MILF

Meine Beschäftigung mit Missionen ins äußere Sonnensystem brachte mich auf eine Idee, eine Mission zu Io, genannt MILF (Multiple Io Lowcost Flybys). Io ist auf der einen Seite der aktivste Himmelskörper mit einer festen Oberfläche. Vulkane verändern andauernd die Oberfläche. Es macht also Sinn, ihn möglichst dauerhaft oder zumindest in einer höheren Frequenz zu überwachen. Auf der anderen Seite ist er Jupiter so nahe, das ein Orbiter keine Überlebenschance hat. Aber auch für die beiden aktuellen Jupitermissionen JUICE und Europa Clipper ist es zu riskant ihn zu passieren. Keine dieser Missionen wird Io nahe kommen. Galileo sollte ihn vor dem Einschwenken in den Orbit passieren, danach nicht mehr, aus demselben Grund. Leider fiel dies wegen des kurz vorher aufgetretenen Vorfalls mit dem Bandrekorder ins Wasser, es wurden keine Bilder gemacht. Es gab dann später noch einige Io Passagen, doch bei ihnen litt Galileo schon stark unter Strahlenschäden. Die Io-Mission IVO fiel leider 2019 bei der Auswahl durch.

Mein Ansatz ist daher ein anderer. Die Kosten müssen soweit gesenkt werden, dass eine solche Mission eine Chance zur Umsetzung bekommt. Das geht mit folgenden Maßnahmen:

  • Reduktion der Masse auf eine Miniraumsonde
  • Nicht-eintreten in einen Orbit nur Vorbeiflug
  • Ionenantrieb zu Jupiter um die Startmasse zu Reduzieren.
  • Die Mission funktioniert primär nach dem Dump-and-Store Prinzip: Sie zeichnet beim Vorbeiflug die Daten auf und überträgt sie später über Monate zur Erde.

Ich fange mit dem an, was ich am besten beziffern kann, der Instrumentenmasse. Eine sinnvolle Untergrenze wären 30 kg. Das reicht für zwei bis drei Instrumente. Für die erste Sonde habe ich eine Kamera vorgesehen, eine Kopie der DRACO Kamera, die wiederum die Optik der New Hofozons LORRI Kamera einsetzt. Sie ist leichtgewichtig (unter 10 kg) und mit dem Sensor, einem BAE CMOS CIS2521 arbeitet sie beugungsbegrenzt. Io ist aus 700.000 km Distanz formatfüllend. Es ist ein 5 MP Sensor, sodass eine Auflösung von globalen Aufnahmen von 1,8 km resultiert.

Als zweites Instrument wäre ein abbildendes Spektrometer wie RALPH bei der ersten Sonde denkbar. Für folgende Sonden wären Teilcheninstrumente aber auch Massenspektrometer um die Vulkanejakta direkt zu untersuchen denkbar. Als sinnvoll halte ich eine Kleinserie von zwei bis vier Satelliten, die jährlich oder zweijährlich gestartet werden. Mit dem Ionenantrieb resultiert eine so geringe Startmasse, das sie als Sekundärnutzlast bei einer Rideshare Mission gestartet werden können, oder wenn ein eigener Start benötigt ist man die Auswahl zwischen mehreren Kleinträgern hat. In mehreren Sonden können dann verschiedene Instrumente untergebracht werden. Bei folgenden Missionen ersetzt man dann LORRI durch eine leichtere niedrig auflösende Kamera, mit der man zum zumindest globale Veränderungen und Vulkanausbrüche erkennen kann.

Aus Erfahrungswerten kommt man von 30 kg Instrumentmasse auf etwa 200 kg Satellitenmasse. Das nächste ist die Stromversorgung. Sei wird bestimmt durch den Strombedarf bei Jupiter. Trident sollte 250 Watt benötigen (zwei MMRTG). Ivo wahrscheinlich auch, doch genaueres konnte ich die Daten nicht finden. Wie bei Trident wird man eine Batterie einsetzen und aufladen um einige Stunden am Tag die Experimente und/oder Sender zu betreiben. 250 Watt bei 5,2 AE Distanz (Jupiter) entsprechen 6.760 Watt in Erddistanz. Da es eine Abnahme über die Zeit wie auch die Strahlung bei Jupiter gibt, bin ich von 7500 Watt ausgegangen. Die Solararrays sind im Entwurf normale feste Arrays, mit Techniken wie ausrollabren Arrays oder Flexarrays kann man hier noch deutlich Gewicht sparen.

Das ist gleichzeitig genug Strom um mehrere Ionentriebwerke zu betreiben. Unter den verfügbaren Triebwerken halte ich das T6 für das beste. Mit 3,3 kW kann man zwei Triebwerke betreiben und hat etwas Reserve für die Abnahme. Bei anderen Typen reicht es nur für eines oder man benötigt noch mehr Strom Dazu könnte man noch einige kleine Triebwerke für Lageänderungen nehmen. Für Io selbst benötigt man wegen der schnellen Bewegungen ein zweites System füe schnelle Drehungen. Ich bevorzuge Hydrazin als Treibstoff, aber weil es nur wenige Vorbeiflüge sind, wäre auch ein Kaltgassystem denkbar. Offen ist die Starhlenabschirmung. Europa Clipper und Juno haben jeweils ihre Elektronik in Safes gepackt. Die wiegen aber 150 bzw. 200 kg und sind so groß wie der Sondenkörper der Kleinsonde selbst. JUICE kommt ohne aus, genauso kamen die vorherigen Missionen ohne Safe aus. Ich meine es reicht wenn man die Elektronik zwischen die vier Xenontanks packt. Die sind bei Jupiter zwar fast leer, aber so ein Tank hat bei 200 bar eine Wandstärke von 9 mm und schirmt entsprechend wie 1,3 g/cm² Aluminium ab. Teilchen müssen dabei zwei Tankwände passieren war fast 1 cm Aluminium entspricht, Zudem ist die Sonde nicht dauernd im Jupitersystem sondern durchfliegt es maximal zweimal.

Daraus kann man einen Sonnensteckbrief errechnen. Ich habe nach etwas Probieren die Treibstoffmenge angepasst: Zuerst das Verlassen der Erde, ausgehend aus einer 500 km Kreisbahn.

Simulationseinstellungen
Simulationsdauer 262 d 19 h
davon angetrieben: 223 d 22 h
Schrittweite: 10,0 s
Entfernung bei Sim-Ende: 878.724,1 km
Geschwindigkeit bei Sim-Ende: 949,0 m/s
Startgeschwindigkeit: 7.613,0 m/s
Simulationsvorgaben
Schubrichtung: Winkel zur Bewegungsrichtung 0,0 Grad
Abbruchbedingung der Simulation: Bis Fluchtgeschwindigkeit überschritten
Ionentriebswerksmodul
Startgewicht: 600,0 kg
Aktuelles Gewicht: 501,3 kg
Nutzlast 230,0 kg
Stromversorgung: 7.454,2 Watt @ 1 AE
Strom beim Start: 7.500,0 Watt @ 1 AE
Eigenstromverbrauch: 250,0 Watt
Maximal nutzbar: 7.500,0 Watt
Gewicht Stromversorgung: 88,2 kg
Spezifisches Gewicht Stromversorgung: 85,0 W/kg
Treibstoff beim Start: 230,4 kg
Treibstoff aktuell: 131,7 kg
Tanks: 34,6 kg
Tankanteil: 15,00 Prozent
Treibstoff für maximal: 19.000 m/s
Anzahl Triebwerke: 2 Stück
Gewicht Triebwerke: 16,6 kg
Gewicht Strukturen: 0,0 kg
Stromversorgungsart: Solar
Triebwerkseinstellungen
Bezeichnung Triebwerk: T6
Spezifischer Impuls: 39.216,0 m/s
Schub pro Triebwerk: 0,100 Newton
Treibstoffverbrauch pro Triebwerk: 0,220 kg/d
Strom pro Triebwerk: 3.300 Watt
Gewicht Triebwerk: 8,30 kg
Effizienz: 59,42 Prozent
Differenz zur Kreisgeschwindigkeit bei Simende: 927,9 m/s
Differenz zur Fluchtgeschwindigkeit bei Simende: 919,0 m/s
c3: 0,00 km²/s²
Gesamte Geschwindigkeitsänderung: 7.046,0 m/s

Dann die Phase in der Sonnenumlaufbahn:

Ausgangsbahn
Bahnform Bahn ist eine Ellipse
Perihel/Perigäum: 149.994.651,66 km
Aphel/Apogäum: 150.000.000,00 km
Umlaufszeit: 1 J 4 d
Bahnen
Bahnform Bahn ist eine Ellipse
Perihel/Perigäum: 172.267.403,36 km
Aphel/Apogäum: 852.232.625,69 km
Umlaufszeit: 6 J 128 d
Simulationseinstellungen
Maximale Simulationsdauer: 5 J 175 d
Simulationsdauer 2 J 160 d
davon angetrieben: 324 d 6 h
Schrittweite: 1.000,0 s
Entfernung bei Sim-Ende: 202,5 Mill. km
Geschwindigkeit bei Sim-Ende: 32.369,4 m/s
Startgeschwindigkeit: 29.679,0 m/s
Simulationsvorgaben
Schubrichtung: Winkel zur Bewegungsrichtung 0,0 Grad
Abbruchbedingung der Simulation: Betrieb bis die Bahn das Zielaphel/-apogäum überschreitet
Erreicht Apo-Punkt: 850,0 Mill. km
Ionentriebswerksmodul
Startgewicht: 600,0 kg
Aktuelles Gewicht: 388,2 kg
Nutzlast 230,0 kg
Stromversorgung: 7.388,1 Watt @ 1 AE
Strom beim Start: 7.454,0 Watt @ 1 AE
Eigenstromverbrauch: 250,0 Watt
Maximal nutzbar: 7.500,0 Watt
Gewicht Stromversorgung: 88,2 kg
Spezifisches Gewicht Stromversorgung: 85,0 W/kg
Treibstoff beim Start: 230,4 kg
Treibstoff aktuell: 18,9 kg
Tanks: 34,6 kg
Tankanteil: 15,00 Prozent
Treibstoff für maximal: 19.000 m/s
Anzahl Triebwerke: 2 Stück
Gewicht Triebwerke: 16,6 kg
Leistung bei Simulationsende: 4.004,1 Watt
Gesamte Geschwindigkeitsänderung: 17.077,2 m/s

Nach knapp drei Jahren ist die Sonde auf dem Weg zu Jupiter den sie etwa 4,5 Jahre nach dem Start erreicht. Dort passiert sie zuerst Io in geringem Abstand (Ziel 1.000 km). Die meisten Daten werden auf eine SSD aufgezeichnet und dann überspielt. Ohne Verluste durch den Strahlungsgürtel müsste sie noch 270 Watt bei Jupiter haben. Setzt man den Verbrauch der Sonde ohne Sender und Instrumente zu 240 Watt an, so kann sie acht Stunden pro Tag bei Nutzung einer Pufferbatterie mit 330 Watt betrieben werden. Das ist mehr als New Horizons hatte.

Io ist mehr als 6 Stunden vor dem Vorbeiflug formatfüllend. Genügend Zeit, um Tausende von Bildern zu machen. (Der Sensor liefert maximal 50 volle Frames pro Sekunde, mehr als gängige Datensysteme für Raumsonden übertragen können). Jupiter ist für die leistungsfähige Kamera sogar aus 27 Millionen km Distanz, einen Monat vor dem Vorbeiflug formatfüllend.

Die 90 Watt aus der Batterie über acht Stunden lassen meiner Ansicht mindestens einen Sender mit 25 Watt Leistung zu. Zusammen mit einer 2 m Ka-Band Antenne ergibt sich in 6,2 AE Entffernung (Jupiterentfernung + 1 AE, maximale Distanz von der Erde) eine Datenrate von 55 Kbit/s zu einer 34 m Antenne. Nimmt man 6 Monate für das gesamte Datenset, keine Komprimierung aber zweimalige Übertragung bei im Mittel 6 Stunden pro Tag, so ergibt sich eine Gesamtdatenmenge beim Encounter von 13,3 GByte, dazu kommen dann noch die Daten der Jupiterbeobachtung die auch mehrere Monate umfassen. Bei Einsatz einer SLC-SSD von 256 TByte, redundant vorhanden hat man wesentlich mehr Speicher verfügbar als man benötigt. 13,3 GByte entsprechen rund 2.400 Bildern.

Doch das schöne kommt noch: Jupiter muss die Sonde nicht unbedingt ins äußere Sonnensystem lenken. Bei geeigneter Vorbeifluggeometrie kann man auch eine elliptische Bahn erreichen, deren Periode genau der Umlaufperiode von Jupiter entspricht und dann passiert sie Jupiter erneut nach einem Umlauf, knapp 12 Jahre. Ich habe hier eine solche Bahn simuliert:

Parameter Wert Einheit
Ausgangsbahn Ausgangsbahn Ausgangsbahn
Periapsis 171,95 Mill. km
Apoapsis 861,08 Mill. km
Inklination 180,00 Grad
Umlaufszeit 6 J 153 d 202.459.919 s
Bahn nach Swingby
Periapsis 769,40 Mill. km
Apoapsis -6.180,9 Mill. km
Zwischenbahn nach erstem Swingby
Periapsis 380,69 Mill. km
Apoapsis 1.174,3 Mill. km
Umlaufszeit 1 J 312 d 373.886.107 s
Simulationseinstellungen Simulationseinstellungen Simulationseinstellungen
Maximale Simulationsdauer 30 J 50 d 950.400.000 s
Simulationszeit 15 J 189 d 17 h 26 m 5 s 489.432.365 s
Schrittweite 500,00 sec
Startgeschwindigkeit: 35.870,0 m/s
Minimaldistanz Annäherung: 263.172,9 km
Maximale Differenz zur Fluchtgeschwindigkeit: -842,81 m/s
Flugzeit bis zum Ziel: 13 J 277 d 23 h 47 m 10 s 433.986.430,0
Vorbeiflug 1:
Distanz: 349.751,2 km
Geschwindigkeit: 25.474,4 m/s
Zeitpunkt: 2 J 9 h 41 m 10 s
Vorbeiflug 2:
Distanz: 263.172,9 km
Geschwindigkeit: 28.367,8 m/s
Zeitpunkt: 13 J 277 d 23 h 47 m 10 s
Einflussphäre: 48.186.816 km
Geschwindigkeit relativ zum Planeten: 17.337 m/s

Beim ersten Vorbeiflug nach etwas mehr als 2 Jahren wird Jupiter in knapp 350.000 km Distanz passiert, er lenkt die Sonde auf eine 380 x 1174 Mill. Km Bahn um. Neben der erneuten Passage nach fast 14 Jahren hat diese Bahn zwei Vorteile. Die Sonde fliegt danach wieder ins innere Sonnensystem, kann also erneut Jupiter als Vollbild und nicht als Sichel aufnehmen. Daneben sinkt die Entfernung und die Daterate man könnte aus dieser Bahn erheblich mehr Daten übertragen, da die minimale distanz von 6,2 AE auf 3,6 absinkt, was der dreifachen Datenrate und damit auch Datenmenge entspricht (nutzt man die gesamte Zeit im inneren Sonnensystem so ist es noch erheblich mehr).. Als Nachteil entfernt sie sich bis auf 1.174 Mill. Km Distanz, dann sinkt die Stromversorgung auf nur 118 Watt ab, dann muss man die Sonde weitestgehend herunterfahren um nur noch eine einfache Elektronik mit geringem Stromverbrauch zu betreiben die die anderen Systeme anschaltet sobald die Leistung wieder hoch genug ist.

Es gibt alternativen zu dieser Bahn. So kann man eine Umlaufbahn anstreben, die genau Jupiters halbe Umlaufzeit hat, dann muss das Aphel nicht sehr hoch liegen. Eine 171 x 800 Mill. Km Bahn erfüllt z.b. diese Bedingungen. Dann hat man aber andere Probleme, z.b. passiert man dann Jupiter beim ersten Mal nicht im gewünschten Abstand. Mittels der Ionentriebwerke kann man den Kurs noch ändern, das leistet meine Simulation nicht. Schaut man sich die Vorbeifluggrafik bei Jupiter genau an, so sieht man dass die beiden Vorbeiflüge an unterschiedlichen Seiten des Planeten und damit auch Io erfolgen. Damit ist mit einer Sonde der ganze Mond kartierbar – wenngleich es dazu 14 Jahre dauert. Nimmt eine weitere Sonde, so kann man die beiden Zonen die bei diesen beiden Vorbeiflügen jeweils am Rand liegen und daher unter schlechtem Winkel gesehen werden im Detail abfotografieren, dann würde man einen kompletten hochauflösenden Io Atlas erhalten. Zudem hätte man dann vier Io Passagen über einen Zeitraum von 14 Jahren, was ein Monitoring von Veränderungen ermöglicht.

Ach ja ich weiß natürlich auch das MILF auch die Abkürzung für ein einen anderen begriff ist, aber ich wollte mal ausprobieren ob man die zunehmende Verseichtung auch der Leser nicht ausnutzen kann. Zudem finde ich auch das die Bezeichnung JUICE für die ESA Sonde JUpiter ICy moons Explorer doppeldeutig ist, also ich muss da immer an das Lied „Saft“ von den Fanta-Vier denken. Mal sehen wie das hier läuft. Vielleicht gibt es dann auch noch den SEX (Saturn Explorer) oder PENIS (Pluto Encounter Near Instrument Suite) oder VAGINA (Venus Age Gravity Ionosphere Neutal Atoms)-Explorer als Projekte.

Morgen gibt es dann noch einen Beitrag über meine Vorstellung für eine Energiewende die auch Anreize für jedermann liefert und dann endet schon wieder die Zeit der häufigen Blogs und ich mache mich ans nächste Buchmanuskript.

3 thoughts on “MILF

  1. Wäre eine solche Sonde auch für Missionen zu anderen Planeten/Himmelskörper geeignet?
    Weil Dan könnte man die immer gleiche Sonde für unterschiedliche Missionen mit unterschiedlichen Instrumenten bestücken. Wen man die Dan in Serie fertigt sollten die Stückkosten sich ja noch einmal deutlich reduzieren lassen.
    Nach dem Prinzip Masse statt Klasse.

    1. Im Prinzip ja zumindest alles was zur Entfernung Jupiters. Die Grenze setzt die solare Stromversorgung. Bei Planeten mit kleinem dV wie Venus und Mars sowie viele Planetoiden würden auch einen Orbiter erlauben. Die Serienbauweise ist nicht neu gab es schon mehmals als Vorschlag, Stichwort „Mariner Mark II“.

      Mal eine Frage, was steckt dahinter das du permanent „Dan“ anstatt „dann“ schreibst?

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