Herausforderungen für die Titanforschung

Auf den heutigen Blog kam ich durch eine Doku auf ZDF Info: „Das Rätsel des Eismonds“. Mich hat primär die miserable deutsche Umsetzung geärgert. Da gab es enorm viele Fehler. So wurde aus dem Landedatum 14. Januar 2004 der 14 Juni 2004. Beim Übersetzen der Interviews gab es weitere Fehler. Da der deutsche Ton über dem originalen liegt, kann man nur spekulieren, was im Original gesagt wurde, aber aus dem ausgehenden Treibstoff Cassinis für die Lagerung wurde die Hecksteuerung. Bestandteil der Sendung war auch ein Ausblick auf zukünftige Missionen und das will ich aufgreifen und primär mal beschreiben, welche Dinge man gelöst haben müsste.

Zu Saturn kommen

Erst mal muss man zu Saturn kommen. Heute gibt es sehr viele Optionen wie man dies tun kann:

• Rein chemisch
• Mit Swing-Bys an inneren Planeten
• Mit Swing-By an Jupiter
• Mit Ionenantrieb oder Sonnensegel
• Und das kann man noch kombinieren.

Am einfachsten ist die Frage zu beantworten, wie es rein chemisch geht. Man benötigt für die energieärmste Bahn, eine Hohmann Transferbahn mindestens 15.100 m/s, etwa 1.000 m/s mehr als zum Jupiter. Bisher gab es erst drei Raumsonden, welche diese Geschwindigkeit erreichten: Ulysses, New Horizons und die Parker Solar Probe. Heute kann keine Trägerrakete ohne eine zusätzliche Oberstufe eine Nutzlast auf diese Geschwindigkeit befördern. Das könnte sich mit der SLS ändern, die etwa 4 t auf diese Bahn befördern kann. Dann dauert die Reise knapp über 6 Jahre. Es gibt wie bei anderen Zielen natürlich beliebig viele mögliche Bahnen. Erhöht man die Startgeschwindigkeit, so wird man schneller Saturn erreichen. Da man diese Überschussgeschwindigkeit aber bei Saturn wieder abbauen muss, wird man dies nicht tun, auch bei den anderen Möglichkeiten der Reise. Schneller als 6 Jahre Reisezeit wird es nicht gehen. Allerdings ist es nicht so schlimm, wenn man mit nur wenig mehr Geschwindigkeit ankommt. Cassini erreichte einen ersten Orbit von 19.000 x 9 Mill. km und musste dafür um 630 m/s abbremsen. Kommt man um 2 km/s mehr an (7,5 anstatt 5,5 km/s) so schlägt das in 400 m/s mehr Geschwindigkeitsbedarf nieder, man benötigt dann nur noch 3 Jahre bei rein chemischem Antrieb, müsste auch mit 700 m/s schneller starten, die Halbierung der Reisezeit erfordert also gesamt 1100 m/s.

Praktisch wird man heute mit Swing-Bys Treibstoff einsparen. Ein Vorbeiflug an Venus und Erde spart unter optimalen Umständen rund 3 km/s ein. Cassini machte es sehr gut, hier dauerte die Reise nur ein Jahr länger. Bei Juno, die nur zu Jupiter unterwegs war, stieg die Reisedauer durch einen Erdvorbeiflug dagegen um 2,5 Jahre zu Jupiter. Dafür betrug die gesamte Geschwindigkeit die aufgebracht wurde 13,1 anstatt 14,1 km/s. Bei der Erde als einziges Rendezvours-Ziel ist es mathematisch relativ einfach zu formulieren: man wird eine Sonde auf eine Bahn schicken, die ein vielfaches oder einen einfachen Bruch der Umlaufdauer der Erde hat, z.B. 2 Jahre Umlaufszeit. Als Folge erhält man Vorbeiflüge rund um den Starttag.

Jupiter wurde von Cassini als Sprungbrett genutzt. Jupiter ist von allen Swing-By Möglichkeiten die beste. Vorbeiflüge an den inneren Planeten können den sonnenfernsten Punkt der solaren Bahn anheben, nicht aber den sonnennächsten. Jupiter kann das. Als Folge sinkt die Geschwindigkeit, mit der man bei Saturn ankommt, allerdings erneut auf Kosten der Reisedauer. Selbst wenn man dies nicht ausnützt, muss, man um zu Jupiter zu kommen etwa 1 km/s weniger Geschwindigkeit in Erdentfernung aufbringen. Leider gibt es gemeinsame Startfenster alle 20-21 Jahre, dann aber mit einem grö0ßeren Zeitraum, in dem es eine niedrige Startenergie gibt. 1977 wurde das Startfenster von Voyager genutzt, 1997 von Cassini. Das nächste optimale Fenster liegt um 2038. Der NASA Trajektorie Browser liefert als optimalesten Starttag den 24.10.2038 mit einem Jupitervorbeiflug am 27.10.2040 in 73,8 Jupiterradien Abstand und einer Ankunft bei Saturn am 17.3.2045 mit einem dV von 6,93 km/s relativ zu einer 200-km-Erdumlaufbahn, zusammen also 14,73 km/s. Es gibt aber praktisch jedes Jahr eine Alternative über einen Erdvorbeiflug allerdings teilweise mit einer hohen Geschwindigkeitsänderung nach dem Start. Bei einem Start 2029 kommt man mit einem Erdvorbeiflug auf praktisch diesselbe Gesamtgeschwindigkeit und Reisedauer, muss aber über 2,41 km/s während der Reise ändern und kommt mit 300 m/s höherer Ankunftsgeschwindigkeit an.

Ionentriebwerke und Solarsegel brauchen noch länger, da zu der Reisezeit noch die Zeit hinzukommt, in der der Antrieb arbeitet. Bei Ionentriebwerken ist vor allem nachteilig, das, wenn sie Geschwindigkeit aufnehmen, sie sich von der Sonne entfernen, dadurch aber bei solarer Energieversorgung der Strom für die Triebwerke sinkt und man so kaum noch schneller wird. Als Folge kann es sein das man mehrere zeitintensive Runden um die Sonne drehen muss. Hier wären Kernreaktoren eine Alternative. Vielleicht fällt hier einer als Abfallprodukt für die Mission zu Mars und Mond ab, denn für bemannte Missionen benötigt man Kernreaktoren als Energieversorgung. Alternativ müsste man extrem leichtgewichtige Solarzellen entwickeln oder das Sonnenlicht konzentrieren. Konzepte dafür gibt es aber noch nichts erprobtes. Derzeitig von der Stange verfügbare Solarzellenarrays sind jedenfalls für eine anspruchsvolle Sonde zu klein.

Zu Titan

Bei Saturn angekommen wird man die überschüssige Geschwindigkeit abbauen müssen. Um dies zu minimieren, schwenkt man in eine erste Umlaufbahn mit hoher Apapsis ein mit einer Umlaufbahn von 100 bis 180 Tagen Dauer ein. Die kann man dann durch Vorbeiflüge an Titan absenken. Eine Landesonde könnte auch direkt auf Titan landen.

Das Folgende verläuft dann ähnlich wie bei Cassini. Man wird versuchen durch Titanvorbeiflüge die Umlaufsdauer immer weiter abzusenken. Das grundsätzliche Problem: Es gibt im Saturnsystem nur Titan als massereichsten Mond. Bei Jupiter können Raumsonden wie Galileo, JUICE oder die Europamission vier Monde nutzen, bei Saturn nur Titan und ganz nahe kommt man wegen der Atmosphäre auch nicht an ihn heran. Es wird also sehr viele Vorbeiflüge geben. Der erste Titanvorbeiflug von Cassini brachte z.B. nur 290 m/s Geschwindigkeitsänderung. Mindestens acht Vorbeiflüge werden es also sein, wobei in der Praxis es mehr sein werden, denn jeder neue Orbit sollte so ausgelegt sein, dass er wieder an Titan vorbeiführt.

Ein Orbiter muss dann in eine Titanumlaufbahn einschwenken. Das dazu benötigte dV hängt natürlich von der Ausgangsbahn ab. Da Titan aber nicht sehr massereich ist, ist dies überschaubar. Wegen der dicken Atmosphäre, die bis in fast 1.000 km Höhe reicht, bietet sich beim Orbiter auch das Aerocapture an, man würde ihn mit einem Schutzschild ähnlich dem von Landekapseln (nur hinten offen) umgeben. Aerocapture bietet sich vor allem an, wenn man direkt in eine Umlaufbahn einschwenken will, also nicht langsam den ersten Orbit durch Titanvorbeiflüge abändern will, denn die Aeroshell bedeutet natürlich auch ein Zusatzgewicht, das man gegen den Treibstoffverbrauch bei einer konventionellen Lösung gegenrechnen muss.

Auf Dauer höher ist der Geschwindigkeitsbedarf in der Umlaufbahn um Titan. Titan ist 1,22 Millionen km von Saturn entfernt – klingt nach viel, doch Saturn hat die 95-fache Masse der Erde. Selbst in dieser Entfernung ist seien Gravitationskraft über neunmal stärker als die der Erde beim Mond. Aber schon beim Mond stört die Erde so stark, dass die meisten Umlaufbahnen um den Mond instabil sind und Satelliten nach wenigen Monaten aufschlagen – bei Titan ginge das wegen der Atmosphäre noch schneller. Es scheint aber wie beim Mond Bahnen zu geben, die wenig gestört werden.

Ein Titan Orbiter würde als Hauptaufgabe die Kartierung der Oberfläche mittels RADAR haben. Cassini lieferte wegen der Vorbeifluggeometrie und Nutzung der normalen Antenne anstatt einer optimierten SAR-Antenne nur eine vergleichsweise grobe Auflösung und deckte nur Teile der Oberfläche ab. Die Datenrate ist bei Saturn begrenzt, aber Titan ist auch klein. Vergleicht man ihn mit der Venus, die auch nur mit Radar kartiert werden kann, so hat er eine 2,4 fach kleineren Durchmesser was einer 5,6-fach niedrigen Datenrate bei derselben Auflösung und Missionsdauer entspricht und bedenkt man das man bei einem Saturnorbiter eine größere Antenne einsetzen kann, so sollte eine ähnliche Auflösung wie bei der Venus erreichbar sein. Daneben kann man die Atmosphäre aus dem Orbit mit Spektrometern erkunden und vor allem ihre jahreszeitliche chemische Veränderung untersuchen. Die Beeinflussung des Orbits verrät zudem noch einiges über den inneren Aufbau von Titan.

Landesonden

Mehr Möglichkeiten hat man bei einem Lander, der wie schon geschrieben schon vor Erreichen einer Titanumlaufbahn abgetrennt werden kann. Die Atmosphäre des Titan ist so dicht, dass Huygens zweieinhalb Stunden bis zur Landung brauchte, selbst auf der Venus geht das schneller. Dafür ist die Landung sicher und ein Fallschirm reicht aus, man braucht keine Landetriebwerke. Nebenbei hat man so viel Zeit die Atmosphäre beim Abstieg zu untersuchen und Aufnahmen des Landeplatzes zu machen.

Prinzipiell gäbe es drei mögliche Missionstypen:

• Eine Bodensonde, entweder stationär oder als Rover

• Ein Flugzeug, vergleichbar einer Drohne

• Ein Ballon

Diese sind auch kombinierbar, d.H. ein Rover kann einen Ballon oder ein Flugzeug freisetzen. Die Bodensonde ist vergleichbar denen die auf Mond und Mars absetzbar sind. Als zusätzliche Hindernisse kommen nur hinzu, das man vielleicht nicht in einem der Seen landen sollte dies es auf Titan gibt. Daneben besteht die Oberfläche aus Eis. Durch die Abwärme würde eine Sonde daher bald einsinken, ein Problem, das man auch von Forschungsstationen in der Antarktis kennt. Ein Rover, der in Bewegung bleibt, hat dieses Problem weniger. Die Instrumentierung wäre sehr ähnlich denen von Marsrovern, auch weil es um dieselben Untersuchungen geht. Man könnte bei Titan mehr in die Tiefe gehen, das heißt zum einen leichter bohren, da es sich ja um Eis handelt, aber auch ein Bodenradar würde tiefer eindringen. Auch das Probenvorbereiten gestaltet sich einfacher.

Eine Landesonde wird es in jedem Falle auch bei Ballonen und Flugzeugen geben denn irgendwie müssen auch diese erst mal landen. Dann wird es aber eine stationäre Sonde sein, während eine reine Landesonden wohl eher heute ein beweglicher Rover wäre.

Für Ballonsonde und Flugzeug ist die dichte Atmosphäre von Vorteil. Sei ist 4,6-mal dichter am Boden als die der Erde. Das kann man bei einer Ballonsonde direkt in einen 4,6-mal größeren Auftrieb umrechnen, aber auch bei einem Flugzeug oder Helikopter muss der Motor weniger leisten. Für ein aktiv betriebenes Fluggerät ist allerdings hinderlich, dass die einzig verfügbare Energieversorgung ein RTG ist. Er kann zwar einen Akku aufladen, der etwa 30-mal mehr Energie pro Masse speichern kann, aber ohne RTG wird es nicht gehen, auch wegen der Nutzung der Abwärme, denn bei -90 Grad fällt sonst der Akku aus. Wahrscheinlich wird ein aktiv betriebenes Flugzeug eine Ergänzung zu einer größeren Landesonde sein. Es wird von ihr aufgeladen und nutzt sie auch zur Datenübertragung, kann so aber auch nur die unmittelbare Nähe der Landesonde / Rover erkunden und muss zum Aufladen wieder zurückkehren. Sehr viele Instrumente wird sie allerdings nicht mitführen können. Ein ähnliches Konzuept könnt ein mitgeführter kleiner Ballon sein. Um 1 kg bei Titan anzuheben, das wäre ausreichend für eine Kamera und Elektronik, die Ballonhülle und ein Seil benötigt man nur einen Ballon von 0,22 m³ Volumen also einen etwa 40 cm großen Ballon. Ihn könnte ein Rover an dem Seil steigen lassen. Durch das Seil geht er nicht verloren und über dieses könnte man auch mit zwei Kabeln Strom liefern und Daten transferieren. Dieser Rundumblick, den man schon bei einer Höhe von wenigen Metern mehr hat, ist auch sehr nützlich für die Tourenplanung.

Eine Ballonsonde könnte dagegen sehr lange betrieben werden, wenn man den Verlust an Gas in Griff bekommt. Immerhin: Auf der Erde konnte man die Welt schon in 20 Tagen ohne Zwischenlandung umrunden. Wie auf der Erde gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten um Auftrieb zu erzeugen: man könnte die Titanatmosphäre aufheizen entsprechend einem Heißluftballon und man könnte ein leichteres Gas einsetzen. Angesichts der Leistung von Gasbrennen bei irdischen Heißluftballons denke ich wird man mit der Abwärme von RTG in der Größenordnung von einigen kW kaum einen Heißluftballon für eine größere Sonde betrieben können. Bei der Erzeugung von Auftrieb durch ein leichteres Gas gilt dasselbe, wie bei der Erde, auch die mittlere Molekülmasse von der Atmosphäre von 28 bei Titan und 29 bei der Erde ist vergleichbar. Aufgrund der niedrigen Temperaturen kommen nur Wasserstoff und Helium als Gase infrage. Rein theoretisch könnte man auch das Eis auf Titan erst schmelzen und dann durch Elektrolyse in ein Gasgemisch umwandeln, was dann eine mittlere Molmasse von 12 hätte. Nur würde ich mich nicht auf eine Technologie verlassen, die man niemals zuvor ausprobieren kann. Zudem weiß man nicht in wieweit die organischen Substanzen im Eis stören und welche es sind. Helium kann man nur in Form von Druckgasflaschen mitführen, die typisch das dreifache des Inhalts wiegen. Sie wären ein Gewichtsposten, für 100 kg Sondennettomasse inklusive Ballonhülle bräuchte man 4,2 kg Helium, die zusammen mit den Flaschen dann 17 kg wiegen. Bei Wasserstoff wird das nur wenig besser (15,4 kg) dafür dürfte die Verlustrate höher sein. Immerhin sorgt die hohe Dichte dafür, dass der Ballon 4,4-mal kleiner als auf der Erde ist. Die NASA hat das autonome Fliegen bei einem „kleinen“ Ballon (11 m Länge, 2,5 m Durchmesser) erprobt, der auf der Erde nur 16 kg anheben kann. Bei Titan wäre die Nutzlast 4,4-mal größer. Wasserstoff könnte man theoretisch auch aus mitgeführten Substanzen freisetzen, allerdings ergibt dies keinen Gewichtsvorteil.

Ein solcher Forschungsballon könnte in niedriger Höhe schweben und sich langsam fortbewegen, dabei die Oberfläche fotografieren und atmosphärische Untersagungen machen. Für die Analyse von Bodenproben müsste er landen oder zumindest eine Sonde herablassen. Ideal wäre ein aktiver Flug, der ist allerdings energieufwendig, das obige Modell hatte zwei Triebwerke von je 2,3 kW Leistung. Doch vielleicht reicht auch ein passiver Flug aus. Er würde auch Daten über die Strömungen bei Titan liefern. Dazu müsste man dann natürlich eine Höhe erreichen, die verhindert das man auf Hindernisse trifft. Die höchsten Berge haben bei Titan 3337 m Höhe. Das sind aber ausnahmen. Cassinis Radaraufnahmen ergaben sonst Höhenunterschiede im typischen Bereich einiger Hundert Meter, an sonst keiner Stelle mehr als 1 km. Bei einer Skalenhöhe von 11,1 km reicht eine um 8,5 % niedrigere Dichte der Gasfüllung als für den Erdboden nötig wäre, um den Ballon in 1 km Höhe schweben zu lassen. Auf der Erde wäre dies gleichbedeutend mit dem Druckunterschied von etwa 700 m Höhe.

Neben Aufnahmen und Atmosphärenanalysen wäre bei einem niedrigen fliegenden Ballon auch eine Bodenuntersuchung denkbar, wenn man landet. Alternativ könnte man eine Probe an einem Greifer in Bodennähe nehmen. Das geht nicht in die Tiefe, doch man nimmt an das die interessantesten Dinge sowieso als Aerosole herabregnen und sich so in der obersten Schicht befinden. Über einem See wäre die Probennahme sogar noch einfacher und dieser wäre für eine Landesonde nicht erreichbar. Ich denke aber das bessere Konzept ist ein Rover mit guter Instrumentierung, der an einem Seil einen kleinen Ballon mitführt, der dann nur Übersichtsaufnahmen und einige Wetterdaten liefert.

Es bietet sich an Orbiter und Lander zu kombinieren, weil man bei keinem der Konzepte eine große und präzise ausrichtbare Richtantenne mitführen kann. Sie ist zu schwer und bei einem beweglichen Rover, Ballon oder Flugzeug nur schwer ausrichtbar. Der Orbiter würde die Daten des Landers empfangen und zur Erde übertragen. Prinzipiell könnte dies auch ein Saturnorbiter leisten, der periodisch Titan passiert, doch zum einen wäre dann die Datenrate und Datenmenge kleiner und zum anderen würde dieser Orbiter nicht mehr leisten als Cassini. Ein solcher Orbiter wäre nur von Nutzen, wenn er gleichzeitig Enceladus häufig besucht, der als zweites interessantes Ziel im Saturnsystem gilt.