Sind mit RTG’s oder SLA im äußeren Sonnensystem Ionenantriebe möglich?
Diese Frage stellte Martin Rosenkranz in einem Kommentar Ich habe mich damit ja schon vor Jahren befasst. Eher gesagt, ich habe das aufgegriffen was andere durchgerechnet haben. Sie kamen zu dem Schluss, dass es geht. Voraussetzung sind sehr kleine Sonden, sodass selbst die schwache Leistung von RTG über Jahre hinweg ausreicht eine Raumsonde gravierend im Kurs zu beeinflussen.
Zeit hat man – Die Missionen der NASA werden auf eine normale Transferbahn zum Planeten geschickt und dann langsam abgebremst, genauer gesagt das Apohel langsam angehoben, bis man sich von dem Planeten einfangen lassen kann. Bei Jupiter, Saturn und Neptun kann ein Vorbeiflug an einem Mond dann auch noch etwas Energie einsparen. Dort angekommen kann man mit Ionentriebwerken auch den Orbit ändern. Zeit genug dafür hat man ja.
Nun, bei meiner Untersuchung von leistungsfähigen Solarkonzentrator-Arrays bin ich darüber gestolpert, das ein heute als Prototyp schon verfügbarer SLA (Stretched Lens Array) mit 300 W/m² bei Jupiter mehr Leistung pro Gewicht liefert als ein RTG. Bei den 500 W/kg SLA, die bald verfügbar sind, ist dies bei Saturn der Fall. Damit sollten diese Missionen auch mit SLA möglich sein und ich will dies mal verdeutlichen.
Mein Szenario knüpft da an wo ich eine Mission zu Jupiter schon mal berechnet hatte. Sie geht davon aus, dass eine Nutzlast von 2200 kg von der Vega in einen 500 km Erdorbit gebracht wird und dann mittels eines SLA bis in 250 Millionen km Entfernung beschleunigt wird:
| Erde-Jupiter | |
|---|---|
| Geschwindigkeit (solar+20 %) | 10520 m/s |
| Mittlere Entfernung | 200 Millionen km |
| Treibstoff (Gesamt) | 586 kg |
| Tanks | 118 kg |
| Strukturen | 100 kg |
| Triebwerke | 13 (91 kg) |
| Solarzellen | 217 kg |
| Nutzlast | 1088 kg |
Es werden von 2200 kg Startmasse noch 1088 kg zum Jupiter befördert. Das ist quasi Stufe 1. Danach werden Treibstofftanks und Ionentriebwerke abgetrennt. Für die weitere Mission werden weitaus kleinere (RIT-10 anstatt RIT-22) Triebwerke benötigt. Beginnend in 650 Millionen km Entfernung wird dann die Bahn abgehoben.
Die folgende Rechnung geht von folgenden Eckdaten aus:
- Betrieb von 650 bis 780 Millionen km Entfernung (Mittel: 700)
- Minimale Betriebszeit auf einer Hohmannbahn 471 Tage
- Geschwindigkeit die aufgebracht werden muss: 6000 m/s (Solar + 20 %)
- Im Jupiter muss ein weiterer Vorrat für 3000 m/s verbleiben.
Das Ergebnis für eine steigende Sondenmasse zeigt die folgende Rechnung:
| Treibstoff Jupiter | 83,4 | 83,4 | 83,4 | 83,4 | 83,4 | kg |
| Tanks Jupiter | 8,3 | 8,3 | 8,3 | 8,3 | 8,3 | kg |
| Satellit | 200,0 | 300,0 | 400,0 | 500,0 | 600,0 | kg |
| Treibstoff Jupitertransfer | 187,6 | 187,6 | 187,6 | 187,6 | 187,6 | kg |
| Tanks Jupitertransfer | 18,8 | 18,8 | 18,8 | 18,8 | 18,8 | kg |
| Struktur | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | kg |
| Solargenerator | 700,0 | 600,0 | 500,0 | 400,0 | 300,0 | kg |
| Gesamt Jupitertransfer | 1300,0 | 1300,0 | 1300,0 | 1300,0 | 1300,0 | kg |
| Strom in 700 Mill. km | 9642,9 | 8265,3 | 6887,8 | 5510,2 | 4132,7 | W |
| Strom in 780 Mill. km | 7766,3 | 6656,8 | 5547,3 | 4437,9 | 3328,4 | W |
| Eigenverbrauch | 200,0 | 200,0 | 200,0 | 200,0 | 200,0 | W |
| Strom Ionentriebwerke Transfer | 9442,9 | 8065,3 | 6687,8 | 5310,2 | 3932,7 | W |
| Strom Ionentreibwerke Jupiter | 7566,3 | 6456,8 | 5347,3 | 4237,9 | 3128,4 | W |
| Betriebsdauer Jupitertransfer | 204,8 | 239,8 | 289,2 | 364,2 | 491,7 | Tage |
| Betriebsdauer Jupiter | 113,6 | 133,1 | 160,8 | 202,8 | 274,8 | Tage |
Ablesebeispiel: Bei 364 Tagen Betriebszeit im Transferorbit kann ein 500 kg schwerer Orbiter zu Jupiter befördert werden. Das ganze ist also möglich. Die Nutzlast von 500 kg ist nicht gerade wenig. Der Galileo Orbiter wog ohne RTG und Antriebssystem auch nur 622 kg – Also fast dasselbe Gewicht. Damit wäre die Galileo Mission mit einer Vega durchführbar!
Wie sieht es bei anderen Planeten aus? Es wird zunehmend schwieriger. Zum einen steigt die Geschwindigkeit die nötig ist um den solaren Orbit anzugleichen an. Zum anderen nimmt durch die Entfernung die verfügbare Leistung quadratisch ab. Bei Saturn beträgt sie nur noch ein Viertel des Wertes bei Jupiter. Trotzdem erscheint mit einem 500 W/m² SLA für mich noch eine Mission zu Saturn möglich.
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