Vorbeiflugsonden an Uranus und Neptun

In Nature 579/2020 wurde vorgeschlagen die nächste Fluggelegenheit zu Uranus (und Neptun) zu nutzen, um Sonden zu diesen Planeten auf den Weg zu bringen. Das hat mich inspiriert, mal dies durchzurechnen. Ich will heute aber nicht die Ergebnisse meiner Simulation im Detail präsentieren, sondern zwei Vorschläge machen.

Startfenster zu den Planeten

Im Prinzip müssen für eine Mission zu Uranus oder Neptun drei Planeten in der richtigen Position sein: die Erde, Uranus oder Neptun und Jupiter, da aller Vorbeiflüge über Jupiter erfolgen.

Startfenster kann man relativ einfach berechnen. Das geht, weil die Erde, eine so viel kleinere Umlaufdauer hat, dass sich Jupiter und die äußeren Planeten in einem Umlauf kaum bewegt haben. Für zwei Planeten kann man eine gemeinsame Periode, mithin die Zeit zwischen zwei Startfenster errechnen nach:

¹/_Periode = ¹/_Umlaufdauer1 – ¹/_Umlaufdauer2

Umlaufdauer1 ist der Planet mit der kürzeren Periode und Umlaufdauer2 dann der mit der längeren. Für die Werte von 11 Jahre 315 Tage für Jupiter, 84 und 164 Jahre für Uranus und Neptun erhält man 13,8 und 12,8 Jahre. Nach dem Nature Aufsatz ergäbe sich ein optimaler Start für Neptun 2031 und Uranus Mitte 2030. Angedacht war mal eine Raumsonde New Horizons II, ein Nachbau von New Horizons, die 2008/9 starten sollte, das war zwei Startfenster vorher und weitere zwei Startfenster vorher, 1979 gab es das direkte Startfenster für Jupiter-Uranus das man für eine dritte Voyager nutzen hätte können.

Um dieses optimale Fenster gibt es einen Zeitraum von zwei bis drei Jahren, in denen Jupiter die Sonde umlenken kann. Sie unterscheiden sich in der Reisezeit aber auch wie stark man sich Jupiter nähern muss und davon abhängig, wie schnell man sich Uranus nähert.

Sie Abbildung in Nature zeigt eine relativ schnelle Bahn, bei der man Uranus 7 Jahre nach Jupiter erreicht, das bedeutet für mich das es eine Vorbeiflugsonde ist, denn dann erreicht man Uranus mit hoher Geschwindigkeit.

Das NASA Trajektory Search Tool liefert folgende Bahnen zwischen 2030 und 2040: (maximal 10 Jahre Flugdauer)

Earth_Departure	Dest_Flyby	Duration (days)	Injection DV (km/s)	Post-injection DV (km/s)	Total DV (km/s)	Flyby speed (km/s)	Route
May-03-2033	Feb-18-2041	2848	6.57	0	6.57	24.39	EJU
Mar-27-2031	Nov-14-2040	3520	6.57	0	6.58	24.81	EJU
Jun-07-2034	Apr-15-2044	3600	6.6	0	6.6	22.13	EJU
Mar-24-2030	Apr-20-2040	3680	6.69	0	6.69	25.91	EJU
Jul-12-2035	Aug-24-2045	3696	7.1	0.11	7.21	21.81	EJU

Für Uranus ist auch eine Einbremsung eine Umlaufbahn möglich. Das sind die Bahnen mit dem niedrigsten dV für das Einbremsen:

Earth_Departure	Dest_Arrival	Duration (days)	Injection DV (km/s)	Post-injection DV (km/s)	Total DV (km/s)	Route
Jun-07-2034	Jun-02-2044	3648	6.6	1.14	7.74	EJU
Jul-28-2035	Jul-23-2045	3648	7.22	0.9	8.12	EJU
May-19-2033	May-15-2043	3648	6.67	1.56	8.23	EJU
Aug-31-2036	Aug-27-2046	3648	7.92	0.85	8.77	EJU
Sep-25-2039	Sep-20-2049	3648	8.28	0.86	9.14	EU
Aug-20-2032	Aug-16-2042	3648	8.27	0.91	9.18	EU
Sep-22-2038	Sep-17-2048	3648	8.35	0.87	9.21	EU
Aug-18-2031	Aug-13-2041	3648	8.3	0.91	9.21	EU
Aug-15-2030	Aug-10-2040	3648	8.38	0.92	9.3	EU
Sep-19-2037	Sep-15-2047	3648	8.46	0.87	9.33	EU

Zwischen 2033 und 2036 sind Flüge über Jupiter möglich mit einem optimalen Startzeitpunkt im Juni 2034, die Abbildung in Nature spricht von Mai 2034, das passt also. Für Neptun gibt es nur zwei Startfenster bei einer Reisedauer von maximal 10 Jahren:

Earth_Departure	Dest_Flyby	Duration (days)	Injection DV (km/s)	Post-injection DV (km/s)	Total DV (km/s)	Flyby speed (km/s)	Route
Feb-23-2031	Feb-18-2041	3648	6.68	0.01	6.69	27.34	EJN
Mar-29-2032	Feb-05-2042	3600	7.24	0.01	7.25	26.71	EJN

Die Startgeschwindigkeit zur Erde ist sowohl für einen Neptun Start 2031 wie auch zu Uranus 2024 bei etwa 6,6 bis 6,7 km/s über der einer 200-km-Parkbahn, also etwa 14,5 km/s. Es bietet sich an, bei zwei Starts innerhalb von drei Jahren eine Raumsonde doppelt zu bauen.

Beim Vorbeiflug der Uranussonde würde Jupiter 24 Radien Abstand passiert, 1.714.000 km von der Oberfläche entfernt das ist 97.000 km innerhalb der Umlaufbahn von Kallisto, die 2031 Mission zu Neptun passiert Jupiter in 5,39 Radien Abstand also 285.000 km von der Oberfläche entfernt. Das ist 36.000 km außerhalb von Ios Umlaufbahn. Diese beiden Monde könnten die Sonden – sofern sie in der richtigen Position stehen nahe passieren. Die Neptun-Mission kann auch Ganymed und Europa erfassen, die Uranusmission nähert sich dazu nicht stark genug Jupiter.

Bei meiner theoretischen Mission habe ich mich davon leiten lassen, was heute möglich ist. Das fing mit der Stromversorgung an. Die größten verfügbaren Solararrays sind Ultraflex mit 9 m Durchmesser 10 kW pro Paneel liefern. Vier Stück davon liefern 40 kW, genug um 8 RIT-2X Ionentriebwerke zu betreiben, die ich im spezifischen Impuls leicht auf 38.000 m/s gesenkt habe, um die Mission zu beschleunigen. 400 kg sollen auf die abtrennbare Ionenmodulstufe ohne Tanks und Triebwerke entfallen, vergleichbar einer Cruise Stage wie bei den Marsmissionen der Amerikaner. Den Geschwindigkeitsbedarf habe ich mit 22 km/s abgeschätzt. Eine schwere Sonde wie Galileo die in eine Umlaufbahn einschwenkt ist bei 40 kW Leistung nicht möglich aber immerhin eine Sonde, die so viel wiegt wie Voyager (800 kg). Daraus ergab sich dann folgende Mission:

• Start mit einer Vega C in eine 320 x 1.800 km Bahn mit 3.077 kg Nutzlast
• Verlassen der Erde: Dauer: 203 Tage, dv=6100 m/s
• Flug zu Jupiter: 2 Jahre 140 Tage Antriebszeit, mit Freiflugphase 5 Jahre 308 Tage
• Resttreibstoff / Reservemasse: 154 kg
• Nutzlast: 800 kg

Es sind also noch 154 kg übrig. Diese Massenreserve kann man nutzen, um den spezifischen Impuls nochmals abzusenken und die Mission so zu beschleunigen, oder 154 kg mehr Nutzlast mitführen, z.B. eine 900 kg schwere Sonde.

Zeitlich gewinnt man gegenüber dem Nature Plan nichts auch der braucht 5 Jahre zu Jupiter, es dauert sogar noch 10 Monate länger als die Swing-By Vorgehensweise. Aber es gibt einen Vorteil, den man nutzen könnte. Das Transfermodul müsste, wenn man Jupiter erreicht, durchaus noch viel elektrische Leistung haben, etwa 1,4 kWh, wenn es keine Verluste gibt, mit Verlusten vielleicht noch 1 kwh. Das ist viel mehr als die letzten Raumsonden zur Verfügung hatten. Meine Idee: dieses Modul reicht vielleicht nicht zu einer vollwertigen Raumsonde, aber zu einer einfachen. Die Ionentransferstufe könnte man bereits einige Monate vor der Ankunft an Jupiter von der Raumsonde trennen und dann auf eine andere Bahn lenken. Wir haben da in etwa dieselbe Situation wie bei Galileo-Orbiter und Atmosphärensonde. Denkbar sind mehrere Szenarien:

• Besuch eines anderen Jupitermondes, bevorzugt Io, der wegen seiner Nähe zu Jupiter auch nicht von den Missionen Europa Clipper und JUICE besucht wird und der geologisch aktiv ist.

• Vorbeiflug an Jupiter, aber auf einem anderen Pfad – ermöglicht einen zweiten Blickwinkel, eventuell sogar Stereoaufnahmen.
• Aufschlag auf Jupiter – liefert in den letzten Stunden Aufnahmen mit einer nie vorher möglichen Auflösung.
• Aufschlag bzw. Passieren der Ringebene: Risiko und Dichteabschätzung, eventuell auch Aufnahmen.

Da im Prinzip diese zweite Sondenur ein bis zwei Tage lang aktiv ist, würde man die Daten an die Hauptsonde übermitteln, die sie zwischenspeichert. Das macht die Ausrichtung und Lageregelung einfacher, da man so nur eine Mittelgewinnantenne mit grober Ausrichtung benötigt und die Instrumente festmontiert werden können. Viele Drehungen gibt es so nicht. Bei der kurzen Missionsdauer könnte die Lageregelung komplett mit Druckgas erfolgen. Bei den Missionstypen, bei denen die Sonde nicht verloren geht, ist auch eine ausrichtbare HGA denkbar, dann speichert die Sonde alle Daten zwischen, bis sie Jupiter passiert hat, dreht sich zur Hauptsonde und überträgt an diese die Daten. Dieser Zusatznutzen durch die Transferstufe wäre ein Ausgleich gegenüber den höheren Kosten durch das Modul, auf der anderen Seite benötigt man aber auch mindestens eine Sojus um 800 kg auf Fluchtgeschwindigkeit zu bringen, die Masse die ich für die Raumsonde angesetzt habe.

Bei der Raumsonde hätten wir im Prinzip die gleiche Vorgehensweise wie bei Voyager, das heißt, es gibt etwa vier Monate lang Daten, aber den größten Teil der Zeit nur wenige. Nur etwa en Fünftel dieser Zeit ist der Planet formatfüllend, die Monde sind sogar nur einige Stunden lang groß genug für brauchbare Aufnahmen und Spektren. Gegenüber Voyager hat sich aber einiges geändert. Neben technischen Verbesserungen wie höherer Datenrate, effizienteren RTG, stärkeren Senden und Senden im höherfrequenten K-Band, gibt es zwei wesentliche Verbesserungen:

Datenverarbeitung: Voyager konnte maximal 100 Bilder auf einem Bandrekorder ablegen. Das war gedacht für Zeiten ohne Funkverbindung, aber auch wenn ein Mond passiert wurde, da die Datenrate nach Jupiter immer kleiner als die Schreibgeschwindigkeit auf den Bandrekorder war. Heute ist es kein Problem sehr große Datenmengen abzulegen auf diese schnell und wahlfrei zuzugreifen. Schon New Horizons, die 2006 startete hatte einen Speicher von 16 GByte an Bord, selbst das entspräche rund 20.000 Bildern von Voyager, die bei den beiden Planeten aber nur etwa 9.000 bzw. 6.000 Aufnahmen machte. Das bedeutet man könnte die kurze Zeit in der Uranus nicht nur ein kleiner Fleck auf einer Aufnahme ist, viel besser nutzen, etliche Aufnahmen, Spektren und andere Messdaten gewinnen und in den Monaten nach dem Vorbeiflug übertragen.

Instrumente: auch hier gab es technische Verbesserungen wie CCD-Sensoren anstatt Videocons. Daneben aber gab es Neuentwicklungen die Dinge möglich waren die bei Voyager noch Utopie waren. Spektrometer können heute nicht nur das Spektrum eines Punktes aufnehmen, sondern einer ganzen Zeile. Wird die bewegt, so bekommt man eine Abtastung eines Körpers und von jedem Punkt der Oberfläche ein Spektrum. Daraus kann man Falschfarbenaufnahmen anfertigen. Farben können z.B. den Absorptionsmaxima von wichtigen Molekülen in den Atmosphären wie Methan, Ammoniak oder Schwefelwasserstoff zugeordnet werden und man sieht dann farbkodiert deren Vorkommen. Selbst Instrumente die Magnetfelder bestimmen heute nicht nur die Stärke an einem Ort, sondern können auch über eine Rotation der Instrumente ein Bild von der räumlichen Verteilung anfertigen.

Spektrometer sind zudem empfindlicher und viel feiner auflösend als noch zu Voyagers Zeiten.

Besonders reizvoll ist es natürlich, das zwei Sonden innerhalb kurzer Zeit auf den Weg gebracht werden. Leider sind solche Missionen ja in den USA sehr teuer geworden – Galileo begann mal als preiswerter Nachfolger von Voyager (sollte weniger als diese kosten) und endete sehr teuer, wobei aber auch die Politik und der Ausfall des Space Shuttles für drei Jahre ihre Ursache hatten. Cassini und Europa Clipper wurden aber auch sehr teuer und sind beides Projekte mit mehreren Milliarden Kosten.

Auf der anderen Seite lag New Horizons inklusive Start bei rund 700 Millionen Dollar, eine klassische Vorbeiflugsonde, und warum sollte so was heute nicht auch möglich sein? Ich vermute man wird aber lieber 2 Milliarden in einen weiteren Marsrover ausgeben.

Beim Plan mit Swing-Bys könnte m,an eine deutlich schwerere Sonde auf den Weg bringen, mit der kleinsten Atlas 401 etwa 2,7 t, wenn man die bis dahin verfügbaren schweren Träger nimmt, noch mehr. Bei dem kleinen dV von < 1 km/s zur Fluchtgeschwindigkeit könnte man mit etwa 1,1 km/s (1000 km Bahn) bis 1,5 km Bahn (außerhalb der Hauptringe) eine elliptische Umlaufbahn mit einigen Monaten Umlaufszeit erreichen. Das würde moderate Treibstoffvorräte an Bord erfordern. Bei Neptun geht dies wegen der hohen Vorbeifluggeschwindigkeit nicht.

Als Nebeneffekt hätte man wenn man diese Ionenantriebsstufe entwickeln würde auch ein Vehikel für den Erdorbit und andere Missionen. Dann lässt man einfach einige Treibstofftanks weg und die Nutzlast ist schwerer – die Vega C sollte alleine 800 kg mehr in eine Erdumlaufbahn bringen können. Zusammen mit Treibstoff für ein kleineres dV sollte sie so 2,3 t vom LEO in den GEO bringen können oder etwa 2 t auf Fluchtgeschwindigkeit. Ich denke als amerikanisch-europäisches Gemeinschaftsunternehmen wäre das umsetzbar: Europa baut die Ionenantriebsstufe und finanziert den Start. Die NASA baut die Sonde und die Instuemnte teilt man auf. Die internationale Kooperation wäre auch ein gewisser Schutz gegen das Einstellen, wenn mal wieder ein bemanntes Raumfahrtprogramm zu teuer wird.