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Konzept für eine Uranus und Neptun Flyby Sonde

Einleitung

Uranus und Neptun sind mit der heutigen Technologie auf Basis von chemischen Treibstoffen schwer erreichbar, und Orbiter um diese Planeten sind zwar technisch möglich, aber äußerst riskant. Die Abbremsung mit einem chemischen Triebwerk alleine scheitert an dem hohen Treibstoffbedarf. Möglich erscheint heute nur ein "Aerocapture Manöver", bei dem die Raumsonde in die äußere Atmosphäre des Planeten eintritt. Das ist riskant. Zum einen wissen wir heute noch zu wenig über die Atmosphären von Uranus und Neptun, um die genaue Route festzulegen. Schließlich geht es um nicht um die Abbremsung um 10 m/s wie sie bei den Marsorbitern beim Aerobraking pro Umlauf üblich ist, sondern um mehrere Kilometer pro Sekunde - wird zu wenig Energie vernichtet, so erreicht die Sonde keine Umlaufbahn. Bei zu viel ist sie zu niedrig und kann durch das anschließende Manöver zur Anhebung der Bahn (sonst würde die Sonde nach einem halben Umlauf erneut in die Atmosphäre eintreten) nicht mehr in eine sichere Höhe gebracht werden. Von der Belastung des nötigen Hitzeschutzschildes (die Energie liegt in der gleichen Größenordnung wie bei einer Rückkehr vom Erdorbit aus) ganz zu schweigen. Das Risiko, dass die Sonde verglüht, die falsche Umlaufbahn erreicht, ist hoch und das ganze Manöver ist auch noch unerprobt und sollte vielleicht zuerst mit einer Testsonde an Jupiter erprobt werden.

Daher sehe ich für beide äußere Planeten in den nächsten Jahrzehnten nur die Möglichkeit einer Erkundung durch Vorbeiflugsonde. Das ist natürlich bei den heutigen Kosten für eine solche Sonde nicht sehr attraktiv. Ich habe die Attraktivität durch eine Atmosphärenkapsel, die beim Abstieg die Atmosphäre untersucht gesteigert. Weiterhin können diese Kapseln die nötigen Basisdaten gewinnen, die benötigt werden, wenn dann weitere Sonden die Aerocapturetechnik einsetzen.

Konzeption

Uranus und Neptun sind zwar mit den leistungsstärksten Trägerraketen auch ohne Fly-By erreichbar. Die Nutzlast kann jedoch beträchtlich gesteigert werden, wenn eine Raumsonde vorher Jupiter passiert. Zugleich senkt dies die Reisedauer. Die Umlaufdauer beider Planeten ist so lang, dass Startfenster von Ihnen praktisch von Jupiter bestimmt werden und alle 12-13 Jahre vorliegen. Es gibt dann jeweils vier Jahre in denen eine Raumsonde von Jupiter umgelegt werden kann, was einen komfortablen Planungshorizont ergibt, da eine Startverschiebung dann im nächsten Jahr nachgeholt werden kann.

Die Passage an Jupiter erlaubt als Nebeneffekt eine sehr ausgehende Studie dieses Planeten. Weiterhin bietet sich je nach Startfenster die Möglichkeit auch einen oder mehrere der galileischen Monde nahe zu passieren. Deren detaillierte fotografische Erkundung durch Galileo litt an der ausgefallenen HGA, wodurch nur wenige Bilder gewonnen wurden. Seitdem passierte keine Raumsonde mehr einen der vier großen Jupitermonde nah. Die Möglichkeit vor allem die mittelauflösende Kartierung nachzuholen, die bei Galileo wegfiel, ist dabei besonders hervorzuheben. Denkbar ist auch eine weitere Kapsel mitzuführen, die in die Jupiteratmosphäre eintritt. Damit gäbe es dann nur von Saturn keine in Situ Atmosphärendaten.

Die Geschwindigkeit zum Jupiter ist absenkbar, wenn man mehrfache Vorbeiflüge an Erde und Venus, sogenannte VEGEA Trajektorien anvisiert. Wie günstig diese sind, hängt von der Umlaufbahn ab. Galileo machte vier Vorbeiflüge an Venus und Erde und benötigte 6,5 Jahre vom Start bis zur Ankunft bei Jupiter. Bei Cassini waren es nur noch drei und die Raumsonde brauchte 3,3 Jahre um zu Jupiter zu gelangen. Das ist nur ein Jahr länger als auf einer Bahn mit minimaler Startenergie.

Sehr häufig gibt es Bahnen bei denen man Venus und Erde kurz hintereinander erreichen kann. Da jeder Himmelskörper etwa 3-4 km/s an Geschwindigkeit addiert kann auch eine Alternative sein, nur die Venus und die Erde zu passieren und den Rest durch eine Zündung eines Antriebs bei einem der beiden Vorbeiflüge aufzubringen. Die Minimal Energie zu Jupiter relativ zur Sonne beträgt 8,7 km/s. Erreicht man 7 km/s durch zwei Vorbeiflüge, so bleiben 1,7 km/s, die man durch einen verhältnismäßig kleinen Antrieb erreichen kann, wenn man ihn bei dem planetennächsten Punkt zündet. Bei der Erde würde z.B. eine Beschleunigung um 131 m/s in 500 km Entfernung bei einer Geschwindigkeit von 11 km/s ausreichen um die Sonde um 1,7 km/s schneller zu machen.

Startfenster

Es fehlt mir die Möglichkeit detaillierte Startfenster zu berechnen. Ich stütze mich daher auf einen Aufsatz über Vorbeiflugsonden zu Uranus bis Neptun von Longuski und Williams. Er untersuchte Fluggelegenheiten zwischen 1967 und 2037. Es gibt dabei auch zwei 3-Planeten Vorbeiflugmöglichkeiten:

Zeitraum passierte Planeten Reisezeit
2016 - 2019 Jupiter- Saturn - Neptun 2500 Tage (7 Jahre)
2021 - 2023 Jupiter - Uranus - Neptun 6500 Tage (18 Jahre)
     

Die zweite Möglichkeit mit einer Sonde alle drei Planeten zu besuchen würde ich wegen der langen Missionsdauer von 18 Jahren ausschließen. Doch auch so gibt es zwischen 2017 und 2023 insgesamt fünf Gelegenheiten zu einer Jupiter-Uranus Mission mit Flugzeiten von 1600 bis 2300 Tagen (4,4 bis 6,3 Jahre). Drei Startgelegenheiten zu einem Jupiter-Uranus-Neptun Trip, die es 2008 gab, mit Flugzeiten zwischen 4500 und 5000 Tagen wurden leider verpasst.

Eine Nebenbedingung für alle Bahnen war eine Endgeschwindigkeit nach Verlassen der Erdgravitation von 12 km/s. Das entspricht 16,3 km/s. Damit ist die Nutzlast beschränkt. Die Atlas 551 mit einer PAM-D kann nur 690 kg auf eine solche Geschwindigkeit bringen. Daher habe ich noch eine zweite Möglichkeit eingeplant: Einen Erdvorbeiflug. ein Erdvorbeiflug verlängert die Missionsdauer um 3 Jahre, reduziert aber die Startgeschwindigkeit von 16,3 auf 13 km/s.

Die Raumsonde erreicht zuerst einen 149,5 x 473 Millionen km Orbit, für den eine Abfluggeschwindigkeit von 13,05 km/s nötig ist. Diese Bahn hat eine Umlaufszeit von 3 Jahren, führt also nach drei Jahren zur Erde zurück, wo dann rund 3,3 km/s addiert werden können. Da dies recht viel ist, gibt es als Alternative noch eine 149,5 x 604 Millionen km Bahn mit einer Startgeschwindigkeit von 13,58 km/s. Sie hat eine Umlaufsdauer von 4 Jahren. Eine Falcon 9 mit einer zusätzlichen Star 37FP Oberstufe kann rund 1060 kg auf diese Geschwindigkeit bringen und kostet nur rund 70 Millionen Dollar.

Aufbau der Atmosphärensonden

Für den grundsätzlichen Aufbau kann die Galileo-Eintauchprobe verwendet werden. Die Geschwindigkeit beim Auftreffen auf die Atmosphäre ist allerdings geringer und liegt bei nur maximal 29 km/s anstatt 48 km/s. Dadurch kann der Hitzeschutzschild kleiner ausfallen. Er machte bei Galileos Sonde mit 145 kg beim unteren Schild fast die Hälfte der Sondenmasse aus. Das eingesparte Gewicht kann leistungsfähigeren Instrumenten zugute kommen. Die Instrumente sollten, Druckprofil, Temperatur, Zusammensetzung der Atmosphäre messen, dazu kommen noch Untersuchungen der Winde, Strahlungsabgabe und Blitze.

Neu sollten drei Experimente sein, die vor dem Atmosphäreneintritt aktiv sind:

Kameras:

Dieses Experiment will ich erläutern. Die Verwendung einer Hochgewinnantenne beim Orbiter erlaubt es wesentlich höhere Datenraten zu übertragen als bei Galileo, dazu kommt eine niedrigere Distanz zu der Atmosphärensonde. Galileo musste wegen dem Strahlungsgürtel über 213.000 km von der Tochtersonde entfernt bleiben.  Dies sollte auch ausgenutzt werden um Aufnahmen zu übermitteln. Zum einen von Uranus und Neptun vor dem Eintritt. Zum andern erlaubt der von der Hauptsonde unterschiedliche Kurs es die Eintauchsonde an einem der Monde nahe vorbeizuführen. Bei Uranus ist bedingt durch die Lage der Rotationsachse in der Ekliptik nur einer der fünf Monde nahe passierbar. Bei Neptun gibt es neben Triton als Hauptziel noch Proteus als Mond von rund 200 km Größe als sekundäres Ziel.

Daher befinden sich an der Seite der Kapsel (zwischen vorderem und hinterem Schutzschild) sechs Kameras dazu kommen weitere auf dem vorderen Schutzschild, die durch Kabel mit dem Inneren verbunden sind. Da die Kapsel ungesteuert ist, sind so viele Kameras notwendig. Jede hat ein Blickfeld von 60 Grad (entspricht einem Normalobjektiv) und daher sehr leicht. Es könnten Konstruktionen wie die MARDI Kamera zum Einsatz kommen die nur 500 g wiegt. So decken die fümf Kameras im vorderen Teil die vorderen 180 Grad ab, dazu kommt ein Ringe an der Seite.

Jede ist verbunden mit einem KAF 16081 CCD Chip. Dieser Sensor hat 4096 x 4096 Pixel. Das entspricht bei dem Gesichtsfeld von 60 Grad einer Auflösung von 53 Bogensekunden. Die hohe Pixelzahl ist notwendig, um auch bei einem kleinen Objekt eine mittelhohe Auflösung zu erreichen. Passiert die Sonde einen Mond in 10.000 km Entfernung so beträgt die Auflösung nur 2,6 km. Selbst Oberon und Titania als größte Uranusmonde haben dann nur einen Durchmesser von 600 Pixel, werden also nicht wesentlich besser als von Voyager abgebildet. Übertragen werden daher nur die Bereiche, auf der Mond erkennbar ist. Das kann eine Software leicht feststellen, indem sie vor der Übertragung jeweils die erste/letzte Zeile und erste/letzte Spalte ermittelt in denen mehr als zwei Pixel nebeneinander einen bestimmten Helligkeitswert überschreiten. Wenn die Sonde in die Atmosphäre eintritt wird man die Pixels zusammenfassen, also binnen. So kann man dann nur 512 x 512, 682 x 682 oder 1024 x 1024 Pixel übertragen.

Eine Alternative ist es wie in Digitalkameras ein Zoomobjektiv einzusetzen. Heutige Digitalkameras haben Zoomobjektive bis zum Faktor 21 bei einem Gewicht unter 0,5 kg.  Der CCD Chip muss dann deutlich kleiner sein, da er erheblich lichtempfindlicher sein muss. Beim gängigen 1/1,8" Format ist ein Chip 7,2 x 5,3 mm groß. Bei 9 µm Pixelgröße sind dies 600 x 800 Pixel. Ein Zoomobjektiv mit dem Faktor 20 weist dann eine Auflösung von 13,5 Bogensekunden auf. Das sind 650 m aus 10.000 km Entfernung. Hier kommt außer dem Motor für das Zoomobjektiv noch ein zweiter hinzu, der das Objektiv dorthin dreht wo das Objekt sich befindet. In der Summe wird es aber dann mechanisch sehr aufwendig und anfällig. Daher habe ich mich für das Fixfokusobjektiv entschieden.

Die Datenrate beträgt bei einem 5 Watt Sender zu einer 4,6 m HGA bei der Hauptsonde noch 90 kbit (aus 100.000 km Entfernung). Bei Einsatz einer Mittelgewinnantenne mit 30 Grad Öffnungswinkel als Empfänger sind es noch 9 kbit/s. Geht man von einer Zwischenspeicherung von Bildern des Mondes an Bord aus und einer Sendedauer von 1 Stunde so ist bei einer JPEG-komprimierung von 1/10 und durchschnittlich 800 x 800 Pixel pro Bild aus, so können bei 9 kbit/s rund 63 und bei 90 Kbit rund 630 Bilder übertragbar. Ein Teil stammt vom Mond, ein Teil vom Planeten.

In der Atmosphäre kann man auch Bilder übertragen, schließlich sinkt die Sonde über eine Stunde nach unten, bis Temperaturen und Druck sie ausfallen lassen. Zwar haben die Planeten keine Oberfläche, doch wird man Wolkenformationen erkennen können. sind dies weitere 64 bzw. 630 Bilder so reicht dies für 9 Ausblicke jeweils 6 Bilder um die Sonde und eines zum Boden von 800 x 800 und (bei hoher Datenrate) 2500 x 2500 Pixeln.

Vorbeiflugsonde

Es bietet sich an, eine schon bestehende Vorbeiflugsonde erneut zu verwenden um das Kostenrisiko zu begrenzen. Die einzige Sonde ins äußere Sonnensystem die in den letzten Jahren startet,e war New Horizons. Die Einschränkungen die New Horizons für de vorgesehene Mission hat sind:

- Beschränkte Datenrate durch kleine Sender und kleine Antenne

- wenige Instrumente

- Stromversorgung durch GPHS

Die GPHS sind recht teuer durch das benötigte Plutonium-238. Es gibt nun aber die Alternative in Form von Sterling-SRG. Ein SRG hat 110 Watt Leistung. Drei davon bieten eine Leistung von 110 Watt nach 14 Jahren und damit 50% mehr als der GPHS von New Horizons, Dabei benötigen sie nur 3,6 anstatt 9,7 kg Plutonium, da der Wirkungsgrad erheblich höher ist. Damit steht die Leistung für weitere Instrumente zur Verfügung und einen stärkeren Sender.

Die Antenne sollte wesentlich größer sein. Es bietet sich die entfaltbare 4,6 m Parabolantenne von Galileo (die wiederum auf den TDRS Antennen eingesetzt wurde) zu verwenden. Zusammen mit einem 20 Watt Sender sind so 40 kbit/s vom Uranus und 17 kbit/s aus Neptundistanz im X-Band möglich. Da alle Daten erst gespeichert und dann zeitverzögert übertragen werden ist als Alternative das Ausweichen auf das Ka Band möglich. Bei gleicher Sendeleistung sendet der MRO 4,3-mal mehr Daten im Ka Band als im X-Band. Der Nachteil dieses Bandes ist das es empfindlich für atmosphärische Störungen ist. Es steht nur während 70% der Zeit zur Verfügung. Die Lösung ist sehr einfach. Ein Datenblock wird erst von der SSD gelöscht wenn der korrekte Empfang bestätigt wurde, ansonsten wird er wiederholt. Sinnvollerweise überträgt man nicht ganze Dateien sondern kleinere Blöcke, die man wiederholen kann. Damit steigt die Datenrate auf 172 / 73 kbit/s.

Eine weitere Möglichkeit wäre ein Laserterminal an Bord und ein großes Teleskop auf der Erde. Der Mars Communication Orbiter sollte mit einem nur 30,5 cm großen Teleskop in minimaler Marsentfernung noch 100 Mbit/s übertragen. Das wären aus der Distanz von Uranus noch 46 kbit/s und aus Neptunentfernung ebenfalls noch 17 kbit/s. Also genauso viel wie bei einer Antenne. Die Sendeleistung ist mit 10 Watt vergleichbar. Als Empfangsstation könnte man das 5 m Hale Teleskop nehmen, das für astronomische Beobachtungen kaum noch nutzbar ist oder ein neues Teleskop der 5 m Klasse oder ein Array kleinerer Teleskope deren Signale verbunden werden nutzen. Sie haben den Vorteil, dass die Betriebskosten erheblich kleiner sind als bei Nutzung der 70 m DSN Antennen. Die Baukosten eines 5 m Teleskops als Empfangsterminal sind dagegen klein, vor allem weil es kleinere Anforderungen an Spiegelqualität und Ausrichtung hat. Denkbar wäre auch der zusätzliche Betrieb zu der Antennenanlage.

Der Großteil der Sonde kann sonst unverändert übernommen werden. Wegen des Plasmaspektrometers ist eine Dreiachsenstabilisierung durch Drallräder wünschenswert, da dafür zahlreiche Drehungen der Sonde nötig sind.  New Horizons änderte ihre Lage dagegen nur durch einen chemischen Antrieb, Der eingesparte Treibstoff wird auch benötigt, da die Sonde deutlich schwerer ist (höherer Treibstoffverbrauch) und zudem nach Abtrennung der Atmosphärensonde eine Abbremsung nötig ist. So kommt man mit den Tanks von New Horizons aus.

Nötig ist auch ein großer Datenspeicher, da die meisten Aufnahmen in nur wenigen Stunden und Tagen entstehen, die Sonden aber nach der Passage genügend viel Zeit haben noch weitere Daten zu übertragen. New Horizons wird sechs Monate damit zubringen die Daten von Pluto zu übertragen. Bei 8 Stunden Sendezeit pro Tag entspricht dies 58 Gbye aus Uranusentfernung. Daher plane ich den Einbau zweier 128 GByte SSD aus Flash-RAM (als RAID um die Daten redundant abzulegen).

Instrumente

Eine bessere instrumentelle Ausrüstung ist notwendig. Um das Gewicht zu begrenzen, habe ich mich entschlossen die optischen Instrumente zusammenzufassen. Zentrales optisches Instrument ist ein 36 cm Cassegrain Teleskop mit 5400 mm Brennweite. Am Fokus befindet sich ein Drehspiegel, der das Bild in eines von zwei Instrumenten lenkt:

Eine Kamera mit vorgeschaltetem Filterrad und einem KAF6303 Sensor (3088 x 2056 Pixel). Die Auflösung beträgt 0,33 Bogensekunden. Neptun und Uranus sind in jeweils etwa 15 Millionen km Entfernung bildfüllend. Das ist etwa 12 Tage vor der Ankunft der Fall. Bisherige Vorbeiflugsonden begannen mit ihren Beobachtungen, wenn der Planet eine Größe von 200 Pixeln hatte, das ist dann in 150 Millionen km Entfernung, rund 120 Tage vor der Ankunft der Fall. so resultiert so eine 3-4 Monate dauernde Beobachtungsperiode. Mit einem Filterrad sind Falschfarbenaufnahmen, z.B. auch in dem Absorptionsband von Methan möglich, ohne die sonst Uranus strukturlos wäre.

An der zweiten Position befindet sich ein Spalt und ein Gitter. Es spaltet das Spektrum auf. Dahinter befinden sich an den entsprechenden Positionen im Spektrum drei HgCdTe Sensoren: Einer für den Bereich von 1-2 µm Wellenlänge, einer für den Bereich von 3-5 und einer für den Bereich von 8-12 µm. Eingesetzt werden sollten Sensoren wie vom Typ TCM 5504 von Teledyne/Rockwell. Bei einer Pixelgröße von 27 µm beträgt die Auflösung 1,03 Bogensekunden. Von den 640 x 480 Pixels wird die Hälfte genutzt um ein Spektrum zwischenzuspeichern, da der Chip dauernd dem Licht exponiert ist. So stehen 480 Pixel (Höhenauflösung) x 320 Pixel (Spektralauflösung) zur Verfügung. Das Gesichtsfeld beträgt dann 0,1275 Grad und Neptun/Uranus sind formatfüllend aus 21 Millionen km Entfernung, rund 17 Tage vor der Ankunft. Dies ist ein abbildendes Spektrometer.

Dieses Kombininstrument ersetzt die Kamera LORRI Von New Horizons und das abbildende Spektrometer RALPH.

Ein zweiter wichtiger Punkt beider Riesenplaneten ist ihre Umgebung. Beide Planeten haben ein ausgedehntes Magnetfeld und einen Strahlungsgürtel. Die Mitführung eines Magnetometers ist kein großes Problem. Es wiegt relativ wenig und liefert nur geringe Datenraten.

Hohe Datenraten, aber ein geringes Gewicht, weist eine Peitschenantenne für ein Radiowellen-Plasmawellenexperiment auf.

von den zahlreichen möglichen Instrumenten zur Detektion von Teilchen habe ich mich für ein abbildendes Instrument analog MMI auf Cassini entschieden.

Die gesamte Instrumentensuite könnte rund 50-60 kg wiegen.

Optionale Instrumente:

Bisher flogen Staubdetektoren an Bord von Cassini und Pioneer 10+11. Ein Instrument der einfachen Bauart ist an Bord von New Horizons unterwegs. Allerdings wird diese Sonde bis zu Pluto vorwiegend im Schlafmodus sein. So gibt es praktisch keine Daten jenseits des Saturns über Staub im Sonnensystem. Zumindest nahe der Planeten dürfte die Umgebung sehr staubreich sein, da beide Planeten Ringsysteme aufweisen. Es ist daher auf der einen Seite wünschenswert den Staub zu bestimmen. Andererseits wird ein Großteil der Ereignisse auf den interplanetaren Staub entfallen und nur wenige Ereignisse auf die kurze Zeit der Planetenpassage. Daher wäre ein komplexerer Staubdetektor als auf den Atmosphärensonden, der auch die chemische Zusammensetzung bestimme kann zwar interessant, aber er wäre nur kurz aktiv.

Mission

Nach einem Start von der Erde steht zuerst ein Checkout der Subsysteme der Sonde an. Danach wird diese über 3 Jahre in einen Schlafmodus geschickt um Missionskosten zu sparen. Drei Jahre nach dem Start passiert die Sonde erneut die Erde um Schwung zu holen. Dieser Vorbeiflug kann genutzt werden um die Instrumente zu testen und auch die Kommunikationsstratege also um die Daten schnell zu gewinnen und zuerst zwischenzuspeichern und dann zu übertragen. Als Ersatz für einen Mond kann dabei der Erdmond dienen.

Viereinhalb Jahre nach dem Start passiert die Sonde den Jupiter. Jupiter ist aufgrund seiner Größe schon mehr als einen Monat vor dem Vorbeiflug bildfüllend. Wenn man das 200 Pixel Kriterium ansetzt so kann er schon ein Jahr vor dem Vorbeiflug beobachtet werden. Intensive Beobachtungen werden wohl 3-4 Monate vor und nach dem Vorbeiflug erfolgen. Jede Sonde sollte einen der galilleischen Monde genauer untersuchen. Besonders interessant sind Europa und Io. Zumindest letzterer wird nicht Ziel eines Orbiters sein, weil er zu nahe am Planeten ist. Ob ein Europaorbiter kommt, der schon lange geplant ist, dürfte auch offen sein. Bedingt durch die hohe Vergrößerung des Teleskops sind aber selbst aus 1,5 Millionen km Entfernung noch formatfüllende Aufnahmen von Kallisto und Ganymed möglich. Bei Passsagedistanzen von 200.000 bis 300.000 km, wie sie bei Voyager auftreten, sind Aufnahmen mit 0,5 km Auflösung möglich, besser als die besten Aufnahmen von Voyager und besser als die globalen Aufnahmen von Galileo.

Auch hier werden zahlreiche Daten zuerst zwischengespeichert und dann später übertragen. Dies geht wegen der kürzeren Entfernung viel schneller. Wird die gesamte 128 GByte SSD gefüllt, dann braucht man 132 Tage bei 6 Stunden Übertragung pro tag um ihren Inhalt abzurufen. Nur mit Bildern gefüllt kann sie so über 14000 Bilder zwischenspeichern, in etwa die gesamte Datenmenge die eine Voyagersonde übertrug, nur mit zehnmal mehr Bildpunkten pro Bild. Speichert man die Daten gleich komprimiert ab, so können es noch mehr sein. Die Kompression ist heute Standard, selbst bei Aufklärungssatelliten die feinste Details abbilden müssen. Bei den Plejades Satelliten wird z.B. eine Komprimierung um den Faktor 5 eingesetzt.

Während des Flugs zum Uranus und Neptun befindet sich die Sonde in einem Semi-Schlafmodus: Die Plasma- und  Staubdetektoren und Magnetometer sind aktiv, zeichnen Daten auf und speichern sie lokal ab. Einmal pro Woche wacht die Sonde auf, überträgt die Daten zur Erde und macht eine 360 Graddrehung um die Plasmawellen und Radiowellen der Umgebung aufzuzeichnen  und überträgt auch diese Daten. Dies minimiert die Missionskosten. Andere Instrumente haben einen eignen Controller mit einem lokalen Speicher. Da hier die Datenmenge eher klein  ist können dort die Daten zwischengespeichert werden und bei einer Kommunikationssitzung gesammelt übertragen werden. Der Semi-Schlafmodus hat vor allem das Ziel die sonst hohen Missionskosten zu senken.

Etwa 3-4 Monate vor dem Vorbeiflug beginnt dann die Observation des Zielplaneten. Mindestens einen Monat vor der Passage muss die Atmosphärenkapsel abgetrennt werden. Danach bremst die Raumsonde um 30 m/s ab um zum einen die Distanz zu vergrößern und zum anderen nicht auf dem Planeten aufzuschlagen. Es gilt dabei die Strategie zu optimieren. Eine nahe Passage am Planeten (z.B. im Bereich von 5.000 bis 10.000 km) erhöht die Datenrate durch eine niedrige Distanz zur Atmosphärensonde. Sie gerät aber dann auch schneller aus dem Empfangsbereich. Galileos Eintauchkapsel überlebte rund 60 Minuten in der Atmosphäre. Mit Unsicherheiten sollte die Hauptsonde mindestens 75 Minuten lang die Daten von der Eintauchsonde empfangen können. Ein weiterer Vorteil einer nahen Vorbeiflugdistanz ist auch, dass die Bahn stark gekrümmt wird. Ohne oder mit nur geringer Krümmung sieht man den Planeten nach der Passage nur als Sichel, da er beim Vorbeiflug (von der Sonne kommend) voll beleuchtet ist, Wird die Bahn stark gekrümmt, so bei den Vorbeiflügen von Voyager an Saturn, dann erscheint er noch als Halbplanet und kann nach der Passage weiter beobachtet werden.

Der Kurs der Eintauchsonde sollte so gewählt sein, dass ein Mond in naher Distanz passiert wird (idealerweise in einem Abstand von 1000 bis 10.000 km). Bei Uranus können dies Ariel und Miranda sein. Beim Neptun wahrscheinlich Proteus. Es wird wahrscheinlich ein planetennaher Mond sein, da je planetennäher er ist desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass man eine Bahn findet bei der er nahe passiert werden kann. Die Hauptsonde kann dann einen zweiten Mond in naher Distanz passieren. Bei Neptun ist dies Triton, ein anderes Ziel gibt es nicht. Das macht auch eine sehr nahe Passage von Neptun notwendig, da dessen Umlaufbahn stark geneigt ist und der Planet damit die Sonde aus der Ekliptik herauslenken muss. Bei Uranus stehen alle größeren Monde zur Auswahl. Ich würde die Wahl auf die beiden von Voyager nur in großer Distanz passierten Monde Titania oder Oberon fällen. Dank der hochauflösenden Kamera sind bis in 600.000 km Entfernung Aufnahmen mit einer Auflösung von 1 km/Pixel möglich.

Beginnend ab dem Zeitpunkt wo der Planet das Blickfeld ausfüllt wird begonnen, die Daten auf die SSD zwischenzuspeichern. Es werden mehr und mehr. Von der Mondpassage werden die meisten Daten zwischengespeichert. Bedingt durch das unterschiedliche Datenvolumen wird das IR-Spektrometer am meisten Platz benötigen. Es folgt dann die Kamera und die Plasmaantenne. Entfallen 25% des Datenvolumens auf die Kamera, so sind dies bei Uranus 16.000 Bilder. Bei Neptun etwa 7.000 Bilder. (bei einer Kompression von 1:10). Die gesamte Datenmenge, die auch noch die Daten die liefe 3-4 Monate vor dem Vorbeiflug und danach dürfte ungefähr doppelt so hoch sein.

Von Vorteil gegenüber Voyager und Galileo ist, dass heutige CCD Chips schnell ausgelesen sind und auch SSD erlauben es selbst große Bilder in sekundenbruchteilen zu speichern. Das erlaubt es bei dem Mondvorbeiflug zahlreiche Bilder aufzuzeichnen und auch vom Planeten selbst, z.B. Mosaike aus hunderten von Bildern die noch sehr kleine Details zeigen. Zusammen mit dem Anfertigen von Multispektralaufnahmen und den Abbildungen des Spektrometers dürfte die Erforschung  beider Planeten ein gutes Stück weiter gebracht werden.

Nutzt man einen Ka Band Sender, so kann man die Datenmenge um den Faktor 4 steigern.

Danach könnte man die Sonde noch länger betrieben. Die Instrumente der höchsten Datenrate fallen nun weg, so reicht der Sender noch aus um selbst im interstellaren Raum wie bei Voyager Daten zu übertragen. Allerdings bedeutet dies natürlich auch hohe Missionskosten.

Kostenabschätzungen

Zahlreiche Kompromisse wurden eingegangen um die kosten zu senken:

New Horizons kostete 723 Millionen Dollar, davon entfielen 221 Millionen auf die Trägerrakete und 75 Millionen auf die RTG. Da noch eine Atmosphärensonde hinzukommt und neue Instrumente sollte ein Nachbau genauso teuer sein, also 2 x 427 Millionen Dollar für Sonden und Mission. Dazu kommen zwei Falcon 8 / Star 37FM für die Trägerraketen zu je 70 Millionen Dollar und da die SRTG weniger Plutonium benötigen beträgt ihr Preis für zwei nur Stück nur 72 Millionen Dollar. Damit wäre die Mission 1066 Millionen Dollar teuer, nur 30% teuer als die von New Horizons. Berücksichtigt man noch dass die zweite Sonde aufgrund des Nachbaus billiger wird (eine Weiderholung von New Horizons sollte auch nur 650 Millionen Dollar, trotz Inflation kosten) und man die Missionskosten die auch durch das wissenschaftliche Team kommen nun halbieren kann, dann könnte die Mission sogar für nur noch 900 Millionen Dollar umsetzbar sein.

Artikel zuletzt geändert am 3.10.2013


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