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Mich hat das Thema Miniraumsonden weiter beschäftigt, so habe ich mir zuerst mal Gedanken um eine meiner Lieblingsprojekte in diesem Bereich gemacht: die Idee einer Tochtersonde, die bei einem Vorbeiflug abgeworfen wird.
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Wenn eine Raumsonde die Planeten Jupiter bis Neptun nahe passiert, so kann sie bedingt durch die Vorbeifluggeometrie nur einen Mond nahe passieren. Bei Voyager 1 war dies bei Jupiter der Mond Io in 20.000 km Distanz und bei Saturn Titan in 6500 km Distanz. Bei Voyager 2, bei dem die Bahn bei Saturn und Uranus die Sonde jeweils zum nächsten Planeten weiter führen musste, waren die Distanzen noch größer. Ganymed wurde noch bei Jupiter in knapp 60.000 km Distanz passiert, Enceladus am nächsten von allen Saturnmonden in 87.000 km, Miranda als innerster großer Uranusmonde in 29.000 km Distanz.<\/p>\n
Nun wird es sicher keine weitere Vorbeiflugsmission an Saturn geben \u2013 Cassini<\/a> hat das System über 14 Jahre erkundet. Bei Neptun gibt es nur einen großen Mond, Triton, da gäbe es auch keinen Bedarf für eine Vorbeiflugmission. Bleiben noch Jupiter und Uranus.<\/p>\n Zu Jupiter sind derzeit zwei Missionen geplant. Die europäische JUICE Mission erkundet die Monde Europa, Kallisto und Ganymed und schwenkt schließlich in einen Orbit um Ganymed ein. Die noch nicht endgültig bewilligte Europa-Mission der NASA führt dagegen sehr viele Vorbeiflüge am Jupitermond Europa durch. Beide Missionen halten sich von Io fern und auch die aktuelle Mission Juno<\/a> wird ihn nicht erkunden. Zum einen ist ihre Bahn dazu nicht geeignet, sie führt über die Pole, der Mond umrundet den Planeten aber am Äquator. Zum anderen ist die Kamera dafür mit einem Weitwinkelobjektiv nicht geeignet.<\/p>\n Das Erste was ich tat, war eine Abschätzung. Es ist klar, dass sich durch die unterschiedliche Distanz beide Sonden (Haupt- und Tochtersonde) sich voneinander entfernen. Die erste Überlegung war, wie lange man die Tochtersonde betrieben sollte. Ich nahm an, dass die Distanz sehr bald so groß sein würde, dass die Datenrate dann niedrig ist. Dann macht es keinen Sinn die Tochtersonde lange zu betrieben. Also setzte ich auf eine Batterieversorgung, die einen Betrieb über einen, maximal zwei Tage gewährleistet. Bei der Berechnung der Datenrate von einer 60-cm-Sendeantenne zu einer 3-m-Empfangsantenne (Juno) mit einem 5-Watt-Sender nach einer Distanz von 1,2 Millionen km kam ich aber auf das erfreuliche Ergebnis, das im Ka-Band bei 32 GHz, das im Weltraum ohne Einschränkungen nutzbar ist, es immer noch 233 kbit\/s sind. Und anfangs ist die Distanz noch geringer, maximal 400.000 km. Dann ist eine neunmal höhere Datenrate möglich. Damit meinte ich das das Konzept umsetzbar ist. Doch stimmt die Distanz und wie hoch ist die Gesamtdatenmenge? Das letztere war leicht zu berechnen. Ich erweiterte mein Programm um die variable Berechnung der Datenmenge bei konstant ansteigender Geschwindigkeit mit Rückfallstufen für die Datenrate (z.B. Halbierung bei halbem SNR-Faktor). Das Ergebnis war positiv: Von 400.000 auf 1,2 Millionen km Distanz ansteigend in 80.000 Sekunden, nicht ganz ein Tag ist eine Gesamtdatenmenge von über 48 GBit möglich, das sind 48.000 JPEG-komprimierte Bilder mit 1 Mpixel oder rund 10.000 mit verlustfreier Kompression.<\/p>\n Dabei nahm ich eine Geschwindigkeit von 10 km\/s an. Doch stimmt die? Eine weitere Erweiterung der Swing-By-Routine mit der man zwei Bahnen vergleichen kann (eine der Haupt- und eine der Nebensonde) ergab, dass dem nicht so ist. Die Sonden entfernen sich, aber nicht so stark wie gedacht. Das Bild zeigt die Bahnen einer Hauptsonde und einer Nebensonde. Die eine passiert die Bahn von Miranda, die andere die des äußersten Uranusmondes Oberon. Sie passieren rund 4 Stunden zeitversetzt den Planeten. 39 bzw. 35 Stunden nach dem Passieren des planetennächsten Punktes sind sie aber nur 576.000 km voneinander entfernt. Das ist weniger als die Hälfte der angenommenen Distanz bei einer größeren Betriebsdauer.<\/p>\n Eine ähnliche Bilanz gibt es auch bei Jupiter, hier ist der Abstand etwas größer, wegen der stärkeren Umlenkung der Bahn. Damit wäre eine Tochtersonde lange genug nahe der Hauptsonde um viele Daten zu übertragen. Damit konnte ich an ein Konzept gehen. Ich will dieses im Folgenden beschreiben und auch die Annahmen, die ich getroffen habe.<\/p>\n Das Erste, was festzulegen ist, sind die Abmessungen. Ich habe die Masse unter 100 kg angesetzt, das heißt, die Raumsonde sollte maximal so groß wie ein Mikrosatellit sein, der typisch 60 x 60 x 80 cm groß ist. Das legte die Größe der Hauptantenne schon mal auf 60 cm fest. Es setzt auch die Größe des einzigen Instruments, eines kombinierten Instruments mit Kamera und Spektrometer, denn es geht ja darum, die Oberfläche eines Mondes zu untersuchen.<\/p>\n Als Vorlage diente das Instrument LORRI von New Horizons<\/a>. LORRI ist eine Kamera mit einem 20,8-cm-Teleskop und einer Auflösung von 1,02 Bogensekunden. Sie wiegt 8,8 kg und hat einen Stromverbrauch mit der assoziierten Elektronik von 5,8 Watt. LORRI setzt ein Cassegrain-Teleskop ein. Bei dem Cassgrain-Typ ist die Länge des Teleskops typisch 1<\/sup>\/3<\/sub> der Brennweite. Wenn die Kamera in der Längsrichtung der Sonde eingebaut wird, kann man mit etwas Platz für den Detektor und Elektronik und Abschirmung einen Tubus von maximal 70 cm Länge unterbringen. Das legt die Brennweite auf maximal 2,1 m fest.<\/p>\n Die Vergrößerung und der Durchmesser des Teleskops werden vom Detektor bestimmt. Bei LORRI war dies ein Sensor mit Pixelgrößen von 14 x 14 \u00b5m. Doch New Horizons ist ausgelegt für Aufnahmen bei Pluto. Bei Uranus hat man die 2,8-fache Lichtmenge, man kann also die Pixelgröße verkleinern, erst recht gilt das für Aufnahmen bei Jupiter. Ich wollte einen möglichst großen Sensor mit vielen Pixels, da er ein größeres Feld aufnimmt und so die Sonde vor allem bei nahen Distanzen nicht so viel bewegt werden muss. Das kostet Zeit und die ist dann knapp. Ich habe mich für den Kodak KAF-09001 Sensor<\/a> entscheiden, ein 9 Megapixelsensor mit 12 \u00b5m großen Pixeln und einer Ausleserate von 2,2 kompletten Frames\/s. Er hat eine Größe von 36,3 x 36,3 mm. Zusammen mit einer Belichtungszeit von 100 ms, abgleitet aus den Daten von LORRI sind so 1,8 Aufnahmen bei Uranus pro Sekunde möglich. Mehr wäre angenehmer. So habe ich mir noch den KAF-0373 angesehen mit fast gleichen großen Pixeln. Er liefert zwar 30 Frames pro Sekunde, doch da die Chipfläche viel kleiner ist, sind es doch weniger Megapixel pro Sekunde.<\/p>\n Mit dem KAF-09001 liegen dann auch die Anforderungen an das Teleskop vor:<\/p>\n Die Pixelgröße von 12 \u00b5m ergibt ein Öffnungsverhältnis für eine beugungsbegrenzte Abbildung bei F\/D von 21,48. Mithin müsste das Teleskop bei 2100 mm Brennweite mindestens 98 mm Durchmesser haben. Mehr ist wie bei LORRI wünschenswert: für die Auflösung von 1,02 Bodensekunden hätte auch ein Teleskop mit dem halben Durchmesser ausgereicht. Cassegrain-Teleskope haben sehr große Öffnungsverhältnisse. LORRI hatte eines von 13. Für Amateure gibt es kleine Cassegrains mit Öffnungsverhältnissen von 12. Der Fangspiegel, der eine Obstruktion verursacht, liegt dann noch bei erträglichen 25 % des Optikdurchmessers. Nimmt man ein F\/D von 13 wie bei LORRI an, so ergibt sich ein Optikdurchmesser von 160 mm für die Brennweite von 2,1 m. Das ist 70 % größer als die Forderung und gibt auch genügend Reserve für die Obstruktion von etwa 30 % die durch den Fangspiegel entsteht. Eine Alternative wäre ein Schiefspiegler, der ist noch kompakter, hat keinen Fangspiegel, der die Schärfe herabsetzt, aber ich hatte, keine passende Vorlage in passend zu der Masse von 5 bis 10 kg. Mit rund 77 % der Größe von LORRI sollte die Masse des Teleskops auch absinken. Ich berechne bei gleicher Masse für die Elektronik (3,2 kg der 8,8 kg Gesamtmasse) ein Gewicht von 6,7 kg für ein 160-mm-Cassegrainteleskop. Das hat dann in der Zusammenfassung folgende Eckdaten:<\/p>\n![\"Vorbeiflug](\"img\/uranus-flyby.jpeg\")
Io liegt etwa auf der halben Distanz von Europa und damit schon in einer Region in der die Strahlung sehr hoch ist. Galileo näherte sich beim Einschuss in den Orbit Io, konnte wegen des Bandrekorderproblems aber keine Daten gewinnen. Während der Primärmission und erweiterten Mission blieb die Sonde auf Distanz, um die Strahlenbelastung zu senken. Erst in der letzten Missionsphase, als klar war, dass die Sonde danach abgeschaltet wird, flog sie Io an. Doch wegen der Strahlenschäden gab es viele Ausfälle gerade, wenn sie sich Io näherte, eben aufgrund des höheren Strahlungslevels. Daher hielt ich es für interessant, eine Tochtersonde abzuwerfen, die nur den Zweck hat Io zu kartieren, ihre Daten zur Hauptsonde funkt und diese überträgt sie dann zur Erde. Das erlaubt es, die Sonde einfach zu gestalten. Eine zweite Möglichkeit dieses Konzept anzuwenden, ist bei einer Vorbeiflugsonde zu Uranus. Uranus Rotationsachse ist um 98 Grad zur Ekliptik gekippt. Das bedeutet, das über ein Uranusjahr es nur zwei Zeitpunkte gibt, bei denen eine Raumsonde alle Monde nacheinander passieren kann, wie dies bei den anderen Planeten möglich ist. Das ist jeweils zur Tag- und Nachtgleiche, die Zeitpunkte liegen 42 Jahre auseinander. Zu jedem anderen Zeitpunkt kann eine Raumsonde nur einen Mond nahe passieren, die anderen sind immer weit entfernt. Man sieht dies anschaulich bei der Bahngeometrie, die die Voyager 2 Raumsonde hatte. Hier wären dann sogar mehrere Tochter-Raumsonden sinnvoll.<\/p>\nAbschätzung Datenrate<\/h3>\n
Kamera<\/h2>\n
![\"Vorbeiflug](\"\/img\/urnus-tochertsonde.png\")
Zuerst dachte nur an Batterien als einzige Quelle. Die Überlegung war, dass die Tochtersonde nur etwa einen Tag lang betrieben wird. Da reichen Batterien als Stromquelle, die bei kurzen Zeiten auch noch weniger wiegen als andere Alternativen: Lithiumionen- oder -polymerakkus haben Energiedichten von 120\/140 bis 210\/(260 Ah. GPS-RTG kommen auf 5,6 W\/kg. Junos Solarzellen nur 1,34 W\/kg \u2013 allerdings dauerhafte Leistung. Nach 30 Stunden überholen so Thermolemente Akkus, nach 120 Stunden auch Solarzellen. Bei einer genaueren Analyse sind Akkus dann doch nicht so gut:<\/p>\n![\"Jupter](\"\/img\/Jupiter-Tochtersonde.png\")
Telekommunikation<\/h3>\n