{"id":15562,"date":"2021-10-02T08:30:35","date_gmt":"2021-10-02T06:30:35","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=15562"},"modified":"2022-02-12T19:12:14","modified_gmt":"2022-02-12T18:12:14","slug":"koennte-juice-mit-ionenantrieb-zum-jupiter-gelangen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2021\/10\/02\/koennte-juice-mit-ionenantrieb-zum-jupiter-gelangen\/","title":{"rendered":"Könnte JUICE mit Ionenantrieb zum Jupiter gelangen?"},"content":{"rendered":"
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Ich arbeite gerade an einem Artikel über die ESA-Raumsonde JUICE. Wie die NASA Mission zu Jupiter, Europa Clipper, gelangt sie durch zahlreiche Swing-By Manöver, vor allem an der Erde, zu Jupiter. Der Grund ist relativ einfach: es gibt keine Trägerrakete, die verfügbar ist, welche die Sonde direkt zu Jupiter befördern könnte. Die Reise dauert aber lange, mindestens 7,6 Jahre, soll zudem, wie ich einer neueren Veröffentlichung entnehme, der Start von Mai\/Juni 2022 auf September\/Oktober 2022 verschoben werden, so könnten es sogar zwei Jahre mehr sein, da man so das optimale Startfenster verpasst.<\/p>\n

Ich will in diesem Blog erkunden, ob es nicht auch mit meinem Lieblingsantrieb, dem Ionenantrieb ginge und wenn möglich schneller. \u201eErkunden\u201c, weil ich den Blog parallel zum Rechnen schreibe, also jetzt am Anfang noch nicht weiß, wie es ausgeht.
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Datenlage<\/h3>\n

Leider gibt es bei der ESA Raumsonde JUICE relativ wenige Daten vor der Mission über den genauen Missionsverlauf. Im Red Book, der Vorlage für die Mission der JUICE Sonde, geht man im Jupitersystem von einem benötigten \u0394v von knapp 1700 m\/s aus. Nach Informationen von Astrium ist das \u0394v Vermögen des Antriebssystems aber 2800 m\/s. Ich vermute ein Großteil der Differenz wird für Deep Space Manöver benötigt. Vereinfacht gesagt, muss jeder Swing-By die Sonde ja wieder zu einem neuen Swing-By-Ziel bringen und will man nicht lange warten, bis man einen Resonanzorbit durchlaufen hat, muss man den Kurs zwischen durch leicht ändern. Die meisten neueren Raumsonden führten solche Deep Space Manöver durch, so auch Cassini<\/a> und Juno<\/a>, die schon so den Jupiter relativ schnell erreichten. Ich bin davon ausgegangen, dass die Sonde nur 2000 m\/s im Jupitersystem benötigt, der Rest von 800 m\/s für Deep Space Manöver benötigt wird. Weiterhin offen sind die Start- und Trockenmasse von JUICE. Das Red Book nennt 1,8 t Trockenmasse und 4,8 t Startmasse. Inzwischen scheint die Sonde schwerer geworden zu sein und nun je nach Quelle zwischen 5,2 und 5,5 t beim Start wiegen. Die Trockenmasse soll inzwischen bei rund 2.000 kg liegen. Ebenso sind die genauen Massen des Antriebsmoduls nicht bekannt. Ich bin im Folgenden von einem Voll-\/Leermasseverhältnis von 6 des reinen Antriebs ausgegangen, demselben wie beim Antriebsmodul von Galileo.<\/p>\n

Optionen<\/h3>\n

Ich gehe nicht davon aus, dass man von einem LEO aus startet, vielmehr davon, dass man die Sonde mindestens auf eine Fluchtbahn mit einer Ariane 5 ECA befördert. Alles andere hätte eine komplette Neuentwicklung der Raumsonde nötig gemacht. So gehe ich aber von folgendem Ansatz aus: Damit die Sonde bei Jupiter mit rund einem Dreißigstel der Sonneneinstrahlung in Erdnähe betrieben werden kann, hat sie große Solarzellenflächen mit einer Fläche von 85 m\u00b2. Da man spezielle Solarzellen braucht, die strahlenresistenter als normale Solarzellen sind und bei tiefen Temperaturen noch funktionieren, kann man nicht die Leistung von Solargeneratoren für große Satelliten ansetzen. Ich habe mit daher mit der elektrischen Leistung von Juno verglichen. Juno hatte 45 m\u00b2 Fläche mit einer Leistung bei Missionende von 412 Watt. Bei JUICE sind zu Missionsende mit 820 Watt fast doppelt so viel und auch die Fläche ist mit 82 zu 45 Quadratmeter fast doppelt so hoch. Das lässt den Schluss zu, dass sich auch die Leistung pro Fläche nicht so unterscheidet. Und man kann von den 18 kW Leistung von Juno bei der Erde auf 34 kW bei JUICE hochrechnen. Vergleicht man mit der Raumsonde Lucy, die zwar nicht zu Jupiter gelangt, aber bis in diesselbe Entfernung zu den Trojaner-Asteroiden, dann wären es (51 m\u00b2 Fläche, 18 kW bei der Erde) 29 kW.<\/p>\n

Das ist mehr als genug Strom um mehrere Ionentriebwerke der 4 bis 7 kW Klasse parallel zu betreiben. So benötigt man eigentlich nur noch die Triebwerke selbst und den Treibstoff. Ich bin von einem Voll-\/Leermasseverhältnis von 10 bei dem Druckgastank ausgegangen, das entspricht dem Verhältnis der CFK-Druckgastanks für Helium bei der Ariane 5, nur gefüllt mit Xenon. Dawns Tank liegt mit einem Verhältnis von 17 noch erheblich besser, das liegt wohl daran, dass die Tanks von Ariane 5 älter sind und Helium besser abgeschirmt werden muss, da es als kleines Molekül leichter durch die Hülle diffundieren kann.<\/p>\n

Zum Gewicht der Sonde mit dem chemischen Treibstoff kommt so nur noch der Ionenantrieb und die Tanks mit Treibstoff, wie viel Treibstoff und Tanks wiegen habe ich offen gelassen, da ich den Geschwindigkeitsbedarf nicht kenne, doch benötigt man mehr Treibstoff, so sinkt einfach die nutzbare Masse.<\/p>\n

Von den Bahnen her gibt es drei Optionen:<\/p>\n