{"id":11135,"date":"2015-06-14T23:22:31","date_gmt":"2015-06-14T21:22:31","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=11135"},"modified":"2015-06-14T23:22:31","modified_gmt":"2015-06-14T21:22:31","slug":"die-miniraumsonde-zum-kuiperguertel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2015\/06\/14\/die-miniraumsonde-zum-kuiperguertel\/","title":{"rendered":"Die Miniraumsonde zum Kuiperg&uuml;rtel"},"content":{"rendered":"<p>In knapp einem Monat am 14.7. fliegt New Horizons am Pluto vorbei. Einen Monat davor ist sie noch 40 Millionen km vom Pluto entfernt und er nur einige Pixel gro&szlig;. Dabei ist die Raumsonde seit &uuml;ber 9 Jahren unterwegs. Das zeigt deutlich das Dilemma von Vorbeiflugsonden, nachdem die gro&szlig;en Ziele alle schon mal passiert wurden: Die noch nicht besuchten Ziele sind klein und sie sind weit weg. Das bedeutet: lange Reisezeiten, schneller Vorbeiflug nur wenig Zeit wo das Ziel so gro&szlig; ist dass man auch einen\u00a0 wirklichen Erkenntnisgewinn hat. Die letzten Vorbeifl&uuml;ge waren daher auch nicht zum Erkunden vorgesehen sondern zum Sammeln von Proben (<a href=\"\/stardust.shtml\">Stardust<\/a>) oder zum Absetzen eines Impaktors (<a href=\"\/deep-impact.shtml\">Deep Impact<\/a>). Ich vermute wenn New Horizons ein paar Jahre sp&auml;ter nachdem Pluto der Planetenstatus entzogen wurde zur Genehmigung angestanden w&auml;re &#8211; die Wahl w&auml;re anders ausgefallen. So war es aber die Sonde zum letzten noch nicht erforschten Planeten, dem einzigen den ein Amerikaner entdeckt hat. Schon f&uuml;r New Horizons II die den Uranus passieren sollte und billiger als New Horizons gewesen w&auml;re und bei Uranus anstatt Tage &uuml;ber Monate h&auml;tte beobachten k&ouml;nnen reichte es nicht mehr. Der Vorbeiflug an einem Kuiperg&uuml;rtelobjekt ist in etwa vergleichbar eine, Vorbeiflug von Voyager an einem der kleineren Eismonde von Saturn &#8211; Die Passage ist in einer, maximal einigen Stunden vorbei. In der Zeit gilt es die meisten Daten zu sammeln.<\/p>\n<p>Trotzdem will ich mich des Themas annehmen und mal skizzieren wie Raumsonden zu Objekten des Kuiper G&uuml;rtels aussehen k&ouml;nnen. Die Problematik ist recht einfach:<!--more--><\/p>\n<ul>\n<li>Die Objekte sind klein, die gr&ouml;&szlig;ten sind so gro&szlig; wie Pluto (kleiner als 3000 km), die meisten aber nur einige Hundert Kilometer gro&szlig;<\/li>\n<li>Sie sind weit entfernt, noch weiter als Pluto.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Daraus ergeben sich folgende Herausforderungen:<\/p>\n<ul>\n<li>Die Reise dauert lange<\/li>\n<li>Man ben&ouml;tigt eine leistungsstarke Tr&auml;gerrakete, weil das entfernte Ziel eine hohe Startgeschwindigkeit braucht<\/li>\n<li>Durch die Kleinheit des Ziels werden die wichtigsten Daten beim letzten Tag gewonnen.<\/li>\n<li>Durch die Entfernung braucht man um sie zu &uuml;bertragen ein leistungsf&auml;higes Sendesystem<\/li>\n<\/ul>\n<p>Wer sich mit Raumfahrt auskennt sieht einige Paradoxa. z.B. k&ouml;nnte man eine kleine Raumsonde auf die hohe Geschwindigkeit beschleunigen, doch die kann kein leistungsf&auml;higes Sendesystem transportieren. Schon <a href=\"\/new-horizons.shtml\">New Horizons<\/a> ist hier Voyager unterlegen. Sie &uuml;bertr&auml;gt nur ein achtel der Daten einer Voyagersonde. Eine Riesenraumsonde bekommt man aber nicht finanziert und auch ich denke f&uuml;r ein Kuiperobjekt ist sie nicht angebracht. Doch es gab mal die Idee Raumsonden zu miniaturisieren, das war Bestandteil des New Millennium Programms, das inzwischen weitgehend eingeschlafen ist und eine Raumsonde wurde niemals im rahmen dieses Programmes gestartet daf&uuml;r einige Technologiesatelliten.<\/p>\n<p>Eine kleine Raumsonde &#8211; so die &Uuml;berlegung &#8211; sollte billiger sein. Doch wie klein kann sie sein. Gehen wir von den Instrumenten aus. Gewicht kann man sparen indem man Instrumente wegl&auml;sst. Ein Kuiper Objekt wird keine Atmosph&auml;re haben, es wird kein Magnetfeld haben. Das erspart Infrarotspektrometer f&uuml;r den langweiligen Bereich und Teilchen und Magnetfeldsensoren. Die letzteren w&auml;ren aber w&uuml;nschenswert, denn die Sonden gelangen nach der Passage ins interplanetare Medium. Immerhin ein einfaches Magnetometer und ein Farady Cup wiegen nicht viel und k&ouml;nnen mitfliegen. Bleiben die visuelle Instrumente. Hier bietet es sich an Gewicht zu sparen. Dies geht am besten mit Kombiinstrumenten, die sich eine gemeinsame Optik teilen. Ein solches Beispiel ist <a href=\"\/ds-1.shtml\">Deep Space 1<\/a>: Das Kombiinstrument MICA wog nur 12 kg und hatte eine Kamera und zwei Spektrometer an Bord. W&uuml;rde man das dortige kleine 10 cm Teleskop durch ein 30 cm Teleskop zu ersetzen. (Ein Carbonfasertubus in RC-Technik wiegt etwa 18 kg) so ist man bei 30 kg. Noch 6 kg f&uuml;r das Teilchenexperiment Pepe (ebenfalls ein Kombiinstrument von DS-1) und einen Magnetbandsensor so ist man bei 36 kg. Bei den bisherigen Vorbeiflug-Raumsonden ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem war es so dass man vom Experimentengewicht recht gut auf das Sondengewicht schlie&szlig;en konnte &#8211; etwa ein Achtel der Masse waren die Experimente. Damit w&uuml;rde die Sonde 368 kg wiegen.<\/p>\n<p>Damit liegt auch die Masse der Stromversorgung fes,t die dann rund 50 kg wiegt. Das w&auml;re bei einem GPHS eine Leistung von rund 254 Watt beim Start. Ich w&uuml;rde aber auf SRG setzen. Ein SRG liefert 109 W nach 14 Jahren und wiegt 26,7 kg. Zwei St&uuml;ck w&uuml;rde man mitf&uuml;hren oder etwas kleinere Versionen einsetzen. Als zweiter Vorteil brauchen sie nur ein Viertel des Plutoniums und sparen so Geld. Man w&uuml;rde an den SRG ein System anschlie&szlig;en um die Abw&auml;rme zu nutzen um die Sonde zu w&auml;rmen und so Heizelemente einzusparen.<\/p>\n<p>Ein Problem ist aber die Kommunikation. Sie m&uuml;sste noch kleiner als die von New Horizons sein. das bedeutet niedrige Datenraten. Dabei wird New Horizons schon die meisten Daten zwischenspeichern und hochkomprimiert &uuml;ber Monate nach dem Vorbeiflug &uuml;bertragen. Da die Mission billig sein soll wird man nicht &uuml;ber Monate hinweg die teuren 70 m Antennen nutzen. Die L&ouml;sung ist die schon lange vorgeschlagene Laserkommunikation zu nutzen. Beim <a href=\"http:\/\/wr.lib.tsinghua.edu.cn\/sites\/default\/files\/1141983627264.pdf\">MLCD<\/a> (Mars Laser Communication Experiment) sollte ein 5 W Laser mit einem 30,6 cm Teleskop noch 30 MBit auf 0,7 AE &uuml;bertragen. Aus 50 AE w&auml;ren das noch 5800 Bit\/s. Wenig, aber deutlich mehr als New Horizons &uuml;bertr&auml;gt bei geringerem Stromverbrauch und leichterer Sendeanlage. Allerdings geht es nicht ganz ohne Antenne denn es gibt ja noch den Uplink. (Der war auch mit Laser geplant, doch schon in Marsdistanz sind das dann nur noch 75 Bit\/s &#8211; das ist zu wenig f&uuml;r weite Distanzen) Empf&auml;nger war beim MCLD das ausgemusterte <a href=\"http:\/\/www.astro.caltech.edu\/palomar\/\">Hale Teleskop <\/a>mit 5 m Durchmesser vorgesehen. Doch es gibt bessere Alternativen. Will man etwas neues bauen so gibt es zwei M&ouml;glichkeiten: ein reines monolithisches Empfangsteleskop &#8211; anders als ein astronomisches Teleskop reicht daf&uuml;r ein einfacher Spiegel ohne aufwendige Nachf&uuml;hrung. Es wurde gerechnet dass ein solches Teleskop nur ein drittel eines astronomischen Teleskops kostet. So w&uuml;rde ein 10,4 m Teleskop nur 40 Millionen Euro kosten in etwa das gleiche wie eine 35 m Antenne des ESA DSN. Es w&uuml;rde Daten mit 24 kbit\/s empfangen. Das zweite ist es viele kleine Teleskope zu b&uuml;ndeln. LADEE nutzt 4 Teleskope mit je 40 cm Durchmesser, Beim Mars Laser Projekt dachte man an bis zu 20 Teleskope von 0,8 m Durchmesser. Ein Teleskop dieser Gr&ouml;&szlig;e kostet rund 100.000 Euro, zu den 2 Millionen f&uuml;r 20 St&uuml;ck k&auml;men dann noch Nachf&uuml;hrung und ein Geb&auml;ude, in jedem falle ist man aber bei einer Summe weitaus kleiner als bei einem Gro&szlig; Teleskop.<\/p>\n<p>Sinnvoll w&auml;re daher der Bau einer neuen Empfangsanlage. Man k&ouml;nnte sie ja auch f&uuml;r andere Raumsonden nutzen. Die Laserkommunikation vom Mars aus ist nun ja wieder auf die Agenda gekommen.<\/p>\n<p>F&uuml;r die Lageregelung kann man Kaltgas vorhersehen &#8211; es gibt nur eine Passage wo die Sonde ihre Instrumente schwenken muss, ansonsten reicht die konstante Ausrichtung des Laserterminals auf die Erde. Die bewegt sich von der Raumsonde aus kaum noch am Himmel wenn sie erst mal weit weg ist.<\/p>\n<p>Kommen wir noch zum Start. Wennes billig sein soll bleibt nur die Falcon 9. Doch die erreicht nicht die n&ouml;tige Geschwindigkeit. Doch man kann ja mal aufr&uuml;sten. Hier einige Optionen (Sondengewicht: 360 kg)<\/p>\n<table cellpadding=\"2\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Rakete<\/th>\n<th>Geschwindigkeit<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Falcon 9 + Centaur V SEC<\/td>\n<td>16.900 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Falcon 9 + Centaur V SEC + Star 37<\/td>\n<td>18.500 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Falcon 9 + Centaur V SEC + Star 37 + Star 20<\/td>\n<td>18.750 m\/s<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Alle drei Geschwindigkeiten liegen &uuml;ber der hyperbolischen Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem (16,67 km\/s) f&uuml;hren also auf eine Fluchtbahn. Je schneller desto besser. Man untersch&auml;tzt leicht die abbremsende Wirkung der Sonne. Von den 16,9 km\/s bleiben im unendlichen noch 3,5 km\/s &uuml;brig, in 7,5 Milliarden km Entfernung hat die Sonde noch eine Geschwindigkeit von 9,4 km\/s. Bei 18,75 km\/s sind es 8,8 km\/s bzw. 14,6 km\/s. Man erreicht ein entferntes Ziel also deutlich fr&uuml;her.,<\/p>\n<p>Allerdings pl&auml;diere ich bei allen Missionen ins &auml;u&szlig;ere Sonnensystem Jupiter als Sprungbrett zu nutzen. Zum einen beschleunigt er die Sonde um einige Kilometer\/s. Zum anderen ist er so gro&szlig; dass er &uuml;ber Monate beobachtbar ist und die Sonde liefert so viel mehr zus&auml;tzliche Daten. Zuletzt kann man einen der Monde f&uuml;r eine Generalprobe nutzen. Jupiter erlaubt &uuml;ber etwa 3 Jahre seiner synodischen Periode mit der Erde von 13 Jahre eine Beschleunigung zu einem Ziel im &auml;u&szlig;eren Sonnensystem. Denken wir daran, dass es nicht ein Kuiperobjekt gibt sondern viele so\u00a0 m&uuml;sste man eigentlich jedes Startfenster zu Jupiter (alle 15 Monate) nutzen k&ouml;nnen, nur eben alle 2-3 Startfenster zu einem anderen Objekt. Als letzte M&ouml;glichkeit gibt es noch bei einer sehr nahen Passage noch die Zusatzbeschleunigung durch das Z&uuml;nden eines Raketenantriebs bei Jupiter. W&uuml;rde man die letzte Altair Oberstufe an der Sonde bei dem Juptermond Adastrea, knapp au&szlig;erhalb des Jupiterings z&uuml;nden so w&uuml;rde die Sonde nicht um 1,45 sondern 11,5 km\/s schneller werden &#8211; man addiert die Geschwindigkeit zu rund 45 km\/s an dieser Position und nach e=1\/2mv\u00b2 bleibt da wenn man die wieder abzieht einiges mehr &uuml;brig.<\/p>\n<p>Damit kann man die Reisezeit drastisch verk&uuml;rzen und in auch entferntere Objekte in einer Zeitspanne erreichen die wir von New Horizons oder <a href=\"\/rosetta.shtml\">Rosetta<\/a> gewohnt sind. W&auml;hrend der Reise wird die Sonde weitgehend inaktiv sein, auch um Kosten zu sparen. Am Ziel selbst wird es lange Zeit langweilig sein. Warum &#8211; einfach mal auf die Webseite von <a href=\"http:\/\/pluto.jhuapl.edu\/soc\/Pluto-Encounter\/index.php\">New Horizons<\/a> schauen wie gro&szlig; Pluto einen Monat auf den Bildern ist. Das Blickfeld der leistungsf&auml;higsten Kamera, LORRI wird er 460.000 km vor dem Vorbeiflug f&uuml;llen, das ist etwas mehr als als ein halber Tag vor der Passage. In dieser kurzen Zeit werden die meisten Daten gewonnen und gespeichert. Die Speicherung ist heute kein Problem, eher die Daten&uuml;bertragung. Fl&auml;chen CCD liefern 40 MByte\/s Zeilen-CCD noch h&ouml;here Datenraten. Um die 40 MByte\/s mit den bestenfalls 24 kbit\/s zu &uuml;bertragen braucht man 13.300 s, das bedeutet die Daten die ein Instrument bei dauerndem Betrieb w&auml;hrend 10 Stunden gewinnen kann brauchen 15 Jahre des dauernden &Uuml;bertragens. Man muss also die Datenmenge begrenzen und komprimieren (die Bilder vorher sind weitgehend unkritisch, weil sie meistens nur schwarzen Hintergrund zeigen).<\/p>\n<p>Was die Sonden aber so interessant macht ist, das sie danach noch mit hoher Geschwindigkeit, h&ouml;her als jede bisherige Sonde das Sonnensystem verlassen. Dann wird das Teilcheninstrument und Magnetometer interessant. Mit moderner Technologie kann die Sonde weitgehend autonom arbeiten und ihre Daten zwischenspeichern und erst bei Bedarf senden. Dank SSD brauchte sie dazu keine Bandrekorder die verschlei&szlig;en k&ouml;nnen und einen Impuls bei der Arbeit ausl&ouml;sen. So kann sie lange Zeit arbeiten und die <a href=\"\/voyager.shtml\">Voyager Sonden<\/a> erg&auml;nzen die gerade die Heliosph&auml;re verlassen.<\/p>\n<p>Ich denke eine Sonde w&auml;re angesichts weniger RTG und billiger Tr&auml;gerrakete deutlich unter den Kosten von New Horizons (723 Millionen Dollar &#8211; man spart mindestens 120 Millionen bei der Rakete und 50 Millionen beim Plutonium) angehbar, idealerweise baut man nicht eine sondern mehrere die man alle 2-3 Jahre startet. Aber dazu kommen wird es sicher nicht. Daf&uuml;r sind Kuiper G&uuml;rtel Objekte wohl zu unwichtig und mit Pluto hat man ja schon eines untersucht.<\/p>\n<p>Zuletzt aber noch eine gute Nachricht: <a href=\"\/philae.shtml\">Philae<\/a> ist erwacht und meldet sich wieder! Man hat ja erwartet das er ab April gen&uuml;gend Strom f&uuml;r seinen Betrieb durch die n&auml;here Position an der Sonne hat und er sich wieder meldet. Es hat etwas l&auml;nger gedauert, aber Churymasov durchl&auml;uft sein Perihel erst am 13. August. Wenn er symmetrisch um dieses Perihel betrieben werden kann (h&auml;ngt von der Sonnenintensivt&auml;t ab), dann wird er noch vier Monate arbeiten. Nicht ewig aber ungleich l&auml;nger als die wenigen Tage die man bisher hatte. Auch Rosettas Mission soll verl&auml;ngert werden. Nominell wird sie im Dezember enden, doch die Solarzellen sollen einen betrieb bis September 2016 erlauben, dann w&auml;re Churymasov Geramisenko wieder in der gleichen Entfernung als Rosetta bei ihm ankam.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg05.met.vgwort.de\/na\/a7502c38fc6847c58411197d3e3b9e3c\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>In knapp einem Monat am 14.7. fliegt New Horizons am Pluto vorbei. Einen Monat davor ist sie noch 40 Millionen km vom Pluto entfernt und er nur einige Pixel gro&szlig;. Dabei ist die Raumsonde seit &uuml;ber 9 Jahren unterwegs. 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