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Web Log Teil 600: 13.9.2020 -25.9.2020

14.9.2020: Die Zahl für heute: 150

150, ja genau 150 unbegleitete Jugendliche aus einem Kontingent von 400 ist Seehofer bereit aufzunehmen. Für die restlichen 12.600 Obdachlosen von Moria müsse man erst eine europäische Einigung finden.

Seehofer ist spätestens als er kurz nach Beginn der Koalition diese schon wieder platzen lies mir in Erinnerung geblieben als jemand der extrem rechte Positionen vertritt und dem es völlig egal ist, dass er damit auch völlig isoliert ist. Hätte er damals seinen Rücktritt nicht nur angedroht, sondern auch durchgeführt, was wäre uns erspart geblieben!

Er hat natürlich recht, das es eine europäische Einigung geben muss. Dieses Dublin-Abkommen ist vollkommener Mist. Sinnvoll ist es sicher die Leute dort als Aslysuchende zu registrieren, wo sie in der EU ankommen, doch dann muss man sie auch zügig auf die EU verteilen, anstatt sie in diesen Ländern zu internieren. Seit der Flüchtlingsschwemme von 2015 sucht man ja nach einer europäischen Einigung aber es gibt keine. Einige Staaten – vorwiegend die im früheren Ostblock aber auch England (nun ja nun nicht mehr) stellen sich quer und wollen niemanden aufnehmen – okay, dann sollen diese eben dafür zahlen und die Kosten tragen, die anderen Ländern entstehen. Das kann man von ihren EU-Fördermitteln abziehen.

Die Flüchtlinge zeigen wie auch das Finanzpaket die Grenzen der EU. 26 Staaten auf einen Nenner zu bringen, ist fast unmöglich. Immer weigert sich einer. Und dann gibt es so Kompromisse wie bei dem Finanzpaket bei dem Orban und Co sich öffentlich gefreut haben, dass die Forderung nach demokratischen Grundsätzen so Wischiwaschi geworden ist, das sie im Prinzip keine Forderung mehr ist. Es wäre Zeit für eine richtige EU-Reform mit einer einfachen Mehrheit, und zwar, damit es gerecht ist nicht nach Staaten, sondern Einwohnerzahlen. Solange das aber nicht erreicht ist und weil die Situation schlimm ist, sollte ein Innenminister der aus einer christlichen Partei kommt auch christliche Werte vertreten. Es ist ja nicht so das er eine Mehrheitsmeinung vertritt. Drei Bundsländer haben zusammen schon zugesagt, 3.000 Flüchtlinge aufzunehmen. Zehn Oberbürgermeister aus Bielefeld, Düsseldorf, Freiburg, Gießen, Göttingen, Hannover, Köln, Krefeld, Oldenburg und Potsdam haben einen Brief an Seehofer geschrieben, das sie bereit wären Flüchtlinge aufzunehmen und rechnet man die kleineren Städte dazu so sind 100 Gemeinden bereit Flüchtlinge aus Moria aufzunehmen. Selbst Unionsabgeordnete fordern die Aufnahme von 5.000 Flüchtlingen, zuletzt Csu Kollege Müller, der heute ankündigte, nicht mehr sich zur Wahl zu stellen. Ich kann mir denken warum.

Das Ganze ist durchschaubar und für mich nicht nur extrem kurzsichtig, sondern auch naiv. Seehofer will sich weit rechts profilieren, wie er das schon mit der Obergrenze und dem Schützen von Maaßen, ja sogar indem er ihn beförderte, tat. Erst als dessen rechtsextremistische Äußerungen öffentlich wurden, trennte er sich von ihm. Maaßen sieht man seitdem oft auf Veranstaltungen der AFD.

Ich weiß nicht warum ich das so oft bei der CSU beobachte, vielleicht wegen der Strauß-Doktrin es dürfe keine demokratische Partei rechts leer Union geben. Aber empfänglich ist auch die CDU. Das Rechte immer wieder aufkommen ist mittlerweile normal. In den Achtzigern waren es bei uns BW die Republikaner, dann die Schill-Partei in Bremen, im Osten die DVU und NPD. Die AFD ist eine neue Dimension dahin gehend das sie bundesweit vertreten ist und im Bundestag „Vertreter“ hat. Aber zu meinen man könne mit rechten Positionen und Aktionen Wähler dieser Parteien abwerben klappt nicht und hat auch nie geklappt. Zum einen, weil die Leute das Original wählen. Zum anderen kann man sich gar nicht so weit rechts bewegen, wie die Anhänger dieser Partei dies wollen. Die wollen nicht 150 Asylanten, die wollen gar keinen und am besten noch alle Ausländer aus Deutschland raus, wobei Ausländer eigentlich jeder ist, der nicht „deutsch“ aussieht oder keinen deutsch klingenden Namen hat, man denke mal an die Äußerung von Gauland zu Boateng.Und solchen Forderungen wird mal wohl nicht nachkommen können.

Aber mit dem Rechtsruck verliert die Partei Wähler an ihrem „linken“ Spektrum, das wohl politisch in der Mitte zu suchen ist, denn die meisten Menschen sind nicht gegen Asylkanten, haben noch anders als Seehofer grundlegende Werte wie Mitgefühl, Hilfsbereitschaft und Barmherzigkeit verinnerlicht. Während Seehofer als wahrscheinlich kaum jemand rechts hinzugewinnen kann, wird er viele in der Mitte verlieren, die nichts mit solchen Politikern zu schaffen haben. Ich verstehe nicht, wie ein halbwegs intelligenter Mensch das nicht einsehen kann. Mit derselben Strategie hat die CSU ja schon bei der letzten Wahl in Bayern Schiffbruch erlitten. Also bei Seehofer scheint der Altersstarrsinn jegliche Lernfähigkeit verdrängt zu haben.

Zuletzt schadet er seinem Nachfolger Söder, vielleicht ist das ja auch der Hauptzweck der Aktion, denn ich denke nicht, das Seehofer normal ein Amt bekommt. Söder hat sich als Corona-Scharfmacher profiliert – übrigens ohne Erfolg. Bayern steht im Landesvergleich eher schlecht da. Man sagt ihm Ambitionen nach dem Kanzleramt nach. Doch kann man einen Parteivorsitzenden wählen, dessen Partei solche Nullnummern wie Scheuer und Seehofer als Minister im Bundeskabinett stellt, immerhin nach seinem Posten die einflussreichsten die die CSU besetzen kann? Nein kann man nicht.

Ein Problem wären selbst 12.600 Flüchtlinge nicht. Denn nach der Schwemme 2015 hat man die Aufnahmekapazitäten ausgeweitet, die die damals kamen sind längst entweder in einer eigenen Wohnung oder wieder zurückgekehrt. 2015 gab es 442.000 Asylanträge, im Jahr drauf sogar 716.000 im letzten Jahr waren es noch 142.000. Bis zum 1.7. dieses Jahres gerade mal 55.786, also aufs Jahr gerechnet nochmals weniger. Selbst mit den 12.600 weiteren Flüchtlingen würde man nicht mal das Vorjahresniveau erreichen. Auch bisher folgten andere seinem Vorbild nicht. Die Ankerzentren, die von ihm gefordert wurden gibt es auch nur in Bayern. Kein anderes Bundesland wollte teilnehmen.

Was mir ein Rätsel ist, ist das man von Merkel nichts hört. Gut das Merkel 2018 Seehofers Rücktritt nicht akzeptierte (ich hätte ihn schon bei der leisteten Ankündigung entlassen) kann man noch verstehen, war er damals ja noch CSU-Parteivorsitzender. Aber Söder ist sicher nicht Seehofers Unterstützer. Schlussendlich schadet er ja auch der CDU denn CDU/CSU werden eben als eine Partei wahrgenommen.

Nebenbei: bin ich eigentlich der Einzige, der die Bezeichnung „Moria“ für ein Flüchtlingslager unglücklich gewählt findet? „Moria“ so hieß im Roman „Herr der Ringe“ die größte und bekannteste Zwergenmine, die dann von den Orks erobert wurde ….

14.9.2020: Die versäumte Chance - der Mars Communications Orbiter

Derzeit ist Mars 2020 auf dem Weg zum Mars, dort wird der Perseverance Rover landen. Wenig später, zwischen April und Juli wird der chinesische Rover landen und mit Curiosity und Insight sind zwei weitere Rover in Betrieb. Geplant ist ab 2027 eine gemeinsame Mission von ESA und NASA die Bodenproben zurückbringen soll, die Perseverance schon mal sammelt. Bis dahin wird auch der Exomars Rover gelandet sein, dessen Start erneut um zwei Jahre auf 2022 verschoben wurden. Das wären bis zu sieben Landemissionen und da würde es sich lohnen die Kommunikationssatellit neu zu überdenken.-

Bisher erfolgt die über die beiden US-Orbiter MAVEN und MRO, den chinesischen Orbiter von Tianwen 1. Das ist suboptimal. Zum einen beschränken die Daten der Lander das Datenbudget der Orbiter, die ja eine eigene wissenschaftliche Aufgabe haben. Zum anderen ist die Datenmenge trotzdem begrenzt denn jeder Orbiter ist nur wenige Minuten pro Lander im Sende- und Empfangsbereich und das – je nach Position bis hinab zu zweimal pro Tag.

Schon zu Anfang des Jahrhunderts plante daher die NASA einen Kommunikationsorbiter, der wurde gestrichen als Bush für sein Constellation Programm Mittel brauchte und seitdem ist es dabei gebelieben.

Ich habe mir gedacht, das man vielleicht eine kleine Lösung entwickeln könnte. Der Gedanke: Mars 2020 kostet 2,7 Mrd. Dollar, hätte man noch etwas Geld für einen Orbiter locker gemacht hätte man den Nutzen, dieser und anderer Missionen verbessern können.

Der Grundgedanke ist die Atlas V mit einem Booster mehr auszurüsten und das Mehrgewicht an Nutzlast in einen Orbiter stecken, anstatt eine Cruise Stage, die er ersetzt. Das wird kein schwerer Orbiter, aber er soll ja auch primär nur kommunizieren. Das spart an zwei Teilen: Es wird kein eigener Start benötigt und es entfallen die Kosten für die Cruise Stage. Der Mars Communicationsorbiter sollte 500 Millionen Dollar kosten, ich denke unter der obigen Prämisse käme man mit 250 Millionen Dollar aus – 10 % der Projektkosten von Mars 2020.

Gewichtsabschätzungen

Zuerst ist festzustellen ob der Orbiter mit einer Atlas 551 startbar ist.

Über die Startmasse von Mars 2020 gibt es unterschiedliche Angaben. Ich habe 3.839 und 4.029 kg gefunden und vermute das ist mit/ohne Adapter zur Trägerrakete. Mit einem Booster mehr errechne ich für die gewählte Bahn (c3 von 14,5 km²/s²) eine maximale Nutzlast von 4.850 kg. Ich bin mit 100 kg Reserve von 4.750 kg ausgegangen und das sind selbst bei 4.029 kg für Mars 2020 dann 721 kg mehr als Mars 2020.

Der Orbiter ersetzt die Cruise Stage. Doch er benötigt einige Systeme mehr:

Die Cruise Stage wiegt 600 kg, davon sind 200 kg Treibstoff. Das führt also zu einem Orbiter der 1.321 kg mit Treibstoff wiegt. Frage 1: Wie hoch ist der Treibstoffbedarf?

Zuerst geht Treibstoff ab, um Mars 2020 zum Mars zu bringen, also die klassische Aufgabe der Cruise Stage. Angenommen die Korrekturkapazität wären 100 m/s, so benötigt man dafür 158 kg Treibstoff (spezifischer Impuls: 2.950 m/s). Das lässt dann noch 1.163 kg für den Orbiter übrig. In der Praxis braucht man weniger.

Für die Eintrittsgeschwindigkeit von Perseverance von 6,1 km/s und einer ersten Bahn von 200 x 79.000 km Höhe und dann Synchronisierung zu einer geostationären 17.030 km Bahn (über der Oberfläche, etwa 20.400 km vom Zentrum entfernt) errechne ich einen Geschwindigkeitsbedarf von 1.954 m/s. Setzt man Aerobraking ein, sinkt er auf 1.677 m/s, die Differenz um die Apoapsis von 79.000 auf 17.000 km zu erniedrigen. Mit etwas Reserve und Vorräten für spätere Bahnmanöver (2.100 bzw. 1.820 m/s) errechnet sich so ein Treibstoffbedarf von 515 kg bzw. 608 kg. Das erlaubte Trockengewicht des Orbiters sinkt so auf 648 bzw. 708 kg. Das sind dann nur 48 bzw. 108 kg mehr, als die Cruise Stage leer wiegt – sehr wenig, denn natürlich benötigt der zusätzliche Treibstoff größere Tanks. Das sind alleine rund 50 kg davon. Damit wäre nur noch die Lösung mit Aerobraking im Rennen. Zusätzliche Solarpaneele mit 8 m² Fläche würden rund 32 kg wiegen, damit ist der Orbiter auch bei Aeroraking zu schwer.

Zweiter Ansatz

Der zweite Ansatz ist es, nur in die erste Bahn chemisch einzubremsen und dann Aerobraking und Ionentriebwerke zu nutzen. Auch bei der interplanetaren Phase kann man Ionentriebwerke einsetzen, Zeit genug hat man. Die einzige Ausnahme ist das letzte Manöver für die Umlenkung der Bahn, damit der Orbiter nicht wie der Rover in die Marsatmosphäre eintritt. Für das Einbremsen in einen Orbit benötigt man ebenfalls chemischen Treibstoff. Ionentriebwerke benötigt man nur, wenn man nach dem Aerobraking eine Ellipse erreicht ist, die ihren planetennächsten Punkt bei etwa 150 km Höhe hat und den planetenfernsten in 17.030 km Distanz – das entspricht der Distanz der geostationären Umlaufbahn beim Mars. Für das Anheben der Ellipse benötigt man aber vergleichsweise wenig Energie. Später kann man die gesamte Lageregelung mit Ionentriebwerken durchführen. Viel spart man nicht ein: 1323 m/s benötigt man um den ersten Orbit zu erreichen, das Orbit Deflektion Manöver mag weitere 50 m/s benötigen. Zusammen sind das 1373 m/s die benötigt werden ´, was einer Orbitertrockenmasse von 792 kg entspricht. Die Ionentriebwerke benötigen relativ wenig Masse, da sie nicht sehr schubstark sein müssen. Zusammen mit vier Ionen-Lageregelungstriebwerken mit kleinem Schub gehe ich von folgender Massebilanz aus:

System Masse
Orbiter trocken 792 kg
Solarpaneele für mehr Strom (gesamt: 1280 Watt) 32 kg
Tanks für Treibstoff 33 kg
Ionentriebwerke mit Treibstoff für 1.000 m/s 70 kg
Restmasse: 657 kg
Cruise Stage trocken 400 kg
Für Nutzlast verfügbar: 157 kg

157 kg blieben dann für die funktechnsiche Ausrüstung. Bei Juno wiegt das Kommunikationssystem 83,2 kg. Beim MRO sind es 107,7 kg mitsamt einem System für die Kommunikation mit Marslandesonden. Juno kann aus maximaler Jupiterentfernung 18 kbit/s zu einer 34 m DSN-Antenne senden, das entspricht beim Mars je nach Entfernung 4-964 bis 250 kbit/s. Sie wäre leicht durch stärkere Sender verdoppelbar, ohne das dies wesentlich mehr Gewicht erfordert. Anders als bei Juno hat man die elektrische Leistung zur Verfügung. Das MRO-Sendesystem schafft je nach Entfernung zwischen 500 und 4000 Kbit/s. Liegt also bei nur 20 kg mehr Masse schon bei der Doppelten Leistung von Juno. Realistisch wird man so mindestens 500 kbit/s erreichen.

Das lässt bei Einsatz des MRO-Systems noch eine Reserve von etwa 50 kg übrig. Das ist die Marge für Gewichtsteigerungen bei Systemen aber auch Experimente.

Experimente

Hauptaufgabe des Orbiters ist die Kommunikation. Aber er sitzt wie unsere Wettersatelliten in einer hohen äquatoriellen Umlaufbahn. Er sieht immer den gleichen Mars, da er sich genauso schnell um ihn dreht wiecder Mars rotiert. Zudem ist er näher an den beiden Marsmonden als die Orbiter in niedrigen Kreisbahnen.

Ich denke man wird folgende Experimente sinnvoll einsetzen können:

Mars-Weathercam: eine Kamera mit einem großflächigen Chip – Perversance setzt erstmals 20 MPixel Chips für die Kamera ein – welche den Mars bildfüllend aufnimmt. Aus 17.000 km Distanz benötigt man dazu nur ein kleines Teleobjektiv: bei 8000 x 12.000 km Bildgröße etwa ein Objektiv von 66 mm KB-Äquivalent. Sie würde mehrmals pro Tag das Wetter des Mars global beobachten. Die Auflösung läge bei 2-3 km. Mehrere Filter könnten Staub, Eis, Nebel hervorheben. Basierend auf der Mastcam von Perversance würde diese Kamera 4 kg wiegen.

Mars-Weather-Spektrometer: ein Spektrometer nach einer Optik, das zwischen Sichtbaren und nahem IR die Planetenoberfläche einmal pro Tag abtastet und ein Spektrum gewinnt. So kann man die Veränderungen protokollieren wie das Auftauchen von Staub, Abschmelzen von Kohlendioxid Eis oder Auftauchen von Wassereis. Basierend auf RALPH von New Horizons wäre dieses Instrument 11 kg schwer.

Mars-Mondcam: Eine Kopie der LORRI-Kamera von New Horizons mit einem moderneren Sensor. Bei einer Auflösung von 5 Mikrorad, könnte sie mittelaufgelöste Aufnahmen der Monde machen, vor allem natürlich von Deimos, der bisher weder von den Marsorbitern (seit Viking) beobachtet wurde. Aber auch die marsabgewandte Seite von Phobos ist so sichtbar. Aus der geostationären Umlaufbahn beträgt die Distanz minimal 3.036 km zu Deimos und 11.045 km zu Phobos, was Auflösungen von 6,1 bzw. 22,1 m/Pixel entspricht. Man könnte auch den Mars beobachten und so Veränderungen der Polkappen doer Eisablagerungen, die auf den Bilder der Weathercams sichtbar sind, untersuchen. Dann läge die Auflösung bei 85 m Äquator bis 100 m (pol). Sie wiegt etwa 9 kg.

Das wären 24 kg von den 50 kg des Budgets, also ein vertretbarer Anteil.

Deimos

Die Nähe zu Deimos und dessen Stiefkindposition in der Marktforschung brachte mich auf eine zweite Idee. Anstatt eine kreisförmige Umlaufbahn einzuschlagen, könnte man auch eine 13.900 x 20.160 km Bahn einschlagen. Eine solche würde 73 km hinter Deimos Bahn enden, womit man dem Mond periodisch (alle 5,4 Tage) nahe käme. Zuerst würde man so diese Umlaufbahn anstreben, dann in einer Reihe von Vorbeifliegen – selbst bei nur 3 Monaten Zeit wären das 16 Stück – erkunden würde und dann erst die Bahn zirkularisiert. Das könnte man auch bei Phobos anwenden. Dann wäre es eine 5900 x 28160 km Bahn, die 100 km vor Phobos endet. Alle 1,53 Erdtage kommt es dann zu einer Passage.

Kommunikation

Es gibt eine Reihe von Szenarien für die Kommunikation, je nach Antennenform auf dem Orbiter und den Landern, Frequenzband, Sendeleistung und Dauer. Extreme wären Rundstrahlantenenn auf Lander und dem Orbiter und ausgerichtete Hochgewinnantennen, wobei der Orbiter dazu seine 3 m große HGA nutzen könnte.

Ich bin im folgenden davon ausgegangen, das auf dem Orbiter eine Mittelgewinnantenne mit einem Öffnungswinkel von 20 Grad installiert ist, diese deckt den ganzen Marsdurchmesser ab, der Orbiter muss sich also nicht jeweils zu den Landern drehen, wie dies bei Einsatz der Hochgewinnantenne nötig wäre. Auf dem Landesegment habe ich die HGA der beiden letzten Rover als Referenz genommen mit einem Gewinn von rund 20 db und 15 Watt Sendeleistung, allerdings Senden im Ka-Band, denn Wasserdampf, das bei dem Empfang auf der Erde so stört, gibt es in der Marsatmosphäre nicht. Diese Kombination erreicht eine dauerhafte Datenrate von etwa 1 Mbit/s von den Polen aus und etwa 1,4 Mbit vom Äquator aus. Das ist weniger als zu MRO (maximal 2 Mbit/s), aber zu MRO besteht auch nur kurzzeitig Kontakt. Bei Wahl verschiedener Sende- und Empfangsfrequenzen für jede Landesonde könnte man alle simultan abfragen, ansonsten nacheinander.

Das mittlere Datenvolumen von Curiosity betrug 250 Mbit/Tag, das wäre in 250 s übertragbar, selbst wenn man das X-Band nutzt, wo die Datenrate dann stark absinkt, würde man diese Datenmenge in einer Stunde übertragen können. Kurz: für die Übertragung der Daten von drei Rovern welche die USA bisher betreiben wäre kein Problem. Doch kann man die Daten auch zur Erde übertragen? Selbst wenn es nur 8 Stunden pro Tag Kontakt zu einer 34-m-Antenne gäbe (der MRO bekommt 16 Stunden pro Tag einen Slot für eine 34-m-Antenne, dazu zweimal einen Ka-Band Slot pro Woche und drei Slots zu 70 m Antennen pro Woche). Für einen NASA-Kommunikationsorbiter war ja sogar mal optische Datenübertragung angedacht, aber selbst mit dem X-Band könnte man (je nach Distanz) zwischen 14.400 und 115.200 MBit pro Tag übertragen, das entspricht mindestens der 50-fachen Datenmenge, die heute für die Rover eingeplant ist. Da bliebe noch genügend Platz für wissenschaftliche Daten des Orbiters, auch wenn diese wahrscheinlich eher gering wären.

Fazit

Ich denke der Kommunikationsorbiter wäre umsetzbar, würde die Datenmenge von den Landesonden deutlich erhöhen und würde MAVEN und MRO entlasten. Mehr noch: er könnte auch die chinesische Landesonde bedienen – durch die Geografie des Mars liegen alle Landeplätze in einer Hemisphäre. Wenn die Chinesen Sorgen um ihre Daten haben die dann von den USA empfangen werden können die Chinesen sie ja verschlüsseln. Aber so wäre internationale Zusammenarbeit sinnvoll. Das gilt auch für Europa, das übernächstes Jahr seinen Rover losschickt. Wenn man erst mal Bodenproben birgt, wird es eine neue anspruchsvolle Mission, wahrscheinlich mit noch größerem Datenaufkommen geben. Dann macht der Satellit sich richtig bezahlt, aber schon heute könnte er die Ausbeute an Bildern und anderen Daten bedeutend erhöhen. Selbst wenn ein Großteil keine wissenschaftlichen Daten sind, sondern nur Bilder, die der Routenplanung dienen, ergibt sich in Form einer längeren Fahrtstrecke pro Tag ein Nutzen.

17.9.2020: Die Venus im Vorbeigehen erforschen

Wie der eine oder andere sicher schon vernommen hat, hat man Anzeichen für das Vorhandensein von Monophosphan (PH3) in der Venusatmosphäre gefunden. Da diese Spurenverbindung auf der Erde nur durch Mikroorganismen produziert wird, schießen derzeit die Spekulationen über Leben auf der Venus wie Pilze aus dem Boden. Ich will mich nicht dabei beteiligen, auch weil ich nicht so viel von Anorganik verstehe und Monophosphan entsteht auch bei den Gasplaneten und ist in deren Atmosphären zu finden. Daneben ist die Venusatmosphäre voll mit skurrilen Molekülen wie Schwefeldioxid, Salzsäure und Flusssäure. Da sollen Experten rausfinden, ob das Monophosphan biologischen Ursprungs ist.

Venus by Akatsuki

Aber das hat natürlich die Spekulationen über eine neue Venusmission genährt. Natürlich ist auf der Venusoberfläche Leben unmöglich, aber die Temperatur nimmt ab, und es gibt eine Zone mit Temperaturen und Druck wie auf der Erde in der Leben existieren könnte. Zwischen 50 und 60 km Höhe liegt die Temperatur zwischen -27 und +75°C und der Druck zwischen 0,25 und 1,1 bar. In dieser Zone umrundeten auch die Ballone von Vega 1+2 die Venus, anders als Landesonden taten sie dies über Tage, bis ihre Batterien erschöpft waren. In dieser Zone könnte Leben existieren, zumindest was Temperatur und Druck angeht. Ich bin angesichts des Fehlens von Wasserdampf und der obigen ätzenden und oxidierenden Bestandteile der Atmosphäre skeptisch.

Nun ruft man wieder nach Venussonden in den USA – die USA haben die Venus weitestgehend ignoriert, seit Mariner 2 die Oberflächentemperatur als extrem hoch bestimmte. Es folgte nur Mariner 5 als Reserveexemplar von Mariner 3+4, das noch rumstand, Mariner 10 passierte die Venus, um zu Merkur zu gelangen. Pioneer Venus 1+2 sandeten einige einfache Landekapseln zum Boden bzw. einen Orbiter mit wenigen Instrumenten und einem schlecht abbildenden Radargerät in den Orbit, eben eine Pioneer Mission mit ihren Kostenbeschränkungen. Das ambitionierte Nachfolgeprojekt VOIR für einen Radarorbiter wurde zusammengestrichen, bis schließlich nur noch das Radargerät übrig blieb und die Sonde als Magellan gestartet. Das war 1990 und seitdem gab es keine eigene US-Mission zur Venus. Sie wurde zwar mehrmals von Raumsonden passiert, aber nur als Swing-By Ziel, meistens waren die Instrumente bei der Passage deaktiviert. Dagegen hat die Sowjetunion solange es sie gab etliche Raumsonden zur Venus gesandt – 18 offizell durchnummerierte und dazu noch einige Fehlstarts, die keinen Namen bekamen. Auch bei anderen Nationen hielt sich das Interesse in Grenzen. Europa sandte Venus Express zum Schwesterplaneten, vor allem aber, weil die Sonde als Nachbau von Mares Express recht preiswert war, trotzdem lieferte diese Mission die bisher besten Einblicke in die Atmosphäre und ihre Dynamik, auch wenn sie ohne Radargerät nicht auf die Oberfläche schauen konnte. Derzeit umkreist Akatsuki die Venus und fotografiert vor allem die Wolkenbewegung um die Zirkulation und die antreibenden Prozesse besser zu verstehen.

In den beiden letzten Discovery Auswahlen waren je zwei Venusmissionen (Davinci und Veritas) vertreten. Die letzte Selektion läuft noch und vielleicht wird eine oder beide als neue Mission am 13.2.2021 selektiert. Währenddessen will Rocketlab eine „private“ Sonde zur Venus schicken – wohlgemerkt mit der Elektron Rakete. Sie wäre damit minimal weil sehr leicht und klein. Ich sehe die Lösung gerade für die Fragestellung ober in den Wolken Leben existieren könnte auch nicht in einem Orbiter. Die Wolken mit einer Oberfläche in etwa 70 km Höhe schirmen zu viel ab, auch von der Chemie darunter. Weiter oben können Moleküle durch Reaktionen oder solare UV-Strahlung zerstört werden, wir kennen das von unserer Ozonschicht, die es auch nur in einer bestimmten Höhe gibt. Eine Sonde in der Höhe wäre also hilfreich. Das könnte entweder eine Sonde sein, die die Schicht durchquert, eventuell sogar heil landet und noch einige Bodenuntersuchungen durchführt, oder ein Ballon wie bei Vega sein. Ich wäre, wenn diese Fragestellung im Vordergrund steht, für Letztes. Selbst wenn die Sonde nur batteriebetrieben wäre, wäre die Betriebszeit viel größer als bei einer Sonde welche die Atmosphäre in einer Stunde durchquert. Als Nachteil benötigt man zwingend einen Orbiter damit Daten in ausreichender Menge gewonnen werden, eine vorbeifliegende Muttersonde kann nicht mehrere Tage oder sogar Monate (wenn die Sonde über Solarzellen ihre Batterien wieder aufläd) im Empfangsbereich sein. Der Gewichtsnachteil durch die Heliumfalschen zum Auffüllen, die Ballonhülle und eventuell einer Reserveflasche zum Nachfüllen wird ausglichen durch die fehlende Abschirmung gegen den Druck. Bei den Pioneer Venus Sonden machte alleine die Druckhülle etwa ein Fünftel des Gewichts aus. Aber der Hauptvorteil ist das lange verweilen in der Zone. Denkbar, aber nicht so attraktiv, wäre auch eine reine Atmosphärenkapsel, die vor der Landung durch den Druck zerquetscht wird, aber in einer Zone, in der man sowieso keine Veränderung der Atmosphäre erwartet. Ich denke aber wenn man bis auf wenige Kilometer an die Oberfläche kommt, will man auch Aufnahmen machen.

Landesonden könnten über die Muttersonde ihre Daten schlicken, ihre Betriebsdauer liegt unter 3 Stunden. Für die kleinen Datenraten, die typische Experimente wie Spektrometer oder Massenspektrometer, Druck-, Temperatur- und andere Sensoren liefern reicht, dies völlig aus. Bei Bildern vom Abstieg hängen dann Datenrate und Auflösung stark von den Fähigkeiten der Hauptsonde und der Vorbeifluggeometrie ab.

Und das wäre mein Vorschlag: es gibt etliche Sonden, die die Venus als Swing-By nutzen. Derzeit aktiv sind Parker Solar Probe, Solar Orbiter und BepiColombo. Jede fliegt mindestens einmal an der Venus vorbei. Dazu kommt in nächster Zukunft noch JUICE und eventuell (abhängig vom gewählten Träger für den Start) Europa Clipper. Nimmt man noch die letzten Jahre hinzu, wäre noch JUNO zu erwähnen. Das sind in einem Jahrzehnt mindestens 5 Sonden, welche die Venus passierten. Hätte man eine kleine Sonde entwickelt, die nicht zu sehr die Massebilanz der Hauptmission verhagelt, und diese bei der Venus abgesetzt, so hätte man nun fünf Untersuchungen der Venusatmosphäre gehabt. Die Kapsel könnte man standardisieren, dann wird’s preiswerter. Die Instrumente könnte man auswechseln oder nach Ergebnissen einer Mission modernisieren. Wobei für mich als Wissenschaftler natürlich auch zwei Messungen mit denselben Instrumenten an unterschiedlichen Orten und Zeiten aussagekräftig sind, denn sie erlauben viel bessere Vergleiche oder Rückschlüsse über den Antrieb der Prozesse.

Die Muttersonden hätten die Sonde huckepack mitgeführt, zuerst sich auf die Venus ausgerichtet und sie abgetrennt, danach ihren Kurs geändert und die Venus passiert. Während des Abstiegs hätten sie mit ihrer HGA die Daten empfangen und zwischengespeichert. Eine Ballonmission würde den Orbiter Akatsuki als Relay nutzen. Ich glaube bei fünf identischen Kapseln wäre auch durch Serienbauweise die Kosten überschaubar geblieben zumal ein eigener Bus für die Sonden und ein eigener Start wegfällt. Leider hat man diese Chance verpasst und Raumfahrtagenturen neigen dazu, aus jedem Thema, das gerade mal aufkommt, gleich eine eigene Mission zu machen. So kann man nur auf den Erfolg von Davinci hoffen, die die Venus beim Abstieg untersuchen wird und Aufnahmen gewinnt. Aber die ist auch eine Discovery Class Mission, die 450 Millionen Dollar ohne Start kostet.

24.9.2020: Eine mehr bauen?

Ich habe vor einigen Tagen den Artikel über Chang‘e-4 fertiggestellt – den allerletzten Artikel über Raumsonden überhaupt (auch wenn noch Solar Orbiter folgt, aber nur deswegen weil es auch eine interplanetare Sonde ist, wenn auch keine Raumsonde im eigentlichen Sinne). Chang‘e 4 ist das Backupexemplar von Chang‘e-3, bei der einige Experimente ausgetauscht wurden – übrigens ausschließlich gegen Experimente von internationalen Partnern aus Deutschland, Schweden und den Niederlanden. China behält zumindest beim Mondprogramm die Philosophie von zwei baugleichen Sonden bei. Ich habe das Thema „Eine oder mehrere baugleiche Raumsonden?“ sicher schon mal bearbeitet, aber wenn ich es selbst vergessen habe, dann wohl auch die meisten Leser auch, also ein guter Grund es neu zu beackern.

Historie

Die ersten Raumsonden wurden immer aus Paar gebaut, teilweise waren es sogar ganze Kleinserien. In den USA kann man die Ausnahmen bis Ende der Siebziger Jahre an einer Hand abzählen:

Pioneer 5: Eine übrig gebliebene Sonde des Pionier P Programms, nachdem dieses eingestellt wurde, wurde sie auf eine Sonnenumlaufbahn gebracht.

Mariner 5: Reserveexemplar von Mariner 3+4, zur Venus gestartet

Mariner 10: Die erste bewusst als Einzelmission gebaute Sonde, das war 1973

Die letzte Doppelmission war für lange Zeit Voyager 1+2, gestartet 1977, bis 2003 die beiden MER Rover folgten. Sie waren die bislang letzte Doppelmission.

Bei Russland ist es noch extremer. Wenn man von einigen frühen Zonds absieht, deren Zweck nie so ganz genau geklärt werden konnte war die erste Einzelmission Mars 96. Es gab mit Phobos Grunt auch nur zwei Einzelsonden – die übrigens in russischer Tradition scheiterten, wie es wohl bei Doppelmissionen gewesen wäre?

Die anderen Raumfahrtnationen, die ab Mitte der Achtziger Jahre ihre ersten Raumsonden starteten, taten dies dagegen fast ausschließlich als Einzelmissionen - die einzige Ausnahme sind Sakigake und Susei, die ersten Raumsonden Japans.

Ursachen

Die Ursachen für Doppelstarts sind schnell umrissen und anhand der Statistik der frühen Missionen auch wohlbegründet: man war sich nicht sicher, ob die Missionen auch durchhalten würden. Das betraf vor allem russische Sonden, die oft auf dem Weg zum Ziel ausfielen. Der zweite Grund war die in den Sechzigern noch niedrige Zuverlässigkeit der Trägerraketen. Die Grafik hier zeigt die Zuverlässigkeit der Atlas als Standardträgerrakete für Raumsonden bis 1979, man auf dem Bild sieht, wie diese bis Anfang der Siebziger Jahre viele Fehlstarts aufwies. Es gingen von den vier Doppelpaaren des Marinerprogramms auch bis auf Mariner 6+7 jeweils eine Sonde verloren.

Bei Russland mit einer noch schlechteren Zuverlässigkeit der Raketen und auch niedriger Zuverlässigkeit der Raumsonden, gab es die gleiche Überlegung. Dort wurden teilweise auch mehr als zwei Sonden einer Serie auf den Weg gebracht.

Ein weiterer Vorteil ist, dass man so die Missionsziele aufteilen konnte. Die Voyagers flogen jeweils bei anderen Monden vorbei, man erhielt zudem eine doppelt so lange Beobachtung von Jupiter und Saturn. Mariner 8 und 9 hatten untereinander die Aufgaben globale Kartierung und hochauflösende Aufnahmen aufgeteilt. Mariner 6 und 7 lichteten beim Vorbeiflug jeweils andere Gebiete ab.

Was spricht für einen Doppelstart

Selbst wenn man heute relativ sicher sein kann, dass eine Raumsonde nicht einem Fehlstart zum Opfer fällt und meist nicht nur die Primärmission, sondern erheblich länger durchhält, gibt es gute Gründe für einen Doppelstart.

Der erste Faktor sind die Kosten. Der Bau einer zweiten Sonde kostet typisch nur 30 bis 40 % der ersten. Das ist bedeutend weniger als man aufgrund der Erfahrungskurve annehmen würde (durch die Erfahrung beim Bau geht der Nachbau meistens schneller und kostengünstiger. Oft ist auch der Aufwand mehrere Teile, die eigens für eine Raumsonde gefertigt werden müssen, viel kleiner als der Aufwand erst einmal die Produktion dieser einzuleiten). Der Prozentsatz impliziert, dass die Entwicklungskosten beim ersten Exemplar etwa die Hälfte der Gesamtkosten ausmachen. Die obigen 30 bis 40 % sind nur ein Erfahrungswert, bei normal komplexen Sonden. Betritt man bei einem Projekt oft technologisches Neuland, kann das leicht auf 10 bis 15 % sinken. So hätte eine weitere Vikingmission nur 150 Millionen Dollar gekostet, die ersten beiden zusammen 914,5 Millionen Dollar und in dieser Ziffer sind die gleich bleibenden Start- und Missionskosten schon enthalten.

Das bringt mich aber auch gleich zum Gegenargument. Die Startkosten sind weitestgehend unabhängig von der Zahl der gestarteten Sonden, also in dem Sinne, dass ein weiterer Start nicht weniger kostet als der Erste. Dasselbe gilt für die Fertigung von RTG. Etwas anders sieht es bei den Missionskosten aus. Diese gliedern sich in zahlreiche Unterbudgets. So die Kosten für die Missionskontrolle, also die Steuerung der Sonden. Hier ist es so, das wenn Mitarbeiter mit einer Sonde vertraut sind, sie auch leicht eine zweite baugleiche betreuen können. Meistens ist es ja nicht so, das nicht dauernd Arbeit anfällt. Die Missionskontrolle muss aber immer besetzt sein. Beim wissenschaftlichen Stab benötigt man natürlich bei mehr Daten von mehreren Sonden auch mehr Experten, allerdings verursacht dieser Stab auch relativ hohe Fixkosten: Die Wissenschaftler sind dieselben, die die Experimente entwickelten. Man kann sie nicht nach dem Start entlassen und wenn (Extremfall New Horizons) nach neun Jahren das entscheidende Ereignis ansteht, wieder einstellen. Bei doppelt so vielen Sonden braucht man aber nicht doppelt so viele Wissenschaftler, sondern kann wenn die Auswertungsphase ansteht, das Team verstärken. Auch hier spart man also Kosten ein.

Der letzte Punkt der Missionsüberwachung sind die Kosten der Kommunikation. Diese erfolgt über ein Netzwerk großer Antennen. Hier wird eine Rechnungseinheit verbucht, die den benutzten Ressourcen entspricht. Wenn man es aber genau nimmt, dann hat das System Fixkosten, die auf die Missionen umgelegt werden. Als in den Achtzigern die NASA genauso viele DSN-Antennen hatte. wie heute, aber nur drei aktive Missionen (Pioneer Venus Orbiter, Voyager 1+2) kostete eben die Missionsüberwachung von Voyager 30 Millionen Dollar. Heute nur noch einen Bruchteil dessen. So gesehen würde, solange es freie Kapazitäten gibt eine weitere Mission nicht unbedingt viel mehr kosten.

Vom Kostenaspekt denke ich kann man, wenn man alle Faktoren zusammenfasst, eine zweite Mission für etwa 50 bis 60 % der ersten durchführen. Mit jeder weiteren Mission sinkt das aber immer weniger stark ab. In dem Bereich liegt z.B. das Trio Rosetta / Mars Express / Venus Express mit 1000 / 300 / 220 Mill. Euro. Bei der Raumsonde ist wie zu erwarten der Unterschied deutlicher: (nur Mars/Venus Express) 150 zu 82,4 Millionen Euro.

Was spricht dagegen?

Viele Raumsonden sind heute Orbiter. Bei ihnen entfällt der Zeitdruck von Vorbeiflugmissionen und die Einschränkung, dass jede Vorbeiflugmission nur einen Teil der Himmelskörper beobachten kann – mindestens eine Seite liegt immer im Schatten. Bei einem Orbiter kann man im Prinzip durch eine längere Mission die Daten gewinnen die eine zweite Mission liefert.

Anders sieht es bei den heute selten gewordenen Vorbeiflugmissionen aus. Sie liefern nur einen kurzen Einblick, können sich bei mehreren interessanten Zielen (Mond um Planeten, Pluto-Charon Doppelplanetensystem) nur einem Körper stark nähern und wie schon geschrieben, sehen sie richtig deutlich nur eine Seite. Gelingt es, die Vorbeiflüge zeitlich zu trennen, so gibt es einen echten Mehrwert, denn dann kann man zwischen den Vorbeiflügen die Daten auswerten und neu entdeckte Phänomene mit der zweiten Sonde genauer untersuchen. Das tat man bei Voyager. Als Voyager 1 auf Io Vulkane und einen Ring entdeckte, setzte man weitere Beobachtungen für Io auf den Plan. Da Voyager 2 Io nicht nahe passiert waren eigentlich kaum Aufnahmen geplant und den Ring wollte man bei der einzigen Gelegenheit, wo er im Gegenlicht aufleuchtet, wenn die Sonde hinter Jupiter ist, aufnehmen. Ähnlich verfuhr man bei Saturn, als sich in den Ringen seltsame Phänomene sie Speichen zeigten oder überhaupt die Zahl der Ringe stark anstieg – Voyager 2 konnte schließlich die Zahl der Ringe von Hundert auf über 1000 erhöhen.

Rover und Lander können nur einen Bereich erkunden. Noch gibt es kein Rover, die Tausende von Kilometern zurücklegen können, um kreuz und quer über den Mars zu fahren. Hier liefert uns jeder zusätzliche Rover einen Einblick in eine andere Landschaft, weshalb es auch zwei MER Rover gab. Bei den beiden Letzten dürfte der hohe Preis des ersten Exemplars wohl dagegen gesprochen haben, dass man es nochmals baute. Erstaunlicherweise ist ja Perseverance als Nachbau von Curiosity teurer als dieser, weil die neuen Experimente sehr teuer wurden.

Selbst den Ausfall könnte man eventuell kompensieren. Viele der letzten gescheiterten Missionen wie von Schiaparelli, MPL und MCO wären durch ein Softwareupdate lösbar gewesen. Allerdings wäre beim Start in einem Startfenster dafür die Zeit zu knapp die Ursache zu finden und zu beseitigen.

Mein Plädoyer

Ich bin für eine relaxte Doppelstartmission. Das bedeutet, wenn es keinen zeitlichen Druck gibt, das nächste Startfenster also in überschaubarer Zeit sich öffnet, wie es bei Venus, Mars und Mond der Fall ist, man zuerst eine Sonde startet. Ist diese erfolgreich, kann man die Zweite auf den Weg bringen, wenn nicht kann man den Fehler finden und beseitigen. So vorgegangen bei Schiaparelli würde für die anstehende Exomarsmission sicher mehr Zuversicht ermitteln, wenn wenigstens eine Landung mal klappte. Ist die Mission erfolgreich, so kann man wie bei China nachdenken, Experimente auszuwechseln. Das muss nicht unbedingt teurer werden, denn oft kann man Experimente anderer Sonden einsetzen, die grundlegenden Messprinzipien ändern sich ja nicht. Auch das gibt es schon. Die Abstiegskamera MARDI wurde seit 1998 auf mehreren Marslandesonden eingesetzt, und ist für eine Venussonde geplant. Das UV-Spektrometer ALICE flog auf so unterschiedlichen Missionen wie Rosetta, New Horizons und LRO, also auch in einem breiten Bereich an Umgebungsbedingungen wie Lichteinfall.

Ein zweites Exemplar ist meistens sogar relativ preiswert möglich. Üblich ist das neben dem Flugexemplar (Flight Model FM) mehrere Exemplare gebaut werden. Die meisten sind für Testzwecke vorgesehen und nicht komplett. Mindestens zwei Modelle sind flugfähig. Das ist das Flight Spare (FS), ein Ersatzmodell identisch zum Flug Model und das Qualification Model (QM), das härtere Tests durchläuft als das Flugmodel, sodass man sicher ist, dass es keine Probleme durch die Umgebungsbedingungen beim Start und Einsatz gibt. Würde man das FS nach einem erfolgreichen Start des FM umrüsten – die Experimente werden meist auch in mehreren Exemplaren gebaut, um später Probleme leichtere aufspüren zu können, dann wäre der relativ preiswerte Einsatz eines zweiten baugleichen Models möglich. Das würde für Landemissionen, die ja unterschiedliche Regionen erreichen schon völlig ausreichen. Identische Instrumente erlauben es zudem, viel leichter Ergebnisse verschiedener Landezonen zu vergleichen. Bei Orbitern könnte man über den Austausch von Experimenten durch Reserveexemplare anderer Missionen nachdenken. Im Prinzip also das, was China macht. So gesehen finde ich Chinas Weg nicht nur konsequent und sicher, sondern auch intelligent. Mich wundert nur das man bei der Landung auf dem Mars die komplexer als auf dem Mond ist nur eine Sonde auf den Weg gebracht hat, aber wer weiß, vielleicht folgt 2022 dann die baugleiche Tianwen-2?

25.9.2020: Thermalkontrolle bei Raumflugkörpern

Als ich noch jung war, schrieb ich mal einen Leserbrief an eine populärwissenschaftliche Zeitschrift. Eine der Fragen war, welche Temperatur im Weltraum herrscht, genauer gesagt bei Raumfahrzeugen. Ich bekam die Antwort, das es fernab der Sonne um die 3 K „kalt“ ist, dazu einen Temperaturbereich, der für die Erdnähe gilt, an dessen Werte ich mich aber nach so vielen Jahren nicht mehr erinnere. Derzeit schreibe ich über den Solar Orbiter und dessen unkonventioneller Hitzschutzschild brachte mich auf die Idee, mal dieses grundlegende Thema abzugehen.

Strahlungsaufnahme durch Sonneneinstrahlung

Betrachten wir zuerst einmal die Hauptquelle für Wärmestrahlung die Sonne. Ein Satellit unterscheidet sich in der Regel in zwei Aspekten von der Erde: er rotiert nicht (es gibt noch Satelliten die um ihre eigene Achse rotieren, aber sie sind heute eher selten) und er hat keine Atmosphäre. Man könnte noch andere Aspekte anbringen, wie z.B. das die Masse deutlich kleiner als bei der Erde ist, sodass es weniger Effekte durch das Speichern von Wärme gibt, wie es im Erdboden oder Wasser vorkommt.

Für die Temperatur, die ein idealer Körper erreicht, gibt es eine physikalische Gesetzgebenheit. Man kann relativ einfach über das Stefan-Bolzmann Gesetz die Temperatur eines idealen Körpers im Strahlungsgleichgewicht berechnen. Ein idealer Körper ist wie immer in der Physik eine Idealvorstellung, die andere Effekte wie sie bei der Erde durch die Atmosphäre und Rotation gibt, vernachlässigt. Satelliten können durch ihre kleine Masse aber weitestgehend als ideale Körper angesehen werden. Nimmt man die Werte der Sonne, so würde ein idealer schwarzer Körper, der die gesamte Strahlung absorbiert sich auf 393 K, also +120 Grad aufheizen.

Aber so einen Körper gibt es nicht. Selbst für uns total schwarze Oberflächen absorbieren nicht die gesamte Strahlung. Der Anteil der absorbierten Strahlung wird meist als Prozentsatz ausgedrückt und die dunkelsten Körper, die wir kennen, nehmen 96 % der Strahlung aus. Die hellsten Oberflächen, das sind z.B. verspiegelte Oberflächen, weiße Oberflächen, kommen auf 4 % der Strahlung. Meist wird die Rückstrahlung als Albedo angegeben (das ist einfach 100 % - Absorbtion, meist normiert für das direkte Einsetzen in eine Gleichung als Wert von 0 bis 1). Mit 4 % Absorption oder einer Albedo von 0,96 würde ein schwarzer Körper in Erdnähe nur 176 K (-97 °C) „warm“. Das wären also die Extreme, die ein Satellit aushalten müsste.

Klar ist, dass wenn man sich der Sonne nähert oder von ihr entfernt, die Temperatur sich ändert. Aber das tut sie meistens auch so. Auf vielen Erdumlaufbahnen tritt der Satellit regelmäßig in den Erdschatten ein, und dann kühlt er aus. Das heißt man benötigt ein System, um die Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Methode, die angewendet wird, ist die, dass man den Körper so auslegt, dass er soviel Energie aufnimmt, wie gut für ihn ist, also das elektronische Komponenten einwandfrei arbeiten können, Treibstoffe weder verdampfen noch ausfrieren. Das geschieht, indem man die Albedo reguliert, eventuell ergänzt durch weitere Maßnahmen wie Isolation. Wer einmal Fotos von Satelliten bei der Startvorbereitung gesehen hat, dem fällt die goldfarbene Folie auf. In sie werden große Teile des Satelliten gepackt. Die Folie besteht aus dem Kunststoff Kapton, überzogen mit Aluminium (nicht Gold). Sie hat eine besondere Eigenschaft. Sie absorbiert im visuellen Bereich bis etwa 500 nm 60 % der Strahlung (Emissionsgrad: 40 %), hat danach und im Infraroten aber einen Emissionsgrad von nahezu 100 %. Das heißt, sie nimmt einen Teil der Strahlung der Sonne auf, erwärmt sich so. Sie strahlt aber die Abwärme des Raumfahrzeugs im Infraroten effektiv ab. Reicht diese Folie nicht, z.B. weil das Raumgefährt sich der Sonne nähert, so kann man mehrere Schichten übereinander liegen. Sie wirken als Isolation, weil zwischen ihnen ein Vakuum herrscht. Die unteren Schichten sind dann natürlich anders beschichtet. Ebenso verfährt man, wenn es kälter wird, also man sich von der Erde entfernt.

Innerhalb des Raumfahrzeugs verteilt man die Wärme. Zum einen die Wärme, die an der sonnenzugewandten Seite ankommt wie auch die Abwärme von Komponenten. Dazu nimmt man heute Heatpipes. Sie haben den Vorteil, dass keine Flüssigkeit umgewälzt wird, die austreten könnte. Russland setzte lange Zeit auf ein anderes System: der Körper war druckdicht und mit Stickstoff gefüllt. Ein Ventilator wälzte diesen um. Das System versagte aber mehrmals, wenn ein Mikrometeoriten die Hülle perforierten und der Stickstoff entwich. Die Abführung von zu viel Abwärme, aber auch eine Kühlung von Komponenten auf tiefe Temperaturen, wie man sie für manche Detektoren braucht, erreicht man durch Radiatoren. Das sind wie im Haus im Prinzip Oberflächen mit einer gerippten Feinstruktur um ihre Oberfläche zu erhöhen, die durch die Onberfläche stark auskühlen. Die Kälte kann man wieder durch Heatpipes an die benötigten Stellen bringen. Im Schatten eines Raumfahrzeugs angebracht kühlen Radiatoren extrem aus. Die ISS nutzt ein aktives System, bei dem eine Kühlflüssigkeit umgewälzt wird, und ist so bautechnisch ein riesiger Kühlschrank.

Nahe der Sonne

Im Allgemeinen ist es einfacher mit Kälte umzugehen als mit Wärme, denn heizen kann man immer, sofern man genügend Strom hat. Nähert man sich der Sonne immer mehr, so reicht aber auch bald eine Isolation nicht mehr aus. Um die energiereiche Strahlung bei Raumsonden zu Merkur oder noch näher, nicht auf das Raumfahrzeug kommen zu lassen, gibt es zwei Strategien. Die erste Strategie ist es, nur einen Teil der Oberfläche der Sonne auszusetzen. Die deutschen Helios 1+2 Sonden und der japanische Merkur Magnetosphärenorbiter (Teil von BepiColombo) rotieren schnell um ihre Achse. So erwärmt sich eine Seite, nur kurz bevor sie auf der Rückseite wieder abkühlen kann. Zusätzlich sind die Oberflächen so ausgelegt, das sie die meiste Strahlung reflektieren. Neben poliertem Metall kommen dabei auch optische Reflektoren zum Einsatz, also Elemente, die wie ein Spiegel die meiste einfallende Energie wieder zurückspiegeln.

Die zweite Methode ist es einen Hitzeschutzschild zu bauen. Diesen kann man sehr deutlich bei den Raumsonden Messenger und Parker Solar Probe (Bild) zu sehen, weil er bei diesen, abgesetzt von der Sonde ist, und wirklich als Schild wahrnehmbar ist. Bei den europäischen Sonden BepiColombo und Solarorbiter ist er weniger auffällig, weil er mit nur geringem Abstand direkt an der Sonde angebracht ist, aber auch hier durch eine dünne Schicht des Vakuums getrennt. Der Hitzeschutzschild kann sich an der Vorderseite auf hohe Temperaturen aufheizen. Die Kunst ist es dafür zu sorgen, dass die Rückseite relativ kühl bleibt. Das geschieht, indem man ein Material nimmt, das größtenteils aus Vakuum besteht. Aus dem Material bestanden aus demselben Grund auch die Space Shuttle Hitzeschutzkacheln. Das können bestimmte Faserkeramiken sein, bei denen die Fasern kreuz und quer verlaufen. Die dünnen Fasern geben so sehr schnell Hitze an das Vakuum ab, strahlen sie also zur Seite und zur Sonde ab. Die Space Shuttle Hitzeschutzkacheln hatten durch diese Struktur nur eine Dichte von 0,14 g/cm³, etwa ein Zwanzigstel, dessen was Keramik ohne Hohlräume wiegt. SolarOrbiter verwendet Calciumphosphat, in einer Matrix mit fielen Hohlräumen, wie bei einem Knochen. Eine Besonderheit ist das sein Schild schwarz ist, anders als der Schutzschild anderer Raumsonden, die weiß sind, damit sie schon wenig Energie von der Sonne aufnehmen. Der Grund: man fand kein Material, das über die Missionszeit alle Anforderungen erfüllte. Dazu gehörte, dass es durch die UV- und Teilchenstrahlung nicht nachdunkelte, aber auch bestimmte elektrische Eigenschaften aufwies, damit es nicht durch Teilchen des Sonnenwindes zu einer statischen Entladung kommt. Der eigentliche Sondenkörper ist dann zusätzlich noch mit einer weißen Pigmentschicht bedeckt, die die Strahlung möglichst wenig aufnimmt und der Hitzeschutzschild besteht aus vielen Lagen Titan-Calciumphosphat, wobei das Metall dann die Wärme gleichmäßig verteilt.

Solarpaneele schützt man ähnlich, auch hier indem man Teile der Flächen nicht belegt sondern als reflektierende Flächen auslegt – diese können zusätzlich die Wärme abstrahlen, die die Zellen aufnehmen. Vor allem aber dreht man sie immer stärker von der Sonne weg. Das funktioniert sogar noch bei der Parker Solar probe die sich extrem der Sonne nähert. Dann werden aber auch die Paneele weitestgehend eingezogen.

Problemfall Erde, Mond und Merkur

Vergessen wird aber auch das Planeten ebenfalls Strahlungsquellen sind. Ihre Oberflächentemperatur ist zwar geringer als die der Sonne und die abgegebene Energie nimmt so in der vierten Potenz zur absoluten Temperatur ab – die Erde gibt so pro Flächeneinheit bei 25 Grad 140.000 mal weniger Energie als die Sonne ab. Aber: in einer nahen Umlaufbahn nimmt der Himmelskörper praktisch eine Hemisphäre ein (in einer 200 km Bahn rund 150 Grad), während die Sonne eine punktförmige kleine Strahlungsquelle ist. Alleine durch die viel größere Fläche kann man den Einfluss nicht unterschätzen. Für Satelliten ist das noch meist ohne Bedeutung, aber schaut man sich die Geschichte der Infrarotobservatorien an so sieht man, wie diese immer weiter von der Erde abrückten: IRAS war noch auf einer erdnahen Bahn, ISO wurde in eine geostationäre Bahn geschickt, Spitzer in eine Sonnenumlaufbahn und Herschel in den L-2 Librationspunkt. Alle diese Teleskope haben einen Tank mit flüssigem Helium, welches die Detektoren kühlt, aber langsam verdampft, und wenn es aufgebraucht ist, dann ist das Observatorium nutzlos. Gegen die Strahlung der Sonne hilft ein Schild, aber die Erde kann man so nicht auf einer erdnahen Umlaufbahn abschirmen, also geht man von ihr weg.

Schon 380.000 km weiter wird das Problem bedeutender. Der Mond hat eine sehr dunkle Oberfläche mit einem Reflexionsgrad von etwa 9 bis 12 %, er absorbiert also pro Flächeneinheit drei bis viermal mehr Energie als die Erde und die Oberfläche heizt sich auf bis zu 120 Grad Celsius auf. Schon die Lunar Orbiter kämpften durch diese Strahlung mit thermischen Problemen. Sie führten schließlich zum vorzeitigen Ausfall von Chandrayaan 1, obwohl man noch versuchte die Sonde auf eine höhere Umlaufbahn zu schicken.

Bei Merkur haben alle Raumsonden elliptische Umlaufbahnen, weil da das Problem durch die Oberflächentemperatur von bis zu 427 Grad noch größer ist. BepiColombo empfängt 14 kW Leistung von der Sonne, aber auch 5,1 kW vom Merkur und anders als die Sonne ist der Merkur eben keine punktförmige Quelle. Im merkurnächsten Punkt der Bahn hat er eine Größe von 119 Grad, die Sonne wird für Bepicolombo niemals größer als 1,58 Grad sein. Vor allem aber ändern sich die Positionen dauernd, man kann also nicht einfach mit einem zweiten Schutzschild die Strahlung von Merkur abschirmen. Die beste Lösung ist es auf Distanz zu bleiben und so in einer elliptischen Umlaufbahn zu verblieben. Der aufmerksame Leser fragt sich nun, wie dies bei der Venus aussieht – deren Oberflächentemperatur ist ja noch höher als bei Merkur. Ist sie. Relevant ist aber die Strahlung, die abgegeben wird. Und durch den Treibhauseffekt bleibt die Sonneneinstrahlung eben zum größten Teil in der Atmosphäre. Die Venus reflektiert 75 % der einfallenden Strahlung, mehr als doppelt so viel wie die Erde. Sodass die Temperatur an der Wolkenobergrenze, der Oberfläche, die als Strahlungsquelle dient, nur -33 Grad Celsius beträgt und das ist dann problemlos beherrschbar.

 

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