Das beste Bild von Halleys Kern bis 2061

Dieses Zitat fiel mir in meinem derzeit gelesenen Buch Jenseits von Halley über die nachbearbeiteten Aufnahmen der HMC. Sie sind recht unscharf. Trotzdem sind sie sensationell, weil sich Giotto während sie entstanden um die eigene Achse drehte, sie in Realzeit übertragen wurden (was die Anzahl der Bildpunkte reduzierte) und sich die Kamera auf den hellsten Punkt ausrichtet, was leider ein Staubjet war, sodass der eigentlichen Kern bald aus dem Blickfeld rückte.

Uwe Keller, PI der HMC, machte dieses Zitat, als einige Jahre nach der Mission die verarbeiteten Aufnahmen vorgestellt wurden. Doch muss dem so sein? Eigentlich nicht. Halley hat eine Umlaufbahn die etas außerhalb von Neptun endet. Die Umlaufsdauer beträgt 76 Jahre. Derzeit ist er rund 33 AE von der Erde entfernt. 2024 wird er sein Apohel erreichen und sich dann wieder der Sonne nähern.

Er ist auch in dieser Entfernung erreichbar und er ist dort unter Garantie nicht aktiv: Das wäre die Gelegenheit mal einen Kometenkern in seiner inaktiven Phase zu fotografieren.

Wie kommt man hin?

Das Apohel befindet sich in 5000 Milliarden km Entfernung. Um dorthin zu kommen, braucht man schon eine Startgeschwindigkeit von 16,1 km/s von der Erde aus, wenn man keine andere Unterstützung hat. Die Reise dauert dann 35 Jahre. Wenn man schneller startet, verkürzt sich die Reisedauer. Bei 400 m/s mehr und es sind nur noch 15 Jahre.

Die erste Möglichkeit die Reisedauer zu verkürzen ist daher ein Swing-By an Jupiter. Leider befindet er sich nur alle 12 Jahre in idealer Position um dann während 2-3 Jahren die Sonde zu Halley zu senden. Die nächste Möglichkeit gibt es bis 2015, danach würde Jupiter die Sonde in eine Retrograde Bahn umlenken müssen, was sie etwas abbremst. 2024 steht er wieder gut und 2025 wäre die idealste Position um Schwung zu holen. Um zum Jupiter zu kommen, benötigt man nur rund 14,3 km/s. Diese könnte man, weil 2025 soweit in der Zukunft ist, dass man eine Sonde früher fertigstellen kann (Zeithorizont 5-7 Jahre) weiter reduzieren, indem man die Sonde schon früher startet und wie Galileo und Cassini durch Erd- und Venusflybys Schwung holt. Das reduziert dann den Geschwindigkeitsbedarf auf 11,6 km/s.

Die dritte Möglichkeit ist es wie Dawn langsam zu beschleunigen, indem ein Ionenantrieb eingesetzt wird. Da allerdings der Geschwindigkeitsbedarf deutlich höher ist als bei Dawn und anders als bei dieser Sonde die Solarzellen beim Ziel kaum noch Leistung liefern, wird man hier wohl ein Antriebsmodul einsetzen, dass dann abgetrennt wird, wenn es zu wenig Leistung liefert um noch wesentlich weiter zu beschleunigen. Für eien Sonde alleine lohnt sich die Entwicklung sicher nicht. Es wäre jedoch eine Alternative wenn man weitere Sonden ins äußere Sonnensystem sendet.

Ionentriebwerke können aber auch bei einer normalen Raumsonde noch einen kleinen Zusatznutzen bringen. Selbst bei einer Raumsonde, die nur RTG als Stromquelle hat. Auch diese Stromversorgung muss so ausgelegt sein, dass sie alle Systeme beim Vorbeiflug mit Strom versorgen kann, also Sender, Experimente, Computersysteme. Während der ganzen Flugzeit zu Halley sind die meisten davon inaktiv oder nur zeitweise aktiv. Zudem nimmt die Leistung nach dem Start ab. Es gibt also anfangs mehr Leistung als man benötigt. Da kommen bei einer kleinen Sonde schon leicht 100 Watt Leistung zusammen (alleine ein 30 Watt Sender hat eine Eingangsleistung von mindestens 60 Watt). Wenn man 10 Jahre lang diese 100 Watt nutzt um ein Ionenantrieb zu speisen, dann kann dieses eine 550 kg schwere Sonde um rund 2.500 m/s beschleunigen. Das verkürzt entweder die Reisezeit beträchtlich, oder die Startgeschwindigkeit.

Wie könnte die Raumsonde aufgebaut sein?

Nun in dieser Ferne ist der Kern weitgehend inaktiv. Experimente, welche vorbeifliegende Staubteilchen untersuchen, emittierte neutrale Gase oder ionisierte Ionen bestimmen, machen daher keinen Sinn. Sinnvoll wären daher nur Spektrometer und Kameras. Eventuell kann man auch auf dem Weg dorthin noch Untersuchungen des Sonnenwindes und des interplanetaren Mediums durchführen. Dann machen Magnetometer, Detektoren für Plasmawellen und geladene Teilchen noch Sinn.

Beschränkt man sich diese Kerninstrumente – ein UV-Spektrometer, ein Visuelles und ein IR-Spektrometer und eine Kamera, dann kommt man auf eine Nutzlast von etwa 40 kg und eine Raumsonde von der Größe New Horizons wäre ausreichend. Diese Raumsonde könnte nachgebaut und neu ausgerüstet werden. Der Unterschied zu New Horizons ist, dass Halleys Kern ein noch kleineres Ziel ist. Das bedeutet, dass zum einen das optische Instrument stärker vergrößern muss und zum anderen die Daten sehr schnell gewonnen werden müssen. Halleys Kern ist z.B. nur maximal 15 km groß. Setzt die Raumsonde ein 30 cm Teleskop mit beugungsbegrenzter Auflösung ein, so ist er erst in 26.000 km Entfernung rund 200 Pixel groß. Bei einer typischen relativen Geschwindigkeit von 20 km/s ist das weniger als eine halbe Stunde vor dem Vorbeiflug.

Die Instrumente müssen daher so auslegt sein, Daten kontinuierlich mit hoher Datenrate zu liefern. Eine Kamera wird wohl weniger einzelne Bilder machen als vielmehr Videos. Sie werden auf SSD-Laufwerken gespeichert werden und nach dem Vorbeiflug über Monate langsam zur Erde übertragen werden. Selbst eine kleine Datenrate wie sie New Horizons aufweisen würde, wäre ausreichend, weil z.B. bei den Aufnahmen der Kamera die meisten nur Hintergrund zeigen. Bei einem 1024² Pixel ist der Kern erst 260 s vor der nächsten Begegnung formatfüllend. Selbst bei Anfertigung eines Films (mit 24 Bildern/s) sind es also nur rund 6.000 dieser Bilder. Die anderen Bilder zeigen nur Hintergrund, der gut komprimiert werden kann.

Die Herausforderung liegt in der Belichtungszeit. Ein Anhaltspunkt kann die Kamera von New Horizons sein, da Pluto sich in derselben Entfernung befindet. Ihre Belichtungszeit beträgt 50 bis 200 ms. Bei einer Relativgeschwindigkeit von 20 km/s entspricht alleine die Bewegung relativ zu Halley in dieser Zeit bei 500 km Minimalentfernung einem Winkel von bis zu 0,4 Grad, also ein vielfaches des Blickfelds der Kamera. Eine Nachführung der Kamera ist also nötig. Da die Winkelgeschwindigkeit rasch ansteigt, ist es sinnvoll die ganze Raumsonde mit Düsen zu schwenken und die Kamera wie bei New Horizons fest anzubringen.

Fly-by Science auf dem Weg zu Halley

Halleys Kern ist wegen seiner kleinen Größe kein sehr lohnendes Ziel. Anders sieht es bei Jupiter aus. Bei dem gewählten Instrument, einem 30 cm Teleskop mit einer Brennweite von 12,8 m (Sensor KAF 1001) ist Jupiter aus 76 Millionen km Entfernung, also rund 3 Monate vor der Ankunft bildfüllend. Selbst eine Passage eines galiläischen Mondes in 500.000 km Entfernung ergibt noch Bilder mit einer Auflösung von 1 km. Überhaupt ist Jupiter als Sprungbrett für andere Raumsonden ins äußere Sonnensystem auch ein wissenschaftlich interessantes Ziel. Gäbe es mehr dieser Sonden, dann kann die Galileo Mission nachgeholt werden.

Auch bei einem Vorbeiflug an der Venus ist es möglich Aufnahmen in verschiedenen Spektralbereichen zu machen und die Atmosphäre mit einem IR-Spektrometer zu untersuchen.

Kostenabschätzungen

Der Nachbau von New Horizons mit neuen Instrumenten wurde schon untersucht. Das kostet rund 623 Millionen Dollar. Davon entfallen rund 220 Millionen auf die Trägerrakete Atlas 551 und 90 Millionen auf einen neuen RTG nach dem GPHS Prinzip. Das alleine macht also schon die Hälfte der Kosten aus und da kann man Geld einsparen. Die Raumsonde selbst dürfte nur rund 500 kg wiegen. Startet man sie mit einer Falcon 9 zur Venus und schickt sie dann einige Jahre auf Venus- und Erdvorbeiflüge, so kann man die teure Trägerrakete einsparen und kommt auf Startkosten von nur 60 Millionen Dollar, dafür aber wahrscheinlich auf höhere Missionskosten (immerhin sind weitere Untersuchungen der Venus möglich).

Die GPHS RTG sind so teuer weil sie sehr viel Plutonium-238 enthalten, das aus Brutreaktoren gewonnen wird. Diese Reaktortypen liefern kaum Strom, die Kernelemente werden nach kurzer Zeit entnommen und das Pu-238 isoliert. Daher kostet ein Kilogramm das Materials mehrere Millionen Dollar (die letzte Ziffer für die Wiederaufnahme der Produktion sprach von 10 Millionen Dollar pro Kilogramm. Ein GPHS enthält 9,7 kg Plutonium. Schon 2007 schätzte man die Kosten eines GPHS daher auf 90 Millionen Dollar). Die Alternative sind RTG die mit Sterling Motoren, anstatt thermoelektrischen Elementen arbeiten. Ihr Wirkungsgrad ist höher. Ein Sterling-RTG benötigt 3,5 mal weniger Plutonium. Das reduziert ebenfalls die Kosten um 60 Millionen Dollar.

Trotzdem wird es ein Unternehmen der 500 Millionen Dollar Klasse sein. Sie wird es natürlich nicht dazu kommen, zumal es andere Kometen gibt, die sich nicht weiter als bis zu Jupiter von der Sonne entfernen. Auch dort sind die Kerne schon inaktiv. Sie sind schneller erreichbar (in maximal 2,5 Jahren bei einem direkten Start). Die Startgeschwindigkeit ist kleiner (14,3 zu 16,1 km/s) und die Datenübertragungsrate zur Erde höher.

Eine mögliche Mission

Eine Raumsonde, basierend auf New Horizons würde etwa 500 kg wiegen. Eine größere Sonde ist nur für Halley nicht nötig. Eine bessere instrumentelle Ausstattung, die natürlich auch Folgen auf weitere Subsysteme hat (Stromversorgung, Sender, Antenne) wäre notwendig, wenn die Sonde noch weitere Ziele besuchen soll, z.B. ein Plutoid. Eine Falcon 9 oder eine Taurus II könnte diese Raumsonde zur Venus senden. Drei Vorbeiflüge an der Venus und der Erde würden die Raumsonde zu Jupiter bringen. Diese Tour durchs innere Sonnensystem dauert etwa 3-4 Jahre. Jupiter ist das nächste Ziel und wird über 3-4 Monate vor und einen Monat nach dem Vorbeiflug untersucht. Ziel ist eine möglichst nahe Passage, um sehr viel Geschwindigkeit aufzunehmen. Erreichbar ist eine Geschwindigkeitssteigerung um 10 km/s auf rund 17,5 km/s. Von Jupiter aus kann die Sonde dann in 8 Jahren Halley erreichen. Die gesamte Mission dauert somit etwa 12 Jahre.  Gestartet werden müsste bis zum Jahr 2021, das lässt rund 10 Jahre für die Vorbereitung.