Das NASA-Budget wird ja von Trump kräftig zusammengestrichen, doch nicht ganz. Es gibt einen neuen Posten – ein Mars Communciation Orbiter. Und oh Wunder, bevor das Budget überhaupt genehmigt ist, hat Blue Origin schon einen Entwurf und bewirbt sich um den Auftrag der 700 Millionen Dollar wert ist.
Wenn man es nicht schon wüsste, so wird spätestens bei diesem Projekt klar, dass die USA inzwischen eine Regierung haben, die vor allem Parteifreunden Aufträge zuschanzen will. Wie anders kann man es sich erklären das Blue Origin schon ein fertiges Design haben obwohl es bisher nur eine Ankündigung des Projektes gab. Genauso hat die Regierung die Richtlinien für das Fördern der Anbindung an das Internet so geändert, das nur funkbasierte Technologien etwas von dem 42 Milliarden Batzen bekommen. Dummerweise ignorieren die Bundesstaaten das und fördern stattdessen lieber Glasfasernetze, was nach einem Bericht auch sinnvoll ist, den Starlink hat schon Probleme, wenn es mehr als 6-7 Nutzer pro Quadratmeile gibt, in ländlichen Gebieten der USA liegt der Durchschnitt aber bei 20 pro QM.
Aber ich komme mal zu dem Projekt zurück. Ein Mars Communication Orbiter war schon lange in der Planung. Zuerst mit einem optischen Terminal wie es jetzt Psyche erstmals testet, dann eher zu verwirklichen ein normaler Orbiter mit einer Funkverbindung. Der Start war für 2009 vorgesehen, das Projekt wurde aber 2005 eingestellt. Da das Mars Sample Return Projekt ja auch unter den Einstellungen von Trump ist, bleiben als zu unterstützende Raumfahrzeuge nur die beiden Rover Perseverance und Curiocity. Deren Funksystem ist identisch, die Rover sind ja auch weitestgehend baugleich.
Beide Rover haben als primäre Funkverbindung eine UHF-Sende- und Empfangsanlage. Diese arbeitet bei 400 MHz. Das sind Frequenzen in einem Bereich den auch der UKW-Funk und das Fernsehen nutzt. Der Vorteil ist jedem sichtbar, der ein Transistorradio hat – Sender und Empfänger brauchen wenig Strom, sind verlässlich und klein. Es ist ein System basierend auf einer Rundstrahlantenne. Übertragen wird über die beiden Orbiter MAVEN und MRO. Die haben Empfangsantennen. Mindestens zweimal am Tag überfliegt jeder Orbiter die Landezone und dann können die Daten fließen, MAVEN hat die modernere Empfangsanlage die kann bis zu 2 MBIT/s empfangen und passt sich der Signalqualität an. Über die Orbiter gehen die Daten dann zur Erde. MAVEN ist der primäre Empfänger. Er ist moderner und seine Experimente liefern weniger Daten, anders als der MRO mit mehreren Kamerasystemen. Gerade diesen Orbiter will man einsparen, dabei kostete der Unterhalt in den letzten Jahren so 10 bis 15 Mill. Dollar pro Jahr. Man baut also etwas Neues für 700 Mill. $ um 10-15 Mill. $ pro Jahr einzusparen. Das sind die „good deals“ von Trump.
Es gibt noch ein zweites System für die Kommunikation bei den Rovern. Das ist eine kleine Hochgewinnantenne mit einer Öffnung von 20 Grad. Sie kann je nach Entfernung von der Erde 600 bis 32.000 Bit/s übertragen. Hier erfolgt das Senden im X-Band bei 8,4 GHz.
Weitere Missionen sind nicht geplant und angesichts des zu erwartenden Kahlschlags der ja noch vier Jahre andauern wird, und den typischen Umsetzungsfristen für solche Missionen, dürfte auch vor 2035 keine Mission mehr landen, selbst wenn die Nachfolgeregierung gleich im ersten Haushalt Gelder dafür bereitstellt. Also vorher braucht man keinen Kommunikationsorbiter der nach Blue Origin 2028 startfähig wäre.
Wie könnte so ein Orbiter aussehen?
Nun zuerst schauen wir uns mal an, was Blue Origin darüber schreibt. Es sollen 1.000 kg Nutzlast zum Mars befördert weiden, darunter einige Tochtersatelliten im niedrigen Marsorbit. Die sind wegen der Wahl von UHF als primäre Verbindung notwendig, denn bei einer Rundstrahlantenne kommt zu wenig Sendeleistung im geostationären Orbit um den Mars an. Selbst wenn der Orbiter eine Hochgewinnantenne hat. die gerade mal die Marsscheibe abdeckt (19,2 Grad Öffnungswinkel) – die hätte bei 400 MHz fast 6 m Durchmesser – wären damit maximal 60 KBit/s übertragbar.
Die Tochtersatelliten sind der Ersatz für die abgeschalteten Orbiter. Es müssen nicht mal viele sein, denn bei jedem Communication Pass stellen die beiden Rover alle anderen Tätigkeiten ein. Zu oft sollte man dies nicht tun. Die Datenrate dürfte von der Senfelektronik der Rover begrenzt sein, auch wenn die neuen Subsatelliten leistungsfähiger sind.
Eine preiswerte Lösung wäre der Einsatz von existierenden Technologien, ich würde daher entweder einen leichten Satelliten nutzen der für das Senden und Empfangen von Daten von Handys ausgelegt ist. Der Bluewalker 1 wäre so ein Prototyp und wiegt nur 80 kg (der Nachfolger Bluewalker 3 ist mit 1,5 t Masse viel zu überdimensioniert und Starlink ist nicht für Geräte ohne Phased Array Antenne ausgelegt) oder noch einfacher, man montiert die ja schon vorhandenen Systeme auf einige kleine Cubesats/Mikrosatelliten die dann im X- oder Ka-Band mit dem Communication Orbiter kommunizieren. Dafür reicht eine Mittelgewinnantenne aus die nicht genau ausgerichtet werden muss.
Der Communication Orbiter würde selbst im geostationären Orbit um den Mars rund 17.000 km über der Oberfläche platziert werden. Er könnte ein leistungsfähigst Sendesystem und eine große Antenne einsetzen. Entsprechende Systeme gibt es ja bereits und sie werden bei anderen Raumsonden auch eingesetzt. Überlegbar wäre auch der Einsatz des Ka-Bandes als primäre Verbindung. Es wird zwar stärker durch Wetter gestört, doch wenn man alle Datenpakete zwischenspeichert und erst nach bestätigter Empfangsquittung löscht, ist das kein Problem.
In diesem Orbit, so hoch über dem Planeten wären neben der Hauptfunktion noch zwei Experimente denkbar: Man hat hier einen guten Überblick auf den Mars. Mit einem CIS120 Sensor mit 4 MP und einer Bildgröße von 8000 x 8000 km bekommt man globale Aufnahmen mit einer Auflösung von 4 km/Pixel – nicht hochauflösend, aber ausreichend um jahreszeitliche Veränderungen wie das Wachsen und Schmelzen der Polkappen oder dass Bilden und Abflauen von Staubstürmen zu beobachten. Im geostationären Orbit hätte man nur eine Marsseite im Blick, das wäre auch von Nachteil, wenn Landesonden auf der anderen Seite landen. Daher könnte man auch einen anderen Orbit anstreben. Entweder etwas höher – dazu komme ich noch – oder tiefer. Würde man den Orbit auf 9.300 km Höhe absenken so wäre es einer mit einer Umlaufstauer von 12 Stunden. In einem Tag würde man jeden Punkt der Oberfläche passieren. Alle zwei Orbits wäre eine Kommunikation mit der Erde möglich. Hier müssten die Subsatelliten die Antenne nachführen, was aber bei kleinen Winkeln elektronisch geht. Zudem ist die Distanz fast halbiert wodurch der Öffnungswinkel und damit die überstrichene Zone ansteigen würden.
Das zweite Ziel wäre der Marsmond Deimos. Der ein Stiefkind in der Erforschung des Mars ist. Er befindet sich auf einer Bahn mit einem Abstand von rund 20.000 km von der Oberlärche und 30 Stunden Umlaufszeit, würde sich also nur 3000 km außerhalb der Umlaufbahn eines geostationären Satelliten bewegen. Alle 120 Stunden würden sich beide Körper begegnen. eine Kamera an Bord des Satelliten könnte ihn fotografieren. Ich habe mal für drei Kameras unterschiedlicher Größe die schon flogen die theoretische Auflösung berechnet:
| Instrument | Optikdurchmesser | Auflösung in 3000 km Distanz |
|---|---|---|
| DRACO / LORRI | 20,8 cm | 7,5 m |
| MOC | 35 cm | 10 m |
| HiRISE | 50 cm | 3 m |
Selbst die größte Kamera HiRISE wiegt nur 65 kg, also weitaus weniger als die 1.000 kg die als Nutzlast zur Verfügung stehen. 3 m Auflösung klingt toll, der Mond ist aber nur 12 x 15 km groß, das entspricht also 4.000 x 5.000 Pixeln. Man könnte auch den zweiten Marsmond Phobos abbilden. Die Aufnahmen wären in etwa so gut wie diese vom MRO aus einem niedrigen Marsorbit, da die Distanz in etwa die gleiche ist. Beide Monde rotieren gebunden, man sieht also aus einer höheren oder niedrigeren Umlaufbahn immer nur die gleiche Seite.
Würde man die Erkundung von Deimos als wichtiges Ziel hinzunehmen – man könnte ja noch andere Instrumente hinzunehmen, die für die Asteroidensonden Psyche und Lucy entwickelt wurden, die Anforderungen sind wie die Ziele (Asteroiden) ja ähnlich, dann wäre es sinnvoll die Umlaufbahn auf die von Deimos anzuheben. also rund 20.050 km von der Oberfläche entfernt. Auch hier würde der Orbiter bei einer Umlaufszeit von 30 Stunden den ganzen Planeten abbilden können. Mit wenig Aufwand könnte man ihn aber um Deimos kreisen lasen und so beide Seiten abbilden.
Doch brauche ich dafür einen 700 Millionen Dollar teuren Kommunikationssatelliten? Eigentlich nicht. Es gibt zum einen „kleine“ Kommunikationssatelliten (vor 20 Jahren wäre das die normale Gröde gewesen wie der Small-Geo Serie con OHB von bis zu 3,5 t Masse, davon 400 kg Nutzlast und 3,5 KW Strom für die Nutzlast. Schon der ist überdimensioniert: Das Sende/Empfangssystem des MRO, das bisher leistungsfähigste am Mars betriebene System wiegt 108 kg mit allen Empfängern und Sendern (X-Band, Ka-Band, UHF) und braucht maximal 359 Watt Leistung. Zusammen mit Experimenten kommt man vielleicht auf 200 kg Masse und 1,5 kW Leistungsbedarf (inklusive Orbiter), das würde einem trocken 1.250 kg schweren Orbiter entsprechen. Es gäbe aber auch noch kleinere Busse unter 1.000 kg die bei der begrenzten Aufgabe vollkommen ausreichen.
Der Blue Origin MTO soll chemisch-elektrisch betrieben werden, kann man machen, bringt jetzt aber nicht so viel. Chemisch muss man einen ersten Orbit erreichen, danach kann man Ionentriebwerke nutzen. Ich habe hier mal eine Tabelle aufgestellt für das dV in verschiedene Orbits:
| Orbit | dv | Brschreibung |
|---|---|---|
| 200 x 80.000 km | 752 m/s | erster Übergangsorbit, bei 2,6 km/s Ankunftsgeschwindigkeit |
| 200 x 17.000 km | 280 m/s | GTO-Übergangsorbit |
| 1.000 x 17.000 km | 71 m/s | Aussetzorbit Subsatelliten |
| 1.000 x 1.000 km | 880 m/s | endgültiger Orbit Subsatelliten |
| 17. 000 x 17.000 km | 614 m/s | endgültiger GEO Orbit Hauptsatellit |
| Summe Haupsatellit | 1.727 m/s | 200 x 80000 -> 17.000 km Kreis |
| Summe Tochtersatellit | 880 m/s | 1.000 x 17.000 -> 1.000 km Kreis |
Das dV für den Hauptsatelliten ist nicht größer als das von einer GTO-Bahn in den Geo beim Start vom Cape aus und bei den Tochtersatelliten ist es noch geringer. Ein 100 kg leichter Tochtersatellit würde mit Antriebssystem dann im Übergangsorbit etwa 150 kg wiegen und ein 1.250 kg schwerer Orbiter wögen dann rund 2,5 t. Mit den beiden Subsatelliten käme man locker mit 3 t Startmasse aus, das müsste selbst eine New Glenn ohne zusätzliche Oberstufe direkt zum Mars transportieren können, die wäre aber für diese Mission nicht ideal, billiger und immer noch mit Blue Origin-Beteilligung wäre eine Vulcan. Das Modell VC2S (also mit zwei Feststoffboostern) hat eine Nutzlast von 3,6 t zum Mars.
Bei Verwendung von existierenden Bussen sehe ich auch nicht das hohe Preisetikett. Der jüngst gestartete, immerhin 6,4 t schwere XSM-10, kostete 69 Mill. $, vier O3B Satelliten 417 Mill. $ also rund 105 pro Stück, dazu noch eine Trägerrakete und einige Subsatelliten, ich sehe da einen Preisbereich von 200 bis 300 Millionen Dollar, nicht 700. Im Prinzip würde das Projekt nur Sinn machen, wenn man viel mehr Daten übertragen müsste, was bei einer bemannten Landung der Fall wäre, aber für die gibt es in der „Big Beautiful Bill“ ja auch keine Finanzierung und selbst wenn würde es Jahre dauern sie umzusetzen SpaceX werkelt an seinem Starship nun länger als die NASA brauchte das Space Shuttle zu entwickeln und das war wirklich neu, anders das Starship das die damals entwickelten Technologien wie Hitzeschutzkacheln nutzt. Ein Marsprogramm wird nochmals eine Größenordnung komplexer und vor allem erheblich teurer.
