Flyby zu Uranus und Neptun

Kürzlich las ich die Ankündigung das China zwei Raumsonden für die Heliosphärensondierung baut. Sie sollen eine Distanz von 100 astronomischen Einheiten (AE), also knapp 15 Milliarden km bis 2049 erreichen – das wäre schneller als Voyager, zumal die Sonden erst noch gebaut werden sollen. Die erste Sonde soll 2024 starten, Jupiter 2029 passieren. Die zweite Raumsonde 2033 Jupiter passieren. In nur 21 bzw. 20 Jahren 15 Mrd. km zu erreichen ist anspruchsvoll (ich habe nur die Zeit ab Jupiter genommen, da am Startdatum 2024 sichtbar ist, dass die Sonden vorher noch im inneren Sonnensystem unterwegs sind, um zum Beispiel an der Erde nochmals Geschwindigkeit durch ein Swing-By aufzunehmen). Die derzeitigen Rekordhalter Voyager 1+2 sind derzeit 152 bzw. 126 AE von der Sonne entfernt – aber ihr Jupitervorbeiflug war 1979, das heißt, sie haben diese (wenn auch größere) Distanz in 42 Jahren erreicht nicht in 20. Ich war daher auch zuerst skeptisch. Bei einer hohen Ankunftsgeschwindigkeit bei Jupiter ist das möglich – bei 41.3 km/s in der Erdbahn – ohne Swingby würde die Bahn dann bis 5,4 Mrd km Distanz reichen – kommt man in 20 Jahren in diese Distanz. Auch danach ist die Sonde dann 1,6-mal schneller als Voyager 1 unterwegs und würde diese irgendwann überholen.

Als ich mich noch nicht für Raumfahrt interessierte, sondern für Astronomie, waren die Planeten das interessanteste Objekt in der Astronomie. Logisch, denn nur von ihnen wusste man mehr, das auch für einen Teenager verständlich war. Bei Sternen, schwarzen Löchern oder dem Urknall kommt dann schon ziemlich viel Physik dazu. Damals war Neptun mein Lieblingsplanet. Das lag zum einen am Namen: Neptun war der Meeresgott und ich bin eigentlich immer gerne geschwommen oder im Wasser unterwegs. Es war aber das er im Teleskop blau war. Blau ist eigentlich eine ungewöhnliche Farbe. Die meisten anderen Planeten sind grau, oder gelb-rötlich. Vor allem aber wusste man von den äußeren drei Planeten (heute sind es ja nur noch zwei) fast nichts. Ihre Größe, Farbe, Schätzungen über die Masse, das war es dann auch. Das lädt zu Spekulationen ein. Da eine der beiden Sonden Neptun passiert, kam ich auf mein heutiges Thema.

Ich meine, das mehr als 30 Jahre nach Voyager es mal wieder an der Zeit ist Vorbeiflugsonden zu diesen Planeten zu schicken. Eine der chinesischen Sonden soll auch Neptun passieren. Uranus ist nicht dabei, doch ich denke das liegt an den Positionen. Das Diagramm zeigt, das Uranus und Neptun im Jahr 2033 etwa 60 Grad voneinander entfernt sind. Die Sonden sollen aber in entgegengesetzte Richtungen fliegen. Eine zur Stoßfront der Heliosphäre, eine in den Schweif. Die Vorbeiflugdaten an Jupiter müssten für ein solches Vorhaben so auch um einen halben Jupiterumlauf also fünf bis sechs Jahre auseinanderbiegen. Es sind vier Jahre, allerdings passiert die zweite Sonde noch Neptun, der sie auch noch ablenken kann.

Ich habe mich schon, damit beschäftigt ob auch nicht ein Orbiter um beide Planeten mit der heutigen Technik möglich ist. Die Himmelsmechanik macht aber einen Strich daraus. Die Vorbeiflüge an Jupiter dienen ja dazu Geschwindigkeit aufzunehmen, um schnell zu Uranus und Neptun zu kommen. Die langsamsten Bahnen ohne ein Swing-By dauern 30 bzw. 45 Jahre. Bei ihnen ist aber auch die Differenzgeschwindigkeit am kleinsten. Will man die kurze Reisezeit behalten, so muss man kurz vor dem Ziel schnell abbremsen. Das geht heute eigentlich nur mit Ionentriebwerken und in der Entfernung benötigt man dann schon einen leistungsstarken Kernreaktor als Stromversorgung, den es nicht gibt. Chemisch hat man keine Chance die überschüssige Geschwindigkeit abzubauen. Die Vorbeilfluggeschwindigkeit liegt bei der unteren Tabelle bei > 26,7 km/s für Neptun und > 22,1 km/s für Uranus. Die Fluchtgeschwindigkeiten für 200 km Kreisbahnen, Basis für die Ausgabe des NASA Trajectory Browsers liegt bei 21,2 bzw. 23,4 km/s. Zwei Uranusbahnen liegen im Bereich dessen, was chemisch möglich ist, mit etwa 1 km/s über der Fluchtgeschwindigkeit. Beim Neptun liegt man aber mindestens 3,4 km/s drüber.

Daher denke ich wäre es an der Zeit wieder jeweils eine vorbeifliegende Sonde zu Uranus und Neptun zu schicken, anstatt zu warten, dass man irgendwann doch einen Orbiter bauen kann.

Fluggelegenheiten zu Neptun zwischen 2024 und 2040:

Earth_Departure	Dest_Flyby	Duration (days)	C3 (km2/s2)	Abs DLA (degs)	Injection DV (km/s)	Post-injection DV (km/s)	Total DV (km/s)	Flyby speed (km/s)
Feb-23-2031	Feb-18-2041	3648	88.1	17	6.68	0.01	6.69	27.34
Mar-29-2032	Feb-05-2042	3600	104.5	29	7.24	0.01	7.25	26.71

Uranus:

May-03-2033	Feb-18-2041	2848	84.8	38	6.57	0	6.57	24.39
Mar-27-2031	Nov-14-2040	3520	84.9	9	6.57	0	6.58	24.81
Jun-07-2034	Apr-15-2044	3600	85.7	23	6.6	0	6.6	22.13
Mar-24-2030	Apr-20-2040	3680	88.2	10	6.69	0	6.69	25.91
Jul-12-2035	Aug-24-2045	3696	100.2	0	7.1	0.11	7.21	21.81
Mar-21-2029	May-04-2039	3696	92.1	12	6.82	0.6	7.42	28.8

Man sieht in beiden Tabellen die Systematik durch Jupiter-Swingbys. Jupiter kann eine Sonde um einen bestimmten Winkel ablenken und beschleunigen. Er bewegt sich aber selbst und erreicht irgendwann einen Punkt, wo der Winkel negativ werden müsste, was einer Abbremsung entspricht. Jupiter überholt so Uranus und Neptun. Wie viele Jahre – pro Jahr gibt es nur ein optimales Fenster, da sich ja auch die Erde bewegt – es gibt hängt daher davon ab, wie schnell das Ziel ist. Uranus ist doppelt so schnell unterwegs wie Neptun, weswegen es zwischen 2029 und 2035 sechs Bahnen gibt, bei Neptun dagegen nur 2031/32 jeweils eine Route.

Ich habe mir schon mal die Mühe gemacht, eine solche Sonde zu skizzieren. Das möchte ich nicht wiederholen. Ich möchte nur die Gründe anführen, weshalb wir nochmals eine Sonde, besser ein Paar oder ein Quartett bauen sollten.

Der wissenschaftliche Hauptgrund für eine weitere Sonde nach Voyager 2 ist das jede Sonde nur eine Momentaufnahme liefert. Jede Voyagermission lieferte neue Erkenntnisse aber es ergaben sich auch Fragen. Es wurden Erklärungen vorgeschlagen, die man durch eine weitere Mission überprüfen sollte. Voyager zeigte bei Jupiter und Saturn, den beide Sonden anflogen, auch den Sinn einer zweiten Mission. Das Forschungsprogramm von Voyager 2 wurde jeweils geändert, um neue Entdeckungen von Voyager 1 genauer zu untersuchen. So die Vulkane auf Io, der entdeckte Ring um Jupiter. Die Detailstruktur der Saturnringe. Da dies aber auch von der Instrumentierung abhängig ist – man wird von neuen Instrumenten auch neue Erkenntnisse erwarten, einfach weil vorher die Beobachtungen nicht möglich waren, wäre es sinnvoll zu jedem Planeten sogar zwei Sonden zu schicken. Die Sonde zu Neptun könnten 2031/32 starten und Neptun 2041/42 passieren, bei Uranus hat man mehr Möglichkeiten. Will man einen Vorbeiflug 2041/42 vermeiden um mehr große Antennen einer Sonde widmen zu können (gleicher Zeitraum wie die Neptunsonde) so wären die Starttermine 2029 und 2030 sinnvoll, der Letztere aber mit einer hohen Geschwindigkeit. Zu dem Faktor komme ich noch.

Der technische Hauptgrund für die Sonden ist, dass wir heute viel mehr Möglichkeiten haben das optimale aus einer Vorbeiflugmission herauszuholen. Eine solche dauert bei den großen Planeten mehrere Monate, doch nur etwa eine Woche lang dauert die heiße Phase, in der alle Instrumente aktiv sind. Voyager konnte Daten kaum zwischenspeichern, der Laie erkennt das vor allem an den wenigen Bildern der kleinen Objekte, also der Monde. Vom Neptunmond Triton – immerhin größer als Pluto – gibt es etwa 30 Aufnahmen, von den Uranusmonden mit Ausnahme von Ariel und Miranda nur eine gute Aufnahme. Dagegen konnte New Horizons beim Vorbeiflug 7.700 Aufnahmen machen, die meisten davon wurden zwischengespeichert. Rund 1.000 zeigen Pluto mindestens bildfüllend – das ist um Größenordnungen mehr als mit der Technik der Siebziger die Voyager hatte. 16 Monate brauchte man um alle Daten zu übertragen. Ebenso haben sich die Instrumente weiter entwickelt und Fortschritte gab es auch in anderen Gebieten – leistungsfähigere Transponder und das K-Band erlauben es auch diese Datenfülle nach dem Vorbeiflug zu übertragen denn es wären ja noch mehr Aufnahmen möglich als bei New Horizons. Kurz eine heutige Mission würde erheblich mehr und bessere Daten liefern als Voyager. Man muss nur sich die Ergebnisse von New Horizons ansehen und die passierte einen Kleinplaneten, der zwanzigmal kleiner als Neptun oder Uranus ist.

Als Nebeneffekt kommt bei beiden Sonden noch ein Jupitervorbeiflug hinzu den man nutzen kann die inneren Monde (ab Io) besser zu erkunden, denn diese werden auch bei den geplanten Jupitermissionen aufgrund des hohen Strahlungslevels nicht nahe passiert werden. Idealerweise wird man zweimal Io nahe passieren. Das hängt aber von der gewählten Bahn ab- bei den Bahnen zu Uranus betragen die minimalen Abstände über den Wolken 0,04 bis 29,4 Radien. Bei Neptun 5,1 und 2,88 Radien. Ios Umlaufbahn hat einen Radius von 4,9 Radien über der Wolkenobergrenze. Nimmt man dies als zusätzliches Kriterium, so fallen die Startgelegenheiten 2034 / 2035 weg.

Für Uranus gibt es die Möglichkeit die andere Seite der Monde zu kartieren – durch die stark geneigte Bahn sah Voyager 2 nur eine Seite der Uranusmonde. 2028 sieht man die Seite die Voyager 2 nicht aufnehmen konnte voll beleuchtet, 2049 herrscht Tag- und Nachtgleiche auf Uranus – nur dann sind beide Seiten beleuchtet. Die Sonde wird zwischen beiden Daten Uranus passieren. Einen ähnlichen Effekt haben wir bei Triton, wo die Bahnneigung der Bahn von Triton (157 Grad) und die Achsenneigung von Neptun (30 Grad) auch 187 Grad ergeben, also der Mond praktisch um 180 Grad gekippt ist. Hier ist nach 83 Jahren die bei Voyager 2 nicht beobachtbare Oberfläche sichtbar, der ideale Vorbeiflugtermin wäre also 2072. Das wird man nicht erreichen, aber immerhin sieht man deutlich mehr von der für Voyager unbeobachtete Nordpolregion.

Die Frage, die ich mir stelle, ist das auch mit einem finanzierbaren Budget möglich? Raumsonden ins äußere Sonnensystem neigen dazu, sehr teuer zu werden. Juno kostete 1,1 Mrd. Dollar. Es geht aber auch billiger: New Horizons kostete 723 Mill. Dollar, wovon auf die Raumsonde selbst aber nur etwa 300 Millionen entfallen. Am teuersten ist der Start gewesen und die RTG. Ich denke man wird mit dem Budget für eine heutige Discoverysonde von 450 Mill. Dollar ohne Start und ohne RTG eine Sonde bauen können, sie würde teurer als New Horizons sein, da sie auch instrumentell besser ausgerüstet sein wird. Aber bei zwei Exemplaren kann man die bei Raumsonden relativ hohen Entwicklungskosten besser umlegen. Die RTG von Voyager werden nicht mehr gebaut. Ein heutiger MMRTG, wie ihn die Mars Rover einsetzen, kostet 27 Mill. Dollar. Bei 110 Watt Leistung. Drei dieser MMRTG würden 330 Watt Leistung bringen – weniger als bei Voyager. Allerdings ist Elektronik inzwischen weniger stromverbrauchend. Voyager braucht alleine rund 245 Watt um nur operieren zu können und elektrische Heizelemente kann man durch Nutzung der Abwärme der RTG ersetzen. New Horizons kam mit rund 200 Watt aus, da sollten 300 Watt für eine besser instrumentierte Sonde reichen. Drei MMRTG weitere 81 Mill. Pro Sonde.

Hauptkostenpunkt war bisher der Start der über 200 Mill., Dollar kostete. Da gibt es inzwischen mit der Falcon eine Alternative und die Atlas V ist auch billiger geworden. Eine Falcon Heavy könnte die Sonde direkt zu Jupiter befördern. Da jedoch die Oberstufenmasse unbekannt ist und die Sonde weniger als eine Tonne wiegt, ist die Unsicherheit groß. Die NASA Performance Query liefert 1.425 kg für ein C3 von 90 km/s- dann gibt es mindestens eine Bahn pro Planet und 755 kg für ein C3 von 100 km²/s², dem höchsten Wert den man eingeben kann. Zwei Bahnen liegen darüber. Damit wäre ein direkter Start mit einer Falcon Heavy möglich. Allerdings schwankt deren Preis deutlich. Für den Start von Psyche verlangt SpaceX 117 Mill. Dollar, für den von PPE/HALO 332 Mill. Dollar. Der Grund dürfte sein, dass im letzten Fall die volle Performance ohne Wiederverwendungsmöglichkeit benötigt wird. Das wäre auch hier der Fall. Dann wäre die Falcon Heavy aber zu teuer.

Es gibt zwei Alternativen – man kann eine Falcon 9 nehmen und einen Swing-By an der Erde durchführen oder man macht dies mit der Falcon Heavy Nach der Performance Website kann eine Falcon Heavy bei Wiederverwendung 3165 kg auf eine Bahn mit einem C3 von 26 km²/s² befördern – das wäre eine Sonnenumlaufbahn mit einer Flugdauer von genau zwei Jahren. Der Erdvorbeiflug nach zwei Jahren müsste dann bis zu 3 km/s addieren, um auf das benötigte C3 zu kommen.

Alternativ setzt man auf der Falcon 9 eine Oberstufe ein, was allerdings auch Zusatzkosten impliziert. Auch hier ist aufgrund der fiktiven Nutzlastwerte auf der SpaceX Website die Abschätzung schwer. Das NASA Performance Tool führt die Rakete aber gar nicht auf. Die bisher größte Nutzlast waren Starlinksatelliten die 15,2 t wogen und in einen 53 Grad Orbit entlassen wurden. Die höchste Geschwindigkeitsanforderung sind 7,24 km/s über der Kreisbahngeschwindigkeit bei 29 Grad Bahnneigung. Als Erstes habe ich die Nutzlast für eine 29 Grad Bahn errechnet. Das sind etwa 15,9 t. Dann habe ich in Gedanken die Nutzlast durch eine SEC Centaur ersetzt und berechnet, wie viel Masse noch übrig bleibt, wenn diese um 7,24 km/s beschleunigt. Das sind 3.090 kg. Davon geht das Leergewicht der SEC Centaur von 2.343 kg ab, es bleiben also noch 847 kg übrig. Davon ginge noch ein Nutzlastadapter ab, sodass man Netto bei etwa 700 kg landet. Das ist etwas weniger als bei Voyager, doch mit leichten Gewichtseinsparungen. Voyager hatte z.B. einen großen Treibstoffvorrat der über 100 kg wog und den man nie brauchte. So denke ich ist es machbar. Ideal wäre hier eine alte Centaur, da man ja auf rund 7 t Treibstoff verzichten muss, die hatte eine um 400 kg geringere Leermasse. Praktisch würde man die Centaur volltanken und als Oberstufe nutzen. Dann wäre eine Nutzlast von etwa 1.500 kg für das höchste C3 möglich, allerdings ist das ein selbst berechneter Wert, und da die Massen für die Oberstufe nur geschätzt sind, mit entsprechender Unsicherheit behaftet. Andererseits ist die Centaur nun die letzte Stufe und deren Werte sind bekannt, sodass selbst eine größere Massenabweichung bei der Falcon 9 Zweitstufe in dem Polster von mindestens 500 kg abgefedert werden. Offen sind die Kosten für eine Centaur Oberstufe, doch die kleinste Version der Atlas V 401 kostet nach ULA angaben 109 Millionen Dollar, da schätze ich wird die Oberstufe ein Drittel ausmachen, also etwa 35 Millionen Dollar. Die Falcon 9 hat ebenfalls einen variablen Preis, der bei den nächsten Missionen zwischen 59 und 177 Millionen Dollar liegt. Da es aber eine Alternative gibt – die Atlas 401 kann 1,8 t auf eine Zweijahresumlaufbahn befördern, das verlängert dann die Mission wird SpaceX wohl eher weniger verlangen. Bestimmt weniger als 109 Millionen Dollar sonst, würde die NASA gleich die Atlas V wählen. Man wäre dann bei:

• 450 Millionen Dollar Sonde
• 81 Millionen Dollar für die RTG
• 70 Millionen Dollar für die Falcon 9
• 35 Millionen Dollar für die SEC Centaur

636 Mill. Dollar – ein etwa das, was New Horizons kostet.

Bei zwei Sonden dürfte die zweite Sonde preiswerter werden lassen. Diese könnte dann für etwa 310 Millionen Dollar gebaut werden, wenn man 0,75 als typischen Exponent einer Lernkurve ansetzt. Insgesamt denke ich das dies nicht zu viel für die Mission ist.