Trident 2.0

In meinem Buch über Voyager habe ich auch einen Ausblick auf die kommenden Missionen ins äußere Sonnensystem. Das sind nur wenige. In den 45 Jahren seit Voyagers Start hat die NASA nur vier Sonnen ins äußere Sonnensystem entsandt – Galileo, Cassini, New Horizons und Juno. Zwei weitere Missionen sind in der Planung – DragonFly und Europa Clipper. In der gleichen Zeit hat die NASA alleine 12 Missionen zum Mars entsandt. Zwei Missionen zu Triton und Io im Discovery Class Segment – IVO und Trident unterlagen 2019 zwei Venussonden.

Mein Korrekturleser Mario hat den Text von mir noch ergänzt und besonders das Scheitern von Trident bedauert. Leider musste ich den Text wieder kürzen, weil sonst das Buch um vier Seiten – davon drei-dreiviertel leere Seiten – länger geworden wäre. Aber den Gedanken, Trident könnte doch noch zu Neptun und Triton aufbrechen will ich mal aufnehmen.

Viel ist über die Trident-Mission nicht bekannt, aber die Daten der Kamera findet man hier und eine Gewichtsabschätzung hier. Demnach hat Trident ein 30 cm Teleskop das beugungsbegrenzt arbeitet mit einem 4 Mpixel Detektor mit einer Auflösung von 2 µRad und einem Gesichtsfeld von 4 mrad. Übertragen auf unseren Mond der in etwa genauso weit von der Oberfläche der Erde wie Io von Jupiters Oberfläche entfernt ist und fast genauso groß wie Io ist, entspricht dies einem Gesichtsfeld von 1.540 km bei einer Auflösung von 0,76 km. Es dauert bei Triton 13 s ein Bild zu gewinnen, die meiste Zeit für die Neupositionierung der Raumsonde die als ganzes geschwenkt wird. Geplant war ein Start von Triton an Bord einer Atlas V die 1.800 kg auf das geplante C3 befördern kann. Das entsprach einem Polster von 52 % der Trockenmasse, die also bei 864 kg liegt.

Klar ist, das Trident nicht die ursprüngliche Route nehmen kann, die aus mehreren Swing-Bys im inneren Sonnensystem besteht. Dazu hätte sie 2019 genehmigt werden müssen. Doch Jupiter wäre erst am 29.6.1932 erreicht worden, das bietet bei einer direkten Route genügend Zeit, die Sonde auf einer direkten Route zu entsenden, wenn sie jetzt genehmigt wird. Die Reise zu Jupiter dauert maximal 2 Jahre, (real sogar nur 1 ¼ Jahre). Würde man 2030 starten so wäre die Mission möglich. Das ist vier Jahre später als das geplante Startdatum. Die Finalisten der letzten Discovery Auswahl wurden am 13.2.2020 bekanntgegeben, so hätte man noch bis 2024 Zeit für eine Genehmigung, wenn die Sonde wie im ursprünglichen Zeitplan gebaut wird.

Routenplanung

Ich habe zuerst im NASA Trajetory Browser nach Routen zu Neptun gesucht. Der Trajectory Browser hat für diese Missionen leider sehr enge Begrenzungen für die Missionsdauer und Startenergie sodass er nur zwei Routen liefert:

Earth
Departure
Destination
Flyby
Duration Injection
C3
(km2/s2)
Abs
DLA
Injection
ΔV
(km/s)
Post-
Injection
ΔV (km/s)
Total
ΔV
(km/s)
Flyby
speed
(km/s)
Mar-29-2032 Nov-12-2039 7.62 yrs 121.1 28° 7.78 0.17 7.95 29.78
Feb-23-2031 Mar-14-2038 7.05 yrs 125.4 19° 7.92 0.05 7.97 32.52

Es sieht sogar noch etwas besser aus, wir können ein bis zwei Jahre später starten. Nimmt man eine Bauzeit von 6 Jahren wie beim Original an, so hätten wir bis 2025 Zeit die Sonde zu genehmigen. Der ursprüngliche Vorbeiflugtermin lag am 28.9.2038 bei Neptun.
Jupiter wird bei der Passage Start 2038 in 0,49 Radien Abstand passiert, 2039 sind 7,04 Radien, beide Angaben über der Wolkenobergrenze, bei der originalen Trident waren es im Dokument 2,24 Radien, aus der Abbildung aber ableitbar vom Zentrum aus nbetrachtet, also 1,23 Radien über der Wolkengrenze. Über die Bedeutung der Angaben komme ich noch zurück.

Relevant für eine Suche nach Startvehikeln ist in jedem Fall das C3 das bei 121 km²/s² beim Start 2032 und bei 125,4 km²/s² beim Start 2021 liegt.

Startgelegenheiten

Heute gibt es drei Trägerraketen die potenziell für den Start in Frage kommen, die Atlas V, die Falcon 9 und Falcon Heavy. Es kann sein, das 2032 keine dieser Startgelegenheiten mehr zur Verfügung steht. Bald stehen der Jungfernflug der Vulcan und des Starships an, beide sollen die bisherigen Modelle ablösen. Dazu käme noch die New Glenn. Würden die USA eine internationale Zusammenarbeit anstreben so kämen auch Ariane 6 und H-3 in frage.

Aufgrund des hohen C3, wir reden von 15,6 bis 15,7 km/s Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche, ist es aber zweifelhaft ob die meisten Träger diese Nutzlast befördern können. Die Atlas V 551 konnte gerade mal die 500 kg schwere New Horizons Sonde auf 16 km/s beschleunigen. Vor allem spielt bei diesen hohen Geschwindigkeiten die bei allen Trägern unbekannte Trockenmasse der Oberstufe eine Rolle. Ich habe daher einen anderen Weg gehangen. Ich gehe davon aus, das Triton nicht alleine die Nutzlast ist, sondern eine Kickstufe eingesetzt wird. Dann muss ich nur die Nutzlast berechnen die auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, die um den Betrag den die Kickstufe liefert niedriger ist.

Trident wiegt 864 kg trocken. Dazu kommt der Treibstoff. Für die beiden Bahnen braucht man maximal 166 m/s zusätzlich. Ich habe das auf 300 m/s aufgerundet um eine Anpassung der Bahn nach Jupiter zu machen, dazu noch später mehr. Bei Hydrazin als Treibstoff (spezifischer Impuls 2.000 m/s) kommt man so auf eine Startmasse von 1.004 kg. Dazu kommt noch die Oberstufe und unabhängig von dieser noch 200 kg für einen Adapter mit Spinntisch. Daraus errechnet man dann folgende Eckdaten:

  • Zielgeschwindigkeit: 15.707 m/s
  • Nutzlast: 1.004 kg
  • Spinntisch: 200 kg
  • Stufenmasse: 1.148 bis 3.697 kg
Stufe Gesamtgewicht Zielgeschwindigkeit
Star 37 FM 2.352 kg 13.758 m/s
Star 48 V 3.369 kg 12.824 m/s
Star 63 4.901 kg 12.425 m/s

Damit man einen Vergleich hat. Von Cape Canaveral aus benötigt man ungefähr 12 km/s für einen GEO. Jede Rakete die mindestens 6 t in einen GEO befördern kann dürfte mit Sicherheit die Lösung mit dem Star 63 Antrieb starten können. Nach der NASA Performance Website würde Vulcan Centaur VC6 problemlos die Lösung mit dem Star 37 oder 63 Antrieb befördern können, für die Vulcan VC4 käme auch für die Star 48 in Frage. Wäre eine Falcon Heavy noch 20232 verfügbar, so würde auch sie sich eignen, wenn man auf die Bergung der Stufen verzichtet. Ich vermute das angesichts von 13 t in den GTO wahrscheinlich auch die New Glenn in Frage käme.

Es gäbe also mindestens eine, vielleicht sogar drei Trägerraketen, die eine Trident über Jupiter starten könnten. Außer der Reihe: Die Vulcan VC6 könnte auch die Star 48V Version direkt zu Neptun starten, nur dauert dann die Reise über 14 Jahre. Die Falcon Heavy (ohne Stufenbergung) liegt noch besser, aber nach Musk wird diese ja in wenigen Jahren durch das Starship ersatzlos ersetzt.

Trident 2.0 = IVO 0.5

Nicht nur Trident unterlag bei der 2019-er Ausschreibung, sondern auch IVO. IVO (Io Vulcanic Observer) hätte Io bei insgesamt neun Vorbeiflügen erkundet. In der Umgebung von Io als innerstem galileischen Mond ist der Strahlungsgürtel um ein Vielfaches stärker als bei Europa, entsprechend wird weder die JUICE Mission noch Europa Clipper dem Mond nahe kommen.

Io umrundet Jupiter in 5,9 Radien Abstand, also 4,9 Radien über der Wolkenoberfläche. 2038 passiert Trident Jupiter in nur 0,49 Radien Abstand. Das ist innerhalb Ios Orbit. Die Sonde könnte also beide Hälften sowohl die jupiterzugewandte wie auch die abgewandte fotografieren. Dafür gibt es sogar zwei Optionen: Die eine ist es, die eine Hälfte von Io wegen seiner schnellen Rotation aus der Distanz zu fotografieren. Nach meiner Simulation ist Trident beim 2038-er Vorbeiflug 1,5 Millionen km von Io entfernt wenn er genau einen halben Umlauf von der Vorbeiflugposition entfernt ist. Aus dieser Distanz kann die Kamera immerhin Aufnahmen mit einer Auflösung von 3 km anfertigen (Io ist dann etwa 1200 x 1200 Pixel groß). Die zweite Möglichkeit ist es Io im Gegenlicht von Jupiter zu fotografieren. Die nicht von der Sonne beschienene Hälfte wird von Jupiter beleuchtet. Jupiter ist natürlich nicht so hell wie die Sonne, aber er ist viel ausgedehnter, bei Io macht hat er einen Durchmesser von knapp 12 Grad. Das ist vergleichbar mit dem fotografieren einer Mondfinsternis. Anders als bei der Mondfinsternis beleuchtet aber der Jupiter Io, während eine Mondfinsternis immer nachts stattfindet. Unter optimalen Umständen ist Jupiter 4,3 mag dunkler als die Sonne, das verlängert die Belichtungszeit um den Faktor 52. Bei New Horizons wurde ein Bild 38 ms lang belichtet, sodass man etwa bei einer Belichtungszeit von 2 Sekunden landet. Wird die Bewegung während dieser Zeit kompensiert, so kann die Nachtseite im Jupitergegenschein fotografiert werden. Ich kam drauf, weil Cassini Iapetus bei der einzigen nahen Passage im Saturngegenschein fotografierte. Das ergab dunkle Bilder, aber sie zeigten Details. Dabei ist Iapetus weiter von Saturn entfernt als Io von Jupiter und Saturn weiter von der Sonne als Jupiter entfernt, die Aufnahme von Iapetus ist also deutlich ungünstiger. Man sieht den Effekt auch hier auf dieser berühmten Enddeckungsaufnahme von Ios Vulkanismus. Io wurde überbelichtet, weil es eine Navigationsaufnahme war, aber man sieht deutlich das die nicht von der Sonne beschienene Oberfläche sichtbar ist. Dabei entstand diese Aufnahme mit einem Vidicon mit viel geringer Quantenausbeute als heutigen CCD oder CMOS Sensoren.

Beim Vorbeiflug 2039 wird Jupiter in 7,04 AE Distanz passiert, Io kommt Trident dann minimal 81.400 km nahe und sie kann so nur im Detail die jupiterabgewandte Hemisphäre erfassen (Io rotiert wie unser Mond gebunden, weist Jupiter also immer dieselbe Hälfte zu).

Gegenüber IVO hat die Kamera von Trident eine 2,5-mal höhere Auflösung, sodass sie bei einem sehr nahen Vorbeiflug weitaus bessere Aufnahmen als IVO machen könnte. Bei Triton sind Aufnahmen von 400 bis 160 m Auflösung bei einem globalen Mosaik geplant, eine ähnliche Auflösung wäre bei Io auch möglich, dazu müsste der Mond nicht mal nahe passiert werden (die 160 m werden in 40.000 km Distanz erreicht). Es wären mit Sicherheit bei geeigneter Vorbeiflugdistanz die besten Aufnahmen die es von Io jemals gibt.

Natürlich muss Io im Flugpfad liegen. Doch das ist möglich. Voyager 1 startete auch vier Tage später als geplant und passierte trotzdem Io in der geplanten Distanz. Die Sonde kann die Flugbahn anpassen. In diesem Falle würde man die Bahn zuerst so legen das Io nahe passiert wird und nach der Passage von Jupiter sie so korrigieren das die Beobachtungsbedingungen für Triton die gleichen sind, die geplant waren. Auch hier gibt es bei Voyager etwas ähnliches. Voyager 2 führte ihr größtes Bahnmanöver nach der Uranuspassage durch, es verlegte den Neptunvorbeiflug um zwei Tage nach vorne. Daher habe ich 100 m/s als zusätzliche Geschwindigkeitsbudget angesetzt.

Fazit

Trident wäre auch heute noch möglich. Es gibt Trägerraketen die sie direkt zu Jupiter befördern können. Es wird etwas teurer, weil man noch eine zusätzliche Feststoffoberstufe braucht. Auf der anderen Seite reduziert sich die Missionszeit um fünf bis sechs Jahre. Das entspricht bei den verwendeten MMRTG 10 Prozent mehr elektrischer Leistung. Da die Mission darauf basiert, Batterien aufzuladen, um für einige Stunden pro Tag Experimente oder Sender zu betreiben, vereinfacht dies die Mission bei Neptun bzw. lässt einen längeren Betrieb von Experimenten oder Sendern zu. Das ist dann sogar ein Vorteil der direkten Route.

 

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