Da ich gerade an der Erweiterung der Aufsätze über Galileo arbeite, will ich heute mal auf eine Idee kommen, die aufkam als man entdeckte das die HGA blockiert ist: Die einen Kommunikationssatelliten hinter Galileo hinterher zu schicken und über diesen die Signale zur Erde zu senden. Diese Idee wurde nie wirklich verfolgt, weil es einfach keine Mittel gab und auch die Zeit knapp war. Doch ich möchte sie mal kurz durchdiskutieren. Zum ersten: Ist es technisch möglich?
Datenrate und Sendeabstand
Nun man muss zuerst einmal die Datenrate beachten: Ein Kommunikationssatellit muss nicht die vollen 134.4 KBit/s von Galileo erreichen. Der Grund dafür ist, dass man in einer regulären Mission niemals einen 24 Stundenkontakt zur Sonde hätte, sondern normalerweise etwa 4-6 Stunden pro Tag, schließlich gibt es auch noch andere Raumsonden, die Unterstützung brauchen. Bei 6 h pro Tag würde ein Viertel der Datenrate reichen, da man allerdings dann auch nur 18 Stunden pro Tag Zeit um Daten zu sammeln kann sind es effektiv 44.8 KBit/s (6/18) und bei 4 Stunden müsste der Kommunikationssatellit 26.8 Kbit erreichen (4/20).
Als Antenne käme die gleiche Antenne wie bei Galileo in Frage: Sie war die größte damals serienmäßig produzierte (denselben Typ setzten die TDRS Satelliten ein). Diese hat 4.9 m Durchmesser. Auf der Erde kann man mit 34 m Antennen noch 10 Bits von Galileos Niedriggewinnantenne empfangen. Natürlich unterscheiden sich die Empfänger an Bord eines Kommunikationssatelliten und auf der Erde. Aufwendige Kühlung mit flüssigem Wasserstoff ist auf dem Satelliten nicht möglich. Dafür ist die gesamte Antenne auf 100-120 K bei Jupiter gekühlt und es gibt keinerlei Störsender in der Nähe. Auch muss keine Atmosphäre passiert werden. Nehmen wir vereinfacht an, dass sich diese positiven und negativen Effekte ausgleichen. Die Berechnung der maximalen Distanz wird dann zum Dreisatz wenn man die mittlere Distanz Jupiters von der Erde kennt. Letztere liegt bei 750 Millionen km. Dann gilt:
(Distanz Galileo-Erde / Distanz Galileo-Satellit)² = (Durchmesser Sendeantenne / Durchmesser Satellitenantenne)²
Bei gleicher Datenrate. wie zur Erde (10 Bit/s) erhalten dann 108 Millionen km. Das ist schon mal positiv – Galileo entfernt sich niemals mehr als 20 Millionen km von Jupiter, d.h. selbst wenn sich der Kommunikationsorbiter sich auf der anderen Seite befinden würde, wäre die Datenrate höher.
Nun will man aber mehr Daten senden. Dann gilt:
Max Distanz = 108 Mill km/ Sqrt(gewünschte Datenrate/10 Bit/s)
Da die Energie quadratisch mit der Entfernung abnimmt (doppelte Entfernung = ein Viertel der Datenrate) erhält man 2.08 Millionen km bei 26.8 kbit/s und 1.61 Millionen km bei 44.8 kbit/s. Wenn man die bislang größte gebaute Kommunikationsantenne, das mit derselben Technologie gebaute 9.15 m durchmessende Modell des Experimentalsatelliten ATS-6 nimmt, dann werden die Distanzen noch größer. Diese hat fast den doppelten Durchmesser und erlaubt so die Datenrate von 26.8 / 44.8 KBit/s noch aus 3.88 / 3.00 Millionen km zu empfangen.
Das sind doch recht komfortable Distanzen, die es auch erlauben, das Der Orbiter nicht Galileo auf dem Flugpfad folgen muss, sondern z.B. sich nach dem Einschuss niemals mehr als bis zu Ganymed ins innere Jupitersystem bewegen muss. Es gibt natürlich auch für den Kommunikationssatelliten das Problem der Strahlenbelastung. Sie könnte so minimiert werden. (Eine ESA Studie für einen Europa Orbiter geht z.B. davon aus zwei Satelliten zu bauen – einen der Europa umkreist und einen zweiten der sich im äußeren Jupitersystem befindet. Dieser soll neben wissenschaftlichen Messungen auch als Relay fungieren. Der Vorteil liegt darin, dass man Antenne und Sender viel kleiner dimensionieren kann und Strom für leistungsfähigere Sender spart. So wird der Europa Orbiter der auch viel Treibstoff mitführen muss leichter.
Es wäre also möglich die Daten zu sammeln und weiterzuleiten, selbst wenn der Kommunikationssatellit nicht Galileos Tour zu 100 % folgt.
Aufbau
Es geht nur die Relay Funktion, d.h. der Satellit selbst sollte möglichst klein sein. Die Anforderungen an Kurskorrekturvermögen für Galileo liegen deutlich unter denen eines geostationären Satelliten mit einem Apogäumsantrieb. Für die beiden wesentlichen Manöver beim Jupiter: Das Einschwenken in den Orbit und das Anheben dessen brauchte Galileo weniger als 1000 m/s. Danach hatte die Sonde noch etwa Treibstoff um die Geschwindigkeit um 200 m/s zu ändern. Ein Satellit braucht 1500 m/s um in einen geostationären Orbit zu gelangen wenn er von Kourou aus gestartet wird und sogar 1800 m/s wenn er von Cape aus startet. Dazu kommen Reserven um die Bahn zu halten: 50-75 m/s pro Jahr und dies sind bei 5-7 Jahren nomineller Betriebsdauer dann auch nochmal 250-500 m/s.
Daher wäre es sinnvoll einen normalen Kommunikationssatelliten der Delta 3920 Klasse zu nehmen und bei diesem die Antennen durch die einzelne Kommunikationsantenne zu ersetzen. Ein Großteil der Verstärker und Sender entfällt so auch, so dass man eher Gewicht einsparen kann. (Die 4.9 m Antenne von Galileo ist mit 24 kg Gewicht eine sehr leichtgewichtige Konstruktion). Strom kommt dann durch einen RTG wie bei Galileo. Es müsste ein einzelner GPHS RTG müsste reichen, schließlich gibt es keine Experimente zu versorgen. Dafür spart man sich die Solarpanels ein. Nimmt man 1300 kg an (Delta 3920 Nutzlastgrenze: 1200 kg) so liegt man sicher in einer Region mit Sicherheitsreserven (die Kommunikationssatelliten werden ja schwerer weil immer mehr Sender an Bord sind – und hier ist es nur einer anstatt 6-10 wie bei dieser Klasse üblich).
Gibt es einen Träger der die Nutzlast zu Jupiter bringen kann? Ja damals gab es schon die Titan 4 Centaur. Die Nutzlast einer Titan 401 für einen Direktkurs zu Jupiter ist etwas geringer (1150 kg), doch mit einer PAM-D Zusatzstufe sind es sogar komfortable 1760 kg. Es wäre also auch technisch möglich gewesen.
Der Zeitfaktor ist eher kritisch: Ein Flug zu Jupiter dauert auf einer energiearmen Bahn 27 Monate. Das Startfenster für eine zeitnahe Ankunft bei Galileo läge im November 1993. Der Orbiter würde also 3 Monate nach Galileo ankommen (oder man startet im Oktober 1992, dann ist man 11 Monate vorher dort. (Startfenster zu Jupiter gibt es alle 13 Monate). Galileo sollte im Mai 1986 direkt starten, so kann man leicht zukünftige Direktflüge berechnen.
Das Antennenproblem entdeckte man am 11.4.1991. Man hätte also nur 18 bzw. 29 Monate Zeit gehabt – das ist wirklich knapp, wobei man ja noch hoffte, die Antenne frei zu bekommen und nicht sofort an eine Alternativstrategie dachte und diese Zeit ginge von einer Planung dann ab.
Natürlich wären auch Zusatzkosten entstanden: Das teuerste ist eine Titan 4, die etwa 200 Millionen Dollar kostet. Ein Kommunikationssatellit der Delta Klasse ist mit 50-60 Millionen Dollar recht preiswert. Dazu kommen noch die Radioisotopenelemente, die sicher im zweistelligen Millionenbereich liegen. Über die Zeit kommen noch Kosten für die Missionsüberwachung dazu. Doch lassen wir es mal 400 Millionen sein – das sind dann trotzdem weniger als als ein Drittel der gesamten Kosten von Galileo.
Dafür gäbe es aber nicht nur reduzierte Meßergebnisse, sondern den vollen Satz. Machen wir es an Bildern fest: Cassini hat in 3 Jahren mehr als 100.000 Bilder zur Erde gesandt. Galileo sandte in 2 Jahren 1920, davon waren nur 1645 auswertbar. Die anderen fielen technischen Defekten bei der Übertragung zum Opfer. Das ist ein Unterschied um den Faktor 30-50! Das meine ich wäre Rechtfertigung genug diesen Satelliten zu bauen.
Die Mission wäre dann etwas anders als bei Galileo: Der Kommunikationssatellit würde sich auf einer Umlaufbahn befinden die Galileo grob folgt, aber nicht genau. Er würde sich um Schäden an der Elektronik zu verhindern nicht Jupiter so stark nähern, sondern nur etwa bis Ganymed. Wichtig ist nur, das der Orbit grob synchronisiert ist und sich der Kommunikationssatellit im äußeren Bereich befindet wenn dies auch Galileo tut. 1.6-3.88 Millionen km Minimaldistanz sind komfortable Distanzen, wobei Galileo sich natürlich auch stärker annähern kann und dann mehr Daten übertragen kann. Vor allem wenn beide nahe Jupiter sind ist dies praktisch immer gegeben. Dann würde der Kommunikationsorbiter diese zwischenspeichern und später übertragen. So gäbe es vor allem den Monden – dem Primärziel von Galileo – mehr Fotos. Da Galileo Orbits immer kürzer wurden steigt die Datenrate sogar im Laufe der Mission.
Eine Alternative wäre es die große Antenne nur zum Senden zur Erde zu nehmen und eine kleine von vielleicht 1 m Durchmesser zum Empfang zu nutzen. Das hat zwei Folgen: Nun muss der Satellit Galileo folgen, denn die Distanz sinkt rapide. Dafür kann man aber die normale Tour ohne Veränderungen absolvieren. Der Kommunikationssatellit würde mit einer Antenne (die bei kurzer Distanz sogar eine Omindirektionale sein kann) empfangen und mit der großen den Datenstrom zur Erde weiterleiten. Problematisch dabei ist, dass er Galileo in sehr kurzer Distanz folgen muss – Galileo flog 1000 km an den Galileischen Monden vorbei und diese bewegen sich pro Sekunde um 10-20 km/s weiter, so dass schon 100 Sekunden später die Vorbeiflugdistanz sich verdoppelt hätte und damit die Veränderung des Orbits durch den Mond eine andere wäre.
Das erfordert also eine sehr genaue Abstimmung der Orbits. Den Ankunftstermin könnte man bei einem Start 1993 so justieren, dass er passt. Man müsste nur die Flugdauer von 27 auf 24 Monaten reduzieren, was mit einer leicht höheren Startenergie und einem etwas höheren Treibstoffverbrauch bei der Ankunft verbunden ist. Bei diesem Szenario müsste der Kommunikationssatellit aber wie Galileo über strahlungsresistente Elektronik verfügen, denn er folgt ja ihr und erhält am Schluss auch über 1200 kRad an Strahlung.
Wir wissen das es nicht dazu kam – schade eigentlich.
So nun och eine Bemerkung zu den Kommentaren zum letzen Blog. Den Fehler bei den Distanzen habe ich korrigiert. Gemeint waren 64000 km bei Elektronen und 48000 km bei Protonen. Zu den SI Einheiten komme ich im nächsten Blog, denn das ist ein etwas längeres Thema.