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Web Log Teil 290: 17.8.2012 - 21.8.2012

17.8.2012: Training für die bemannte Marslandung

Früher hieß es wir brauchen die ISS um uns auf die Marslandung vorzubereiten. Nachdem sich herumgesprochen hat, dass dem nicht so ist, will ich mal einen Plan skizzieren wie man für eine bemannte Marslandung trainieren können. Ich will mal folgende Eckpunkte anreisen, die wir vielleicht vor der ersten bemannten Marsexpedition klären sollten:

Auf der anderen Seite soll das Risiko minimiert werden, also wenn ein wichtiges System ausfällt, die Vorräte nicht reichen oder die Besatzung strahlenkrank wird, sollten wir schnell wieder zur Erde zurückkehren.

Nun mit der ISS kommen wir da nicht sehr weit. Zum einen geht das schon mit der Position los: sie ist ja noch innerhalb des Erdmagnetfelds, dass uns vor den meisten kosmischen Strahlen schützt. Daneben ist es recht schwer in Schwerelosigkeit Arbeiten auf dem Mars zu trainieren.

Aber wir haben den Mond vor der Haustür und in der Tat gibt es einige Parallelen:

Was den Mond vo, Mars unterscheidet ist die Dauer des Tag/Nachtzyklus und die Temperaturen. Es wird am Tag heißer und in der Nacht kälter und es ist 14 Erdtage lang 14 Erdtage lang Nacht. Doch das kann man ausgleichen. Die Temperaturextreme sind nicht so wesentlich bei der Arbeit draußen, da für gibt es sowieso die Raumanzüge. Ob diese -70°C oder +100°C abhalten müssen - beides ist gleich viel von unserer Wohlfühltemperatur von +20°C entfernt. Zur Temperaturregelung in den Labors kann man die Labors mit Regolith bedecken und so die Unterschiede ausgleichen. Dazu gibt es natürlich noch künstliches Licht und Heizung (RTG). Die Besatzung wechselt zwischen Expeditionsschichten (am Mondtag) und Analysenschichten (in der Mondnacht) ab. Auf dem Mond können wir so ziemlich die ganze Ausrüstung für den Mars erproben, auch die Verfahrensweisen.

Was wir nicht erproben können ist die Landung, außer den letzten Teil weil die Atmosphäre fehlt.

Dann gibt es noch die interplanetare Reise zum Mars. Die dauert je nach Konstellation zwischen 200 und 270 Tagen. Auch das kann man simulieren. Man muss nur nicht die Besatzung auf der direkten Route zum Mond schicken. Langsam beschleunigt, mit Ionentriebwerken spart man zum einen Treibstoff ein, und zum andern kann man die Reise so simulieren. Daneben erhöht es die Nutzlast. Die Besatzung würde wie bei einer Marsmission in einer kleinen Raumstation langsam zum Mond gebracht werden, dort in einen Orbit einschwenken und in einen Mondlander umsteigen, um bei der Forschungsstation zu landen. Diese kann man vorher auf dem gleichen Wege zum Mond befördern, also mit Ionentriebwerken bis in die Mondumlaufbahn und dann chemisch abgebremst auf die Mondoberfläche.

Was macht man bei Problemen? Nun dann sollte man schnell zurück kommen. Der einfachste Weg ist es eine kleine Kapsel wie sie gerade für CCDev entwickelt wird mitzuführen, verbunden mit einer Stufe mit lagerfähigem Treibstoff. Eine Geschwindigkeitsänderung von 1.500 m/s reicht aus um aus jeder kreisförmigen Erdumlaufbahn eine elliptische mit einem Perigäum von 100 km Höhe zu machen. Das Maximum von 1492 m/s tritt in rund 32500 km Höhe auf. Danach sinkt der Geschwindigkeitsbedarf ab. Beim Mond sind es nur noch 1000 m/s. Ein Servicemodul mit einem ausreichenden Treibstoffvorrat könnte die Besatzung in spätestens 3 Tagen wieder zur Erde zurückbringen.

Selbst die Kommunikationsverzögerung kann man nachbilden, ohne tricksen zu müssen. Wir müssen nur die Landung auf der Mondrückseite durchführen und die gesamte Kommunikation über einen Satelliten abwickeln. Dann gibt es keine direkte Funkverbindung mehr und die gewünschte Verzögerung ist sogar justierbar, wenn der Satellit seine Umlaufbahn anpasst (mondnah bei großer Verzögerung, mondfern bei kleiner). Ein Satellit in einer 200 km Umlaufbahn hat z.B. eine Umlaufsdauer von 127 Minuten. Durch die nahe Umlaufbahn ist er auch nur kurz über dem Landeort. Je höher die Umlaufbahn, desto mehr davon ist im Sichtbarkeitsbereich der erdgebunden Stationen und desto länger gibt es Funkkontakt. Natürlich kann man auch dies einfach mit dem Store and Forward Prinzip simulieren.

Wie könnte es aussehen? Nun ich nehme mal als Basis eine Rakete mit 100 t Startmasse. Bei einer Reisedauer von 230 Tagen, einem Δv von 6,5 km/s (worst case), Solarzellen mit 809 W/m² für den Betrieb der Ionentriebwerke und deren spezifischem Impuls von 4500 s kommt man auf folgende Rechnung:

Bei reinen Frachttransporten kommen rund 39 t in der Mondumlaufbahn an, wenn man sich mehr Zeit lässt wird die Nutzlast höher. Bei 300 Tagen sind es z.B. schon 46,5 t.

Die Landung auf dem Mond kostet Treibstoff. Bei einem Δv von 2,3 km/s (Apollo-Vorgabe) würden von 100 kg noch 40 kg Nutzlast (ohne die ausgebrannte Abstiegsstufe) auf dem Mond abgesetzt werden. Aber bei der Landung auf dem Mars dürften von 100 t im Erdorbit im günstigsten Fall auch nur 25-28 t übrig bleiben. Beim Einbremsen in den Marsorbit und beim Start zurück sieht es sogar noch schlechter aus, genauso beim rückstart vom Mars sodass in der Summe man für den Aufbau einer Mondstation in etwa genauso viele Flüge braucht.

So könnte es aussehen:

Das sind 800 t im Erdorbit, aufgeteilt in 8 Flüge einer SLS. Das ist in etwa auch das was für Marsmissionen veranschlagt wird. Gelingt es, den Verbrauch deutlich zu reduzieren (für drei Astronauten braucht man rund 43 t Vorräte für eine 985 Tage Marsmission, wenn man die ISS Zahlen zugrunde liegt), dann sieht es deutlich günstiger aus.

Die zweite und alle folgenden Expeditionen kommen mit 5 Flügen aus, dabei wird es wenn man die Vorräte in Modulen wie dem MPLM verpackt mit der Zeit sogar deutlich mehr Wohnraum geben, da diese nach Verbrauch der Vorräte leer sind.

So gesehen macht die Rückkehr zum Mond wirklich Sinn, zumal wir ja noch keine echte Mondbasis haben auf der Mondrückseite ist auch noch niemand gelandet. Nur muss man das dann wie eine Marsmission aufziehen. Eben nicht wie Bush mal Apollo-Equipment nachbauen und Missionen von einigen tagen oder Wochen planen.

Wenn man es so aufzieht kann man das meiste simulieren, man kann notfalls in 3 Tagen zurückkommen. Was noch erprobt werden muss sind sehr große Hitzeschutzschilde für den Mars um große Module landen zu können. (Grund für das Skycrane Verfahren bei Curiosity war ja auch, weil man sonst den Rover nicht hätte absetzen können, es gibt in der Kapsel, obwohl sie doppelt so groß wie die letzte ist, einfach zu wenig Platz, denn sie hat eine ungünstige Doppelkegelform. Doch dass kann man auch unbemannt mit Ausrüstung oder Gewichten testen.

Was machen die Astronauten? Nun auf dem Weg zum Mond recht wenig. Immerhin dürfen sie 240 Tage lang die Däumchen drehen, aber das würden sie bei eine, Trip zum Mars aus. Am Mond angekommen würden sie zuerst einmal einen Bulldozer in Betrieb nehmen und damit Regolith über ihre Quartiere und die Vorräte kippen, damit diese nicht so extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Regolith, feiner Staub aus tausenden von Mikrometeoriten hat wie feine Vulkanasche nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit. eine dicke Schickt schützt so vor Temperaturschwankungen und senkt das Risiko das von den kosmischen Strahlungen ausgeht. Danach nehmen sie die Behausungen und Geräte in Betrieb. Während des Mondtages wären längere Exkursionen möglich, z.B. mit einem Mondmobil mit Schlafkojen in Wohnwagenform. Ein solches würde man wohl auch auf dem Mars einsetzen, denn sonst wäre der Aktionsradius auf wenige Kilometer begrenzt. Nach 14 Tagen kommen sie zur Wohnung zurück. Nun können sie ausruhen und in Ruhe Bodenproben untersuchen, katalogisieren oder Werkzeug warten - es ist 14 Tage lang Nacht.

Nach rund 500 tagen geht's dann zurück zur Erde. Der Lander wird mit Bodenproben beladen, er koppelt an die Transferstation mit der Kapsel im Mondorbit an und wiederum dauert es 240 Tage bis man wieder in einer niedrigen Umlaufbahn angekommen ist. Dort koppelt die Kapsel ab, zündet ihre Triebwerke und die Besatzung landet wie bei einer ISS Mission. Das Raumschiff im Erdorbit könnte man erneut verwenden, sodass man für die zweite Mission nur 436 t anstatt 800 t benötigt.

In der Summe wäre es die wohl risikoloseste Trainingsmethode und vieles kann dort schon getestet werden und muss nur für eine Marsexpedition nochmal gebaut werden, so die gesamte Ausrüstung auf dem Mond und das Transfermodul. Der wesentliche Zusatzaufwand besteht nur darin einen Mondlander wie das LM zu entwickeln um die Astronauten zu transferieren und auf Basis dessen Abstiegsstufen für die unbemannten Teile die man auch weich absetzen muss. Würde man wie zu Apollo Zeiten vorgehen und sich langsam an die Aufgabe herantasten (Apollo 7: CM/SM im Erdorbit testen, Apollo 8, CM/SM im Mondorbit testen, Apollo 09 : LM im Erdorbit testen Apollo 10: LM im Mondorbit testen Apollo 11: Landung) so wird man fast zwangsläufig auf den Mond als trainingsplatz kommen. Doch heute denke ich ist man nicht so geduldig.

Was könnte man mit der ISS machen? Nun eine Sache kann man klären. Überstehen die Leute den Trip gesundheitlich. Also zuerst mal einige Astronauten zuerst 240 Tage auf der ISS behalten, dann für 500 Tage zur Erde und dann nochmals 240 Tage auf die ISS und man hat eine Vorstellung wie sie am Ende gesundheitlich dastehen. Noch optimaler wäre natürlich ein Aufenthalt über die vollen 900-1000 Tage an Bord der ISS. Wenn sie dann nicht mehr alleine aus der Kapsel rauskommen oder bei der Landung sich Knochen gebrochen haben, dann weiß man wenigstens, dass es nix ist mit der Marsexpedition.

Warum das keiner macht? Weil man schon von früheren Rekorden von Kosmonauten weiß, wie es ausgeht: nach derzeitigem Stand der Wissenschaft werden die Astronauten nach 240 Tagen selbst bei intensivem Training auf der Erde alleine nichts machen können, dazu haben sie zu viel Muskelmasse verloren. Ob es auf dem Mars noch geht (bei 40% unserer Schwerkraft) - ich bin skeptisch, denn der Raumanzug und das Überlebenspack kommen ja an Extragewicht noch dazu.

18.8.2012: Es ist unterwegs ...

Das neueste Buch über Curiosity und Phobos Grunt. Am Schluss wurde es dann doch noch problematisch, erst fehlten im Korrekturblock bestimmte GIFs und PNG und ich musste die in JPG umwandeln. Dann reagierte der BOD Server nicht mehr und zum Schluss stellte ich fest, dass ab S.274 alle Seitenzahlen fehlten.

Schlussendlich sind alle Probleme gelöst inklusive LibreOffice 3.44 das plötzlich bei genau diesem Manuskript abstürzt, nicht aber bei einem meiner anderen Bücher, auch wenn die ebenso viele Tabellen und Grafiken enthalten. Nun habe ich eine portable Version (3.55) parallel installiert, zwei normale Versionen gehen ja nicht. So langsam denke ich drüber nach ob ich nicht doch auf Word umsteigen soll. Wegen des DHBW Lehrauftrags musste ich mir ja Office extra anschaffen. Mal fragen ob und wie meine Korrekturleser damit zurecht kommen, aber wahrscheinlich stürzt das Ding dann auch ab wenn man erst mal 110 Abbildungen im Buch hat.,...

Es gibt aber schon eine Seite auf meiner Website für die Bücher. Dort findet man auch ein Probekapitel. Es gibt es übrigens nicht als e-book. Ich will später mal eine eigene Version bei Amazon veröffentlichen und daher habe ich das abgewählt. Ich halte auch die Preisgestaltung von BOD nicht für leserfreundlich. 19,99 Euro sollte es kosten. Wenn ich bei Amazon veröffentlichen würde, dann wären es wahrscheinlich 9,99 Euro bei höherer Marge. Es ist wenn ich publiziere auch so billig angesetzt, weil vom Layout praktisch nichts übrig bleibt. Auf den kleinen Auflösungen kann Text nicht um Abbildungen fließen und Tabellen sehen sch... aus. Zumindest das Kindle Format basiert auf HTML und nicht PDF. Besserung ist wohl erst in Sicht wenn die Lesegeräte eine echte Druckauflösung haben (mindesten 300 dpi, schließlich müssen auch alle Bilder gerastert werden). Das ipad kann ja dank normalen Display und Farbe das schon, nur für ein Lesegerät ist es zu teuer und die Akkulaufzweit zu gering.

Immerhin: Zwei Titel von mir gibts schon für den Kindle exklusiv, und deutlich preiswerter als die Printausgaben. Über das Gemini Programm (50% der Druckausgabe) und Ariane 1-5 (so als Druckausgabe nicht verfügbar und für 0,00 wirklich extrem billig).

Bevor jemand fragt: Auf der Website wirds nichts über Curiosity geben. Wie bei den anderen Büchern auch will ich einen Mehrwert zur Website bieten. Das war bei bestehenden Themen kein Problem, weil ich viel mehr in den Büchern drin habe, und bei Curiosity ist es anders. das Thema habe ich ja vorher nicht beharkt. Ich müsste praktisch alles noch mal schreiben nur viel einfacher und die Arbeit tu ich mir nicht an.

So das wars heute ganz kurz. Gestern gab es einen interessanten Beitrag. Schaut euch den doch mal an.

20.8.2012: Ein historischer Tag

ist heute, denn am 20.8.1975 bracht Viking 1 auf und am 20.8.1977 Voyager 2 - beide die ersten Sonden eines Pärchens die beide Geschichte schreiben sollten. Beides waren zu ihrer Zeit Großprojekte. Viking kostete 914,6 Millionen Dollar bis zum Ende der Primärmission, Voyager zwischen 450 und 487 Millionen, je nach Quelle. Nimmt man den GDP-Chain Index, denn die NASA als Basis nimmt, so entspricht dies 2494 und 1203 Millionen Dollar von 2011. Sie gehören damit zu den teuersten Raumsonden, wenn sie auch noch preiswert sind vergleichen mit anderen Projekten wie Galileo, Cassini oder gar Hubble oder dem JWST.

Beide Projekte sind herausragend. Zu einer Zeit als die Elektronik noch auf einem völlig anderen Stand war als häute, übertrafen sie ihre vorgegebenen Primärmissionen deutlich. Für Viking waren 6 Monate angesetzt, für Voyager vier Jahre. Voyager hält den absoluten Rekord an Betriebszeit von allen Körpern die wire je gestartet haben (passive Satelliten ausgenommen). Beide Raumsonden waren breit instrumentiert, wobei mir die Qualität erst Jahre später klar wurde, als ich wusste wie die Instrumente funktionieren und vor allem wie empfindlich sie sind.

Bei Viking waren die Instrumente auch die Gründe, warum das Programm die geplanten Kosten von 400 Millionen Dollar soweit überschritt und man die Landung auch um zwei Jahre verschob, weil vor allem die Entwicklung der Landerinstrumente sehr kompliziert war und teuer wurde. das traf allerdings auch auf die Kamera des Orbiters zu, die fast so viel kostete wie eine kleine Raumsonde.

Trotzdem: Man hat im Vergleich viel bekommen, nicht nur an Erkenntnissen, sondern auch an Hardware. Bei beiden Programmen wurden drei Sonden gebaut. Bei Viking war das dritte Exemplar sogar in Bereitschaft, um es bei einem Problem vor dem Start mit einem der beiden Flugexemplare auszutauschen. Bei Voyager gab es Pläne das dritte Exemplar 1979 über Jupiter zu Uranus und Neptun zu schicken, doch es gab nicht die dafür nötige Finanzierung, obwohl diese (wenn man sich an den Kosten für Trägerraketen, RTG und Betrieb orientiert) nur weitere 75 Millionen Dollar gekostet hätte. Verglichen dazu ist New Horizons als Einzelsonde teurer, bei weniger Fähigkeiten. Selbst Viking ist noch billiger als das MSL, obwohl man dafür drei Lander und drei Orbiter bekam. Für 15% Mehrkosten hätte man den dritten Viking starten können. (Es gab dann Pläne den Lander zu einem Rover umzubauen doch die wurden nie umgesetzt).

Damals sah es aus, als würde die Planetenforschung in die nächste Phase gehen - die erste Phase das waren die Mariner und Pionieer Sonden, Vorbeiflüge oder einfache Sonden zur ersten Erkundung. Mariner 8+9 waren zwar Orbiter, aber im Prinzip nichts anderes als Mariner 6+7 ausgerüstet mit einem Tank und einem Triebwerk. Nun ging es an Orbiter und Lander und auch weiter ins äußere Sonnensystem. Mit der Titan 3E hatten die USA auch die nötige Rakete dafür (so viel leistungsfähiger sind die heutigen Modell nicht - zwischen Titan 3E und Atlas 551 liegen gerade man 30% höher (bezogen auf einen Fluchtkurs) - und sie war damals sogar noch erschwinglich (etwa 26-35 Millionen Dollar pro Träger). Aber es sollte ja noch besser kommen. Geplant waren eine Jupitersonde (Jupiter-Orbiter Probe, aus dieser wurde Galileo), VOIR als Radarspäher und eine Raumsonde welche wie heute Rosetta den Kometen Temple 2 begleiten sollte. wer das von mir wärmstes empfohlene Buch "100 x Raumfahrt" hat, sollte mal auf S.82 gehen, dort findet man die damals noch herrschenden optimistischen Pläne.

Wie man wusste wurde nichts draus. In den späten Siebzigern wurde das Shuttle so teuer, dass es zeitweise 60% des NASA Etats ausmachte, in den Achtzigern lag das Interesse von Reagan an bemannter Raumfahrt und erst mit Clinton besserte es sich. Seitdem hatten wir bis vor wenigen Jahren eine Renaissance der Planetenforschung. So viele Missionen wie jetzt waren noch nie aktiv.

Was allerdings heute von damals unterscheidet, ist der Anspruch. Wenn man von Curiosity absieht, so gibt es heute noch Missionen die preiswert sind, maximal "mittelteuer". MAVEN der nächste Orbiter wird z.b. 450 Millionen Dollar kosten, das sind weniger als die 300 Millionen die Discovery Missionen 1998 kosten dürften - inflationskorrigiert. Das man zu den äußeren Planeten aufbricht ist selten. Juno ist nun unterwegs, doch mit Galileo kann man sie nicht vergleichen. Die nächste geplante Mission ist die ESA-Mission JUICE. Doch die startet erst 2022. Zu Saturn, Uranus, Neptun ist gar nichts geplant.

Was ich mir wünschen würde, währe mehr Erforschung des äußeren Sonnensystems, doch wird es dazu nicht kommen. Schon jetzt ist MAVEN die einzige US-Sonde die in der Planung ist. Bei Projektlaufzeiten von 4-6 Jahren bis zum Start bedeutet dies, dass vor 2016/18 nichts neues mehr startet.

Abhilfe? Zumindest einen Tipp hätte ich: Rückkehr zu mehreren Sonden. Typisch kostet das zweite Exemplar einer Raumsonde nur noch 30-50% des ersten. Bei extrem komplexen kann es noch ungünstiger sein (Viking: 15%). Bei einfachen ist es nicht ganz so günstig (Venus/Mars Express= 70%). Bei Neuentwicklungen bekommt man so mehr Wissenschaft für wenig Mehrgeld. Das gilt vor allem bei Landern. Jeder Lander kann nur einen Ort erkunden. Bei Vorbeiflugsonden zeigten Voyager die Vorteile: Zum einen wurden die Vorbeiflüge an den Monden zwischen beiden Sonden aufgeteilt, und zum anderen konnte Voyager 2 die Monate nach Voyager 1 bei Jupiter und Saturn ankam Dinge genauer untersuchen die Voyager 1 entdeckt hatte und so einige Rätsel lösen die Voyager 1 hinterließ. Bei Orbitern ist zugegebenermaßen der Gewinn geringer. Hier geht es meist um eine Kartierungsmission und die ist dann eben doppelt so schnell abgeschlossen oder man kann doppelt so viel Fläche erfassen.

Das war auch die Intension bei Voyager und Viking: Es ging hier nicht wie bei früheren Missionen um die Absicherung gegen einen Ausfall, sondern um mehr zu erkunden - einen zweiten Landeplatz bei Viking und mehr des Planeten durch die Orbiter und bei Voyager konnte man die Untersuchungszeit verdoppeln und alle Monde besuchen - das wäre mit einer Sonde nicht möglich gewesen.

So gesehen wäre ein Ansatz Curiosity nochmals zu bauen und vielleicht eine zweite JUICE mal zu Saturn zu schicken oder einen zweiten MAVEN zur Venus. Damit kann man auch noch Planetenforschung betreiben, wenn das Budget gekürzt wird.

21.8.2012: Vor den geostationären Satelliten

Es ist heute im Rückblick sehr erstaunlich, wie schnell sich die Weltraumfahrt kurz nach Sputnik entwickelte - nicht nur innerhalb weniger Jahre die Vorstöße zu Mond, Venus und Mars, sondern dass man sofort einen Nutzen für Satelliten fand. Neben dem militärischen Einsatz, der in den USA schon zwei Jahre nach Sputnik dominierte, gab es bald die ersten Wettersatelliten und auch Kommunikationssatelliten.

Heute ist das eine Industrie. Zahlreiche Länder betreiben eigene Satelliten, Gesellschaften vermieten Transponder und Raketen werden entwickelt um an diesem Markt mitzuspielen. Trotzdem - dass wir geostationäre Satelliten einsetzen ist nicht selbstverständlich, denn zuerst hat man es anders probiert.

Die erste Idee war die der passiven Kommunikation. Die Ionosphäre enthält ja elektrische Teilchen und das ermöglicht es, dass wir bei langen und mittellangen Wellen über Distanzen kommunizieren können die länger als die Sichtweite zwischen den Stationen ist. Das Problem ist nur, dass aufgrund der Wellenlänge die Information die transferiert werden kann gering ist. Dies scheidet bei Kurzwellen oder Ultrakurzwellen aus. Diese Frequenzbereich die auch die Bandbreite für Radio und Fernsehen aufweisen haben nur eine Reichweite von 50 km.

Die Idee war es nun, im Orbit einen reflektierenden Körper zu haben und über diesen die Signale zu transferieren. Diese Tests fanden mit Echo 1+2 statt wozu noch ein Fehlstart (Echo 1A am 13.5.1960) kam. Echo 1 war ein riesiger Ballon. Er bestand aus einer mit Silber bedampften Mylarfolie und sie wurde im Orbit durch einen Gasgenerator, ähnlich einem Airbag aufgeblasen. Die Wandstärke betrug nur 0,0127 mm. Verpackt war der Ballon in einem nur 0,66 m Großen Behälter. Im Orbit war er 30,48 m groß. Echo hatte zwar einen Sender, aber der übertrug nur Telemetrie. Die Idee war, dass der Satellit als passiver Reflektor für Funksignale dienen sollte. In Zeiten in denen man zufrieden war, wenn ein Satellit nur einige Monate lang arbeitete, versprach dieser passive Betrieb einen viel längeren störungsfreien Betrieb.

Damit er zur Kommunikation genutzt werden konnte, musste seine Umlaufbahn so hoch sein, dass er von beiden Bodenstationen aus gesehen werden konnte. Echo 1 gelangte am 12.8.1060 eine 1514 x 1697 km hohe Umlaufbahn. Er wog nur 75,3 kg. Echo 1 funktioniert zwar, aber ohne Verstärker war das Signal das reflektiert wurde, sehr schwach und bald begann die Hülle zu schrumpfen und Falten zu bekommen. Der Ballon verlor Gas und verlor seine kugelförmige Gestalt, was den Einsatz noch mehr beeinträchtigte. Über Echo 1 wurde experimentell Daten zwischen Ost- und Westküste der USA übertragen, so z.B. Funkbilder.

Trotzdem probierte man es ein zweites Mal. Echo 2 gelangte am 25.1.1964 in den Orbit. Seine stärker geneigte Umlaufbahn erlaubte auch Experimente weiter nördlich als dies bei Echo 1 der Fall war. Er war mit 41 m noch größer. (Bild rechts, man achte auf die Menschen und das Auto an der Basis). Damit die Haut stabiler wurde, bestand sie nun aus einer Mylarfolie zwischen zwei Aluminiumschichten. Sie war um 40% dichter, aber 100-mal steifer. Doch die Nachteile waren offensichtlich: Je größer der Satellit, desto anfälliger ist der Satellit für Mikrometeoritentreffer und bedingt durch die große Oberfläche gibt es auch Bahnstörungen durch den Strahlungsdruck de Sonne und der Restatmosphäre. Daher war die Lebensdauer der Satelliten auch nicht hoch. Echo 1 trat am 24.5.1968 in die Atmosphäre ein, normalerweise ist die Bahn in der er sich befand bei "anderen" Satelliten für mehr als ein Jahrtausend stabil. Echo 2 in seiner nur 1000 x 1300 km hohen Umlaufbahn verglühte schon  am 7.6.1969. Er hält bis heute aber den Rekord für den Größten Satelliten. Man fand diese Eigenschaft (der Abbremsung durch die Restatmosphäre)  sogar so nützlich das man innerhalb der Explorer Serie drei weitere, kleine Ballone startete um die Eigenschaften der Hochatomsphäre zu erforschen und vor allem basierend auf diesen Prognosen über den Antriebsbedarf und die Lebensdauer von erdnahen Satelliten zu gewinnen. Sie hatten aber nur 3,65 m Durchmesser und verblieben auf elliptischen Bahnen.  Aufgrund des Reflexionsprinzips wurde auch ein Ballonsatellit (Pageos) in einen 4000 km hohen Orbit gebracht. Er wurde fotografiert und der Vergleich der Positionen relativ zu den Sternen ermöglichte es die Entfernungen der rund 100 Beobachtungsstationen zueinander auf 5-10 m zu bestimmen, etwa zwanzigmal genauer als vorherige Messungen waren.

Daher war der nächste Versuch einen Satelliten mit aktivem Sender zu benutzen. Die ersten Versuche waren Courier 1A und 1B. Courier 1B war nach einem Fehlstart am 4.10.1960 der erste aktive Nachrichtensatellit, auch wenn er nur eine verbesserte Version des SCORE Experiments an Bord einer Atlas B war (die rein zufällig auch in den Orbit gelangte). Der Kugelförmige Satellit war mit Solarzellen bedeckt welche den Strom für die Sender und Batterien lieferten. Durch die Belegung der ganzen Oberfläche war keine besondere Ausrichtung nötig. Der 230 kg schwere Courier gelangte aber nur in eine 967 x 1214 km hohe Umlaufbahn. Damit hatte er nicht dauernden Sichtkontakt zwischen Ost- und Westküste der USA. Er arbeitete daher nach dem "Store and Forward" Prinzip: Er empfing die Signale speicherte sie auf Magnetband und spielte dieses auf Kommando wieder ab. Mit dieser Methode konnte man aber auch prinzipiell Distanzen überbrücken die transkontinental waren. Nach 17 Tagen fiel Courier 1B aus, was erklärt warum man Echo als passive Satelliten entwickelte. Ursache war ein desynchronisierter Zeitgeber: Damit man den Satelliten nicht missbrauchen konnte, mussten die Signale zeitlich genau abgestimmt werden mit einer internen Uhr. Ohne diese Synchronisation akzeptiere Courier keine Signale.

Aber es war keine Realzeitübertragung, diese brachte die nächste Generation Relay und Telstar. Relay war ein Kommunikationssatellit der nicht mehr die Daten zwischenspeicherte, sondern direkt übertrug. Damit dies auch von Nutzen war hatte er eine exzentrische Umlaufbahn von 1313 x 7438 km. Damit war er im Apogäum so weit von der Erdoberfläche entfernt, dass man Daten in Europa empfangen konnte die in den USA übertragen wurden. Relay konnte erstmals Fernsehsignale übertragen. Relay 1, gestartet am 13.12.1962 wurde von Relay 2 am 21.1.1964 abgelöst. Relay 2 machte die ersten Übertragungen nach Japan und als 1964 dort die Olympiade war wurde über Relay das Signal von Syncom 3 weitergeleitet, dass erste Mal das zwei Satelliten bei einer Übertragung beteiligt waren. Beide Satelliten zeigten, dass das System funktionierte und wie immer wenn das der Fall ist gibt es auch kommerzielle Nachahmer: Telstar 1. Er wurde von AT&T auf eigene Kosten gebaut und gestartet und ist der erste kommerzielle Satellit. 60 Millionen Dollar kostete das Unternehmen, 1962 eine Menge Geld, man sieht dies auch daran das der Start eines der beiden Satelliten nur 4 Millionen davon ausmachte.

Telstar hatte eine etwas niedrigere Erdumlaufbahn von 943 x 5623 km Höhe. Wie Courier war er kugelförmig und völlig mit Solarzellen bedeckt. Sein Sender war leistungsfähiger als der von Relay. Echo konnte Funkbilder in analoger Form reflektieren, Relay Fernsehen, benötigte aber starke Empfänger. Telstar war der erste Satellit der Fernsehen life mit seiner hohen Datenmenge übertragen konnte. Am 23.7.1962 fand die erste Life-Übertragung zwischen den USA und Europa statt. Am 23.7.1962 fand eine Übertragung die damals sensationell war: In Europa konnte man einen Ausschnitt aus US-Spielen und eine Grußbotschaft von John F-.Kennedy und Bilder der Freiheitsstatue empfangen, in den USA Bilder des Eifelturms und das Royal Philharmonic Orchestra. Das war so sensationell, das Telstar es in die Alltagssprache schaffte. Es gibt sogar einen Song über ihn von den Tornados, den ihr sicher alle kennt (hier der Wikipediaeintrag mit einem Ausschnitt).

Es zeigte das das Prinzip funktionierte. Was noch verbessert werden musste, war das Telstar pro Umlauf nur 10-20 Minuten in Empfangsbereich einer Bodenstation war. Weiterhin war die Lebensdauer noch gering. Telstar wurde am 12.7.1962 gestartet und fiel im November 1962 zum ersten Mal aus, konnte aber reaktiviert worden und im Februar 1964 endgültig zu verstummen - er war nur rund 6 Monate im Betrieb. Sein Nachfolger Telstar-2  wurde zwei Jahre lang betrieben und konnte zusätzlich auch wissenschaftliche (digitale) Daten in Realzeit übertragen. Dies wurde noch bis 1967 genutzt, während man 1965 den VHF-Sender für Fernsehen von Telstar 2 abschaltete.

Die Lösung war der geostationäre Orbit, der schon 1948 von Arthur C. Clarke vorgeschlagen wurde, aber für den man erheblich mehr Energie brauchte als für die bisherigen Umlaufbahnen. Schlimmer noch: Die Distanz zum Sender ist sechsmal höher und die die Abschwächung der Signale entsprechend größer. Trotzdem wurde schon im Februar 1963 die COMSAT Cooperation gegründet mit dem Ziel geostationäre Satelliten zu entwickeln. Die ersten waren jedoch noch öffentlich finanziert.

Syncom 1-3 waren die ersten geostationären Satelliten. Sie waren erheblich kleiner als Telstar, weil die Umlaufbahn viel mehr Energie erforderte, im Orbit wogen Syncom 1-3 nur noch 39 kg. Doch sie erweisen sich als sehr nützlich. Syncom 1 fiel nach Zündung des Apogäumsantriebs aus. Syncom 2 als Ersatz erreichte einen Orbit, aber dieser war noch um 33 Grad zum Äquator geneigt und nicht ganz kreisförmig, sodass man die Antennen dem Satelliten in Form einer Acht nachführen musste. Weiterhin war die Umlaufdauer um 10 Minuten höher als ein Tag, sodass er aus der Position wegdriftete. Bei 2 Watt Sendeleistung benötigte man sehr große Antennen auf der Erde, Ohne bündelnde Antenne konnte Syncom nur ein Telefongespräch übermitteln, oder 16 Telexkanäle die sich diesen Telefonkanal teilten, aber der Satellit war 24 Stunden verfügbar. Und er erwies sich als sehr langlebig - am 1.6.1965 überließ ihn die NASA dem Verteidigungsministerium für die militärische Kommunikation.

Syncom 3 folgte eineinhalb Jahre später. Anders als Syncom 2 erreichte er einen kreisförmigen geostationären Orbit über dem Äquator. Nun konnten nachdem durch kleinere Manöver der Drift kompensiert wurde, waren die Antennen auf der Erde nun stationär ausgerichtet. Auch Syncom 3 wurde am 1.8.1965 ans Militär übergeben, die ihn ein weiteres Jahr betrieb, vor allem für die Kommunikation mit  Vietnam. Als man ihn im Aprile 1969 abschaltete war er immer noch funktionsfähig. Dies zeigt auch wie schnell die Lebensdauer der Satelliten anstieg. Mit Syncom 3  erreichte die Kommunikation die Routine: Der Satellit übertrug die Olympiade in Tokio 1964 in die USA

Zwei Jahre später folgte "Early Bird" vom COMSAT, die ihn nachdem er im Orbit war an Intelsat verkaufte. Er wurde nun ungenannt in "Intelsat 1". Early Bird war eine verbesserte Version von Syncom. Das trommelförmige Gehäuse war verlängert, lieferte mehr Strom und ermöglichte stärkere Sender. Er war auch fähig Fernsehen zu übertragen oder 240 Telefonkanäle - also ein Riesensprung im Vergleich zu Syncom, obwohl sich die Sendeleistung von zweimal 6 Watt nur verzehnfacht hatte. Intelsat 1 wurde über dreei Jahre betrieben, obwohl er nur für 18 Monate ausgelegt war. 1969 wurde er für die Übertragung der Mondlandung nochmals für zwei Monate aktiviert. Als man ihn zum zwanzigjährigen Startjubiläum nochmals aktivierte, war er immer noch voll funktionsfähig. Schon mit diesem Satelliten konnte man Geld verdienen - die NASA startete keine Kommunikationssatelliten und überlies dieses Feld der Privatwirtschaft. Auch Early Bird inspirierte einige zu Liedern, z.b. diesem.

COMSAT hatte eine Mehrheitsbeteiligung an Intelsat und um Intelsat vor Konkurrenz zu schützen, war die NASA nicht bereit "nicht-US" Kommunikationssatelliten zu starten. So waren die ersten dieses Typs in Europa (Symphonie, OTS) nur für den experimentellen oder Lehrbetrieb (Übertragung von Schulfernsehen) ausgerichtet. Dies führte schlussendlich zur Entwicklung der Ariane.

Heute (August 2012) wiegt der schwerste Satellit Viasat-1 4 6.739,5 kg beim Start, er hat eine geplante Lebensdauer von 15 Jahren. Er verfügt über nicht weniger als 72 Transponder mit einer Bandbreite von jeweils 36 MHz. Die Gesamtdatenmenge die er transferieren kann beträgt damit 140 GBit/s. Das ist ungefähr die 30.000 fache Menge von Intelsat 1 (ein S/W-TV Signal belegt typisch 5 MHz Bandbreite)

Satellit Startdatum Betrieb bis Umlaufbahn Gewicht Abmessungen Bemerkungen
Echo 1X 13.5.1960     56,2 kg 30,48 m Fehlstart
Echo 1 12.8.1960 24.5.1968 1514 x 1692 km, 47,2° 75,3 kg 30,48 m passiver Ballonsatellit
Echo 2 25.1.964 7.6.1969 1033 x 1313 km, 81,5 ° 248 kg 41 m passiver Ballonsatellit
Courier 1A 18.,8.1960     225 kg   Fehlstart
Courier 1B 4.10.1960 21.10.1960 967 x 1214, 28,3° 230 kg   17 Tage im betrieb Store and Forward mit 55000 Bit/s
Relay 1 13.12.1962 10.2.1965 1322 x 7439 x 47,5° 170 kg   Konnte einen Fernsehkanal übertragen, erste Übertragung über den Pazifik
Relay 2 21.1.964 9.6.1967 2091 x 7411 km, 46,3°      
Telstar 1 10.7.1962 21.2.1963 952 x 5632 km, 44,8° 77 kg 0,876 m 14 Watt Leistung, 1 Fernsehkanal, erste Life Übertragung USA <-> Europa
Telstar 2 7.5.1963 16.5.1965 974 x 10802 km,42,7° 76 kg 0,876 m überträgt auch wissenschaftliche Daten bis 1967
Syncom 1 14.2.1963     68 kg 0,71 m Durchmesser, 0,39 m Höhe Verlust vor Erreichen des geostationären Orbits,
Syncom 2 26.7.1963   35884 x 36693 km, 33° 68/29 kg 0,71 m Durchmesser, 0,39 m Höhe Erster Satellit im quasigeostationären Orbit
Syncom 3 19.8.1964/td> April 1969 23191 x 36271 km, 0,1° 68/39 kg 0,71 m Durchmesser, 0,39 m Höhe Erster Satellit im geostationären Orbit. 1 Telefonkanal
Early Bird / Intelsat 1  6.4.1965Januar 1969 35503 x 36606 x 0,1°  68 / 34,5 0,71 m Durchmesser, 0,59 m Höhe  Erster kommerzieller Satellit im geostationären Orbit 1 Fernsehkanal oder 240 Telefongespräche 

 


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