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New Horizons II

New Horizons II

Uranus aufgenommen mit dem Keck TeleskopIm Juni 2004 wurde vom den Projektleiter von New Horizons Alan Stern vorgeschlagen die Startgelegenheit im Jahre 2008 zu nutzen und einen Nachbau von New Horizons namens "New Horizons II" zu Uranus zu schicken, den die Sonde im September 2015 erreichen würde. Anders als Pluto wäre Uranus 7-8 Tage vor der Begegnung schon bildfüllend und über die Uranusmonde weiß man auch sehr wenig, Voyager 2 nur Ariel und Miranda nahe kam. Auch hier würde vorher Jupiter passiert werden, wodurch der wissenschaftliche Output noch weiter gesteigert werden könnte. Danach läge das Kuiper Objekt 1999 TC36 in der Bahn. Dies ist ein Planetoid von 600-700 km Größe mit einem etwa 200-300 km großen Begleiter (Mond). Ein zweites Ziel wäre der Planetoid 2002 UX25, ein etwa 840 km großer Planetoid.

New Horizons II wurde eigentlich durchdacht um ein Backup für die New Horizons Mission zu haben insbesondere, wenn deren Strom nicht mehr für eine sinnvolle Beobachtung eines KBO ausreicht oder sich keiner im Flugpfad findet der erreichbar ist. New Horizons könnte dagegen einen großen KBO direkt passieren (so wie New Horizons 1 Pluto) und danach noch weitere KBO besuchen. Allerdings gibt es für diese Mission noch die Möglichkeit bei einem frühen Start auch Uranus zu besuchen.

New Horizons II ist derzeit nur Idee, noch nicht einmal eine Machbarkeitsstudie. Es ist zu hoffen, dass die Sonde gebaut wird und so die Erforschung des äußeren Sonnensystems weiter vorangetrieben wird. Einen ersten Schritt dazu tat das Konzept, als es im September 2004 eine Befürwortung des Senats bekam. Es sprachen drei Gründe dafür: Zum einen ist die Sonde ein Backup für New Horizons, was die Erforschung eines KBO Objektes angeht. Nachdem dieser bei New Horizons I nur eingeschränkt oder eventuell gar nicht möglich sein wird (wegen der fehlenden RTG Pellets) bekommt die Mission sogar noch eine höhere Dringlichkeit.

Weiterhin erreicht Sie Uranus zu einem Zeitpunkt, an dem die Bahnebene der Monde und Ringe in einer Linie Sonne-Uranus liegt. Dies ist nur alle 42 Jahre für einige Jahre lang der Fall. Uranus hat eine Rotationsachse die um 98 Grad gegenüber der Senkrechten geneigt ist und damit um 8 Grad zur Ekliptik geneigt). Dadurch liegt die Rotationsachse praktisch in der Ekliptik und auf Uranus dauert ein Tag (definiert als den Zeitraum zwischen zwei Sonnenaufgängen) 84 Jahre. Die Sonne scheint also sehr lange auf den Nordpol wenn dieser auf die Sonne zeigt, im Laufe einer Rotation um die Sonne die 84 Jahre dauert dreht sich die ortsfeste Rotationsachse einmal um die Sonne. Das bedeutet: nach 21 Jahren scheint die Sonne direkt auf den Äquator und es herrscht Tag und Nachtgleiche (bei uns am 21.3 bzw. 22.9) nach weiteren 21 Jahren wird der Südpol direkt beleuchtet, das entspricht bei uns der Wintersonnenwende am 21.12., danach nach weiteren 21 Jahren wieder der Äquator und nach 84 Jahren erneut der Nordpol.

1966 lag zum letzten Mal der Äquator senkrecht zur Ekliptik, seitdem bekam die Nordhemisphäre immer mehr Licht und der Südpol lag in der Dunkelheit. Im Jahre 1987 lag der Nordpol voll auf die Sonne ausgerichtet und die südliche Hälfte von Uranus im Dunklen, seitdem dreht sich die der Planet wieder so, dass im Jahre 2008 der Äquator zur Sonne zeigt, danach zeigt der Südpol für 42 Jahre lang zur Sonne. Nur wenn der Äquator senkrecht von der Sonne beschienen wird, dann herrscht eine Beleuchtungssituation wie bei anderen Planeten: Uranus und die Monde rotieren innerhalb einiger Stunden oder Tagen um die Achse und dabei wird die ganze Oberfläche beleuchtet. Nur ist diese Bahnebene eben um 98 Grad zur Ekliptik gedreht.

Uranus VorbeiflugAls Voyager 2 im Jahre 1986 Uranus passierte wurde der Nordpol beleuchtet und die Bahnebene war so gedreht dass von der Sonde aus die Monde nicht nacheinander sondern nahezu zeitgleich passiert wurden. Sie war senkrecht zur Linie Sonne-Uranus ausgerichtet. So konnte nur einen Mond nah passieren. Dies war Miranda. Normal ist eine Passage mehrere Monde über mehrere Stunden. So kann die Sonde sich nach jedem Ziel neu ausrichten.

Im Jahre 2008 wird die Rotationsachse von Uranus in der Linie Sonne-Uranus liegen und eine Sonde könnte alle Monde nacheinander passieren, wie man dies bei den anderen Planeten kennt. Wenn New Horizons II im September 2015 Uranus erreichen würde liegt die Rotationsebene schon wieder schräg, aber noch wesentlich günstiger als bei Voyagers Vorbeiflug. Die gleiche Stellung wie bei Voyager wird im Jahre 2028 erreicht. Die nächste ideale Position wieder im Jahre 2049/50. Der Starttermin drängt also wie bei Pluto, wenn auch nicht in dem Maße, dass man 200 Jahre bis zur nächsten Startgelegenheit warten muss sondern nur etwa 35. Ein weiterer Punkt ist das diese Kantenstellung (für Uranus der Punkt der Tag und Nachtgleichheit) bedeutet, dass es die einzige Gelegenheit während 42 Jahren ist bei dem man die gesamte Oberfläche der Monde einsehen kann. Sie liegen dann so wie "normale" Monde, also in der Ekliptik. Danach kann man nur noch die Nordhalbkugel beobachten. Voyager hat bei seinem Vorbeiflug, der gerade zu dem Zeitpunkt der maximalen Sichtbarkeit der Nordhalbkugel stattfand nur die Südhalbkugel beobachten

Der dritte und wohl wichtigste Punkt: Da die Sonde ein Nachbau von New Horizons ist, müsste sie erheblich preiswerter als diese sein. Man rechnet mit 375 Millionen USD bis zum Start und 400-500 Millionen für die gesamte Mission. Soll die Sonde aber 2008-2009 gestartet werden, so muss die Entscheidung bald fallen. Man hat schon einige Trajektorien durchgerechnet:

Startdatum c3 [km/s] Ankunft bei Jupiter Minimaler Abstand Ankunft bei Uranus Minimaler Abstand KBO Datum
19.3.2008 102.6 12.8.2009 23.6 RJ = 71400 km 7.10.2015 2.36 RU = 25.559 km 1999 TC36 15.9.2020
19.3.2008 100.4 21.8.2009 26.8 8.5.2016 3.01 1999 TC36 24.10.2021
30.4.2009 141.3 6.6.2010 101.9 30.7.2016 2.23 1999 TC36 15.9.2021
30.4.2009 135.6 16.6.2010 119.4 22.5.2017 3.00 1999 TC36 8.4.2023
21.3.2008 114.0 3.7.2009 14.4 25.3.2014 1.31 2002 UX25 15.9.2020
20.3.2008 106.6 27.7.2009 19.4 13.1.2015 1.94 2002 UX25 15.7.2022
1.5.2009 149.8 24.5.2010 80.4 18.10.2015 1.85 2002 UX25 16.7.2023

Der Start am 21.3.2008 wäre sicherlich die beste Gelegenheit. Die Trajektorie braucht relativ wenigsten Energie (entsprechend einer Startenergie von 15.3 km/s) was eine preiswertere Version der Atlas (Version 401 reicht aus) oder Delta (Version Delta (4,2) M reicht aus) möglich macht und sie ist die schnellste Bahn mit großer Annäherung an Jupiter (bis auf 1028.160 km, also zwischen Europa und Ganymed) und Uranus (bis auf 8000 km an die Wolkengrenze). Die würde eine bessere Untersuchung von Jupiters Monden und allen Uranusmonden erlauben. Weiterhin würde man Uranus schon 2014 erreichen und auch die Passage von UX25 würde noch im Jahre 2020 erfolgen.

Sollte die Sonde das 2009 sich schließende Startfenster verpassen so könnte man über Jupiter die Sonde direkt zu einem PKB schicken. in diesem Falle würde New Horizons einen großen und zwei kleinere KBO's passieren.

Ein im Oktober 2005 veröffentlichter Report kommt leider zu einem schlechten Ergebnis. Die Sonde soll nur etwa 14-20 % weniger kosten als New Horizons I und nicht vor 2011 startbereit sein. Grund für beides soll das Plutonium für die RTG sein. Es soll zu lange dauern und zu teuer sein es zu produzieren (Siehe die Erfahrungen mit New Horizons 1). Die USA wollen derzeit wieder die Produktion von Plutonium 238 aufnehmen (die für New Horizons verwendete Menge stammt von Russland), doch dies dauert. Zwei Kernreaktoren produzieren lediglich 3-5 kg dieses Materials pro Jahr. Für einen RTG braucht man die Produktionsmenge von 2-3 Jahren. Die Aufarbeitung des 20 Jahren RTG würde 65-75 Millionen USD kosten, ein neuer RTG sogar 80-90 Millionen USD. Höhere Kosten verursacht auch die Trägerrakete. Da man Uranus nicht erreicht braucht man eine stärkere Trägerrakete. Das Panel ging von einer Atlas 551 mit Startkosten von 223 Millionen USD aus. Eine Atlas 521 wäre nur um 33 Millionen USD billiger, von denen aber wegen Modifikationen der Sonde nur 18 Millionen als Einsparungen übrig bleiben. Selbst eine einfache Stufe wie die Star 48 Oberstufe (PAM-D) wird mit 20 Millionen USD angesetzt.

Daher soll New Horizons II wesentlich teurer sein als angegeben. Man geht von Kosten von 623 Millionen USD aus. Eine neu konstruierte Sonde würde sogar 912 Millionen USD kosten. Die Einsparungen gegenüber New Horizons mit Kosten von 723 Millionen USD wären daher gering. Da wegen der ausufernden Shuttle Kosten die Finanzierung der NASA im Planetenprogramm derzeit rückläufig ist sieht es schlecht aus. Vor allem, da nach Angaben von Alan Stern, PI von New Horizons für einen Start 2009 die Finanzierung im Herbst 2005 beginnen müsste. Das liegt vor allem an den RTG, aber auch an Lockheed Martin. Will man eine Atlas als Träger benutzen, so müsste man 30 Monate vorher bestellen. Im NASA Budget 2006 und 2007 sind keine Mittel für die Mission vorgesehen, so dass ein Start vor 2010/11 nicht möglich ist.

Eine Alternative gibt es noch: Das Panel sieht Chancen für einen Vorbeiflug an Triton, da auch er wegen seiner ungewöhnlichen (retrograden) Bahn als eingefangener KBO angesehen wird. Bei einem Start im August 2012 könnte Triton 2023 mit einer Relativgeschwindigkeit von 10.5 km/s passiert werden und der KBO 1999 RZ253 im Jahre 2029. Ab 2010 steht Jupiter nicht mehr in einer günstigen Position um für Uranus oder Neptun als Sprungbrett zu dienen, wodurch die Reisezeit zwangsläufig länger ausfällt und man natürlich die Gelegenheit verpasst Jupiter zu beobachten. Doch da auch 2008 keine Finanzierung für dieses Projekt gab dürfte dies endgültig gestorben sein.

Warum es nichts wurde

Vordergründig waren der Grund für die negative Entscheidung gegen New Horizons II die Kosten. Das Sparpotenzial war zu gering. 14-20 % ist nicht viel. Das Kernproblem dabei ist, das bei diesen Missionen ins äußere Sonnensystemkostenfaktoren hinzu kommen die fix sind: Die Atlas 5xx Trägerrakete und die GPHS Stromversorgung. Beides wurde teurer in den letzten Jahren. Bei der Atlas durch die geringe Nachfrage nach den Trägern und bei den GPHS, da man nicht wie bisher mehr gefertigte Reserveexemplare von Cassini aufarbeiten kann. Dazu kommt die lange Missionsdauer die natürlich auch die Kosten hochtreibt. Im Vergleich zu einer neuen Raumsonde wäre New Horizons aber noch um 50 % billiger gewesen, doch eine solche stand nie zur Debatte.

Ist es ein großer Verlust gewesen? Ja und Nein. Ja, weil die Gelegenheit einmalig ist. Sie kehrt erst in 42 Jahren wieder. Nein, weil die Raumsonde nicht für Uranus konstruiert wurde. Die Erkundung der Monde hätte kaum gelitten, und dies war ja auch der Hauptzweck der Idee. Uranus wäre auf den LORRI Bildern aber genauso kontrastlos wie bei Voyager gewesen. Dazu hätte man eine Kamera gebraucht die im nahen Infrarot, z.B. im Methan Absorptionsband Aufnahmen machen kann. Lediglich Ralph hätte Strukturen auf Uranus abbilden können, doch Ralph hat nur ein Viertel der Auflösung von LORRI und wäre so erst einige Tage vor dem Vorbeiflug fähig gewesen gute Bilder anzufertigen.

Die Entwicklung von IR Kameras macht in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte. Dad gleich gilt für die RADAR Erkundung. Beide Verfahren könnten dazu führen, dass man in einer nicht allzu fernen Zukunft nicht mehr darauf angewiesen ist, dass die Sonne die Satelliten für uns beleuchtet. IR Kameras können die dunkle Seite abbilden, wobei man allerdings eine Wärmekarte erhält. RADAR erreicht heute schon Auflösungen von 1 m aus 800 km Entfernung. Eine Kartierung eines Mondes mit 100 m Auflösung könnte dann aus der relativ großen Entfernung von 80.000 km erfolgen. (New Horizons hat z.B. nur ein Viertel dieser Auflösung). Noch sind RADAR Geräte dieser Leistung sehr groß und brauchen viel Energie, doch man arbeitet schon an kleineren Geräten.

Es könnte daher sehr bald möglich sein, dass man nicht mehr auf Fluggelegenheiten wie die Tag und Nachtgleiche von Uranus warten muss. Insgesamt sehe ich aber auch Fehler beim Management von New Horizons. Man hat New Horizons II erst vorgeschlagen als man in der Endmontage von New Horizons I war. das war viel zu spät. Bei einem Starttermin schon 3 Jahre später war es praktisch unmöglich so schnell eine Finanzierung für den Zeitpunkt zu bekommen. Das ganze hätte parallel zur der Entwicklung von New Horizons I laufen müssen. Das hätte zum einen das nötige Zeitpolster geschaffen, zum anderen hätte es erlaubt die Instrumente so zu optimieren, dass sie auch für einen Uranusvorbeiflug gut geeignet sind.

Links:

Pluto Kuiper Express Daten vom NSSC

New Horizons Homepage

Geschichte der Pluto Projekte

New Horizons an der Uni in Boulder/Colorado

http://www.lpi.usra.edu/opag/nh2_final_report.pdf


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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