Versäumte Chance: der Mars Communications Orbiter

Derzeit ist Mars 2020 auf dem Weg zum Mars, dort wird der Perseverance Rover landen. Wenig später, zwischen April und Juli wird der chinesische Rover landen und mit Curiosity und Insight sind zwei weitere Rover in Betrieb. Geplant ist ab 2027 eine gemeinsame Mission von ESA und NASA die Bodenproben zurückbringen soll, die Perseverance schon mal sammelt. Bis dahin wird auch der Exomars Rover gelandet sein, dessen Start erneut um zwei Jahre auf 2022 verschoben wurden. Das wären bis zu sieben Landemissionen und da würde es sich lohnen die Kommunikationssatellit neu zu überdenken.

Bisher erfolgt die über die beiden US-Orbiter MAVEN und MRO, den chinesischen Orbiter von Tianwen 1. Das ist suboptimal. Zum einen beschränken die Daten der Lander das Datenbudget der Orbiter, die ja eine eigene wissenschaftliche Aufgabe haben. Zum anderen ist die Datenmenge trotzdem begrenzt denn jeder Orbiter ist nur wenige Minuten pro Lander im Sende- und Empfangsbereich und das – je nach Position bis hinab zu zweimal pro Tag.

Schon zu Anfang des Jahrhunderts plante daher die NASA einen Kommunikationsorbiter, der wurde gestrichen als Bush für sein Constellation Programm Mittel brauchte und seitdem ist es dabei gebelieben.

Ich habe mir gedacht, das man vielleicht eine kleine Lösung entwickeln könnte. Der Gedanke: Mars 2020 kostet 2,7 Mrd. Dollar, hätte man noch etwas Geld für einen Orbiter locker gemacht hätte man den Nutzen, dieser und anderer Missionen verbessern können.

Der Grundgedanke ist die Atlas V mit einem Booster mehr auszurüsten und das Mehrgewicht an Nutzlast in einen Orbiter stecken, anstatt eine Cruise Stage, die er ersetzt. Das wird kein schwerer Orbiter, aber er soll ja auch primär nur kommunizieren. Das spart an zwei Teilen: Es wird kein eigener Start benötigt und es entfallen die Kosten für die Cruise Stage. Der Mars Communicationsorbiter sollte 500 Millionen Dollar kosten, ich denke unter der obigen Prämisse käme man mit 250 Millionen Dollar aus – 10 % der Projektkosten von Mars 2020.

Gewichtsabschätzungen

Zuerst ist festzustellen ob der Orbiter mit einer Atlas 551 startbar ist.

Über die Startmasse von Mars 2020 gibt es unterschiedliche Angaben. Ich habe 3.839 und 4.029 kg gefunden und vermute das ist mit/ohne Adapter zur Trägerrakete. Mit einem Booster mehr errechne ich für die gewählte Bahn (c₃ von 14,5 km²/s²) eine maximale Nutzlast von 4.850 kg. Ich bin mit 100 kg Reserve von 4.750 kg ausgegangen und das sind selbst bei 4.029 kg für Mars 2020 dann 721 kg mehr als Mars 2020.

Der Orbiter ersetzt die Cruise Stage. Doch er benötigt einige Systeme mehr:

• mehr Treibstoff um eine Umlaufbahn zu erreichen und für Bahnänderungen und Stabilisierung
• mehr Strom für einen dauerhaften Betrieb im Orbit und die stärkeren Sender/Empfänger, eventuell wissenschaftliche Instrumente
• eine funktechnische Ausrüstung für eine hohe Datenrate
• eventuell noch Instrumente

Die Cruise Stage wiegt 600 kg, davon sind 200 kg Treibstoff. Das führt also zu einem Orbiter der 1.321 kg mit Treibstoff wiegt. Frage 1: Wie hoch ist der Treibstoffbedarf?

Zuerst geht Treibstoff ab, um Mars 2020 zum Mars zu bringen, also die klassische Aufgabe der Cruise Stage. Angenommen die Korrekturkapazität wären 100 m/s, so benötigt man dafür 158 kg Treibstoff (spezifischer Impuls: 2.950 m/s). Das lässt dann noch 1.163 kg für den Orbiter übrig. In der Praxis braucht man weniger.

Für die Eintrittsgeschwindigkeit von Perseverance von 6,1 km/s und einer ersten Bahn von 200 x 79.000 km Höhe und dann Synchronisierung zu einer geostationären 17.030 km Bahn (über der Oberfläche, etwa 20.400 km vom Zentrum entfernt) errechne ich einen Geschwindigkeitsbedarf von 1.954 m/s. Setzt man Aerobraking ein, sinkt er auf 1.677 m/s, die Differenz um die Apoapsis von 79.000 auf 17.000 km zu erniedrigen. Mit etwas Reserve und Vorräten für spätere Bahnmanöver (2.100 bzw. 1.820 m/s) errechnet sich so ein Treibstoffbedarf von 515 kg bzw. 608 kg. Das erlaubte Trockengewicht des Orbiters sinkt so auf 648 bzw. 708 kg. Das sind dann nur 48 bzw. 108 kg mehr, als die Cruise Stage leer wiegt – sehr wenig, denn natürlich benötigt der zusätzliche Treibstoff größere Tanks. Das sind alleine rund 50 kg davon. Damit wäre nur noch die Lösung mit Aerobraking im Rennen. Zusätzliche Solarpaneele mit 8 m² Fläche würden rund 32 kg wiegen, damit ist der Orbiter auch bei Aeroraking zu schwer.

Zweiter Ansatz

Der zweite Ansatz ist es, nur in die erste Bahn chemisch einzubremsen und dann Aerobraking und Ionentriebwerke zu nutzen. Auch bei der interplanetaren Phase kann man Ionentriebwerke einsetzen, Zeit genug hat man. Die einzige Ausnahme ist das letzte Manöver für die Umlenkung der Bahn, damit der Orbiter nicht wie der Rover in die Marsatmosphäre eintritt. Für das Einbremsen in einen Orbit benötigt man ebenfalls chemischen Treibstoff. Ionentriebwerke benötigt man nur, wenn man nach dem Aerobraking eine Ellipse erreicht ist, die ihren planetennächsten Punkt bei etwa 150 km Höhe hat und den planetenfernsten in 17.030 km Distanz – das entspricht der Distanz der geostationären Umlaufbahn beim Mars. Für das Anheben der Ellipse benötigt man aber vergleichsweise wenig Energie. Später kann man die gesamte Lageregelung mit Ionentriebwerken durchführen. Viel spart man nicht ein: 1323 m/s benötigt man um den ersten Orbit zu erreichen, das Orbit Deflektion Manöver mag weitere 50 m/s benötigen. Zusammen sind das 1373 m/s die benötigt werden ´, was einer Orbitertrockenmasse von 792 kg entspricht. Die Ionentriebwerke benötigen relativ wenig Masse, da sie nicht sehr schubstark sein müssen. Zusammen mit vier Ionen-Lageregelungstriebwerken mit kleinem Schub gehe ich von folgender Massebilanz aus:

System	Masse
Orbiter trocken	792 kg
Solarpaneele für mehr Strom (gesamt: 1280 Watt)	32 kg
Tanks für Treibstoff	33 kg
Ionentriebwerke mit Treibstoff für 1.000 m/s	70 kg
Restmasse:	657 kg
Cruise Stage trocken	400 kg
Für Nutzlast verfügbar:	157 kg

157 kg blieben dann für die funktechnsiche Ausrüstung. Bei Juno wiegt das Kommunikationssystem 83,2 kg. Beim MRO sind es 107,7 kg mitsamt einem System für die Kommunikation mit Marslandesonden. Juno kann aus maximaler Jupiterentfernung 18 kbit/s zu einer 34 m DSN-Antenne senden, das entspricht beim Mars je nach Entfernung 4-964 bis 250 kbit/s. Sie wäre leicht durch stärkere Sender verdoppelbar, ohne das dies wesentlich mehr Gewicht erfordert. Anders als bei Juno hat man die elektrische Leistung zur Verfügung. Das MRO-Sendesystem schafft je nach Entfernung zwischen 500 und 4000 Kbit/s. Liegt also bei nur 20 kg mehr Masse schon bei der Doppelten Leistung von Juno. Realistisch wird man so mindestens 500 kbit/s erreichen.

Das lässt bei Einsatz des MRO-Systems noch eine Reserve von etwa 50 kg übrig. Das ist die Marge für Gewichtsteigerungen bei Systemen aber auch Experimente.

Experimente

Hauptaufgabe des Orbiters ist die Kommunikation. Aber er sitzt wie unsere Wettersatelliten in einer hohen äquatoriellen Umlaufbahn. Er sieht immer den gleichen Mars, da er sich genauso schnell um ihn dreht wiecder Mars rotiert. Zudem ist er näher an den beiden Marsmonden als die Orbiter in niedrigen Kreisbahnen.

Ich denke man wird folgende Experimente sinnvoll einsetzen können:

Mars-Weathercam: eine Kamera mit einem großflächigen Chip – Perversance setzt erstmals 20 MPixel Chips für die Kamera ein – welche den Mars bildfüllend aufnimmt. Aus 17.000 km Distanz benötigt man dazu nur ein kleines Teleobjektiv: bei 8000 x 12.000 km Bildgröße etwa ein Objektiv von 66 mm KB-Äquivalent. Sie würde mehrmals pro Tag das Wetter des Mars global beobachten. Die Auflösung läge bei 2-3 km. Mehrere Filter könnten Staub, Eis, Nebel hervorheben. Basierend auf der Mastcam von Perversance würde diese Kamera 4 kg wiegen.

Mars-Weather-Spektrometer: ein Spektrometer nach einer Optik, das zwischen Sichtbaren und nahem IR die Planetenoberfläche einmal pro Tag abtastet und ein Spektrum gewinnt. So kann man die Veränderungen protokollieren wie das Auftauchen von Staub, Abschmelzen von Kohlendioxid Eis oder Auftauchen von Wassereis. Basierend auf RALPH von New Horizons wäre dieses Instrument 11 kg schwer.

Mars-Mondcam: Eine Kopie der LORRI-Kamera von New Horizons mit einem moderneren Sensor. Bei einer Auflösung von 5 Mikrorad, könnte sie mittelaufgelöste Aufnahmen der Monde machen, vor allem natürlich von Deimos, der bisher weder von den Marsorbitern (seit Viking) beobachtet wurde. Aber auch die marsabgewandte Seite von Phobos ist so sichtbar. Aus der geostationären Umlaufbahn beträgt die Distanz minimal 3.036 km zu Deimos und 11.045 km zu Phobos, was Auflösungen von 6,1 bzw. 22,1 m/Pixel entspricht. Man könnte auch den Mars beobachten und so Veränderungen der Polkappen doer Eisablagerungen, die auf den Bilder der Weathercams sichtbar sind, untersuchen. Dann läge die Auflösung bei 85 m Äquator bis 100 m (pol). Sie wiegt etwa 9 kg.

Das wären 24 kg von den 50 kg des Budgets, also ein vertretbarer Anteil.

Deimos

Die Nähe zu Deimos und dessen Stiefkindposition in der Marktforschung brachte mich auf eine zweite Idee. Anstatt eine kreisförmige Umlaufbahn einzuschlagen, könnte man auch eine 13.900 x 20.160 km Bahn einschlagen. Eine solche würde 73 km hinter Deimos Bahn enden, womit man dem Mond periodisch (alle 5,4 Tage) nahe käme. Zuerst würde man so diese Umlaufbahn anstreben, dann in einer Reihe von Vorbeifliegen – selbst bei nur 3 Monaten Zeit wären das 16 Stück – erkunden würde und dann erst die Bahn zirkularisiert. Das könnte man auch bei Phobos anwenden. Dann wäre es eine 5900 x 28160 km Bahn, die 100 km vor Phobos endet. Alle 1,53 Erdtage kommt es dann zu einer Passage.

Kommunikation

Es gibt eine Reihe von Szenarien für die Kommunikation, je nach Antennenform auf dem Orbiter und den Landern, Frequenzband, Sendeleistung und Dauer. Extreme wären Rundstrahlantenenn auf Lander und dem Orbiter und ausgerichtete Hochgewinnantennen, wobei der Orbiter dazu seine 3 m große HGA nutzen könnte.

Ich bin im folgenden davon ausgegangen, das auf dem Orbiter eine Mittelgewinnantenne mit einem Öffnungswinkel von 20 Grad installiert ist, diese deckt den ganzen Marsdurchmesser ab, der Orbiter muss sich also nicht jeweils zu den Landern drehen, wie dies bei Einsatz der Hochgewinnantenne nötig wäre. Auf dem Landesegment habe ich die HGA der beiden letzten Rover als Referenz genommen mit einem Gewinn von rund 20 db und 15 Watt Sendeleistung, allerdings Senden im Ka-Band, denn Wasserdampf, das bei dem Empfang auf der Erde so stört, gibt es in der Marsatmosphäre nicht. Diese Kombination erreicht eine dauerhafte Datenrate von etwa 1 Mbit/s von den Polen aus und etwa 1,4 Mbit vom Äquator aus. Das ist weniger als zu MRO (maximal 2 Mbit/s), aber zu MRO besteht auch nur kurzzeitig Kontakt. Bei Wahl verschiedener Sende- und Empfangsfrequenzen für jede Landesonde könnte man alle simultan abfragen, ansonsten nacheinander.

Das mittlere Datenvolumen von Curiosity betrug 250 Mbit/Tag, das wäre in 250 s übertragbar, selbst wenn man das X-Band nutzt, wo die Datenrate dann stark absinkt, würde man diese Datenmenge in einer Stunde übertragen können. Kurz: für die Übertragung der Daten von drei Rovern welche die USA bisher betreiben wäre kein Problem. Doch kann man die Daten auch zur Erde übertragen? Selbst wenn es nur 8 Stunden pro Tag Kontakt zu einer 34-m-Antenne gäbe (der MRO bekommt 16 Stunden pro Tag einen Slot für eine 34-m-Antenne, dazu zweimal einen Ka-Band Slot pro Woche und drei Slots zu 70 m Antennen pro Woche). Für einen NASA-Kommunikationsorbiter war ja sogar mal optische Datenübertragung angedacht, aber selbst mit dem X-Band könnte man (je nach Distanz) zwischen 14.400 und 115.200 MBit pro Tag übertragen, das entspricht mindestens der 50-fachen Datenmenge, die heute für die Rover eingeplant ist. Da bliebe noch genügend Platz für wissenschaftliche Daten des Orbiters, auch wenn diese wahrscheinlich eher gering wären.

Fazit

Ich denke der Kommunikationsorbiter wäre umsetzbar, würde die Datenmenge von den Landesonden deutlich erhöhen und würde MAVEN und MRO entlasten. Mehr noch: er könnte auch die chinesische Landesonde bedienen – durch die Geografie des Mars liegen alle Landeplätze in einer Hemisphäre. Wenn die Chinesen Sorgen um ihre Daten haben die dann von den USA empfangen werden können die Chinesen sie ja verschlüsseln. Aber so wäre internationale Zusammenarbeit sinnvoll. Das gilt auch für Europa, das übernächstes Jahr seinen Rover losschickt. Wenn man erst mal Bodenproben birgt, wird es eine neue anspruchsvolle Mission, wahrscheinlich mit noch größerem Datenaufkommen geben. Dann macht der Satellit sich richtig bezahlt, aber schon heute könnte er die Ausbeute an Bildern und anderen Daten bedeutend erhöhen. Selbst wenn ein Großteil keine wissenschaftlichen Daten sind, sondern nur Bilder, die der Routenplanung dienen, ergibt sich in Form einer längeren Fahrtstrecke pro Tag ein Nutzen.