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New Horizons II zu Uranus

Vorbeiflug VoyagerEinleitung

In meinen Überlegungen für mögliche Raumsonden, lasse ich heute mal einen Blick auf den Uranus fallen. Uranus hat eine Besonderheit die ihn auszeichnet und die Missionen zu ihm schwierige macht: Seine Achsenlage. Ein Jahr vor dem Start der Raumsonde New Horizons machte Alan Stern den Vorstoß die Sonde als "New Horizons II" nachzubauen und zu Uranus und einem PKO zu schicken. Ich will erklären, was von dieser Idee zu halten ist.

Das Problem

Uranus Rotationsachse ist um 98 Grad geneigt zur Ekliptik. Das hat drastische Folgen. Bei unserer Erde, bei der dieser Winkel 24 Grad beträgt, verursacht die Neigung der Rotationsachse die Jahreszeiten. Nur am Äquator ist immer ein Tag gleich lang. Je weiter man polwärts kommt, desto länger wird ein Tag im Sommer und um so kürzer im Winter. Überschreitet man die Polarkreise so gibt es Tage im Jahr, bei denen die Sonne immer unter dem Horizont bleibt - die Polarnacht.

Man kann sich nun vorstellen, dass dies immer extremer wird und bei 90° Neigung erreicht es ein Maximum: Dann tauschen Tag und Jahr ihre Plätze: Die Sonne zieht über ein Jahr hinweg über den Himmel. Uranus Rotationsachse ist mit 98 Grad Neigung sehr nahe an diesem Extrem, so dass dies bei ihm gegeben ist. Auf Uranus ist also einmal der Südpol völlig der Sonne zugewandt, 21 Jahre später herrscht Tag und Nachtgleiche, weitere 21 Jahre Später ist es auf dem Südpol permanent Nacht und der Nordpol wird die ganze Zeit beleuchtet. Die erste Situation war gegeben, als Voyager 2 im Januar 1986 an Uranus vorbei flog. Die nächste Zeit der Tag und Nachtgleiche, ist im Dezember 2007.

Nun warum erwähne ich dies? Die Monde von Uranus umkreisen ihn in seiner Äquatorebene, machen also das gleiche Spiel mit. Nehmen wir mal an die Bahnebene der Monde wäre ein Teller, und eine Sonde eine Fliege die auf ihm landet oder ihn durchquert. Eine Sonde kommt aus der Ebene der Ekliptik. Bei allen anderen Planeten ist dies nun so, als würde die Fliege den auf dem Tisch liegenden Teller von einer Seite zur anderen Seite durchqueren. Dabei passiert sie nacheinander die Muster auf dem Teller (Monde) in unterschiedlichen Abständen.

Bei Uranus muss man sich den Teller nun hochkant vorstellen, so wie er in einem Geschirrständer steht. Je nach Jahreszeit auf Uranus gibt es die Extreme, dass der Teller wieder von der Seite passiert wird (nun eben um 90 Grad gedreht) oder die Fliege frontal auf die Oberfläche zufliegt wie ein Pfeil auf eine Dartscheibe. Das war z.B. gegeben als Voyager 2 den Uranus passierte. Das obige Bild zeigt zum einen die Beleuchtungssituation, wie auch die Grundproblematik die damals herrschte. Es war praktisch unmöglich mehr als einen Mond aus der Nähe zu fotografieren und sie konnte nur die Hälfte der Oberfläche der Monde erfassen.

Eine einmalige Gelegenheit.

Nun Uranus ist ein Planet ohne feste Oberfläche. Natürlich wäre es interessant zu sehen wie sich die Wolkenzirkulation verändert wenn sich die Jahreszeiten ändern. Doch wird man dies mehr und mehr auch von der Erde aus tun können. Das Bild hier stammt vom Keck II Teleskop, gemacht bei einer Wellenlänge von 1.6 Mikrometern. Die Auflösung liegt bei solchen Aufnahmen schon bei 500 km bei Uranus. Er ist also etwas über 100 Pixel im Originalbild groß. Techniken wie die Bündelung von mehreren Teleskopen beim VLT und geplante 20-30 m Teleskope sollten es ermöglichen, dass wir vom Uranus Aufnahmen bekommen, die Raumsonden aus größerer Entfernung nicht nachstehen. Viel bessere Aufnahmen über eine längere Zeit als einige Wochen wird nur ein Uranusorbiter liefern.

Die Monde werden aber immer nur kleine Lichtpunkte sein. Der größte von Ihnen ist mehr als 30 mal kleiner als Uranus. Im Dezember 2007 ist wieder Tag und Nachtgleiche auf Uranus - eine einmalige Gelegenheit, denn nun kann man mit einer Sonde die gesamte Oberfläche erfassen. Zu jedem anderen Zeitpunkt wäre sie immer teilweise im Schatten.

UranusDie nächste Gelegenheit dafür ist in 42 Jahren, also 2049. Die Konstellation ist unabhängig davon, ob man jemals in einen Uranusorbit einschwenken kann. Man könnte ja auf die Idee kommen dann dort mit RADAR die nicht einsehbare Oberfläche zu erkunden oder mit sehr empfindlichen CCD und Langzeitbelichtung die Rückseite der Monde im reflektierten Licht des Uranus aufzunehmen. Aber auch hier haben wir dasselbe Problem. Eine ankommende Raumsonde wird sich immer in der Ekliptikebene befinden, also 98 Grad zur Rotationsachse geneigt. Beim Einschwenken in die Umlaufbahn kann man diese Ebene leicht anpassen, aber um 98 Grad nur wenn die Relativgeschwindigkeit sehr gering ist. Eventuell wird dies mit Ionenantrieben einmal möglich sein. Heute ist es aber noch nicht möglich. Eine Sonde wird so ein polarer Satellit um Uranus werden und keinem der Monde sehr nahe kommen. Vor allem aber hat keiner der Monde so viel Masse, als dass er die Bahnebene drastisch verändern könnte. Und da die Monde nur dann vor der Uranusscheibe vorbeiziehen wenn Tag und Nachtgleiche ist, wird man auch nicht deren Rückseite im Gegenlicht von Uranus fotografieren können. Die Bildserie unten zeigt wie die Ringe immer mehr in den letzten Jahren zur Kantstellungen wandern. Die Monde umkreisen den Planeten in dieser Ebene.

Problem Mondumlaufbahnen

Die folgende Tabelle informiert über die wesentlichsten Eigenschaften der 5 größten Uranusmonde:

Name Durchmesser (km) Masse (kg) M Bahnradius (km) Umlaufzeit
Miranda 480×468,4×465,8 6,6×1019 129.390 1,413479 Tage
Ariel 1162,2×1155,8×1155,4 1,35×1021 191.020 2,520379 Tage
Umbriel 1169,4 1,17×1021 266.300 4,144177 Tage
Titania 1577,8 3,52×1021 435.910 8,705872 Tage
Oberon 1522,8 3,01×1021 583.520 13,463239 Tage
(Quelle: de.wikipedia.org)

Eine Raumsonde kann im Normalfall einen oder zwei Monde nahe passieren. Bei Voyager 2 zum Beispiel Miranda in 29000 km Entfernung und Ariel in 127000 km Entfernung. Von den anderen Monden gab es niedrig aufgelöste Aufnahmen, die schlechtesten von Umbriel aus 667000 km Entfernung. Wenn die Monde sich in der Ekliptik befinden sind die möglichen Abstande in denen sie passiert werden maximal so groß wie der Abstand zu Uranus und die Minimaldistanz der Sonde (Annahme der Mond steht genau auf der anderen Seite von Uranus. New Horizons könnte in jedem Falle bessere aufnahmen als Voyager gewinnen, da das Teleskop leistungsfähiger ist. Eine Sonde alleine könnte aber nicht alle 5 Satelliten aus der Nähe erkunden, sondern vielleicht zwei und die anderen drei aus größerer Distanz fotografieren. Die Bilder hier zeigen die besten Aufnahmen von Voyager 2 von Miranda, Titania, Umbriel, Ariel und Oberon. (Von Miranda ist es eine Weitwinkelaufnahme, die Telekameraufnahmen sind noch etwas besser). Es handelt sich um die Originalaufnahmen von Voyager 2, lediglich die Helligkeitswerte wurden besser über den gesamten Bereich gestreckt und die Fotos wurden mit einer unscharfen Maske vom Radius 2 nachgeschärft.

New Horizons II - Chancen und Mängel

MirandaDie Designvorgabe von New Horizons war es eine Raumsonde für einen Pluto Vorbeiflug zu bauen, die später auch noch einen KBO (Kuiper Belt Objekt), also einen Plutoiden passiert. Zwar nutzt New Horizons Jupiter als Sprungbrett, doch die Mission wurde auch so entworfen, dass es ohne Jupiter geht. die gesamten Instrumente sind auf jeden Fall für eine nahe Passage eines kleinen Himmelskörpers ausgelegt. Nicht für eine Beobachtung eines Gasplaneten über längere Zeit.

Die großen Bordspeicher von New Horizons (64 GBit, jeweils mit einem Backup) erlauben es sehr viele Daten rund um den Vorbeiflug zu speichern. Anders als bei Pluto hat man in der geringeren Distanz bei Uranus auch die Möglichkeit diesen Datensatz ganz zu übertragen.

Der Flug von New Horizons II zu Uranus

Die folgende Tabelle informiert über einige von Alan Stern erwähnte Bahnen zu Uranus, die auch die Möglichkeit offen lassen, danach noch einen der Plutoiden zu erreichen. Wie bei New Horizons wird Jupiter als Sprungbrett genutzt.

 
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

titaniaDer Start am 21.3.2008 wäre sicherlich die beste Gelegenheit. Die Trajektorie braucht relativ wenigsten Energie (entsprechend einer Startenergie von 15.3 km/s von der Erdoberfläche aus) 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.

UX25 ist ein 910 km großer Plutoid, der nach neuesten Beobachtungen von einen etwa 200 km großen Mond umrundet wird.

Uranusbeobachtungen - Was ist möglich und was nicht?

New Horizons war für eine Datenrate von 38.9 Kbit/s bei Jupiter gebaut. Bei der geplanten Passage an Uranus sollte diese auf 2.500 Bit/s zurückgegangen sein. Das ist zwar noch deutlich mehr als bei Pluto (600-1200 Bit/s) aber für ausgedehnte Beobachtungen über Wochen doch recht wenig. Die Übertragung des gesamten Datenmaterials von 64 GBit würde bei 8 Stunden Senden am Tag z.B. so über 850 Tage dauern. Neben der Datenreduktion z.B. senden der Fotos in der DCT (diskrete Cosinus Transformation) Kompression wie bei JPEG gibt es noch die Möglichkeit den Sender durch einen leistungsfähigen auszutauschen. New Horizons startete mit einem nur teilbestückten RTG. Ein vollbestückter RTG würde etwa 40 Watt mehr beim Start abgeben, genug für einen 20 anstatt 10 Watt Sender (Hinweis - Die Sendeleistung beträgt in der Regel nur die Hälfte der Aufnahmeleistung). Das Team von New Horizons hat bei den Tests zu Jupiter auch Tests der Datenrate gemacht, und festgestellt, das bei Jupiter die Datenrate um den Faktor 1.5 bis 2.0 größer ist. Verbesserungen auf der Erde sollen auch bei Pluto mindestens den Faktor 2 ergeben, so dass man von 5.200 Bits/s ausgehen kann und einer Übertragung des gesamten Speichers von 64 GBit mit der Kompression 2.0 (verlustfrei) in 215 Tagen und bei Kompression 8 (verlustbehaftet) in 53 Tagen.

Üblicherweise beginnen die intensiveren Beobachtungen wenn der Planet 200 Pixel groß ist. Das wäre bei der LORRI Kamera in 51.2 Millionen km Entfernung, bei MVIC in 12.7 Millionen km Entfernung und bei LEISA erst in 4.3 Millionen km Entfernung der Fall (Bei LEISA wird wegen des kleinen Gesichtsfelds aber die Beobachtungen schon früher beginnen).

Das Blickfeld der Kamera füllt Uranus bei LORRI in 10.2 Millionen km Entfernung, Ralph erst in 512000 km Entfernung (wegen der Breite von 5000 Pixels für eine Scanzeile) und bei LEISA in 3.22 Millionen km Entfernung. Bei einer mittleren Geschwindigkeit von 15 km relativ zu Uranus ist dies 2.5 bis 7.9 Tage vor der Ankunft. Die ersten Bilder von LORRI wird es sogar 40 tage vor der Ankunft geben. Das ist ein großer Unterschied zu der Pluto Begegnung bei der alle Daten praktisch innerhalb weniger stunden gewonnen werden, da Pluto 24 mal kleiner als Uranus ist.

UmbrelSicherlich wird man einen großen Teil der Daten zwischenspeichern, doch ergänzen sollte man dies durch Übertragung eines Teils der Daten, auch weil man genügend Zeit hat um z.B. kurzzeitige Phänomene, wie einen Sturm genauer zu untersuchen und das Beobachtungsprogramm so von Tag zu Tag anzupassen.

Die Uranusmonde kann man mit mindestens 2.5 km/Pixel erfassen. Von zweiten wird es sicherlich hochauflösende Aufnahmen geben. Die 64 GBit Datenspeicher reichen für:

Die großen Datenmengen von Ralph und LEISA kommen dadurch zustande das Ralph 5000 Pixels in 4 Farben abdeckt. Da das Gesichtsfeld von RALPH aber auch 5.7 Grad beträgt wird Uranus erst am Vorbeiflugtag bildfüllend sein. Vorher benötigt man einen kleineren Ausschnitt und so wird es in der Praxis mehr Bilder geben.

LEISA hat zwar nur 256 Pixels in einer Zeile, aber liefert für jedes Pixel 256 Spektralwerte. In der Realität hat ein Kubus dann 16 Millionen Einzelwerte, also so viele wie 16 LORRI Bilder. Das Gesichtsfeld ist mit 0.9 Grad kleiner als bei Ralph, so das LEISA die meisten Daten liefern wird. Eine Ausweitung der Datenspeicher macht wenig Sinn, da wie schon erläutert man mehr als 6 Monate brauchen würde um nur die derzeitigen Daten zu übertragen. Sinnvoll ist es aber die Daten vorzuverdichten. Das bedeutet dass man unwichtige Teile weglässt. Uranus ist z.B. bei Beginn der Beobachtungen nur 200 Pixels groß. Er macht also nur 1/25 des gesamten Bildes aus. Die Monde sind noch kleiner, zwischen 2x2 und 7x7 Pixel. Man kann daher anstatt einem kompletten Bild die Position solcher Blöcke im Bild und dann die Blöcke speichern.

Gegenüber Voyager ist die Empfindlichkeit des Equipments sehr verbessert worden. Es reicht eine Belichtungszeit von 0.05 Sekunden. Bei Voyager waren es noch 1.44 Sekunden. Probleme mit Verwacklern sind daher geringer. Weiterhin haben die CCD einen größeren Dynamikbereich und sollten gleichzeitig Aufnahmen der ringe anfertigen können, ohne das Uranus überbelichtet ist.

ArielDie Aufnahmen der Uranusringe, hier vor allem die viel höhere räumliche Auflösung in den letzten Tagen vor dem Vorbeiflug (verglichen mit der Erde) sind sicher das Highlight der Mission. Nach dem Vorbeiflug erscheinen die Ringe im Gegenlicht und leuchten auf. Weiterhin gibt es die gute Gelegenheit anders als bei Voyager auch ihre chemische Zusammensetzung zu ermitteln. Was fehlt ist ein Photometer, welches nach der Passage die Ringe zählen und ihre optische Dicke messen kann. Doch dazu könnte man auch ALICE missbrauchen.

Ich würde, da man bislang gute Fotos von Miranda und Ariel seitens Voyager 2 hat die Sonde nahe an Umbriel und Oberon vorbeiführen, die man von Voyager nur in mäßiger Auflösung erfasst hat. Die folgende Tabelle Informiert über die mögliche Mindestauflösung und Maximalauflösung unter Annahme einer Vorbeiflugdistanz von 20.000 km an Umbriel und 150.000 an Oberon. Bei den anderen Monden wurde angenommen, das sie in maximaler Distanz zur Sonde bei Passage des uranusnächsten Punktes sind. (Annahme Passage mit 15 km/s relativ zu Uranus).

Name Voyager Bilder abgewandte Hemisphäre zugwandte Hemisphäre min Distanz
Miranda 0.27 km 4.6 km 0.41 km 82.200 km
Ariel 1.20 km 8.0 km 0.78 km 157.480 km
Umbriel 3.1 km 13.2 km 0.1 km 20.000 km
Titania 4.4 km 27.8 km 2.1 km 404.000 km
Oberon 3.4 km 43.0 km 0.5 km 150.000 km

Auch bei einem Vorbeiflug zum Zeitpunkt der Tag und Nachtgleiche wird man nicht vermeiden können, das man nur eine Hemisphäre mit hoher Auflösung erfasst und die andere nur in grober Auflösung. Immerhin kann man sie aber erfassen. Bei Voyager lag eine Hemisphäre permanent im dunkeln. Es gibt noch bei den uranusnahen Monden Miranda und Ariel die kleine Chance, das Uranus die andere Hemisphäre beleuchtet, wenn die Monde genau zwischen Uranus und Sonde sind. Diese "Uranusscheinaufnahmen" sind zwar schwierig, doch technisch möglich. so machte auch Cassini Aufnahmen der Saturnmonde, ja sogar von Iapetus, der sehr weit von Saturn entfernt ist, weiter als jeder Uranusmond.

Von jedem Uranusmond kann man aber (mit Ausnahme von Miranda) bessere Aufnahmen anfertigen als sie Voyager konnte. Miranda hätte etwa 3-4 Fotos für eine Kartierung erforderlich gemacht. Ariel 4, Titania nur eines. Für Oberon hätte man 16 Fotos gebraucht und für Umbriel über 200. Von Vorteil ist auch die höhere Datenrate zum Massenspeicher bei New Horizons im Vergleich zu Voyager. Ein Foto ist so in 1 Sekunde abgespeichert, anstatt 48 Sekunden wie bei Voyager 2. Jedoch sind die Kameras fest an der Sonde angebracht, was die Anfertigung von Fotomosaiken erschwert, da man dazu jedes Mal die ganze Sonde drehen muss.

OberonDie gesamte Kampagne dürfte sich in folgende Phasen gliedern:

Für die Übertragung der Daten sind 6 Monate angesetzt, eine Dauer die auch bei Pluto zur Verfügung steht. Bei 5200 Bit/s muss man dann die Daten durchschnittlich um den Faktor 2.55 komprimiert werden, um dies zu ermöglichen. Ein etwas stärker Sender als ihn New Horizons hat würde eine verlustfreie Kompression um den Faktor 2 ermöglichen. Zu diesen 64 GBit kommen noch 28 GBit, die während der 80 Tage in denen Uranus beobachtet wird übertragen werden.

Im Vergleich zu Pluto könnte man deutlich mehr Daten gewinnen, vor allem auch weil man Uranus über mehr als 2 Monate beobachten kann. Dazu kommen noch die Daten von Jupiter. Zu Jupiter ist ja keine weitere Mission geplant, die Fernerkundung betreiben soll (an Bord der Raumsonde Juno wird sich lediglich eine kleine experimentelle Kamera befinden). Die Passage von Jupiter in 1.028 Millionen Km Entfernung lässt anders als bei New Horizons nahe Vorbeiflüge an Kallisto und Ganymed zu und immerhin noch gute Aufnahmen von Europa. Gegenüber New Horizons würde die Sonde 2 mal näher sich Jupiter nähern und die aufnahmen der Monde würden erheblich besser werden.

Schlussendlich gibt es natürlich noch die Chance im Jahr 2020 den Plutoiden UX25 zu untersuchen, damit gäbe es nach Pluto und Charon einen dritten Körper dieses Systems den man genauer kennt.

Das Ende von New Horizons II

Der Vorschlag für New Horizons II wurde von einer Kommission untersucht. Sie sprach sich aber gegen das Projekt aus. Der primäre Grund war, dass die Einsparungen gegenüber New Horizons je nach Startkonfiguration nur zwischen 14 und 20 % lagen. Das lag an mehreren Punkten. Zum einen ging die Planung immer noch von den großen Trägerraketen Atlas 521 und 531 aus (da man auch andere Konfigurationen untersuchte und erst später sich entscheiden wollte wohin die Sonde geht). Zum anderen sind die kosten für die nukleare Energieversorgung durch Einstellung der Plutoniumproduktion stark angestiegen. Diese beiden Punkte machten alleine 50 % der Gesamtkosten aus, so das ein Nachbau der Sonde alleine kein großes einsparpotential mehr hat. Immerhin wäre eine neue optimierte Raumsonde noch um ein Drittel teurer gewesen. Es gab allerdings in dem damaligen Etat kein Budget für eine weitere, 623 Millionen Dollar teure Sonde innerhalb des gewünschten Zeitrahmens.

Ich glaube man hat sich auch zu spät um New Horizons gekümmert. Der Vorschlag kam erst im Sommer 2005 vor, als man New Horizons weitgehend fertigstellt hatte. Da der Start schon 3 Jahre später stattfinden sollte und mindestens 1 Jahr bis zur Bewilligung der Sonde vergehen hat man wertvolle Zeit verstreichen lassen. Man hätte die Sonde ende 2003/Anfang 2004 vorschlagen sollen. Es gab dann noch einige Ideen die Sonde zu anderen Zielen, wie dem Neptunmond Triton zu senden, doch die finanzentwürfe für den 2007 er Etat zeigten sehr deutlich, dass die NASA ihr planetares Forschungsprogramm in den nächsten Jahren einschränken muss, um Mittel für die Rückkehr zum Mond freizusetzen.


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