Die meisten Satelliten sind Mini-, Mikro und Nanosatelliten. Die Begriffe sind etwas schwammig. Ein Minisatellit wiegt zwischen 100 und 500 kg, ein Mikrosatellit zwischen 10 und 100, ein Nanosatellit zwischen 1 und 10 kg, das sind typischerweise Cubesats. Es gibt noch darunter Picosatelliten, doch die haben mehr emotionalen Wert als das sie nützlich sind. Doch wer weiß. Vor wenigen Jahren hätte man auch die Leute von PlanetE für verrückt gehalten die mit 3U-Cubesats Erdbeobachtung durchführen. Vielleicht klappt das in einigen Jahren auch mit Picosatelliten.<\/p>\n
Bei Raumsonden liegen die Dinge anders. Ein Cubesat kann das Magnetfeld der Erde oder einfach das Massenträgheitsgesetz ausnutzen, um richtig orientiert zu sein, also rein passive Methoden. Sie umrunden die Erde in niedriger Entfernung, da ist selbst mit leistungsschwachen Sendern noch eine hohe Datenrate möglich. Bei den \u201eFlock\u201c Satelliten von PlanetE überträgt ein X-Band Sender mit 2 Watt Sendeleistung 12,5 bis 100 MBit je nach Position relativ zur Bodenstation, die eine 5-m-Antenne hat. Das ist eindrucksvoll, doch rechnet man diese Werte aus 435 km Entfernung auf die 1000-fache Distanz, das ist Mondentfernung so sinkt die Datenrate auf 100 Bit\/s. In Marsentfernung, nochmals 200-mal mehr, beträgt sie dann weit unter 1 Bit\/s.<\/p>\n
Kurzum: Raumsonden sind komplexer. Sie müssen in der Regel ihren Kurs und ihre Lage korrigieren können, sie brauchen ein leistungsfähiges Sendesystem mit einer großen Antenne und starken Sendern. Das wiegt viel. Junos gesamtes Sendesystem mit einer 3-m-Antenne wiegt 83,2 kg, davon macht die 3 m große Antenne nur 21,3 kg aus. Der Großteil entfällt auf die Sender und Verstärker. Die haben aber auch die 50-fache Leistung der Sender des Flock-Satelliten.<\/p>\n
Man kann den Zugewinn an Datenrate auch an den Marsorbitern sehen. Odyssey<\/a> wurde 2001 gestartet, wiegt trocken 376 kg und der 2005 gestartete MRO<\/a> 1.032 kg. Ersterer überträgt minimal 14 kbit\/s, letzterer 500 kbit\/s. Also dreimal größere Masse, 30-mal höhere Datenrate. Entsprechendes sieht man beim Vergleich Mars-Express<\/a> mit dem Nachfolger Trace Gas Orbiter<\/a>: Die Trockenmasse ist von 680 auf 1.432 kg gestiegen. Die Datenrate bei maximaler Entfernung von 10,7 auf 150 Kbit\/s. Es gibt also eine sehr starke Abhängigkeit von Masse zu Datenrate. Die beiden Marcos hatten daher außer der Empfangs- und Sendeantenne auch keine Nutzlast mehr an Bord.<\/p>\n Ich habe mir daher gedacht, was man sinnvoll mit kleinen Raumsonden machen kann \u2013 ich habe mir die Kategorie der Mikrosatelliten ausgesucht, so um 100 kg. Es gab ja in der Anfangszeit der Raumsonden gab es auch so kleine Sonden. Man denke an die Pionier-Serie. Keine der Sonden wog bis Pioneer 10 mehr als 65 kg. Es gibt mehrere Einschränkungen. Das eine ist wie beschrieben die Kommunikation. Diese Nutzlasten werden als Sekundärnutzlasten gestartet und dürfen daher nicht groß sein. Bei der ASAP-5 für Ariane sind es für Mikrosatelliten von maximal 120 kg Gewicht bei Abmessungen von maximal 60 x 60 x 71 cm. Bei der Vega<\/a> für maximal 200 kg Masse darf die Nutzlast 120 x 80 x 80 cm groß sein. Von dem Volumen geht dann noch die Antenne ab, die so sicher nicht mehr als 60 bis 80 cm Durchmesser hat. Mit 5 Watt Sendeleistung kann man aus 100 Millionen km Distanz mit einer 60-cm-Antenne dann gerade noch 1.147 Bit\/s zu einer 35-m-Empfangsantenne, wie sie die ESA einsetzt, übertragen. Das ist die Marsentfernung bei einer Annäherung. Bei maximaler Marsentfernung kann die Sonde noch 4-mal weiter entfernt sein.<\/p>\n Eine Lösung sind entfaltbare Antennen. Nicht nur wegen des Gewichts, sondern auch wegen des kleinen Volumens: Typischerweise werden solche Satelliten als Sekundärnutzlasten an einem Ring befördert, der am Adapter zwischen Satellit und Oberstufe befestigt wird. Die Höhe ist auf die des Adapters beschränkt und die Breite auf den Raum zwischen Adapter und Nutzlasthülle. Typisch haben größere Raumsonden eine Nutzlast (Instrumente) von einem Fünftel bis einem Sechstel der Trockenmasse. Das sind dann bei 100 kg nur 17 bis 20 kg. Diese Maximalmasse muss man dann noch auf eventuell mehrere Instrumente aufteilen. Auch hier gibt es Lösungen. Eines ist es Instrumente zu kombinieren \u2013 Spektrometer und Kameras brauchen beide eine Optik. Man kann diese zwischen den Instrumenten aufteilen und nur eine Optik für mehrere Instrumente nutzen und mit einem Spiegel zwischen den Detektoren umschalten. Daneben kann man verkleinern \u2013 bei den meisten Instrumenten wiegen die Detektoren wenig. Eine Kamera kann so kleine sein wie beim Raspberry-Pi: Eine Linse auf einem CCD Chip oder es kann ein Detektor an einem 50-cm-Teleskop wie bei der Kamera HiRISE sein, das dann 65 kg wiegt. Die Erste erreicht nicht mal die Auflösung des menschlichen Auges, die zweite sieht aus 300 km Höhe noch 30 cm große Details.<\/p>\n Es gibt prinzipiell zwei Startmöglichkeiten, wenn ich keinen eigenen Start buchen möchte, was die Kosten hochtreibt. Das eine ist ein Mitflug in einen niedrigen Erdorbit (zur ISS oder einen SSO) und das Zweite ein Mitflug in einen Übergangsorbit (in den Galileo-Orbit<\/a> oder GTO). Aus diesen Ausgangsorbits muss die Nutzlast dann eine Fluchtbahn erreichen. Für einen GTO-Orbit spricht, dass der Geschwindigkeitsaufwand gering ist, es fehlen etwa 800 m\/s zur Fluchtgeschwindigkeit und 1100 bis 1400 m\/s zu einem Transferorbit zu Venus oder Mars. Zumindest bei Starts vom CSG aus ist aber die Anfangsbahnneigung für viele Bahnen zu gering. Beim Start vom Cape aus trifft das nicht zu. Der Navigationsorbit ist 400 m\/s ungünstiger, aber dafür ist die Bahnneigung viel größer, was einen Rideshare auch vom CSG aus attraktiv macht.<\/p>\n Die meisten Sekundärnutzlasten wurden bisher in niedrigen LEO oder SSO-Bahnen ausgesetzt. Probleme mit der Bahnneigung gibt es da keine, dafür braucht man rund 3 km\/s für eine Fluchtbahn anstatt 800 bis 1200 m\/s.<\/p>\n Eine einfache Überschlagsrechnung zeigt, das um 100 kg auf Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen, ein Antriebssystem mit einem spezifischen Impuls von 3100 m\/s und einem Start\/Leermasseverhältnis von 8 zu folgenden Anfangsmassen führt:<\/p>\nStartgelegenheiten<\/h3>\n