine Steigerung um den Faktor 10.

Heute ist das kein Problem mehr. Eine SSD ist auch mit Single-Bit-Speicherzellen anstatt der im Consumerberiech üblichen Multi-Bit-Speicherzellen mit Kapazitäten von Hunderten Gigabyte zu erhalten. Das sind >10.000 Bilder, selbst wenn man die 9 Mpixel CCD als Basis nimmt und jede SSD ist kleiner als ein Bandrekorder der in etwa so groß, wie ein Laib Brot war. Zudem erreichen sie Datenraten, die (beim linearen Schreiben großer Bilder) im Bereich von Hunderten Megabyte /s liegen, Galileo 2 könnte also in jeder Sekunde Dutzende Bilder aufzeichnen.

So nutzt man die Zeit bei einem nahen Vorbeiflug viel besser aus, kann mehr der Oberfläche in hoher Auflösung erfassen. Die hohe Datenrate nutzt auch den abbildenden Spektrometern. Den sie haben einen Nachteil: Die Datenmenge steigt anders als bei Kameras in der dritten Potenz zur Auflösung an.

Auch die Computertechnik ist weiter. Bei Galileo musste man spezielle strahlungsgehärtete Elektronik einsetzen. Juno setzte schon „normale“ Elektronik ein, die man auch auf anderen Satelliten nutzt. Sie ist aber komplett in einem Safe aus Titan untergebracht der als Strahlenschutz dient. Sie wäre bei Galileo 2 auch deutlich preiswerter und trotzdem leistungsfähiger.

Die Daten müssen aber auch gesendet werden. Galileo hatte eine entfaltbare Antenne, die von TDRS-Satelliten abstammte. Das war eine Ausnahme. Seitdem gibt es wieder starre Antennen. Wahrscheinlich ist der NASA das Risiko zu hoch (militärische US-Kommunikationssatelliten setzen immer noch entfaltbare Antennen ein). Doch durch CFK-Werkstoffe sind diese auch leichter geworden als zu Galileos Zeiten. Was sich kaum geändert hat, ist die Datenrate im X-Band. Wie oben geschrieben, würde man aber erheblich mehr Daten gewinnen, die man zwischen den Umläufen auch übertragen müsste. Die Lösung ist die Nutzung des Ka-Bandes für Galileo 2. Seit über einem Jahrzehnt wird es experimentell bei Raumsonden genutzt. Nutzt man es als primäres Medium, so müsste wenn man die Erfahrungen mit dem MRO zugrunde legt, je nach Wetter eine Steigerung um mindestens den Faktor 3-4, im Durchschnitt um den Faktor 5,5 bei gleicher Sendeleistung möglich sein. Der Empfang beim Ka-Band ist wetterabhängig, doch da die Sonde sowieso alle Daten zwischenspeichert, sollte das kein Problem sein, man wiederholt dann eben die Übertragung und gibt den Speicher erst nach korrektem Empfang frei.

Die Kosten von Galileo 2

Warum meine ich das Galileo 2 so viel preiswerter als Galileo 1 sein könnte, die 1.39 Milliarden Dollar (1995) kostete? Nun es gibt schon ein Vorbild: Juno. Die Raumsonde umrundet seit letzten Herbst den Jupiter. Sie kostet insgesamt 1,1 Milliarden Dollar, aber zum einen ist der Dollar nicht mehr so viel wert und zum anderen war bei Galileo der Start mit dem Space Shuttle nicht in den Kosten mit drin.

Juno zeigt, wie man durch Technik einiges preiswerter machen kann:

• Anstatt der teuren RTG setzt sie Solarzellen ein. Die haben heute zwar (bei Jupiter) immer noch eine kleinere Leistung pro Kilogramm Gewicht als RTG, aber sie sind viel preiswerter.
• Anstatt überall spezielle strahlungehärtete Elektronik zu entwickeln, hat man alles in einen Schrank mit Wänden aus Titan gestellt. Das wiegt zwar 157 kg mehr, aber spart deutlich an Kosten ein.

Das nächste ist der Start erwünscht wäre ein direkter Start zu Jupiter. Juno hatte einen Erdswingby, was die Reisedauer um 3 Jahre auf 5 Jahre erhöhte. Da die Mission pro Jahr 37,1 Millionen Dollar kostet, entspricht das 110 Millionen Dollar mehr. Daher zuerst mal eine Abschätzung, ob ein direkter Start möglich ist. Eine Atlas 551 transportiert 1830 kg auf diese Geschwindigkeit. Eine Delta 4 Heavy deutlich mehr, kostet aber auch so viel mehr das die 110 Millionen Dollar Einsparungen. Die Jupiter-Nutzlast der Falcon 9 ist unbekannt, doch wenn ich die LEO-Nutzlast nehme und eine Centaur mit Sonde in eine Erdbahn transportieren lasse kann ich berechnen, wie viel die Centaur zu Jupiter befördert. Bei 14,3 km/s relativ zur Erde, komme auf 2.991 kg inklusive Adapter zur Trägerrakete. Mit Reserven sind das dann etwa 2.800 kg für die Raumsonde.

Galileo wog ohne die Atmosphärensonde 1.883 kg. Rechnet man das höhere Gewicht von Solarzellen und Abschirmung der Elektronik hinzu, so ist man bei 400 kg Zusatzgewicht, die weiteres Gewicht beim Treibstoff verursachen. Allerdings entfallen bei einem direkten Start auch die Deep-Sky Manöver, die bei Galileo viel Treibstoff gekostet haben. Weiterhin hat man heute Triebwerke mit einem etwas höheren spezifischen Impuls.

Ich habe mal zwei Berechnungen gemacht:

Einmal ohne Deep-Sky Manöver, nur das Orbit Deflektion Manöver eingerechnet, das für die Atmosphärensonde notwendig war. Bei 400 kg Zusatzgewicht und dem spezifischen Impuls von 3148 m/s der heutigen 400 N Apogäumsmotoren komme ich auf eine Startmasse von 2.493 kg. Damit wäre ein direkter Start mit einer Falcon 9 Centaur möglich.

Berücksichtigt man den Treibstoff den Galileo für die Deep Sky Manöver verbrauchte und die weitestgehend entfallen, dann sieht es deutlich günstiger aus. Bei 150 m/s für Kurskorrekturen bis zu Jupiter komme ich auf eine Startmasse von 2.226 kg. Das ist aber immer noch über der Performance einer Atlas.

Bei Verwendung einer Atlas und einem Swing-By an der Erde, wie bei Juno, müsste man daher auf vergleichbare Kosten wie bei Juno kommen. Rund 1,1 Milliarden Dollar. Nicht wenig, aber deutlich unterhalb der Kosten für Europa Clipper. Eine Falcon 9 kostet rund 100 Millionen für eine Regierungsmission. Rechnet man etwa 50 Millionen für eine Centaur hinzu (eine Atlas 401 kostet 105 Millionen für „reguläre Kunden“ und mehr als 50% wird die Oberstufe sicher am Preis nicht ausmachen) so ist man deutlich günstiger dran. Bei Juno kostete die Trägerrakete mit Start 190 Millionen Dollar. Davon könnte man also schon 40 sparen. Weitere 110 Millionen kämen durch die Verkürzung der Reisedauer zustande. Damit wäre Galileo 2 für 950 Millionen Dollar umsetzbar. Voraussetzung wäre, dass die NASA diese Kombination will. Sie ist ja schließlich noch nicht geflogen und zertifiziert und SpaceX auch fremde Stufen transportiert. Bei einem normalen Launch Service Provider wäre das kein Problem, es ist eben eine besondere LEO-Nutzlast, doch bei SpaceX ist ja alles etwas anders.

Damit man die Sonde mit einer Atlas V starten kann, müsste man die Trockenmasse unter 1.085 kg bringen. Abzüglich Antriebssystem sind das 904 kg oder 171 kg mehr als bei Galileo. Da der „Safe“ für die Elektronik schon 157 kg wiegt, dürfen die Solarpaneele nur 14 kg mehr als die RTG wiegen, was bei gleicher Leistung Solarzellen mit einer Leistungsdichte von 120 W/m² entspricht. Dazu kämen noch die Strukturen. Juno hatte welche mit 80 W/m² aber relativ schweren Strukturen, weil die Sonde rotiert und dazu kam eine Beschichtung. um die Strahlungsbeständigkeit zu erhöhen. ARK-Flexarrays sind bei großen Größen (und die braucht man bei Jupiter, da um die 560 Watt die die RTG bei Galileo nominal hatte, zu erzeugen, man Solarzellen braucht die auf der Erde rund 15,2 kW liefern) fähig diese Leistung zu erreichen. Die Ultaflex Arrays für die Cygnus liegen auch in der richtigen Größenordnung. Dies wäre eine Alternative wenn man den Start auf einer Atlas ohne Swing-By anvisiert.

{Edit]

Da die Frage nach Ionenantrieben aufkam: da ist das Problem der Kostenfrage. Bisherige dezidierte „Ion Prpopulsion Modules“ als zusätzliche Stufen gibt es selten. Es sind meist integrierte Lösungen wobei dann das Preisschild das der ganzen Mission ist. Ich kenne aber zumindest eine Ionenstufe, die untersucht wurde. Das ist VENuS für die Vega. Die Stufe wiegt 681 kg, fasst 551 kg Xenon bei einer Stromversorgung von 12,5 kW und einem Bedarf von 10 kw (Mehr da ein betrieb im Van Allen Gürtel vorgesehen ist). Bei zwei Tanks wiegt die Stufe 786 kg woraus man eine Tankmasse von 105 kg errechnen kann. Jeder Flügel wiegt 30 kg. Der Rest der Massenaufteilung ist leider unbekannt. Der spezifische Impuls und die Effizienz des Hall-Effekt Thrusters ist nicht genannt. Eine Liste von bekannten HAL-Thrustern hat eine gewisse Streubreite bei diesen Parametern, doch mit einem spezifischen Impuls von 2500 s und einer Effizienz von 0,6 als Annahme liegt man im Mittelfeld kann man die Leistung berechnen.

Ich habe damit es nicht zu komplex wird den Einsatz als zusätzliche Stufe untersucht, die abgetrennt wird sobald die Jupiter Übergangsbahn erreicht ist. Damit verändert sich die Masse von Galileo nicht und auch das Antriebsvermögen bei Jupiter.

Ansatz 1: Unveränderte VENuS als Kickstufe.

Mit dem Trockengewicht von 681 kg, 545 kg Treibstoff bei einem spezifischen Impuls von 24500 m/s und 2.226 kg Masse von Galileo (interplanetare Manöver fallen ja weg) + 80 kg für den Adapter ergeben sich sehr lange Reisezeiten. Das grundsätzliche Problem ist das die Sonde schon mit etwa 35 km/s relativ zur Sonne starten muss (maximal 4,2 km/s Geschwindigkeitsänderung). Dann muss man aber bald eines der beiden Triebwerke abschalten und wenn die Stromversorgung unter 5 kW sinkt das zweite. Es ergeben sich so mehrere Umläufe bis man die Zielgeschwindigkeit erreicht. Bild 1 zeigt das mit dem vollständigen Treibstoffverbrauch: Startgeschwindigkeit 34810 m/s solar, Dauer: 6 Jahre 115 Tage.

Ansatz 2 : Kickstufe mit doppelter Tankanzahl und Stromversorgung durch Galileo

Nimmt man die doppelte Rest-Startmasse (Venus ohne Tanks und Flex-Arrrays) an, darin enthalten 5 Triebwerke, da man die 15 kW Leitung von Galileo hinzurechnen kann mit der doppelten Treibstoffzuladung so sieht es besser aus: Nach 2 Jahren 307 Tagen, nur wenig länger als bei einer Transferbahn ist man bei Jupiter wenn man mit 33.600 m/s startet.

33.600 m/s solar entsprechen rund 11,7 km/s relativ zur Erdoberfläche. Die dann beim Start 4.678 kg schwere Raumsonde könnte eine Atlas 541 sicher transportieren.

Die Kostenabschätzung ist schwierig. Im Dokument steht: „CBE cost and target: 10% of launch service cost

Competitive to Soyuz launched from Kourou“

CBE sagt mir als Abkürzung nichts. Leider taucht die Abkürzung auch nur hier im Dokument auf. 10% des Vega Startpreises wären nur 3-4 Millionen Euro. Das wäre in der Raumfahrt schon verdammt billig, dafür gibt es woanders gerade mal eine Papierstudie. Wenn es aber konkurrierend mit einem Sojus Start wäre, dann muss der Preis unter 38 Millionen Euro, der Preisdifferenz der beiden Träger liegen.