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Könnte JUICE mit Ionenantrieb zum Jupiter gelangen?

Posted on by Bernd Leitenberger

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Ich arbeite gerade an einem Artikel über die ESA-Raumsonde JUICE. Wie die NASA Mission zu Jupiter, Europa Clipper, gelangt sie durch zahlreiche Swing-By Manöver, vor allem an der Erde, zu Jupiter. Der Grund ist relativ einfach: es gibt keine Trägerrakete, die verfügbar ist, welche die Sonde direkt zu Jupiter befördern könnte. Die Reise dauert aber lange, mindestens 7,6 Jahre, soll zudem, wie ich einer neueren Veröffentlichung entnehme, der Start von Mai/Juni 2022 auf September/Oktober 2022 verschoben werden, so könnten es sogar zwei Jahre mehr sein, da man so das optimale Startfenster verpasst.

Ich will in diesem Blog erkunden, ob es nicht auch mit meinem Lieblingsantrieb, dem Ionenantrieb ginge und wenn möglich schneller. „Erkunden“, weil ich den Blog parallel zum Rechnen schreibe, also jetzt am Anfang noch nicht weiß, wie es ausgeht.

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Die Erforschung Jupiters mit Raumsonden und JUICEs Mission

Posted on by Bernd Leitenberger

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Es gab bisher wenige Sonden zu Jupiter, das liegt zum einen an der Entfernung die eine hohe Startgeschwindigkeit nötig macht und so die Trägerrakete verteuert, aber auch an der hohen Belastung durch den Strahlengürtel und die geringe Sonneneinstrahlung die früher RTG als Energieversorgung nötig machte. Bisher gab es nur zwei Sonden, die in einen Orbit um Jupiter einschwenkten und fünf weitere die ihn passierten.
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Der Jupiter Kommunikations-Orbiter

Posted on by Bernd Leitenberger

Das Nachdenken über „Galileo 2“ brachte mich auf den heutigen Blog. Damals war einer der Vorschläge als man die Hauptantenne nicht ausfalten konnte einen Kommunikationssatelliten hinterher zu schicken. Man hat es nicht weiter verfolgt. Aus naheliegenden Gründen. Wenn der Kommunikationsorbiter die Fähigkeiten von Galileo haben, sollte dann käme nur ein Satellit mit derselben Hauptantenne infrage also ein TDRS. Doch der wiegt genauso viel wie Galileo selbst. Die Sonde bräuchte also wiederum 7 Jahre, um Jupiter zu erreichen – wenn man ein geeignetes Startfenster findet. Galileo hatte schließlich auch noch drei Vorbeiflüge zu absolvieren. Zudem setzt er auch denselben Antennentyp ein, das Entfalten hätte also auch da nicht klappen können.

Nun sind zwei Missionen zu Jupiter geplant. Brauchen die einen Kommunikationsorbiter? Eigentlich nicht. Beide Missionen haben ihr eigenes Kommunikationssystem. Aber wenn man es genauer anschaut, dann schon. Der wichtigste Grund: JUICE und Europa Clipper werden viele Manöver im Jupitersystem durchführen. Das ist ein Unterschied zu Galileo, wo es nur kleine Kurskorrekturen gab. JUICE will schließlich in eine Umlaufbahn um Ganymed einschwenken und Europa Clipper 45 Vorbeiflüge an Europa durchführen. Damit die in einer tolerierbaren Zeit möglich sind, muss auch hier der Kurs massiv geändert werden. Der Preis: Die Raumsonden bestehen größtenteils aus Treibstoff. Bei JUICE beträgt die Trockenmasse 1800 kg, die Startmasse 5.264 kg. Bei Europa Clipper sieht es günstiger aus: 3.254 kg Start und 2.072 kg Trockenmasse. Doch beide Raumsonden haben nur kleine Sendeantennen. Es gibt dazu Gründe. Zum einen erhöhen große Antennen natürlich das Gewicht. Beide haben massive Antennen. Das Zweite sind die Sender. Sie haben einen hohen Stromverbrauch. Bei einem Wirkungsgrad von 30-40 % braucht ein 30-Watt-Sender eine Eingangsleistung von 80 – 90 Watt, was bei Juno schon ein Fünftel der Gesamtenergie ist.

Die Idee: Man strippt die Sendesysteme der beiden Sonden herunter und spart so Gewicht. Stattdessen baut man einen (relativ) einfach gebauten Satelliten, der immer in sicherer Entfernung von Jupiter bleibt. Er empfängt die Signale und hat eine große Sendeantenne und kann sie dann zur Erde übertragen. In sicherer Entfernung (jenseits von 17 Jupiterradien = 1.213.600 km) ist die Strahlenbelastung so klein, dass man dort lange einen Satelliten betreiben kann. Wahrscheinlich länger als die beiden Raumsonden, sodass er auch für zukünftige Missionen zur Verfügung steht. Continue reading „Der Jupiter Kommunikations-Orbiter“ →

Zeit für neue Jupitermissionen

Posted on by Bernd Leitenberger

Heute will ich mal ausdiskutieren, warum man jetzt eher an neue Missionen zu Jupiter gehen kann als noch vor einem Jahrzehnt. Der Fokus liegt auf der Technik und nicht den Missionszielen.

Missionen jenseits von Mars sind teuer. Deswegen gibt es wenige davon. Das hat auch einige gute Gründe:

  • Die höhere Startenergie: Schon zu Jupiter braucht man von der Erdoberfläche aus 14,2 km/s. Das sind 3 km/s mehr als die Fluchtgeschwindigkeit was im Allgemeinen mit einer Nutzlastreduktion um den Faktor 4 einhergeht. Entsprechend teurer wird die Trägerrakete oder man muss die Raumsonde bedeutend leichter bauen, was ebenfalls mit höheren Kosten verbunden ist.
  • Die Alternative ist es durch mehrere Vorbeiflüge an Venus und/oder Erde Schwung zu holen. Das verlängert dann die Flugdauer bis man bei Jupiter ist verlängert sich, von minimal 2,25 Jahren (bei der energieärmsten Hohmann-Transferbahn) auf 3,25 Jahre (Cassini-Huygens) oder sogar über 5 Jahre (Galileo). Auch bei neuen Missionen ist dies die Wahl. Juno braucht fast 5 Jahre um Jupiter zu erreichen, JUICE sogar 8 Jahre. Die Trägerrakete kann dann kleiner sein, doch die verlängerten Missionsdauern bedeuten auch Kosten. Analoges gilt auch für die anderen Planeten.
  • Beim Jupiter angekommen ist man mit der hohen Strahlenbelastung konfrontiert die früher spezielle strahlengehärtete Elektronik und Bauteile nötig machten, aber auch andere Probleme macht wie Entladungen in Kabeln oder Strahlenschädigung von Sensoren und Solarzellen. Bei Saturn und anderen Zielen gibt es keinen so starken Strahlungsgürtel.
  • Die große Entfernung machte bisher den Einsatz von Solarzellen zur Energieversorgung unmöglich. Man nutzte Radioisotopen-Thermogeneratoren die die Zerfallswärme vun Plutonium-238 teilweise in Strom umwandeln.

Das alles macht Missionen zu den äußeren Planeten teurer als z.b. zum Mars. Doch es hat sich in den letzten Jahren einiges geändert: Continue reading „Zeit für neue Jupitermissionen“ →

Ein historischer Tag …

Posted on by Bernd Leitenberger

ist heute, denn am 20.8.1975 bracht Viking 1 auf und am 20.8.1977 Voyager 2 – beide die ersten Sonden eines Pärchens die beide Geschichte schreiben sollten. Beides waren zu ihrer Zeit Großprojekte. Viking kostete 914,6 Millionen Dollar bis zum Ende der Primärmission, Voyager zwischen 450 und 487 Millionen, je nach Quelle. Nimmt man den GDP-Chain Index, denn die NASA als Basis nimmt, so entspricht dies 2494 und 1203 Millionen Dollar von 2011. Sie gehören damit zu den teuersten Raumsonden, wenn sie auch noch preiswert sind vergleichen mit anderen Projekten wie Galileo, Cassini oder gar Hubble oder dem JWST.

Beide Projekte sind herausragend. Zu einer Zeit als die Elektronik noch auf einem völlig anderen Stand war als heute, übertrafen sie ihre vorgegebenen Primärmissionen deutlich. Für Viking waren 6 Monate angesetzt, für Voyager vier Jahre. Voyager hält den absoluten Rekord an Betriebszeit von allen Körpern die wire je gestartet haben (passive Satelliten ausgenommen). Beide Raumsonden waren breit instrumentiert, wobei mir die Qualität erst Jahre später klar wurde, als ich wusste wie die Instrumente funktionieren und vor allem wie empfindlich sie sind. Continue reading „Ein historischer Tag …“ →