{"id":11856,"date":"2016-08-06T08:02:46","date_gmt":"2016-08-06T06:02:46","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=11856"},"modified":"2016-08-06T08:02:46","modified_gmt":"2016-08-06T06:02:46","slug":"defying-the-laws-of-gravity","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2016\/08\/06\/defying-the-laws-of-gravity\/","title":{"rendered":"Defying the laws of gravity"},"content":{"rendered":"<p>Die John Hopkins Universit&auml;t, die schon einige preiswerte NASA-Raumsonden entwickelte (NEAR, Messenger New Horizons) hat nun ein Konzept f&uuml;r preiswertere Raumsonden vorgestellt, die an die Vision der New Millennium Raumsonden ankn&uuml;pfen, die vor etwa 20 Jahren auf den weg gebracht werden sollten, es aber nie schafften. Dabei will man auf den schon florierenden Markt der Cubesats aufspringen und soweit es geht Synergien nutzen. So hat man schon das Konzept zusammen mit Planet (fr&uuml;her Planet Labs) erarbeitet und\u00a0 ist zuversichtlich das es umgesetzt werden kann.<\/p>\n<p>Es geht nicht darum alle Raumsonden zu ersetzen, es geht um eine neue Klasse speziell f&uuml;r erdnahe Objekte, die Near Earth Objekts oder NEO. Sie sind in den Fokus der Forschung ger&uuml;ckt seit immer mehr bei Vorbeifl&uuml;gen an der erde beobachtet werden. Derzeit l&auml;uft auch eine suche nach allen NEO um das Kollissionsrisiko besser bestimmen zu k&ouml;nnen und es wurden schon gr&ouml;&szlig;ere Missionen f&uuml;r die Suche vorgeschlagen, so ein IR-Teleskop zwischen Erd- und Venusorbit das NEOs finden kann die von uns aus gesehen meist innerhalb der Erdbahn sind.<!--more--><\/p>\n<p>Die Idee sehr kleine Raumsonden zu bauen gibt es schon lange, jedoch war bisher das Kosten-\/Nutzververh&auml;ltnis sehr schlecht. Das hat sich in zweierlei Hinsicht ge&auml;ndert. Zum einen steht mit der <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/electron.shtml\">Electron<\/a> ein Tr&auml;ger f&uuml;r kleine Nutzlasten zur Verf&uuml;gung. Sie kann maximal 200 kg in einen Orbit transportieren, zwei weitere, die Firefly und LauncherOne werden folgen. Sie kosten zwischen 4,9 und 10 Millionen Dollar mit Nutzlasten von 150 bis 200 kg in den SSO, entsprechend 175 bis 250 kg in den LEO. Vorher war der g&uuml;nstigste Tr&auml;ger die Pegasus die am Schluss &uuml;ber 24 Millionen Dollar kostete. Aufgrund des Commerical Space Acts darf die NASA keine Raketen mit milit&auml;rischem Ursprung einsetzen. Das betrifft vor allem die Minotaur I, die deutlich weniger als eine Pegasus kostet. Solange aber schon der Start eines Kleinsatelliten mindestens 24 Millionen Dollar kostet macht es wenig Sinn einen besonders billigen, aber kleinen Satelliten mit beschr&auml;nkten F&auml;higkeiten zu konstruieren<\/p>\n<p>Kommerzielle-Private Projekte sind en Vogue. Die NASA hat dies schon bei den ISS-Transporten sowohl unbemannt wie auch bemannt durchexerziert. Nun geht man eine Kooperation mit SpaceX bei der red Dragon ein. Dieses ist aber anders gelagert als bei CCdeV und CRS. Die Red Dragon wird von der NASA Unterst&uuml;tzung bekommen indem man Daten &uuml;ber die Marsatmosph&auml;re sowie genaue Karten der Landezonen zur Verf&uuml;gung stellt. Zudem wird SpaceX das Deep Space Network nutzen, da die Firma keine eigenen Empfangsstationen hat. Als Gegenwert bekommt man einen Datensatz &uuml;ber die Belastungen des Eintritts mit hoher Geschwindigkeit. Die bisherigen Sonden hatten relativ gro&szlig;e Kapseln mit einem gro&szlig;en Kurvenradius. Diese werden langsam abgebremst. F&uuml;r eine bemannte Landung geht das nicht. Ein 30 t schweres Marsmoduls w&uuml;rde sonst eine Kapsel von &uuml;ber 17 m Durchmesser erfordern. Die Dragon hat einen flacheren Schild und ihr Masse\/Eintrittsfl&auml;chenverh&auml;ltnis ist um den Faktor 4-5 h&ouml;her. Dadurch verl&auml;uft die Abbremsung anders und diese Daten sind wertvoll f&uuml;r eine sp&auml;tere Mission der NASA.<\/p>\n<p>Es gibt aber keinerlei Zusammenarbeit bei den Experimenten. In gewisser Weise &auml;hnelt dies den CRS-fl&uuml;gen: Man nutzt ein Transportvehikel, alles was transportiert wird entwickelt man aber selbst. Untersuchungen zeigten, dass mit dieser Vorgehensweise preiswerte Missionen nur m&ouml;glich sind, wenn man Experimente mehrfach einsetzt.<\/p>\n<p>Das Proposal f&uuml;r die neuen Raumsonden geht neue Wege. Man wird die Raumsonden von Planet (fr&uuml;her Planet Labs) bauen lassen. Sie haben Erfahrung mit Kleinstsatelliten. Die Raumsonden werden aber gr&ouml;&szlig;er sein als ihre Dove Cubesats. Sie werden etwa 30 kg wiegen und 50 x 50 x 50 cm gro&szlig; sein. Dazu kommt noch eine Kickstufe. Sie wird mit bis zu 150 kg Treibstoff beladen werden und wiegt trocken 30 kg. Sie soll mit einem 400 N Satellitenantrieb und kleineren 12 N Triebwerken ausgestattet werden und sowohl die Nutzlast auf eine Fluchtbahn bringen wie auch sp&auml;ter die Kurskorrekturen und Lage&auml;nderungen durchf&uuml;hren. Bei einem Gewicht der Nutzlast von 30 kg bleibt nach erreichen der Fluchtgeschwindigkeit noch ein Antriebsverm&ouml;gen von 270 m\/s &uuml;brig. Das reicht aus um viele erdnahe Planetoiden zu besuchen. Mit diesem Treibstoffvorrat werden auch alle Lage&auml;nderungen durchgef&uuml;hrt, also Drehungen der Sonde. Da nur ein Vorbeiflug pro Sonde geplant ist und es ansonsten nur wenige Drehungen zum Ausrichten der Antenne auf die Erde gibt reicht dies aus. Dieselbe Strategie setzt schon New Horizons ein. So spart man sich aber empfindliche und mechanisch anf&auml;llige Drallr&auml;der mit hohem Gewicht ein.<\/p>\n<p>Auf der entgegengesetzten Seite ist die Hauptantenne mit 60 cm Durchmesser. Mit einem 10 Watt Sender soll sie noch 15 kBit\/s aus 100 Millionen km Entfernung senden k&ouml;nnen. Das von den Dove &uuml;bernommene Sendesystem kann sehr viel h&ouml;here Datenraten &uuml;bertragen. Von den Satelliten wurde auch der Hauptcomputer &uuml;bernommen, der nach Angaben der Firma auf kommerziell erh&auml;ltlichen modularen Einplatinencomputern beruht. F&uuml;r die Raumsonde wurde der Computer mitsamt der SSD als Datenspeicher in eine abgeschirmte Box aus Aluminium eingebettet, da die Dove Satelliten im niedrigen Erdorbit kleineren Strahlenbelastungen ausgesetzt sind und die NASA die typisch 1-2 Reboots pro Tag nicht akzeptieren wollte.<\/p>\n<p>Von Planet Labs stammt auch ein Instrument, es ist das Teleskop der Dove Satelliten, das eine Apparatur von 90 mm und eine Aufl&ouml;sung von 7,6 Mikorrad hat (7,6 m aus 1000 km Entfernung). Das zweite, gr&ouml;&szlig;ere, wird ein Kombiinstrument auf Basis von MICAS der Raumsonde Deep Space 1. Es beinhaltet ein abbildendes Vis\/IR-Spektrometern mit zwei Chips, einer empfindlich zwischen 0,4 und 1,5 Mikrometern (vis) und einer zwischen 2 und 5 Mikrometern (NIR). &Uuml;ber einen Strahlteiler kann noch ein normales Spektrometer ein Punktspektrum gewinnen, allerdings in h&ouml;herer Aufl&ouml;sung mit einer Aufl&ouml;sung von 1\/5000 bezogen auf die Wellenl&auml;nge.<\/p>\n<p>An den anderen drei Seiten sind Solarzellen fest angebracht. Die Fl&auml;che von 0,25 m\u00b2 reicht aus um rund 75 Watt an Leistung zu generieren. Es gibt keine mechanischen Elemente an Bord, also auch keine Motoren um Solarzellen zu drehen.<\/p>\n<p>Geplant ist mindestens ein Start pro Jahr. Das ergibt auch eine f&uuml;r die Serienbauweise geeignete Frequenz. Es sind zwei Phasen vorgesehen. In Phase I werden die Sonden bekannte NEO passieren. Die Reisezeit betr&auml;gt typisch einige Monate, die Distanz zur Erde unter 100 Millionen km. Wie bei New Horizons wird die Ann&auml;herung automatisiert verlaufen. ein vorgegebenes Me&szlig;programm abgespult. Die Daten werden zwischengespeichert und dann sp&auml;ter &uuml;ber Monate &uuml;bertragen.<\/p>\n<p>Mit fortschreitender Erfahrung will man in Phase 2 &uuml;bergehen. Dabei werden die Raumsonden zuerst nur in einem Erdorbit geparkt. Dazu m&uuml;ssen sie kein Startfenster einhalten und k&ouml;nnen als Sekund&auml;rnutzlast z.B. im Trunk der Dragon zur ISS mitgef&uuml;hrt werden oder als Nutzlast der Au&szlig;enpalette des HTV. Sie werden wenn ein Erdbahnkreuzer entdeckt wird direkt zu ihm gestartet. Da man daf&uuml;r meistens nur wenige Tage Zeit hat ben&ouml;tigt man die Missionen von Phase 1 als Vorbereitung f&uuml;r das Team das dann eingespielt sein muss. Ziel ist auch dass man standardisierte Computerprogramme in Phase 1 entwickelt die dann nur noch mit den genauen Begegnungsdaten (Geschwindigkeitsvektor relativ zum Ziel, Phasenwinkel, Abmessungen und Minimaldistanz versehen muss und die Kommandosequenzen f&uuml;r die optimalste Beobachtungsreihenfolge sowie alle n&ouml;tigen Drehungen und Operationen zur Sonde generieren. Anders w&auml;re eine so schnelle Begegnung nicht m&ouml;glich. Aufgrund der kleineren Distanz kann man so die Daten schneller &uuml;bertragen und hat noch Treibstoff &uuml;brig um dann ein weiteres Objekt zu passieren. Diese Missionen k&ouml;nnen noch preiswerter sein, da man bei der erdnahen Passage keine der 26 und 35 m Antennen des DeepSpace Networks ben&ouml;tigt und mit kleineren Antennen die Daten abrufen kann.<\/p>\n<p>Die John Hopkins Universit&auml;t ist sich sicher das man eine Solche Mission f&uuml;r unter 30 Millionen Dollar durchf&uuml;hren kann. Je 10 Millionen sollen auf Tr&auml;gerrakete, Satellit und Instrumente entfallen, die Operationskosten sollen bei 7 Millionen Dollar liegen. Mit einer Startrate von 1 Sonde pro Jahr k&ouml;nnten sie langfristig auf 30 Millionen Dollar sinken.<\/p>\n<p>Was ist der Nutzen? Nun man kann so zum einen sehr viel mehr Asteroiden preiswert erkunden. Gerade bei so kleinen K&ouml;rpern stellt sich ja immer die Kosten(Nutzenfrage. F&uuml;r dem Schutz vor Einschl&auml;gen ist die Erkundung nicht n&ouml;tig. Dazu ben&ouml;tigt man nur die Masse und die Bahn des K&ouml;rpers. Zumindest das letztere kann man durch erdgebunden Beobachtungen gewinnen und die Masse ist gut absch&auml;tzbar. Die John Hopkins Universit&auml;t erhofft sich als Nebeneffekt der Erkundung auch eine Befl&uuml;gelung der irdischen Suchprogramme und Forschung f&uuml;r NEO. Zwar wissen inzwischen alle von dem Risiko eines Einschlags, doch derzeit macht man sich noch nicht die M&uuml;he wirklich intensiv auch nur alle Kandidaten zu finden die auf der Erde einschlagen k&ouml;nnten.<\/p>\n<p>Jenseits der Asteroiden (auch naher Asteroiden) ist zur Zeit noch der Nutzen von kleinen Raumsonden noch beschr&auml;nkt. Vor allem die beschr&auml;nkten Kommunikationsf&auml;higkeiten sind ein Hindernis. Denkbar w&auml;ren auch Missionen zu Deimos und Phobos. Eine zweite M&ouml;glichkeit ist dass diese kleinen Sonden als Kommunikationsrelays in station&auml;ren Umlaufbahnen fungieren. Das w&auml;re n&uuml;tzlich f&uuml;r Marsmissionen aber auch einen Titanlander. Zwar ist die F&auml;higkeit Daten zu &uuml;bertragen begrenzt, aber die Lander haben eine noch kleinere Sendeantenne und sie zur erde auszurichten ist schwierig.<\/p>\n<p>Vor allem aber k&ouml;nnte es der Einstieg darin sein, die Raumfahrt zu verbilligen. Schon lange baut die Industrie Raumsonden. Doch immer handelt es sich um Spezialanfertigungen bei denen selbst wenn kommerzielle Busse zum Einsatz kommen Zig Sonderw&uuml;nsche umgesetzt werden m&uuml;ssen, was die Sonde verteuert. Stattdessen k&ouml;nnte man die Leistung spezifizieren (welche Nutzlast muss transportiert werden, welche Datenrate, dV-Budget etc.) und wie die Sonde gebaut wird ist die Sache der Industrie. So l&auml;uft es ja auch in anderen Branchen: Wenn man einen KW kauft spezifiziert man ja auch Werte wie Frachtkapazit&auml;t, Benzinverbrauch etc. aber nicht wie der Hersteller den Lastwagen zu bauen hat. Man k&ouml;nnte Geld sparen, denn kommerziell Satelliten sind um einiges billiger als Raumsonden und so mehr Missionen auf den Weg bringen.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg02.met.vgwort.de\/na\/aa4bbcd6c1794181b76c64d155e9adf3\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Die John Hopkins Universit&auml;t, die schon einige preiswerte NASA-Raumsonden entwickelte (NEAR, Messenger New Horizons) hat nun ein Konzept f&uuml;r preiswertere Raumsonden vorgestellt, die an die Vision der New Millennium Raumsonden ankn&uuml;pfen, die vor etwa 20 Jahren auf den weg gebracht werden sollten, es aber nie schafften. 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