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Venus Landesonde

Einleitung

Die Oberfläche der Venus weist extreme Bedingungen auf. Es herrschen dort etwa 90 Bar Druck und 480 Grad Temperatur. Keine Raumsonde hat diese Bedingungen über eine längere Frist als etwa 2 Stunden überlebt. Wir haben heute Farbpanoramen der Oberfläche, aber in niedriger Auflösung und verzerrter Perspektive aus einem Fischaugenobjektiv. Sie stammen von den beiden Raumsonden Venera 13+14.

Es ist nicht anzunehmen, dass wir in absehbaren Zeit einen Roboter werden konstruieren können, der dort längere Zeit - Tage bis Wochen aushält. Trotzdem wäre es interessant zu wissen, wie es auf der Venus aussieht - nicht nur direkt auf der Oberfläche, sondern auch aus einiger Höhe, da wir die Oberfläche nie direkt sehen können. Das ist der Plan für einen Späher der dies tut.

Anforderungen

Wir reden hier über eine Atmosphärenkapsel, die zuerst an einem Fallschirm sinkt und dann im freien Fall fällt. Durch die dichte Atmosphäre der Venus muss der Fallschirm  frühzeitig abgetrennt werden, da er sonst zum einen den Abstieg verlangsamt und zum anderen verfügbare Materialien bald anfangen bei der Hitze zu schmelzen. Doch das ist kein Problem. Am Boden hat die Atmosphäre einen Druck von 90 bar und eine Dichte von 0,065 kg/l. Sie ähnelt damit mehr einer Flüssigkeit als unserer Atmosphäre. Die Landung erfolgt damit mit geringer Geschwindigkeit, vergleichbar dem Absinken eines U-Boots im Meer.

Während dieser Zeit soll die Abstiegssonde Aufnahmen machen. Nach der Landung sollte sie zumindest einige Minuten vielleicht sogar eine Stunde überleben und Daten vom Landeort senden. Optional folgt dann das Senden beim Abstieg gespeicherter Aufnahmen, die vorher nicht übertragen werden konnten. Derartige Kapseln wurden schon entwickelt. Die Sowjetunion hat sogar Kapseln entwickelt die am Venusboden physikalische Untersuchungen des Bodens mit Geräten an der Außenseite durchführen. Demgegenüber ist die Aufgabe unserer Kapsel recht einfach. Sie soll lediglich Aufnahmen machen.

Interessant ist natürlich auch die Untersuchung der Atmosphäre beim Abstieg. Als Kombination bietet sich hier ein Gaschromatograph mit einem Massenspektrometer an. Ergänzt sollte dies durch ein Tunable Laderdioden Spektrometer, mit dem man die Konzentration von Isotopen recht gut bestimmen kann. So wäre die Untersuchung des De/H Verhältnisses, des Verhältnis von 13C zu 12C und 18O / 17O zu 16O interessant. Verglichen mit den Spektrometern die Ende der siebziger Jahre eingesetzt wurden, hat die Venera und die groß0e Pioneer Venus Landesonde mitführten.

Weitere Sensoren für Druck und Temperatur sind kein Problem. Ein Radarhöhenmesser ist wünschenswert um die Höhe und damit fie Fallgeschwindigkeit festzustellen. Dazu sollte ein BNephelometer für die Untersuchung der Aerosole sich gesellen.

Interessant ist natürlich die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche. Dies kann ein abbildendes Spektrometer erledigen, das paralell zur Kamera montiert ist. Der große Nachteil dieser Instrumente ist ihre große Datenmenge, da sie in der dritten Potenz zur Auflösung steigt.

Um Bilder zu übertragen brauchen wir eine hohe Datenrate. Diese erhalten wir nur, wenn wir über einen Orbiter oder vorbeifliegenden Bus zur Erde senden. Landekapseln haben ungerichtete Antennen, denn Richtantennen würden nichts nützen, weil sie beim Abstieg dauernd der Position des Empfängers nachgeführt werden müssten. Weiterhin schwankt die Kapsel beim Abstieg an den Fallschirmen. Man benötigt also einen Bus, der die Daten überträgt oder einen Orbiter in einer Umlaufbahn. Um die Datenrate zu maximieren sollte dieser eine große Empfangsantenne haben und die Landesonde leistungsfähige Sender. Das letzte ist kein Problem, da bisherige Sonden vom Eintauchen in die Venusatmosphäre bis zum Abreißen des Funkkontaktes weniger als 4 Stunden betrieben werden konnten. Für eine so kurze Betriebszeit wiegen die dafür benötigten Batterien zur Stromversorgung selbst bei einer Sendeleistung von 100 - 250 W nur wenige Kilogramm zusätzlich.

Die Landekapsel

Die Landekapsel könnte weitgehend auf schon entwickelten Designs basieren, wie z.B. der großen Pioneer Venus Landekapsel. Auch deren Experimente könnte man in moderner Form erneut verwenden, denn es geht auch hier vor allem um Messungen beim Abstieg. Neu sind Kameras. Sie sollten zum einen die Umgebung darstellen und zum anderen den Boden beim Abstieg.

Für den Rundumblick: Seitlich schauen daher sechs Kameras durch Bullaugen nach außen. Sie decken damit die gesamte Umgebung verzerrungsfrei ab. Sie haben Weitwinkelobjektive mit 70 Grad Seitenlänge. Sechs Kameras decken so die Umgebung mit 10 Grad Überlappung pro Kamera ab. in der vertikalen sind es +20 Grad über Horizont bis -50 Grad Unter Horizont.

Für die Aufnahme des Bodens: Durch den Boden schauen vier Kameras derselben Bauart, die ebenfalls sich überlappen. Sie decken einen 120 x 120 Grad Bereich ab. 70 Grad sind noch ein guter Kompromiss zwischen verzerrungsfreier Abbildung und gewünschter großer räumlicher Abdeckung. Ein 28 mm Objektiv (typische Weitwinkelbrennweite beim 35 mm Film) stellt z.B. einen Ausschnitt von 72 x 49 Grad ab. 70 Grad entsprechen so ziemlich genau der langen Seite eines Fotos mit einem 28 mm Objektiv bei einer Kleinbildkamera. Da die Verzerrung von der langen Seite des Bildes bestimmt wird, ist es sinnvoll einen quadratischen Bildausschnitt zu wählen. Die Kameras decken das gesamte Gebiet unterhalb des Horizonts ab und 20 Grad über dem Horizont.

Denkbar wären mehrere Konstruktionen der Kamera. Zum einen ein Mehrchipmodell um echte Farbaufnahmen zu erzeugen, den Einsatz von Filtern (Vorteil: Falschfarbenaufnahmen im IR Licht sind möglich) oder wie bei billigen Kameras eine Bayermaske über dem Chip. Der Einsatz von Filtern erscheint die optimale Lösung zu sein, zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Mechanik durch die hohen Temperaturen versagen kann. Beschränkt man sich jedoch auf Aufnahmen nur beim Abstieg oder fährt einen neutralen Filter vor, sobald eine kritische Temperatur erreicht ist, so sind auf Filter einsetzbar.

Eine Modifikation zu Pioneer Venus ist eine Landevorrichtung, die einen stabilen Stand auf der Oberfläche garantiert und mittels Stoßdämpfer den Aufprall auffängt. Dies kann eine einfache Konstruktion sein. Bei den russischen Venera Sonden war es ein Ring, der um die Kapsel herumlief und verhinderte, dass die kugelförmige Kapsel umfiel. Federn fangen den Stoß ab. Eventuell benötigt man auch einen kleinen Fallschirm um die Sinkzeit zu reduzieren. Das wird noch diskutiert.

Wichtiger ist eine hohe Datenrate. Diese erreicht man durch mehrere Maßnahmen. Zum einen durch eine hohe Sendeleistung. Mit 100 Watt Sendeleistung und einer Rundstrahlantenne erreicht man recht hohe Datenraten zu einem nahen Bus. Die Pioneer Venus Landekapsel wog 317 kg. berücksichtigt man das ein Landegestell benötigt wird, leistungsfähigere Batterien, mehr Sendeantennen und die Kameras, so ist ein Gewicht von 450-500 kg angemessen. Dazu kommt dann noch ein Antrieb der die Kapsel selbst beschleunigt oder abbremst, damit sie bei dem Eintauchen in die Atmosphäre eine sichere zeitliche und räumliche Distanz zum Orbiter/Bus erreicht hat.

Zusammen mit allen Systemen soll die Landekapsel 600 kg wiegen.

Bus / Orbiter

Es gibt zwei Möglichkeiten die Kapsel abzusetzen. Sie könnte das primäre Experiment sein. Dies ist das Modell von Pionier Venus Mutprobe. Ein Bus mit einer (möglichst großen) Empfangsantenne sorgt für die Verbindung zur Erde während der interplantaren Phase und führt Kurskorrekturen durch. Die Kapsel wird vor der Venus abgetrennt und der Bus bremst soweit ab, dass er einige Stunden später die Venus erreicht. (Alternativ beschleunigt die Landesonde). Er passiert diese und überträgt dann die Daten zur Erde. Der Datenspeicher an Bord muss ausreichend groß genug sein um die Daten der Kapsel aufzunehmen. Das ist jedoch kein Problem. Flash Disks mit bis zu 128 GByte Größe sind heute in Raumsonden schon eingesetzt worden. Auf der Erde sind "Solid State Disks" mit 256 GByte Kapazität im 2,5" Format erhältlich. Die Daten werden wahrscheinlich redundant gespeichert werden. Es gibt nicht die Forderung, gleichzeitig zu senden und zu empfangen, wenn der Bus nach der Abtrennung der Kapsel seine Bahn so ändert, dass er nur an der Venus vorbeifliegt. Dies erlaubt es auch die Daten später mehrfach auszulesen und so Übertragungsfehler zur Erde auszuschließen und man könnte auf dem Bus einige Experimente installieren um das interplanetare Medium (Magnetfeld, geladene Teilchen) zu vermessen.

Die zweite Möglichkeit ist ein Orbiter. Er bremst mit der Landesonde in einen Venusorbit ein, und erst dann wird sie abgetrennt. Als Vorteil ist die Entfernung zur Landesonde geringer, weil die Geschwindigkeit im Orbit geringer ist. Das erhöht die Datenrate. Weiterhin kann der Orbiter weitere Untersuchungen durchführen.

Als Nachteil braucht man erhebliche Mengen an Treibstoff. Inklusive Triebwerk und Tanks verdoppelt dies nahezu die Masse der Sonde, wobei man ja auch noch Treibstoff für die Kapsel braucht um diese abzusetzen und danach den Orbit so anzuheben, dass der Orbiter nicht selbst verglüht. Ein im Orbit 400 kg schwerer Orbiter hat mit einer nur 450 kg schweren Landesonde schon ein Startgewicht von 1550 kg. Eine reine Buslösung würde nur 850 kg wiegen (ebenfalls 400 kg Gewicht für den Bus). Problematisch ist bei einem Orbiter hier die Abtrennung der Kapsel. Damit diese über mehrere Stunden hinweg Funkverbindung zum Orbiter hat, muss diese einige Tage vorher abgetrennt werden, auf eine andere Bahn gelangen, so dass sie etwa 180 Grad in der Orbitalebene verschoben ist. Erst danach kann die Kapsel abbremsen um die Landung einzuleiten. Das ist ein relativ komplexes Manöver bei dem sich die Kapsel längere Zeit in einem Orbit befindet. Sie benötigt dafür eine Stromversorgung über mehrere Stunden, Triebwerke zum Abbremsen und zur Lagereglung. Das macht die Landesonde noch teurer und schwerer.

Eine Mischform würde die Kapsel vor dem Eintritt in den Orbit abbremsen und danach den Orbiter im Flugpfad verzögern. Hinsichtlich der Entfernung ist dies dem Bussystem vergleichbar, die Datenrate ist daher kleiner. Ansonsten hat diese Lösung aber nur Vorteile: Man benötigt keinen Treibstoff für die Kapsel und das komplexe Bahnveränderungsmanöver für die Kapsel entfällt.

Alternativ nutzt man einen Orbiter, der sich im Orbit um die Venus befindet, eine unabhängige Sonde, die schon ein Startfenster früher gestartet wurde, wie z.B. derzeit Venus Express. Dies ist die ideale Möglichkeit, weil er ohne eine Landekapsel eine sehr viel plantennähere Umlaufbahn erreichen kann. Das bedeutet dann eine viel geingere Kommunikationsdistanz und damit eine höhere Datenrate.

Ich habe im folgenden als optionale Möglichkeit folgendes vorgesehen: Die Landekapsel wird von den Heliopause Raumsonden abgesetzt. Der Datenempfang erfolgt über den Venus Radarorbiter in einer 1000 km Umlaufbahn. Und danach über deren Bus. Das kombiniert beide Möglichkeiten.

Es ergibt sich dann folgende Zeitlinie

Ereignis Zeitpunkt
Eintritt in die Atmosphäre 0
Landung 60 Minuten
Funkverbindung zum Radar Orbiter 70 Minuten (Landung + 10 Minuten)
Abreisen der Funkverbindung zum Radar Orbiter 88 Minuten  (Landung + 28 Minuten)
Abreisen der Funkverbindung zum Bus 150 Minuten (Landung + 90 Minuten)

Diese Zeitlinie trägt vielen Punkten Rechnung: Zum einen erlaubt es geringe Verzögerungen beim Abstieg, aber alle wichtigen Daten können trotzdem innerhalb der ersten halben Stunde über den Orbiter übertragen werden. Es gewährleistet eine Datenverbindung über 90 Minuten nach der Landung.

Die Datenrate

Die Datenrate ist Dreh- und Angelpunkt des Systems. Der Venus Radar Orbiter kann wegen seiner großen Sendeantenne für die Radardaten und geringen Entfernung sehr viele Daten empfangen. Bei einem 100 Watt Sender sind es mindestens 3,4 MBit/s. Es gibt über 18 Minuten eine Funkverbindung, Das erlaubt es 3672 MBit zu übertragen, selbst wenn die Datenrate nicht angepasst wird (die Entfernung reduziert sich von 3640 auf 1000 km, sodass sie zunehmen sollte).

Der Vorbeiflugbus nähert sich immer weiter der Sonde, bis er 150 Minuten nach dem Eintritt die Venus in 1000 km Entfernung passiert. Hier ist die Entfernung viel stärker schwankend. Daher ist es sinnvoll die Datenrate adaptiv anzupassen. Dies kann durch den Empfang eines Referenzsignals von dem Bus erfolgen. Dessen Signalstäörke regelt dann die Datenrate. Bei einer Annäherungsgeschwindigkeit von 4 km/s im Unendlichen, 150 Minuten maximale Sendedauer und eine 4 m Empfangsantenne kommt man auf folgende Tabelle:

Distanz [km] Zeit [s] Geschwindigkeit [m/s] Datenrate [bit/s] Ereignis
1.010 0 10.392 16.6 MBit/s   
6.475 600 8.235 1.4 MBit/s  
11.117 1.200 7.334 470 kbit/s  
15.347 1.800 6.804 247 kbit/s 1 Stunde nach der Landung
19.316 2.400 6.446 156 kbit/s  
23.100 3.000 6.182 110 kbit/s  
26.746 3.600 5.979 81 kbit/s Abreißen Kontakt zum Radarorbiter
30.283 4.200 5.815 64 kbit/s  
33.730 4.800 5.680 51 kbit/s Kontakt zum Radarorbiter
37.103 5.400 5.567 42 kbit/s Landung
40.413 6.000 5.470 36 kbit/s  
43.669 6.600 5.385 36 kbit/s  
46.878 7.200 5.311 31 kbit/s  
50.044 7.800 5.246 23 kbit/s  
53.174 8.400 5.187 20 kbit/s  
56.270 9.000 5.134 18 kbit/s Atmosphäreneintritt, Beginn Sendung

Es wird deutlich, dass die Datenrate sehr stark am Ende von der Entfernung abhängt. Nur ein Beispiel: geht man von nur 60 Minuten Überlebensdauer aus, so steigt die Datenrate nach Abreißen des Funkkontakts zum Radarorbiter von 81 auf 247 kbit an. Ich gehe aber von dieser Baseline aus,

Die grundlegnde Idee ist nun diese:

Während des Abstiegs werden vor allem die Daten der direkt messenden Instrumente übertragen.

Nach der Landung werden sowohl die Panoramen der Ungebung wie auch die beim Absteig gewonnen Daten in umgekehrter Reihenfolge übertragen, das heist bodennächstes Bild zuerst., Dies geschieht über den Radarorbiter.

Die restliche Zeit wird genutzt um weitere Daten aus größerer Höhe zu übertragen, bei denen man vermuten kann, dass sie nur wenig zeigen, weil die Dunstschichten sie abschirmen. Am Schluss nimmrt die Datenrate nochmals rapide zu. Sollte die Sonde dann noch leben kann hochauflösende Panoramen direkt von der Oberfläche übermitteln.

Das bedeutet die meisten Daten stecken in den 3642 MBit über den Radaroorbiter.

Nehmen wir 50% der Datenmenge für spektroskopische Daten und 50% für Bilder so entfallen 1821 Mbit auf Bilder. Um möglichst viele Bilder zu übertragen sollten diese JPEG komprimiert werden. Selbst bei hoher Qualität hat dann ein Farbfoto (Bayermaske) von 1 MPixel eine Datenmenge von 4 MBit. Damit könnten bei Einsatz einer 1 MPixel Kamera insgesamt 455 Bilder übertragen werden.  Ein Panorama belegt mit 11 Kameras an der Seite und dem Boden rund 4,4 Mbit. Damit sind also rund 41 Panoramen möglich. Das ist recht viel. Daher kann man durchaus auch eine 4 MPixel Kamera einsetzen und dann rund 10 komplette und ein halbes Panorama übertragen.

Es sollte nicht verschwiegen werden, dass wir über die Durchsichtigkeit der Venus Atmosphäre nur Vermutungen haben. Neben der Problematik, wie durchsichtig eine 30-40 km hohe Gassäule mit einem Bodendruck von 90 Atmosphären überhaupt ist, hängt dies vor allem von dem Gehalt an Aerosolen ab. Selbst kleine Mengen können bei einer so dicken Schicht wie ein Nebel wirken. Ab wann man den Boden sehen kann, ist daher noch nicht sicher. Schätzungen liegen zwischen 32 km Höhe (5  Bar Niveau) und 21 km Höhe (Temperatur überschreitet den Siedepunkt von Schwefelsäure, dem schwerstflüchtigen Bestandteil von Aerosolen). Nach den Pioneer Venus Abstiegsmessungen über die Rückstreuung der Atmosphäre, sollte sie unterhalb von 18 km durchsichtig sein.

Die Stratgeie ist daher alle Panoramen ab 18 km Höhe zu übertragen plus einem Oberflöächenpanorma. Reist dann der kontakt ab, so können weitere Panoramen übertragen werden. Lebt die Sonde 60 Minuten so kann ein weiteres übertragen werden. Danach werden es rasch mehr, aber auch die Überlebenswahrscheinlichkeit nimmt ab.

So werden übermittelt:

Ein Panorama der Oberfläche (6 Aufnahmen 'a 4 Mpixel) : 260 x 70 Grad. Auflösung 126 Bogensekunden, in etwa vergleichbar mit dem menschlichen Auge.

10 Panoramen beim Abstieg aus 1,8 bis 18 km Höhe mit Auflösungen von 1,2 bis 12 m pro Pixel (zum Boden schauende Kameras)

Dazu kommen noch Spektren. Werden diese paralell zu den aufnahmen gemacht, so kann man nicht nur die Daten sehr gut mit den Oberflächendetails korelieren, sondern auch höher aufgelöste Mischprodukte erstellen (Schwarzweiss-Kontrastanteil durch Bildeer, Farbe durch Spektrale Informationen. Basierend auf derselebn Information ist eine räumliche Auflösung von 128 x 128 Pixel pro Szene und eine spektrale von 256 Spektralkanälen möglich.

Da es möglich ist die Atmosphäre auch aus dem Orbit zu erfassen und direkte Messungen möglich sind sollte für den Detektor ein Chip gewählt werden, der im nahen Infrarot empfindlich ist, wo Minrale absorbieren wie ein HGcDTe Detektor, denn es auch in dieser Größe (256 x 256 Pixel) gibt. Der Vorteil ist, dass man so eine relativ genaue Bestimmung der mineralogischen zusammensetzung der Oberfläche  sowohl aus der Höhe, wie auch im Rundumblick. Beim senkrechten Hinunterschauen beträgt das verzerrungsfei abgebildete Gebiet immerhin rund 40 x 40 km.

Kostenabschätzungen

Für eine Bus/Landesonde kann man Kostenabschätzungen anhand von Pioneer Venus machen. Diese Mission kostete 83 Millionen Dollar auf der Preisbasis von 1978, Nimmt man den Preisindex als Basis für den Vergleich von damals und heute, so entspricht dies heute etwa 190 Millionen Dollar. Die beinhaltete aber auch den Start, vier Landesonden, (davon drei kleine) und den Bus. Um Kosten zu sparen wird es eine Sekundärnutzlast der Heliopausensonden sein. Daher entfallen Start und Bus. Dafür benötigt man sechs Sonden, da sechs dieser Sonden die Venus im Abstand von je einem Startfenster passieren. Typisch fallen bei einem Nachbau nur 30-40% der Entwicklungskosten der ersten Sonde an. Geht man von 100 Millionen Dollar für die erste Sonde aus, so sind dies bei den folgenden fünf  je 40 Millionen Dollar. Zusammen also für alle sechs rund 300 Millionen Dollar.



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

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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