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Uranus und Neptun Flybysonde mit Atmosphärensonde

Einleitung

Uranus und Neptun waren nur einmal Ziele von Raumsonden, nämlich als Voyager 2 sie 1986 bzw. 1989 passierte. Mit dem heutigen Stand der Technik sind zu diesen Planeten nur Vorbeiflugmissionen möglich. Ich will hier eine skizzieren, die nicht nur neue Erkenntnisse über die Planeten liefern kann, sondern auch den Weg für zukünftige Erforschungen ebnen kann.

Himmelsmechanisches

Uranus und Neptun sind sehr weit von der Sonne entfernt - 2,8 und 4,4 Milliarden Kilometer. Die energiesparendste Möglichkeit dorthin zu kommen, ist die klassische Hohmannbahn. Aufgrund der großen Entfernung ergeben sich aber lange Reisezeiten: Zum Uranus über 16 Jahre, zum Neptun gar über 30. Dafür ist die relative Ankunftsgeschwindigkeit gering, sodass man mit einer Geschwindigkeitsänderung von 1-1,5 km/s bei beiden Planeten dann in eine erste hochelliptische Umlaufbahn einschwenken kann. Diese kann dann zumindest bei Neptun durch Vorbeiflüge an dem Mond Triton verändert werden. Die Uranusmonde lassen nur geringe Bahnänderungen zu, da der größte nur 1600 km Durchmesser hat und ihre Dichte gering ist.

Bei Uranus wäre diese Reisezeit vielleicht gerade noch akzeptabel (auch New Horizons ist 10 Jahre unterwegs, Cassini ist derzeit (August 2012) seit 15 Jahren aktiv und wird bis September 2017 arbeiten, also über 20 Jahre. Doch für Neptun ist diese Reisedauer nicht akzeptabel.

Es gibt aber alle 12,7 Jahre (/Neptun) bzw. 13,8 Jahre (Uranus) die Möglichkeit Jupiter als Sprungbrett zu nutzen. Wie bei Voyager beschleunigt der Planet eine Raumsonde so stark, dass sie dann in viel kürzerer Frist den Uranus oder Neptun erreicht. Es gab für beide Planeten 1979 ein optimales Startfenster, das bedeutet dass sich neue Startfenster  nach 2012 um das Jahr 2020/21 für Uranus und 2017/8 für Neptun ergeben.

Ich habe basierend auf diesen Daten zuerst mit den Programm ipto_ftn das optimale Startfenster für beiden Daten zu Jupiter berechnet. Diese Daten nahm ich dann als Ausgangsdaten für das Programm flyby_ftn (beide von David C. Eagle). Als Reisezeit setzte ich 2400 bzw. 3100 Tage an, die Gary Flandro für 1979 berechnete. Ich erhielt folgende zwei Bahnen mit einer Energie im Unendlichen unter 90 km²/s²:

Parameter Tour zu Uranus Tour zu Neptun
Start von der Erde 3.4.2020 27.1.2018
Startgeschwindigkeit, relativ zu 185 km hoher Kreisbahn 9485 m/s 9450 m/s
Ankunft beim Jupiter 8.3.2022 20.5.2020
minimale Passagedistanz 2.109.493 km 2.472.057 km
Ankunft beim Zielplaneten 26.5.2026 12.9.2026

Das entspricht Startgeschwindigkeiten von 14,5 km/s. Ich habe daher als Obergrenze für die Zielgeschwindigkeit 14500 m/s angesetzt. Beide Bahnen nähern sich Jupiter nicht zu stark, sodass die Sonde keine Strahlenschäden erhält. Weiterhin ist angenehm, das beide Sonden in etwa (aber nicht genau zeitgleich) bei ihren Zielplaneten ankommen.

Will man von der Erde mit noch geringerer Geschwindigkeit starten, so gibt es noch die Möglichkeit Gravity Assists mit der Erde durchzuführen - wird die Raumsonde z.b. zuerst auf eine 149,6 x 473 Millionen km Bahn geschickt, so kommt sie nach 3 Jahren wieder an der Erde an. Diese kann sie bei einem Vorbeiflug in 500 km Höhe um rund 3,7 km/s beschleunigen, sodass nur noch eine Startgeschwindigkeit von rund 7,1 km/s relativ zur Erde oder 13,2 km/s relativ zur Erdoberfläche nötig ist. Das reicht dann aus um zu Jupiter zu gelangen. Die Reisedauer würde sich um diese drei Jahre erhöhen.

Nutzlasten

Zu klären wäre nun wie groß die Nutzlast ist. Nehmen wir an, die Raumsonde würde von der Atlas V gestartet, wie dies bei allen neueren NASA-Raumsonden über der Delta II Klasse der Fall war, dann ergeben sich für eine Zielgeschwindigkeit von 14,6 km/s folgende Nutzlasten:

Typ Nutzlast
Atlas V 421/ Star 48V 1242 kg
Atlas V 431 1289 kg
Atlas V 431/ Star 48V 1414 kg
Atlas V 521/ Star 48V 1052 kg
Atlas V 531 1185 kg
Atlas V 531/ Star 48V 1276 kg
Atlas V 541 1423 kg
Atlas V 541/ Star 48 1438 kg
Atlas V 551 1557 kg
Atlas V 551/ Star 48V 1587 kg

Wenn es ein internationales Unternehmen ist, so kämen auch noch Ariane 5 und Proton M in Frage. Beide brauchen aber für diese Zielgeschwindigkeit eine weitere Oberstufe, in diesem Fall eine Star 48 (auch bekannt als PAM-D von der Delta 3900-7900 Serie).

Rakete Nutzlast
Ariane 5 ECA + Star 48V 1486 kg
Proton M / Breeze M + Star 48V 1274 kg

Alle diese Typen können eingesetzt werden. Verlängert man die Reise um drei Jahre wegen des Erdswingbys, so steigt sie stark an, bei der Proton ohne Oberstufe von 320 auf 1738 kg und mit Star 48V von 1.274 auf 2.380 kg. Ich habe diese Option aber außen vor gelassen. Ich setzte (siehe unten) eine Minimalnutzlast von rund 1100 bis 1200 kg als nötig an.

Missionsdesign

Besser als bisher aus passiven Messungen abgeleitete Daten sind daher in-Sito Messungen. Daher sollte eine Kapsel mitgeführt werden. Sie kann auf der Kapsel für Galileo basieren,. benötigt aber keinen so starken Hitzeschutzschild, da die maximale Geschwindigkeit kleiner ist (etwa 22,3 km/s gegenüber 48 km/s).

Sondendesign

Bisher gab es folgende Sonden ins äußere Sonnensystem:

Schaut man sich die Kosten an, so kosteten die Sonden dies:

Raumsonde Gesamtkosten Davon Fertigung Davon Start Davon Missionsdurchführung
Pioneer 10+11 350 Mill $ (2001) 80 Mill $ (1972) 2*18,77 Mill $ (1976) 150 Mill $ (2001)
Voyager 1+2 865 Mill $ (1989) 356 Mill $ (1977) 54-58 Mill $ (1977) 430 Mill $ (1989) 73 Millionen $ (1977-1982, Preisbasis 1977)
Galileo 1390 Mill $ (1995) 892 Mill $ (1987)   462 Mill $ (1996)
Cassini 2722 Mill $ (2004) 1722 Mill $ (1997) 422 Mill $ (1997) 754 Mill $ (2002)
New Horizons 723 Mill $ (2006)   213 Mill $ (2006) 200 Mill. $ (2007)

Dazu ist zu bemerken, dass Galileo so teuer wurde weil es durch den Start mit dem Space Shuttle jahrelange Verschiebungen und Zusatzkosten für weitere Oberstufen gab. So kostete Galileo als sie 1987 starten sollte noch 892 Millionen Dollar. Dazu wären noch die Missionskosten in Höhe von 240 Millionen Dollar gekommen.

Der Vergleich ist relativ schwierig, weil die Ausgaben zu verschiedenen Zeiten erfolgten. Die NASA nutzt um den Wert des Geldes in der Vergangenheit zu ermitteln, die Gross-Domestic-Produkt Index. Setzt man diesen für die obigen Angaben an, und bezieht den Wert auf 2011, so kosteten:

Raumsonde Gesamtkosten Davon Fertigung Davon Start Davon Missionsdurchführung
Pioneer 10+11 410 Mill $ 230 Mill $ (1972) 97 Mill $ 175 Mill $
Voyager 1+2 1460 Mill $ 881 Mill $ 140 Mill $ 725 Mill $ (12 Jahre)
Galileo 2034 Mill $ 1505 Mill $   624 Mill $ (8 Jahre)
Cassini 2956 Mill $ 2325 Mill $ (1997) 570 Mill $ 872 Mill $ (11 Jahre)
New Horizons 742 Mill $   220 Mill $ 200 Mill $ (9 Jahre)

Es gibt einige wesentliche Dinge die man beachten muss: Das eine ist natürlich das eine komplexe Raumsonde deutlich teurer ist als eine einfache. Das zeigt der Anstieg Pioneer bis Cassini deutlich. Allerdings steigt auch das Gewicht an. Cassini wiegt zehnmal so viel wie die Pioneers. New Horizons ist wieder einfacher. Eine Summe für die Baukosten von New Horizons liegt nicht vor, doch aus Differenzberechnungen kann man rund 322 Millionen Dollar für die Raumsonde ansetzen.

Das zweite sind die Missionskosten. Sie entstehen nicht durch die Benutzung des DSN mit seinen 70 m Antennen. Diese sollte bei Voyager 1+2 gestrichen werden, was nur 4,8 Millionen Dollar pro Jahr einsparen sollte. Die Kosten entstehen durch die Wissenschaftlerteams. Da sind bei einer Raumsonde über 100 Personen direkt beteiligt, dazu noch Hilfskräfte. Man kann sie nicht einfach nach dem Start entlassen und bei der Ankunft wieder anstellen. Allerdings werden bei Vorbeiflugssonden während der Reise die Teams auf den Kern verkleinert. Daher sind Vorbeiflugsonden billiger als die beiden Orbitermissionen. New Horizons setzt hier neue Maßstäbe, da die Raumsonde während des Flugs weitgehend "schläft" und daher auch die Kontrollmannschaft reduziert werden kann.

Das dritte ist, dass man eine Raumsonde wenn man sie nachbaut zu einem Bruchteil des ersten Exemplars bekommt, da die meisten Kosten bei der Entwicklung entstehen. Typisch ist ein Prozentsatz von 30-40%. Wenn die Raumsonde nicht so komplex ist kann es aber auch deutlich weniger sein. Ein Nachbau von New Horizons wäre z.B. nur 100 Millionen Dollar oder 31% billiger geworden. Von Voyager hat man aber drei Exemplare gebaut - zwei Flugexemplare und ein Ingenieursexemplar, dass gestartet werden konnte, wenn es dafür fit gemacht würde - 1975 rechnet man mit zusätzlichen Kosten für diese Mission (Jupiter-Uranus-Neptun, Start 1979) von 177 Millionen Dollar, also 36,3% der Kosten von Voyager. Das liegt genau im obigen Rahmen. Gäbe es diese Einsparungen nicht, so müssten es 50% sein. Von diesen 177 Millionen würden 100 Millionen auf die Überwachung entfallen und 29 auf die Trägerrakete, also war das vorhandene Ingenieursexemplar für weniger als 50 Millionen Dollar umzurüsten.

Das ist charakteristisch, daher sollten mindestens zwei Exemplare gebaut werden. Eventuell ein drittes, denn 2017 gibt es auch ein Startfenster zu Saturn über Jupiter, doch das wäre knapp. Andererseits kommt man zum Saturn auch direkt in 6 Jahren. Hier wäre vor allem die Atmosphärenkapsel wichtig, die man absetzen könnte. Das Saturnsystem ist an sich ja durch Cassini schon bekannt. Eine zweite Möglichkeit ist ein Flug über Jupiter zu Pluto. Auch bei ihm wiederholen sich alle 12 Jahre günstige Startfenster über Jupiter, das nächste 2020.

Aufbau der Sonde

Ich gehe - wie meistens in meinen Überlegungen - von einer schon existierenden Sonde aus und modifiziere sie für diese Mission. In diesem Falle ist Voyager die Vorlage. Die wichtigen Merkmale von Voyager:

Ich will diese nur moderat modernisieren.

Zum einen ist es möglich mit der größeren Nutzlasthülle wie sie Ariane 5 und Atlas V haben, eine etwas größere Antenne mitzuführen. Die TDRS Satelliten, die mit der Atlas V gestartet werden, haben eine von 4,57 m Größe. Obwohl man sie heute leichter als in den siebziger Jahren fertigen kann, rechne dafür mit einem Mehrgewicht von 20 kg.

Der Treibstoff erwies sich bei Voyager über mehr als ausreichend. Zum Ende der Phase als sie alle Planeten passiert hatten, hatten beide Sonden noch den Tank zur Hälfte gefüllt. Dabei verfügen die Voyagers nicht über Reaktionsschwungräder um die Sonde zu drehen oder zu kippen. Das alles benötigt Treibstoff. Reaktionsschwungräder sollen mit bei der neuen Sonde dabei sein, um den Treibstoffbedarf zu reduzieren. Darüber hinaus kommt noch die Abtrennung der Atmosphärenkapsel nach der sich die Sonde abbremsen muss, um nicht auch in die Atmosphäre zu verglühen. Daher ist es sinnvoll den gleichen Treibstoffvorrat anzusetzen.

Wünschenswert wäre etwas mehr Energie. Wie Voyager könnte die Sonde mit ihren Instrumenten das interplanetare Medium erkunden und benötigt daher beim Start relativ viel Energie, die dann abnimmt. Heutige RTG weißen eine geringere Degradation als die von Voyager auf. Wünschenswert wäre eine Stromversorgung mit rund 600 Watt beim Start. Das sind 120 Watt mehr als bei Voyager was mehr Reserven für Instrumente bzw. die Möglichkeit stärkere Sender einzusetzen gibt.

Die neuesten  Technologie sind SRG, die anders als die bisherigen RTG keinen thermoelektrischen Effekt einsetzen, sondern einen Stirling Motor. Nach über 10 Jahren Entwicklungszeit sind sie nun flugreif. Fünf SRG wiegen 5 x 23 kg (-5 kg) und liefern beim Start 5 x 145 Watt (+245 Watt) und nach 14 Jahren noch 5 x 128 Watt (+229 Watt).

Der Hauptvorteil sind wesentlich geringere Kosten für das Plutonium-238, das die RTG einsetzen. Bei einer Vorlage für die Wiederaufnahme der Produktion wurde ein Kilogrammpreis von 10 Millionen Dollar genannt. Die fünf SRG benötigen 5 x 0,9 kg also 5,4 kg. Dagegen würden zwei GPHS-RTG, wie sie für Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons eingesetzt wurden 2 x 9 kg also 18 kg. Das senkt die Kosten erheblich. Alleine das Plutonium kostet so nur 54 anstatt 180 Millionen Dollar pro Sonde. Damit sind die RTG genauso teuer wie zu Zeiten Voyagers, als diese Energieversorgung noch billiger als heute war,

Die Instrumentensektion kann von Voyager weitegehend übernommen werden, mit folgenden Modernisierungen:

Das Kommunikationssystem kann erheblich leistungsfähiger sein. Zum einen gibt es mehr Leistung für die Sender (200% mehr) und zum anderen eine größere Antenne. Beide Faktoren ergeben zusammen 85 kbit/s im X-Band bei Uranus und 43 kbit/s bei Neptun. (512 kbit/s bei Jupiter). Noch mehr Leistung würde die Übertragung im Ka-Band bringen. Tests dieses Systems mit dem MRO zeigten eine 7-mal höhere Bruttodatenmenge. Der Hauptnachteil des Ka Bandes ist, dass es viel mehr wetterbedingte Störungen gibt, sodass die Raumsonde die Daten zwischenspeichern muss um sie eventuell erneut zu übertragen. Der Gewinn inklusive dieses Faktors beträgt dann 4,3. Für diese Raumsonde ist dies kein Problem, da die meisten Daten sowieso zwischengespeichert werden. Mit dem Ka-Band wären somit 365 Kbit von Uranus aus und 185 kbit von Neptun aus übertragbar.

Das führt zum Datenverarbeitungssystem. Anders als Voyager, die nur einen Speicher für 100 Bilder hatten, aber in der Regel alle Daten direkt übertrugen, ist es heute kein Problem eine SSD aus Flashbausteinen mitzuführen. Die größeren haben heute (August 2012) eine Größe von 256 GB. Wird diese Datenmenge bei 8 Stunden pro Tag und 85 kbit zu übertragen, so würde dies 836 Tage dauern. Mit dem Ka Band 195 Tage. (Neptun: 1672 / 390 Tage) Zwei dieser SSD würden also selbst bei Uranus und Nutzung des Ka Band soviel speichern wie die Sonde in mehr als einem Jahr senden kann. Setzt man vier SSD ein, so hat man genügend Speicher für einen Ausfall.  (Redundanz)

Basierend auf den Kosten von Voyager ist mit Baukosten von 900 Millionen Dollar zu rechnen. Eine weitere Sonde würde 240 Millionen mehr kosten.

Instrumentelle Verbesserungen

Natürlich gibt es zahlreiche Verbesserungen im Instrumentenbau seit Voyager. Hier nur einige der Möglichkeiten:

CCD-Chips: Sie sind erheblich lichtempfindlicher als die Vidicon-Röhren (kürzere Belichtungszeit, weniger anfällig für "Verwackler"), empfindlich bis ins nahe Infrarot (Möglichkeit durch den Methanschleier von Uranus hindurchzuschauen, der im sichtbaren absorbiert) und selbst wenn man große Pixelgrößen einsetzt (wegen der großen Sonnenentfernung) sind große Flächen möglich. New Horizons LORI Kamera setzt ein CCD mit Pixelgrößen von 13 x 13 µm für Aufnahmen bei Pluto (der noch weiter als Neptun von der Sonne entfernt ist ein). Um kurze Belichtungszeiten zu ermöglichen braucht man große Pixel. Ein KAF-09000 Chip ist mit Pixelgrößen von 12 µm erhältlich und hat 9 MPixel. Ein KAF-4320 mit 24 µm großen Pixels mit 4 Mpixeln.

Die große Fläche hat einen anderen Vorteil. Zwar wird sie bis wenige Tage vor dem Vorbeiflug nicht gefüllt werden, weil dazu die Planeten zu klein sind. Aber das ist kein Problem. Software kann die Bilder vor dem Übertragen beschneiden, ausmessen und helle Pixels bestimmen. (unbekannte Monde, Sterne). Mann kann aber auch den Hintergrund übertragen, denn bei JPEG-Komprimierung belegt er nur wenig Speicherplatz.

Der Vorteil eines großen Chips zeigt sich dann wenn man nahe am Planeten ist: man muss erst zu Mosaiken übergehen wenn die volle Fläche gefüllt ist - das sind dann 9 bzw. 4 Mpxiel, verglichen mit 0,64 bei Voyagers SSI. Bei Monden benötigt man auch weniger Bilder für ein Mosaik.

Plasmawelleninstrumente können heute die Richtung besser feststellen aus der Signale kommen und so eine dreidimensionale Abbildung der Umgebung der Raumsonde erstellen.

Voyager hatte keinen Staubdetektor an Bord. Das hatten nur die Pioniers und New Horizons, doch dort ist es ein einfacher Einschlagsdetektor. Er stellt nur Masse und Energie fest. Galileo, Cassini, aber auch Kometensonden setzen heute Flugzeitmassenspektrometer ein. Diese Instrumente nutzen aus dass ein Staubteilchen beim Einschlag eine Wolke ionisierten Gases bildet und dieses wird durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Damit kann nicht nur Masse und Energie sondern die genaue chemische Zusammensetzung ermittelt werden.

Infrarotspektrometer haben eine neue Gattung von Instrumenten hervorgebracht: abbildende Spektrometer. Sie fahren wie ein Zeilenscanner über das Beobachtungsobjekt und fertigen dabei ein Spektrum einer Teile nach der nächsten an. Als Resultat erhält man ein Bild des Planeten oder Mondes. Nur nicht in einer Farbe oder wenigen wie beim Einsatz von Filtern bei einer Kamera sondern so vielen wie man Meßpunkte im Spektrum hat. Derzeitige Instrumente können bis zu 560 Spektralkanäle (CRISM) nutzen. Chips für bis zu 1024 Spektralkanäle sind verfügbar.

Der Nachteil dieser Instrumente ist ihre enorme Datenmange, weshalb oft Pixels zusammengefasst werden (entspricht der Reduktion der spektralen wie räumlichen Auflösung). Ein Instrument mit einem 1024 Pixel CCD erzeugt z.B . 1024 x 1024 x 1024 Bildpunkte - 1 GPixel. So würden bei 8 Bit pro Pixel nur 256 Bilder auf eine 256 GB SSD passen. Daher wird man wahrscheinlich komprimieren und außer für den Nahbereich oder die monde, also wenige Bilder eine reduzierte Auflösung verwenden. Bei 512³ Pixels ,sind es z.B. achtmal mehr Bilder.

Die Atmosphärensonde

Auch hier bietet es sich an einen Vergleich zu bestehenden Projekten zu ziehen. Das einzige sinnvolle Vergleich ist dabei die Atmosphärensonde von Galileo, allerdings trat sie mit 48 km/s in die Atmosphäre ein, während dies bei Uranus und Neptun maximal 22 km/s sind. Der enorme Hitzeschutzschild, der bei dieser Sonde 145 von 339 kg wog, kann entsprechend leichter sein (beim Mars Science Laboratory macht er 11% anstatt 42% des Gewichts aus). Die eingesparten rund 70 kg kann man nutzen für bessere Instrumente, stärkere Sender und mehr Batterien. Die Gesamtmasse soll bei 340 kg bleiben. Denkbar ist es den Antrieb, der die Sonde nach der Abtrennung beschleunigt,  in die Sonde zu verlagern (kleiner Feststoffantrieb, der durch einen Timer nach der Abtrennung gezündet wird). Ein 10 kg schwerer Antrieb würde rund 20 kg Treibstoff auf der Hauptsonde einsparen.

Woran ich nach einer Sendung über die Planeten denke, wäre eine Kamera. Nach dieser Sendung haben alle Planeten sehr ausgeprägte Wolkenstrukturen. Auch wenn eine Kamera daher keinen Boden sehen kann, wäre es doch interessant die Wolken vor dem Eintauchen in hoher Auflösung zu fotografieren und danach die Sicht wie wenn man sich dort befinden würde, was für Menschen ja unmöglich ist (man würde im Planeten versinken). Dazu sollen insgesamt 8 identische Kameras mit 70 Grad Weitwinkelobjektiven zum Einsatz kommen. Eine Kamera ist unten am Hitzeschutzschild angebracht. Sie macht Aufnahmen vor dem Eintritt wird dann aber zerstört. Nach Abtrennung des Schildes werden die anderen Kameras freigelegt:  Eine unten am Kapselboden welche dieselbe Perspektive hat aber erst nach Abtrennung des Hitzeschutzschildes aktiv wird sowie sechs an der Seite die einen Rundumblick ergeben. (6 x 70 Grad = 360 Grad mit 10 Grad Überlappung).

Nimmt man einen Vorbeiflug der Sonde außerhalb der Ringebenen an, so beträgt die minimale mögliche Distanz etwa 82.000 km bei Uranus. Demgegenüber war Galileo über 214.000 km von der Atmosphärensonde entfernt. Weiterhin kann man die 4,5 m Antenne zum Empfang einsetzen. Galileo konnte nur eine Low-Gain Antenne nutzen. Dadurch kommt man auf die für Bilder benötigten hohen Datenraten. Nimmt man eine zweistündige Betriebsdauer an und eine Anfangsdistanz von 180,000 km so kann man 1980 Bit/s bei 40 Watt Sendeleistung bei einer Rundstrahlantenne als Empfänger übermitteln und 9.330 Bit/s beim Einsatz der 4,56 m Antenne als Empfänger. (Einsatz des L-Bandes bei 1370 MHz wie bei der Atmosphärensonde)

Stehen davon 8000 Bit/s für Fotos zur Verfügung, so kann eine Kamera mit einem Chip mit 800x800 Pixeln und Bayer Maske) und 100 Kbyte pro Bild (Auflösung "Mittel") alle 100 s eine Aufnahme übertragen. Während einer Stunde in der Atmosphäre sind dies dann aber nur fünf vollständige Panoramen. Da allerdings unterhalb der Wolken nichts zu sehen ist, ist dies zu verschmerzen. Es ist auch möglich Bilder mit höherer Frequenz aufzunehmen, auszuwerten (sind genügend Kontraste vorhanden oder nur Nebel oder gar nichts zu sehen) und dann wenn nichts mehr aufzunehmen ist, diese in den Datenstrom einzubinden, zumal die Datenrate ansteigt je tiefer die Sonde sinkt, da sich die Hauptsonde dem Planeten nähert, die Atmosphärensonde aber abgebremst wurde.

Alternativen zur Erhöhung der Datenrate wäre ein planetennäherer Kurs. Bei Neptun ohne ringe ist dies problemlos möglich - hier passierte Voyager den Planeten auch nur in 5000 km Entfernung. Bei Uranus müsste man die Ringebene innerhalb des ζ Rings kreuzen also unterhalb 32.000 km Entfernung. Eine zweite Überlegung ist der Übergang zu einem höheren Frequenzband, z.B bei 5 GHz. Hier beträgt auf der Erde die Abschwächung 0,01 db/km, so dass selbst eine 100 km dicke Wolkenschicht nur das Signal um 1 db absenkt. Das Senden bei 5 GHz verspricht 13-mal mehr Daten als die von Galileo benutzte Frequenz von 1,37 GHz.

Basierend auf den Kosten der Atmosphärensonde von Galileo ist mit Kosten von 300 Millionen Dollar für zwei Sonden zu rechnen. Eine weitere würde 80 Millionen Dollar mehr kosten.

Trägerrakete

Geht man von einer Startmasse von 855 kg für die Vorbeiflugsonde und 340 kg für die Atmosphärensonde aus, so muss die Trägerrakete mindestens 1200 kg auf eine Geschwindigkeit von 14,5 km/s beschleunigen. Dafür gibt es folgende Möglichkeiten:

Tpy Nutzlast Startpreis (2012)
Atlas V 541 1423 kg 195 Millionen Dollar
Ariane 5 ECA + Star 48V 1486 kg 210 Millionen Dollar
Proton Breeze M + Star 48V 1274 kg 140 Millionen Dollar

Missionskosten

Das teure an der Mission ist es die Wissenschaftler zusammenzuhalten. Die Kosten für die Betrauung durch die Kontrolleure konnte schon bei New Horizons gesenkt werden. Daher ist es wichtig die Mission schnell zu beenden, also eine schnelle route einzuschlagen. Bei New Horizons wurde bekannt, dass wenn die Sonde eine alternative Route mit 4 Jahren längerer Mission genommen hätte, dies die Mission um 100 Millionen Dollar verteuert hätte. Das macht 25 Millionen Dollar pro Jahr. Sie fallen nach dem Start an.

Daher startet auch die Uranussonde die ja zwei Jahre weniger braucht als die Neptunsonde, später, so sind auch die Wissenschaftler mehr beschäftigt und die Kosten für die ersten zwei Jahre fallen weg, da sie noch in den Entwicklungskosten der zweiten Sonde enthalten sind. Bei einem Betrieb vom 1.1.2018 bis 1.2.2027, also über 9 Jahre (wie bei der Neptunsonde) fallen so insgesamt 175 Millionen Dollar an Misionskosten an.

Das führt zu folgenden Gesamtkosten

Punkt Kosten Zusatzkosten für eine Jupiter/Saturnmission Zusatzkosten für eine Jupiter/Pluto Mission
Raumsonden 900 Millionen Dollar 240 Millionen Dollar 240 Millionen Dollar
Atmosphärensonden 300 Millionen Dollar 160 Millionen Dollar 80 Millionen Dollar
Trägerraketen 280 - 420 Millionen Dollar 210 Millionen Dollar 140 - 210 Millionen Dollar
Missionsüberwachung 175 Millionen Dollar - 25 Millionen Dollar
Gesamt: 1655 Millionen Dollar - 1795 Millionen Dollar 610 Millionen Dollar 485 - 555 Millionen Dollar

Optionale Möglichkeiten

Aufgrund der Tatsache, dass die Baukosten einer zweiten Raumsonde nur 35% der ersten betragen, und die Missionskosten weitgehend unabhängig von der Zahl der Sonden sind (die meiste Zeit sind diese inaktiv) habe ich zwei weitere Szenarien in die obige Rechnung noch einbezogen:

Eine Jupiter-Saturnmission. Diese hat vor allem die Atmosphärenuntersuchung im Visier. Sie setzt zwei Kapseln ab, je eine bei Jupiter und Saturn und kann daher nur mit der Ariane 5 ECA gestartet werden. Bei Reduktion der Treibstoffmenge ist sie noch kompatibel mit diesem Träger. Damit wären alle vier Gasplaneten untersucht. Aufgrund der größeren Entfernung  der Atmosphärenkapsel beim Senden (Jupiter Strahlungsgürtel, Saturn: Ringe) dürfte es aber schwer sein Aufnahmen zu übertragen. Immerhin: Pioneer 11 passierte die Ringe unterhalb des C-Rings und hatte einen minimalen Abstand zur Oberfläche von 20.900 km. Das würde auch die Übertragung von Aufnahmen erlauben. Eine Jupiter-Saturn Mission müsste aufgrund des sich alle 20 Jahre ergebenden Startfensters zeitgleich mit der Neptunmission Anfang 2018 starten und würde den Jupiter Ende 2019 und den Saturn 2022 erreichen. Ohne Passage des Jupiters wäre ein Start jedes Jahr möglich. Die Startenergie wäre etwas höher und die Reisedauer würde dann 6 Jahre betragen.

Verzichtet man auf Saturn, will aber Pluto erreichen, so kann eine Raumsonde, die zusammen mit der Neptunsonde startet diesen am 26.4.2027 erreichen. Sie setzt dann eine Atmosphärensonde bei Jupiter aus, bei Pluto dann keine. Aufgrund der nur geringen Missionsverlängerung wäre diese deutlich preiswerter als die Jupiter-Saturnmission. Da Pluto nach einem Vorbeiflug nur zu 50% erfasst ist und die Raumsonde noch dazu deutlich besser instrumentiert ist als New Horizons ist dies eine attraktive Möglichkeit. Dagegen verspricht die Jupiter-Saturnmission nur eine weitere Atmsphärnkapsel abzusetzen. Neue Erkenntnisse dürfte sie im Vergleich zu Cassini nicht bringen.

Missionsablauf

Beide Missionen haben zwei Vorbeiflüge, eine an Jupiter und eine am Zielplaneten. Jede kann eine Beobachtungsphase von mehreren Monaten umfassen. Sie kann deutlich länger als zu Voyagers Zeiten sein, weil die Instrumente empfindlicher wurden. Bei gleicher Optik werden heute Kameras so gebaut, dass sie ein beugungsbegrenztes Bild liefern, da CCD-Detektoren um ein vielfaches empfindlicher als die damals genutzten Videoröhren sind. Alleine dadurch sollte man z.B. bei der Kamera eine um 50% höhere Auflösung erhalten, was bei den Missionen auch einem Zeitgewinn entspricht - man kann den Planeten aus 40% größerer Distanz beobachten, wenn man dieselben Details sehen will. Das gilt für alle optischen Instrumente, also Kameras und Spektrometer.

Bei Voyager begann die Beobachtung, wenn der Planet eine Größe von 200 Pixeln hatte, das war bei Jupiter 80 Tage vor der Ankunft der Fall. Ausgestattet mit einem Teleskop von 250 mm Durchmesser wäre die Startdistanz, bei der Bilder angefertigt werden, vergleichen zu Voyager etwa verdoppelbar. Das bedeutet bei Jupiter eine Beobachtungsphase von rund 160 Tagen und bei Neptun und Uranus eine von 80-90 Tagen.

 Instrumente die Teilchen messen profitieren nicht davon, sie messen erst etwas, wenn sie die Strahlungsgürtel oder Magnetosphäre erreicht haben.

Von Vorteil ist auch dass wir heute die Möglichkeit haben sehr viele Daten zwischenzuspeichern. Zwei SSD von je 256 GB Größe erlauben es rund 500 GB an Daten abzulegen. Das entspricht ohne Kompression rund 780.000 Aufnahmen von Voyager. Genutzt kann dies werden indem, man mehr Daten aufnimmt und sie nach dem Vorbeiflug überträgt, schon alleine wegen der Nutzung des Ka-Bandes das wetteranfällig ist wird man alle Daten zwischenspeichern. Bei Jupiter, wenn wir von einer Gesamtbeobachtungsdauer von 220 Tagen ausgehen (160 Tage vor und 60 Tage nach dem Vorbeiflug) kann man z.B. täglich 2 GB an Daten gewinnen und hat noch 60 GB für die Tage der Begegnung frei, wo man sehr nah ist und besonders viele Meßungen möglich sind und auch Beobachtungen der Monde sinnvoll sind.

Bei einer Datenrate von 512 kbit/s bei Jupiter können diese Daten noch größtenteils life übertragen werden (bei 6 Stunden Sendezeit pro Tag rund 1,3 GB), bei den anderen Planeten erfolgt das Übertragen der meisten Daten erst nach der Passage.

Bei Jupiter sollte jede Sonde einen Jupitermond aus der Nähe passieren und die globale Kartierung nachholen, die bei Galileo aufgrund des Ausfalls der Hauptantenne nicht möglich war. Bei einer Passagedistanz von 20.000 km und einem Bild alle 2 s (begrenzt durch die Neupositionierung des Arms nach der Aufnahme) und einem 250 mm Teleskop mit einem KAF-09000 Chip (3072 x 3072 Pixel, 12 µm Pixelgröße) ist eine Kartierung der Monde Ganymed und Kallisto auf rund 110 m möglich. Dafür werden rund 1000 Aufnahmen benötigt. Die beiden äußeren Monde sind relativ risikolos erkundbar. Bei den inneren ist dies mit einer höheren Strahlenbelastung verbunden. Aber ein naher Vorbeiflug an Europa sollte noch möglich sein, sodass sie ein Ziel für die dritte Mission wäre.

In der Summe erhält man mit zwei bis drei Missionen eine Beobachtungsdauer von rund 440 bis 660 Tagen bei Jupiter. Etwa 110-165 Tage lang ist Jupiter so groß, dass er bei Galileo und Voyager bildfülllend gewesen wäre (hier wegen des großen Chips nicht - ein großer Chip erlaubt bei Vorbeiflugmissionen es aber bei nahen Vorbeiflügen möglichst viel zu erfassen, da der limitierende Faktor nicht die Datenübertragung zum Speicher sondern die Neupositionierung der Kamera ist). Jede Raumsonde ist mindestens 18 Tage, je nach Flugbahn beim Wegflug auch deutlich länger in der Magnetosphäre. Und jede Raumsonde kann mindestens einen der galileischen Satelliten aus der Nähe erkunden. Damit könnte man in der Summe aller Vorbeiflüge einen guten Teil der Galileomission nachholen, auch wenn derzeit die europäische JUICE Mission geplant ist.

Bei den beiden eigentlichen Zielplaneten wiederholt sich dann der Ablauf. Auch hier ist der Planet schon von weitem beobachtbar, die Monde aber erst in den letzten Tagen. Es wäre eine Beobachtung über ein halbes Jahr, davon etwa 5 Monate vor dem Erreichen und ein Monat danach möglich. Bei Uranus ist durch die Lage der Rotationsachse und des Mondsystens bei der Ankunft nur ein Mond aus der Nähe beobachtbar. Da der Kurs nahe an den Uranus heranführt (um viele Daten von der Atmosphärensonde zu gewinnen) wird dies wahrscheinlich Ariel oder Mimas sein. Immerhin ist durch das stärkere Teleskop die Auflösung bei den anderen vier Monden doppelt so hoch wie bei Voyager. Etwa drei Monate vor der Ankunft wird die Atmosphärenkapsel ausgerichtet und dann zündet sie entweder ihren eigenen Antrieb oder die Hauptsonde bremst ab. Ziel sollte es sein, dass die Hauptsonde 2-3 Stunden nach der Atmosphärensonde ihren planetennächsten Punkt erreicht, das lässt genügend Zeit um alle Daten zu übertragen (die Atmosphärensonde erreicht ja den Planeten vor der Hauptsonde, was etwa einer Stunde Flugzeit entspricht, dann bleibt noch eine oder zwei Stunden für Messungen. Die Galileokapsel arbeitete knapp 60 Minuten lang.). Bei Neptun  ist ohne Ringe ist eine nähere Passage möglich und auch nötig, um die Raumsonde an Triton heranzuführen, der auf einer vergleichsweise stark geneigten Bahn den Neptun umrundet. Dazu muss Neptun die Bahn der Sonde nach dem Vorbeiflug krümmen und dies erreicht man durch eine nahe Passage der Pole. Er ist der einzige große Mond des Neptun und wie wir wissen geologisch aktiv mit einer jungen Oberfläche. Bei einer Passage in 5000 m Entfernung kann Triton auf rund 60 m genau kartiert werden. (Zumindest, das gilt für alle Vorbeiflüge, die Hälfte des Mondes die von der Sonne beschienen ist). Idealerweise ist dies die Seite die wir noch nicht von Voyager kennen. Die andere Seite wird wegen der gebunden Rotation des Mondes nur mit 10,4 km/Pixel erfasst werden.

Getestet kann ein Feature werden, dass Cassini erprobte - Aufnahmen im Gegenlicht von Uranus und Neptun. Doch benötigt man so weit außen noch längere Belichtungszeiten als beim Saturn. Bei einer sehr nahen Passage ist auch denkbar die Hauptantenne als Radar einsetzten, doch dürfte ohne Phased-Array Antenne die Auflösung dann eher bei einigen Kilometern liegen.

Erweiterte Mission

Nach dem Vorbeiflug muss man sich entscheiden wie man weiter verfährt. Die Raumsonde hat neben den optischen Instrumenten, die nun weitgehend nutzlos sind wie Voyager noch Instrumente um Staubteilchen, Plasmawellen, Magnetfelder, geladene Teilchen und kosmische strahlen zu detektieren. Wie Voyager kann sie diese Instrumente nutzen um das interstellare Medium zu erkunden. Vorausgesetzt die Elektronik arbeitet solange, gäbe es sogar einige Vorteile gegenüber Voyager:

leistungsfähige Computer erlauben die Sonde weitgehend alleine ein Meßprogramm durchzuführen, ist sie auf die Sonne ausgerichtet, so hat sie eigentlich dauernd Funkkontakt (in Uranusentfernung ist die Erde niemals weiter als 3 Grad von der Sonne entfernt, was ungefähr der Öffnung der Antenne im X-Band entspricht. Sie benötigt also wenig Betreuung und würde nur regelmäßig die gewonnenen Daten zur Erde senden

Die RTG haben mehr Leistung und einen geringeren Abfall (S-RTG: 9,6% in 12 Jahren, Voyager RTG: 12,5% in 12 Jahren). Damit könnten sie prinzipiell viel länger betrieben werden und auch eine Kommunikation wäre aus größerer Distanz möglich.

Eine zweite Möglichkeit wäre es die Sonde zu einem Kuiperobjekt zu lenken. Auch hier wäre von Vorteil, wenn dass die Raumsonde mehr Strom zur Verfügung hat und einen leistungsfähigen Datenspeicher. So könnte sie bei einem nahen Vorbeiflug einen 1000-1500 km großen Himmelskörper auf 30-40 m genau kartieren, wenn der Vorbeiflug in 5000 km Entfernung mit einer Geschwindigkeit von 15 km/s erfolgt. Legt man die Sonde so aus, dass sie die 700 Watt bei Neptun voll nutzt so wäre dann entweder ein Abschalten einzelner Verbraucher (Sender, einzelner Experimente) nötig oder, da die Sender Hauptverbraucher sind, wäre es denkbar mehrere Sender mit unterschiedlicher Leistung und unterschiedlichem Stromverbrauch einzusetzen. Das wäre auch in Bezug auf die interstellare Mission wichtig.

Geht man von einer Nachbeschleunigung beim Zielplanet auf 18 km/s relativ zur Sonne aus, so müsste die Raumsonde 18 Jahre nach dem Start die 10 Milliarden Kilometer Marke überschritten haben und mitten im Kuipergürtel sein. Die zur Verfügung stehende Leistung beträgt dann noch 600 Watt, was immer noch mehr ist als Voyager oder Galileo vor dem Start zur Verfügung hatten.

Zusammenfassung

Für 1,7 Milliarden Dollar, weniger als die kosten des Mars Science Laboratorys und weniger als der ISS-Betrieb pro Jahr kostet könnte man beide Gasplaneten besuchen, ihre Atmosphäre unter die Lupe nehmen und im Vergleich mit Voyager viel bessere aufnahmen und Spektren gewinnen. Eine weitere Mission zu Pluto würde 600 Millionen Dollar kosten. Dafür erhält man eine Kapsel die dieselben Untersuchungen bei Jupiter durchführt und eine besser instrumentierte Sonde ereicht Pluto - bei geringeren Kosten als New Horizons, der Serienbauweise und der gemeinsamen Missionskosten sei dank.

Wartet man allerdings zu lange, dann muss man wieder 12 Jahre warten bis Jupiter die Sonden beschleunigen kann.

Artikel verfasst am 11.8.2012

Artikel zuletzt geändert am 3.9.2012



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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