{"id":10765,"date":"2015-01-26T01:29:54","date_gmt":"2015-01-26T00:29:54","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=10765"},"modified":"2015-01-25T21:36:15","modified_gmt":"2015-01-25T20:36:15","slug":"zeit-fuer-neue-jupitermissionen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2015\/01\/26\/zeit-fuer-neue-jupitermissionen\/","title":{"rendered":"Zeit f&uuml;r neue Jupitermissionen"},"content":{"rendered":"<p>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.<\/p>\n<p>Missionen jenseits von Mars sind teuer. Deswegen gibt es wenige davon. Das hat auch einige gute Gr&uuml;nde:<\/p>\n<ul>\n<li>Die h&ouml;here Startenergie: Schon zu Jupiter braucht man von der Erdoberfl&auml;che 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 Tr&auml;gerrakete oder man muss die Raumsonde bedeutend leichter bauen, was ebenfalls mit h&ouml;heren Kosten verbunden ist.<\/li>\n<li>Die Alternative ist es durch mehrere Vorbeifl&uuml;ge an Venus und\/oder Erde Schwung zu holen. Das verl&auml;ngert dann die Flugdauer bis man bei Jupiter ist verl&auml;ngert sich, von minimal 2,25 Jahren (bei der energie&auml;rmsten Hohmann-Transferbahn) auf 3,25 Jahre (<a href=\"\/cassini.shtml\">Cassini-Huygens<\/a>) oder sogar &uuml;ber 5 Jahre (<a href=\"\/galileo.shtml\">Galileo<\/a>). Auch bei neuen Missionen ist dies die Wahl. Juno braucht fast 5 Jahre um Jupiter zu erreichen, JUICE sogar 8 Jahre. Die Tr&auml;gerrakete kann dann kleiner sein, doch die verl&auml;ngerten Missionsdauern bedeuten auch Kosten. Analoges gilt auch f&uuml;r die anderen Planeten.<\/li>\n<li>Beim Jupiter angekommen ist man mit der hohen Strahlenbelastung konfrontiert die fr&uuml;her spezielle strahlengeh&auml;rtete Elektronik und Bauteile n&ouml;tig machten, aber auch andere Probleme macht wie Entladungen in Kabeln oder Strahlensch&auml;digung von Sensoren und Solarzellen. Bei Saturn und anderen Zielen gibt es keinen so starken Strahlungsg&uuml;rtel.<\/li>\n<li>Die gro&szlig;e Entfernung machte bisher den Einsatz von Solarzellen zur Energieversorgung unm&ouml;glich. Man nutzte Radioisotopen-Thermogeneratoren die die Zerfallsw&auml;rme vun Plutonium-238 teilweise in Strom umwandeln.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Das alles macht Missionen zu den &auml;u&szlig;eren Planeten teurer als z.b. zum Mars. Doch es hat sich in den letzten Jahren einiges ge&auml;ndert:<!--more--><\/p>\n<h3>Start und Transfer zum Planeten<\/h3>\n<p>Ideal w&auml;re der Einsatz von Ionentriebwerken, besonders wenn man sowieso Solarzellen zur Stromversorgung nutzt. Doch das ist auch bei den beiden letzten Missionen Juno und JUICE nicht geplant, obwohl Juno in Erdn&auml;he rund 18 kW Leistung zur Verf&uuml;gung h&auml;tte. Man setzt nach wie vor aber auf Vorbeifl&uuml;ge an den beiden erd&auml;hnlichen Planeten Erde und Venus. Ein Vorbeiflug reicht nicht aus, es m&uuml;ssen mindestens zwei sein, au&szlig;er man startet mit h&ouml;herer Geschwindigkeit. Ein Nachteil ist das die Vorbeifluggelegenheiten nicht so h&auml;ufig sind. Das kompensieren die Missionen meist durch Bahn&auml;nderungen zwischen den Vorbeifl&uuml;gen durch den eigenen Treibstoffvorrat. Man kommt mit einem Vorbeiflug aus, wenn dieser nicht mehr als rund 4 km\/s liefern muss. Das ist z.B. der Fall wenn man die Raumsonde zuerst in eine Umlaufbahn mit 2 Jahren Umlaufszeit bringt, dann braucht man nur 12,2 anstatt 14,2 km\/s. Das nutzte man bei <a href=\"\/juno.shtml\">Juno<\/a>. die in eine erste Umlaufbahn von 2,25 Jahren Umlaufszeit gelangte.<\/p>\n<p>Heute gibt es mehr M&ouml;glichkeiten eine Raumsonde weitgehend autonom arbeiten zu lassen ohne sie t&auml;glich zu &uuml;berwachen. New Horizons verbrachte den gr&ouml;&szlig;ten Teil seiner Mission im &#8222;Schlafmodus&#8220; und sandte nur regelm&auml;&szlig;ig komprimierte Statussignale. Das spart Kosten bei der Missionskontrolle, aber auch den relativ teuren ben&ouml;tigten Gro&szlig;antennen die man f&uuml;r die absinkende Sendeleistung braucht.<\/p>\n<h3>Stromversorgung<\/h3>\n<p>JUICE ist die erste Raumsonde die nur Solarzellen als Stromversorgung beim Jupiter nutzt. Sie wiegen deutlich mehr als die bisher genutzten <a href=\"\/cassini-rtg.shtml\">RTG<\/a>. Sie wogen 340 kg f&uuml;r 450 Watt Leistung. Ein RTG w&auml;re mit 90 kg erheblich leichter gewesen. Doch kostet ein solcher f&uuml;r diese Leistung rund 120 Millionen Dollar. Die NASA hat leider ihr Programm f&uuml;r Sterling-Motoren als Energiewandler eingestellt und baut darauf das eine Neuaufnahme der Plutoniumproduktion gen&uuml;gend dieses Materials erbringt, dabei w&auml;re diese 3-4 mal effizienter in der Umwandlung W&auml;rme in elektrischen Strom.<\/p>\n<p>Zumindest bis Jupiter ist heute aber die Versorgung mittels Solarzellen die bessere alternative. Zum einen haben heute Spitzensolarzellen Wirkungsgrad von 28% in der Produktion 31% in der Spitze (experimentell: 37%). Zum anderen gelingt es heute die Panels leichter zu bauen durch D&uuml;nnfilmzellen. Daneben kann man die Paneele nur teilweise belegen und mit Linsen das Licht der Umgebung auf diese lenken.<\/p>\n<p>JUNO verwandte noch normale Solarpanels mit fester Struktur, wenngleich mit sehr effizienten Galliumarsenidzellen. Dagegen gibt es in anderen Projekten wie Orion oder Phoenix schon entfaltbare Solarzellen ohne Tr&auml;gerstruktur auf der R&uuml;ckseite. <a href=\"\/phoenix.shtml\">Phoenix<\/a> hat mit diesen Arrays schon die doppelte Leistung pro Kilogramm Gewicht verglichen mit JUNO. Gr&ouml;&szlig;ere mit 5,5 m Durchmesser wurden schon entwickelt. Sie erreichen 175 W\/kg. Skaliert man dies auf Jupiter herunter so kommt man auf 6,4 W\/kg, in etwa die Leistungsdichte der GPHS-RTG (5 W\/kg). Sie m&uuml;ssen zwar durch eine d&uuml;nne Glasschicht gesch&uuml;tzt werden. JUNO hat eine 0,2048 mm dicke Glasschicht &uuml;ber den Zellen. das erh&ouml;ht das Gewicht etwas, zudem sinkt durch Strahlung die Leistung um 10% w&auml;hrend der Mission ab. Doch die eingesparten Kosten k&ouml;nnen dies kompensieren.<\/p>\n<h3>Strahlungsschutz<\/h3>\n<p>Anders als fr&uuml;her baut man heute nicht mehr auf spezielle strahlengesch&uuml;tzte Elektronik, sondern setzt auf Abschirmung. Juno hat alle elektronischen Teile in einer besonders abgeschirmten Box untergebracht. Das erscheint ein guter Weg. Man k&ouml;nnte das noch verbessern, indem man dichter integriert und vielleicht auf die Architektur, die bisher separate Elektronik f&uuml;r ie Experimente vorsah, aufgibt und den Bordcomputer auch daf&uuml;r vorsieht, das macht die Integration schwieriger, aber auch das Volumen das abgeschirmt werden muss. Juno wird unterhalb der Thermalisolation an der Oberfl&auml;che eine Dosis von 5000 krad erhalten. 2,5 mm Aluminium der Struktur reduzieren sie auf 300 krad, Junos Abschirmung der Elektronik aus 1 cm Titan wird die Strahlendosis auf 25 krad reduzieren, etwa ein Achtel der Dosis auf der Galileos Elektronik ausgelegt war. Daf&uuml;r wiegt sie 157 kg. Sie alleine reicht nicht Sensork&ouml;pfe der Experimente m&uuml;ssen an der Au&szlig;enseite des Raumfahrzeugs sein. Sie werden separat abgeschirmt. Man erkauft sich ein einfachere Design durch zus&auml;tzliche Masse. Solange diese im ertr&auml;glichen rahmen bleibt (bei Juno wiegt die Box in etwa so viel wie die Instrumente die in ihr sind) ist das tolerabel.<\/p>\n<h3>Zusammenfassung<\/h3>\n<p>Heute ist es m&ouml;glich eine Raumsonde zu bauen die Jupiter erreicht, ohne eine viel gr&ouml;&szlig;ere Tr&auml;gerrakete zu ben&ouml;tigen, wenn man mehr Zeit investiert. Sie kann dort mit solarem Strom versorgt werden und ben&ouml;tigt keine strahlungsresistente Elektronik. Damit w&auml;re sie eher umsetzbar und billiger. Juno kostet 1,1 Milliarden Dollar, JUICE ist auf 850 Millionen Euro angesetzt. Das Preisziel ist bei JUICE deutlich ambitionierter, denn Juno ist eine relativ einfache Sonde die vor allem Partikelmessungen macht mit kurzer Betriebsdauer im Jupiterorbit. JUICE soll drei Jahre den Jupiter umkreisen, drei Monde untersuchen, Ganymed sogar umkreisen und tr&auml;gt ein Dutzend Experimente. Trotzdem sind beide Missionen noch teuer vergleichen mit der letzten US-Marsmission MAVEN (450 Millionen Dollar). Diese werden sie alleine durch die l&auml;ngere Missionszeit mehr Kosten f&uuml;r gro&szlig;e Solarpanels, Abschirmung nicht erreichen, aber ich denke es geht noch ein bisschen billiger.<\/p>\n<p>Jenseits Jupiter muss man nach heutigem Stand noch auf RTG ausweichen. Theoretisch untersucht sind zwar Solarzellen mit Konnzentratorlinsen, die auch noch bei Saturn gen&uuml;gend Strom liefern ohne die Gewichtsbeilanz zu stark zu belasten, aber es gibt sie nicht als Hardware. Noch immer gibt es die Chance Ionentriebwerke einzusetzen, die oft vertan wird. JUICE wird nicht weniger als vier Vorbeifl&uuml;ge ben&ouml;tigen um Schwung zu holen. Bei Solarzellen die bei Jupiter noch fast 700 Watt Strom liefern, h&auml;tte sie in Erdn&auml;he genug Leistung um dies aus eigener Kraft zu bewerkstelligen. Unverst&auml;ndlich weil die ESA diese Technik ja bei bepi-Colombo einsetzt.<\/p>\n<p>Was g&auml;be es noch zu erforschen. Juno wird die Erforschung der Jupiter Umgebung und des Inneren voranbringen. Galileo musste hier Abstiche machen wegen der ausgefallenen Hauptantenne und kam auch nicht so nahe an Jupiter heran wie Juno\u00a0 (nur 5000 km &uuml;ber den Wolken!). JUICE wird zuerst den Jupiter aus der Ferne studieren, dann nach einem kurzen Zwischenspiel in der die Vorbeifl&uuml;ge an Europa vorgesehen sind etliche Vorbeifl&uuml;ge an Callisto machen und schlie&szlig;lich in einen Orbit um Ganymed einschwenken. Diesem Mond gilt das Hauptinteresse. Seit l&auml;ngerem ist von der NASA eine Vorbeiflugsonde an Europa geplant die mit einem RADAR unter die Oberfl&auml;che schauen kann. Urspr&uuml;nglich sollte es ein Europa Orbiter sein, doch der wurde zu teuer. Ist damit alles erforscht?<\/p>\n<p>Beileibe nicht. Es bleibt noch Io, als aktivster und ver&auml;nderlichster Himmelsk&ouml;rper im Sonnensystem. Wegen der gro&szlig;en N&auml;he zu Jupiter wird er wohl auch nur in vielen Vorbeifl&uuml;gen erkundet werden k&ouml;nnen, zumindest beim heutigen Stand der Technik. Dar&uuml;ber hinaus w&uuml;rde sich eine Sonde nur f&uuml;r Jupiter selbst lohnen. Die k&ouml;nnte bei einem stark exzentrischen Orbit auch die vielen ihn umkreisenden kleinen Monde passieren, auch wenn diese als Asteroiden sicher nicht so interessant sind wie die gro&szlig;en Monde. Eine sehr nahe an den Planeten vorbeifliegende Sonde k&ouml;nnte die ringe fotografieren. Junos Kamera wird daf&uuml;r leider wenig beitragen k&ouml;nnen, sie ist f&uuml;r Weitwinkelaufnahmen im Perijovum ausgelegt und leidet unter der Rotation der Sonde. Dar&uuml;ber hinaus g&auml;be es nat&uuml;rlich noch etliche anspruchsvollere Szenarien, wie die Europa-Landesonde die sich durch den Eispanzer schmelzt und in Situ den Ozean untersucht und auf Io k&ouml;nnte man sicher auch landen. Die Oberfl&auml;che s&auml;he sicher sehe interessant aus der N&auml;he aus.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg03.met.vgwort.de\/na\/96247fbb8789433fbb5bfbda71449900\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>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. 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