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Web Log Teil 428: 16.7.2015 - 23.7.2015

16.7.2015: Könnte New Horizons nur der Erste sein?

Es dauerte lange bis man eine Pluto Mission auf den Weg brachte. New Horizons ist der dritte Anlauf der nicht nur ein Papierprojekt ist sondern in die Planung ging. Die beiden vorherigen Pluto Fast Flyby und Pluto Kuiper Express wurden dann aber gekippt. Aus der Asche von PKE wurde dann New Horizons, weil das Parlament den Beschluss der Bush Administration kippte.

Ich senke man kann jetzt schon sagen, das die investierten Millionen sich gelohnt haben. Pluto und Charon sind anders als die meisten Körper im äußeren Sonnensystem. Bis 1979 waren die Monde der Planeten in den Fernrohren nichts als Lichtpunkte, bei den Planeten sah es jenseits von Saturn auch nicht besser aus. Wer ein Astronomiebuch aus dieser Zeit aufschlägt entdeckt mit etwas Phantasie zwei Bänder bei Uranus und Neptun. Dass hat sich geändert vor allem durch die Voyager Sonden. Galileo und Cassini setzten ihre Arbeit fort. Wir haben heute eine grob oder fein aufgelöste Karte von allen Monden mit mehr als 300 km Durchmesser. Aber: die meisten entpuppten sich als kraterbedeckte Eiswüsten. Sicherlich der eine oder andere mit interessanten geologischen Features wie langen Gräben, einem Riesenkrater wie Mimas. Aber wenn es nicht eine Aufheizung durch Gezeitenkräfte gab (Io, Europa, Ganymed oder Enceladus) oder der Körper eine Atmosphäre hatte (Titan), dann waren die Monde kraterbedeckt, langweilig, austauschbar. Im Prinzip sieht so das ganze Sonnensystem aus - auch Merkur, Erdmond und die bisher besuchten Asteroiden sind weitgehend kraterbedeckt.

Die einzige Ausnahme war Triton. Triton wies kaum Einschlagkrater auf, dafür fand man Geysire, dunkle Ablagerungen und ein seltsam gerunzeltes Terrain. Triton hatte verschiedene Geländeformen mit Kryovulaknismus. Triton war auch der entfernteste Himmelskörper den wir bisher untersucht haben (zusammen mit Neptun) und er steht im Verdacht ein eingefangenes KBO zu sein.

Nun sieht man schon auf den wenigen schon vorliegenden Bildern das Pluto und Charon ebenfalls anders sind als die anderen Eismonde. Beide haben kaum Krater. Charon weist Hochländer, Gräben und eine dunkle Region auf, die wohl einen Einschlag auffüllte. Pluto hat ebenfalls eine auffällige Region die deutlich heller ist und wegen der andeutungsweisen Herzform schon als the "Heart" bezeichnet wurde. (Sie wird wohl nach dem Entdecker Plutos "Tombough Regio" genannt werden. Die Detailaufnahme von ihrem Rand zeigt ebenfalls keine Krater, dafür bis zu 3500 m hohe Berge. Wir wissen, das Pluto eine Atmosphäre aus Stickstoff hat. wie Triton Methan wurde auch bestimmt. Nach den IR-Spektren sind Pluto und Charon unterschiedlich auch in der Zusammensetzung der Oberfläche - das sie unterschiedlich sind sieht man schon auf den Aufnahmen Charon ist dunkler und hat nicht den roten Farbton von Pluto,

Wenn Pluto, Charon und Triton "typische" KBOs sind, dann dürften sich weitere Trips zu ihnen lohnen. Das will ich mal heute untersuchen. Ich habe mich dem Thema ja schon mal mit dem Vorschlag von Miniatursonden genähert. Heute mal ein anderer Ansatz: Als New Horizons kurz vor dem Start statt plädierte der PI Alan Stern die Sonde nachzubauen und zu einem anderen Ziel - Uranus wurde vorgeschlagen - zu senden. Es gibt daher eine Untersuchung was diese Mission kosten würde. Die NASA kam damals zu dem Schluss es wäre zu teuer. Eine Kopie der Sonde würde 623 Millionen Dollar kosten - zu wenig Einsparungen gegenüber New Horizons I. Doch schauen wir uns mal die Kostenaufstellung genau an:

  New Horizons New Horizons II
Raumsonde und Mission 443 302
Trägerrakete 213 223
RTG 65 65
Reserve 0 33
Gesamt: 720 623
 

Knackpunkt war das die Trägerrakete und der RTG gleich teuer waren und rund 3/7 des Projektes ausmachen. doch für beide gibt es Alternativen. Beim RTG entstehen die Kosten tatsächlich durch die Füllung. Die NASA hat leider die Forschung an STRG, also Nutzung des Stirling-Motors als Stromgenerator eingestellt. Diese Technik hätte die Menge an Plutonium deutlich verringert, da die Umwandlung von Wärme in Strom effizienter ist. Drei SRG hätten 369 Watt Leistung bei 3,6 kg Plutonium, ein GPHS-RTG dagegen 285 Watt Leistung bei 9,7 kg Plutonium. Auch die Masse ist mit 80,1 zu 56,3 kg vergleichbar, wenn man die höhere Stromausbeute berücksichtigt. Bei 6 Millionen Dollar pro Kilogramm resultiert so eine Einsparung von 36 Millionen Dollar.

Bei der Trägerrakete gibt es mit der Falcon 9 auch eine Alternative. Der Jason Start wird die NASA 83 Millionen Dollar kosten. Nur braucht man noch eine weitere Stufe um die Sonde zu Jupiter zu bringen. Auf 14,3 km/s, das reicht für Jupiter würde eine PAM-D die Nutzlast auf 728 kg steigern, ein zusätzlicher Star 37Y Antrieb auf 765 kg. New Horizons wiegt 416 kg trocken und 578,4 kg beim Start (mit großzügigen Treibstoffvorräten - man hat erst die Hälfte verbraucht). Das reicht also dicke. Die PAM-d kostet 20 Millionen Dollar, das geht aus dem Dokument hervor das New Horizons ablehnte. Damit würde eine Sonde mit SRG(/Falcon nun folgende Bilanz haben:

  New Horizons New Horizons II
Raumsonde und Mission 443 302
Trägerrakete 213 103
RTG 65 30
Reserve 0 33
Gesamt: 720 471
Die Sonde würde damit in den Preisrahmen von Discovery Projekten passen die 450 Millionen Dollar ohne Trägerrakete kosten dürfen.

Die Idee ist aber nicht nur eine Sonde zu bauen sondern mehrere. Sieht am sich die Kosten des Nachbaus an, so passen die sehr gut zu einer Erfahrungskurve mit einem Koeffizienten von 0,75. Demnach würde jedes folgende Exemplar so viel kosten:

Exemplar 1 2 3 4 5
Kosten 443 302 265 243 228
Gesamtprojektkosten 720 Millionen (New Horizons) 623 434 412 397
Alle zwei Jahre sollte ein Start stattfinden. Er Hintergrund ist das man ja nicht zu einem festen KBO fliegen muss, sondern es schon heute einige interessante Kandidaten gibt mit außergewöhnlicher Form, eigenen Mond, besonderen Spektren oder einfach weil sie groß sind. Nutzt man Jupiter als Sprungbrett, so kommt man zu einem bestimmten Ziel nur alle 14 Jahre. Wenn man aber viele Kandidaten gleichverteilt im Raum hat, kann man eine Sonde zu jeweils unterschiedlichen Kandidaten schicken. Weitere Kosteneinsparungen ergeben sich in der Mission. Obwohl New Horizons die meiste Zeit schlief gab es ein Kernteam von 50 Leuten, momentan sind 200 mit der Sonde vertraut und es gibt noch Wissenschaftler die man auch nicht einfach nach dem Start entlassen und vor dem Vorbeiflug wieder einstellen kann. Durch mehr Sonden sind diese Leute dann ausgelastet und die Missionskosten pro Sonde sinken.

Eines ist jedoch knapp. Ich halte zur Beschleunigung der Reise einen Trick für sinnvoll und zwar dass man die Sonde möglichst nahe an Jupiter heranbringt und dort ein kleines Raketentriebwerk zündet. Aufgrund des Energierhaltungsgesetzes gewinnt man dann viel mehr Geschwindigkeit und erreicht die Objekte schneller. Eine passende Feststoffoberstufe wäre die Altair, die 301 kg wiegt. Mit den etwas schwereren RTG würde das aber einen NH Nachbau auf 803 kg bringen. Wenn man die Masse der Falcon 1 Oberstufe erniedrigt von 5 t trocken auf 4 t trocken (ich bin da vorsichtig, da Elon Musk ja auch twitterte die erste Stufe wiegt 30 t - das passt auch nicht zu seinem Voll/Leermasseverhältnis von 30) dann steigt die Nutzlast auf 779 kg. Das wäre bei etwas weniger Treibstoff in den Tanks akzeptabel (dann gäbe es eben keinen zweiten Vorbeiflug oder man betriebt Offloading). Auch die 14,3 km/s sind bei einer optimalen Bahn nicht nötig, dann reichen 14,15 km/s. Reduktion auf 14,2 km/s würden bei einer Oberstufe von 4,5 t Trockenmasse genau die benötigte Geschwindigkeit liefern.

Jupiter brauchte Voyager 1 auf eine Geschwindigkeit die ausreichte die Strecke zum Saturn, rund 800 Millionen Kilometer in 20 Monaten zurückzulegen, was 15,4 km/s relativ zur Sonne entspricht (die Bahn ist ein Kreisbogen und die Radialgeschwindigkeit geht auch noch ab). Die konkrete Geschwindigkeit, die man gewinnen kann hängt von der Bahn ab, aber einer Faustregel nach liegt sie in der Größenordnung der Differenz zwischen Kreisbahn und Fluchtgeschwindigkeit beim nächsten Punkt. Bei Voyager 1 lag die Kreisbahngeschwindigkeit in 349.000 km Entfernung bei 19 km/s, gewinnen konnte die Sonde so 7,8 km/s gewinnen und hatte vorher 9,6 km/s. Das entspricht 17,4 km/s, was bei Berücksichtigung der Abbremsung gut zu der Durchschnittsgeschwindigkeit passt. Würde man eine Raumsonde außerhalb des Jupiterrings in 113.000 km vom Zentrum entfernt passieren lassen so könnte sie 12 km/s gewinnen.

Durch das Zünden eines kleinen Antriebs wird es noch deutlich mehr, denn die Sonde wird durch die Anziehung von Jupiter und ihre Startgeschwindigkeit von 7,5 km/s bei einer Niedrigenergietransferbahn 43,3 km/s im planetennächsten Punkt schnell. Addiert man durch das Zünden eines Antriebs dazu weitere 1161 m/s so ist die Sonde nach Verlassen des Jupitersystems 10 km/s schneller. Das als Hyperbolischer Exzess beschriebene Phänomen basiert letztendlich auf dem Energieerhaltungssatz: Addiert man bei hoher Geschwindigkeit weitere Energie so gewinnt das Objekt da E=v² mehr Energie als bei Geschwindigkeit 0.

Ein Altair Antrieb von 301 kg Start und 25 kg Trockenmasse würde die 601 kg schwere Sonden um 1161 m/s beschleunigen.  Als Folge wäre die Sonde nach verlassen des Jupiters rund 27.5 km/s schnell, im Unendlichen sollten davon noch 20,2 km/s übrig bleiben. Nimmt man als mittlere Reisegeschwindigkeit 21 km/s, so könnte die Sonde in 8 Jahren eine Distanz von 6,1 Milliarden Kilometer erreichen. Eris, der etwa 14 Milliarden Kilometer entfernt ist wäre aber erst in 22 Jahren nach dem Abflug erreicht.

Eine hohe Startgeschwindigkeit wäre erwünscht weil die meisten KBO weiter von der Sonne entfernt sind als Pluto. Pluto ist praktisch einer der innersten Vertreter dieser Gruppe. Die schweren SRG (sie sind nur in diskreten Einheiten herstellbar) würden zwar die Sonde schwerer machen, aber sie erlauben auch einen längeren Betrieb. Die Sonde braucht mindestens 182 Watt. Bei 369 Watt Ausgangsleistung würde erst nach 81 Jahren die Leistung auf dieses Niveau absinken. Wenn man 209 Jahre als maximale Missionsdauer ansetzt dann würde die stärkere Stromversorgung es erlauben mit höherer Leistung zu senden. Bei New Horizons sind es nur 12 Watt bei 35 Watt Eingangsleistung des Sendesystems. So ständen 128 Watt mehr zur Verfügung (New Horizons startete aus Zeitgründen mit einem nur 230 Watt liefernden RTG) was einer 4,6-fachen Sendeleistung entspricht und so mehr Daten aus geringer Distanz oder der gleichen Datenrate wie bei Pluto in 10,6 Milliarden Kilometern Entfernung erlauben.

Ich denke wenn die NASA dieses Programm angehen würde, dann könnte sie zu einem geringen Preis der Kuipergürtel erforschen.

17.7.2015: Tune me up - die Kommunikation über lange Distanzen

Ein Grund warum man nach dem Vorbeiflug von New Horizons so wenige Bilder von Pluto sieht, auch in den tagen vorher ist das Kommunikationssystem der Sonde. New Horizons hat eine Hauptantenne von 2,1 m Durchmesser und einen Sender von 12 Watt Leistung. Ihre Datenrate ist daher kleiner als die der Voyagers (3,66 m durchmessende Antenne, 23 Watt Sender). Je nach Quelle hat sie bei Pluto eine Datenrate von 1-2 KBit pro Sekunde. Komprimiert man nicht, so braucht ein LORRI Bild mit 8,368 MBit so über zwei Stunden zur Übertragung, Das Datensystem wurde auf eine Datenrate von 600 Bit in 36 AE Entfernung ausgelegt. Verbesserungen im Bodennetzwerk seit der Entwicklung vor 12 Jahren Start lassen eine etwas höhere Datenrate zu.

Die Sonde hat nur wenig Zeit die Objekte zu untersuchen. Pluto füllt das Kamerafeld der Telekamera LORRI erst 469.000 km vor der Begegnung, das sind 9 1/4 Stunden vor dem Vorbeiflug und bei der Farbkamera Ralph ist es sogar erst in 23.217 km Entfernung, das ist 13 Minuten vor dem Vorbeiflug der Fäll. So arbeitet die Sonde seit dem 13.Juli ein Jahre vorher festgelegtes Messprogramm ab, das nach den Plänen die veröffentlicht wurden, 107,8 GBit Messdaten erzeugt.

Um diese knapp 108 GBit zu übertragen bräuchte die Sonde ohne Komprimierung bei 1 KBit/s rund 1247 Tage also mehr als ein Jahr. Da die Sonde nicht für diese Zeit die 70 m Antennen des DSN rund um die Uhr bekommt, wird man zuerst nur die Daten in niedriger Auflösung "Browse" abrufen und dann die Teile die man für interessant hält in höherer Auflösung. der Rest wird gar nicht mehr abgeholt.

Eine höhere Datenrate ist wünschenswert, wenn man an weitere Sonden ins äußere Sonnensystem denkt. Andere Kuipergürtel Objekte (KBO) sind noch weiter entfernt, die Datenrate sinkt dann weiter ab und Instrumente können immer mehr Daten generieren. Die meisten Daten von New Horizons liefert LEISA das ist das Spektrometer von Ralph. Es liefert mit 82,5 von 107,8 GBit fast 80% der Datenmenge und das ist kein Zufall. LEISA ist ein abbildendes Spektrometer. Dieses funktioniert wie folgt: Das Licht passiert einen Eingangsschlitz der nur einen Spalt durchlässt. Ein Gitter oder Prisma fächert es senkrecht zum Schlitz auf und das Spektrum wird auf einem CCD-Chip aufgefangene. Der Inhalt eines Frames entspricht der räumlichen und spektralen Information einer Spalte. Bewegt man die Kamera, so erzeugt man aus vielen Spalten ein zweidimensionales Bild. Die Daten bilden aber einen Kubus. LEISA hat nur einen 256 x 256 Pixel großen Chip, doch ein Bild besteht aus 256 x 256 x 256 Messpunkten, also über 16 Millionen Einzelwerten. Dagegen hat die hochauflösende  Kamera LORRI nur 1 Million Bildpunkte und die Farbkamera MVIS 25 Millionen - dort aber 25 Millionen Pixel, während es bei LEISA nur 65.536 sind - aber man bekommt pro Pixel ein komplettes Spektrum.

Klar ist das solche Instrumente erhebliche Datenengen generieren können und es gibt schon solche Spektrometern, die bei einer Aufnahme 2 Gigabyte an Daten generieren - mit acht dieser Aufnahmen wäre der Speicher von New Horizons belegt. Kurzum man braucht eine höhere Sendleistung. Ich will mal in diesem Aufsatz die Möglichkeiten durchspielen die man hat diese zu erhöhen.

Verbesserung des Sendesystems der Sonde

Die offensichtlichste Verbesserung wäre eine größere Sendeantenne und stärkere Sender. Das ist beides eine Gewichtsfrage. Die 4 m große HGA von Cassini wiegt 105 kg. nimmt man an dass das Gewicht quadratisch mit dem Durchmesser ansteigt so sind das 76 kg mehr als bei der bestehenden Antenne - bei nur 416 kg Trockengewicht durchaus ein Faktor. Damit wäre die Sonde zu schwer zum Starten gewesen. Besser sieht es bei entfaltbaren Antennen aus. Diese waren, nachdem man sie bei ATS-6 erprobte in den frühen Achtzigern zurrst en vogue. Die TDRS Satelliten und Galileo setzten entfaltbare Antennen ein, die aus Streben und einem Metallnetz über ihnen bestehen. Beim Start sind die Streben zusammengefaltet wie ein Regenschirm und nach dem Start werden sie entfaltet. Sie sind viel leichter die 4,8 m großen Antennen von TDRS und Galileo wiegen nur 24 kg, sind also fünfmal leichter als die massiven Strukturen. Nachdem es bei Galileo nicht mit dem Entfalten klappte, hat man sie aufgegeben, obwohl man später rausfand, die Ursache nicht in der Konstruktion sondern dem mehrfachen Fahren der Sonde  per Truck und die dauernden Stöße zum Auslaufen von Schmiermittel führten. Doch sie wären eine Alternative. Als weiterer Vorteil ist der Durchmesser eine Antenne so nicht so stark begrenzt. Eine monolithische Antenne muss kleiner als die Nutzlastverkleidung sein. Da ist heute bei 4-4,5 m Durchmesser Schluss. Die entfaltbare Variante kann so groß sein wie die Nutzlastverkleidung hoch ist - ATS 6 hatte eine mit 9,14 m Durchmesser die wäre als starre Struktur nicht in die Verkleidung der Titan 3C (3,05 m) gegangen. Mit einer 4,8 m Faltantenne wäre New Horizons nicht schwerer gewesen, aber die Datenrate um den Faktor 5,2 höher.

Bei der Sendeleistung gibt es bei Sonden in den Kuipergürtel ein Problem: Die Stromversorgung ist extrem teuer. Das Plutonium in den RTG sorgt dafür dass 1 Watt mehr rund 250.000 bis 300.000 Dollar kosten. Immerhin hier hätte man stärkere Sender nützen können. New Horizons hat einen Spitzenstromverbrauch von 182 Watt, die Sonde hat aber wenn sie Pluto erreicht noch 202 Watt Leistung. Bei den 35 Watt Eingangsleistung der Verstärkerröhren wären 20 Watt mehr rund 57% mehr Sendeleistung und auch entsprechend mehr Daten. Man kann dies auch noch weiter optimieren. De Faktor wird die Sonde außer an wenigen Tagen rund um den 14.7 niemals 24 Stunden Support vom DSN bekommen. Normal dürften 4-8 Stunden pro Tag sein, schließlich gibt es noch einige aktive Raumsonden mehr. Warum nimmt man nicht stärkere Sender und speichert die von ihnen benötigte Leistung in einer Batterie zwischen? Bei 8 Stunden pro Tag kann man mit einer dreifach höheren Datenrate senden weil man dreimal stärkere Sender betreiben kann. Die Gesamtdatenmenge pro 24 Stunden ist nicht größer - aber nur wenn die Sonde auch 24 Stunden Betreuung bekommt. Bei weniger Stunden ist der Gewinn da. Um die maximal 16 x 35 Watt zu speichern braucht man bei handelsüblichen Akkus nur eine 3-4 kg schwere Batterie. Selbst bei Teilentladung sind es sicher nicht mehr als 10 kg Mehrgewicht - verschmerzbar.

Der offensichtlichste Gewinn  ist der Übergang ins K-Band. Als die NASA die ersten Raumsonden losschickte, funkten die im L-Band bei 960 MHz. Die Datenraten lagen dann bei einigen Bit pro Sekunde bei Venus und Mars. Mitte der Sechziger Jahre ging man auf das S-Band über und sandte bei 2.2 GHz die Daten. Nun waren schon von Venus und Mars Datenraten von einigen Kilobit pro Sekunde möglich. Zehn Jahre später führte Voyager das X-Band ein, gesendet wird bei 8,4 GHz. Das ist bis heute der Standard. Während man bei den vorherigen Übergängen immer sehr schnell das alte Band ausmusterte oder nur noch Reserve diente, ist nach über einem Jahrzehnt das K-Band noch immer im Probebetrieb. Hier senden die Sonden bei 30 GHz.

Es gibt Gründe für höhere Frequenzbänder: Je höher ein Band ist desto kleiner ist der Öffnungswinkel der Antenne, d.h. die Sendeleistung verteilt sich auf eine kleinere Fläche wodurch die Datenrate steigt (jedes Bit braucht eine gewisse Anzahl an Photonen, damit man es vom Hintergrundrauschen unterscheiden kann). Der Zusammenhang ist einfach: doppelte Frequenz = vierfache Datenrate: quadratischer Anstieg. Beim MRO erhält man dieselbe Datenrate mit 100 Watt im X-Band wie mit 35 Watt im Ka-Band. Dabei ist die Datenrate fest, auf der Erde ist das Signal aber um 5,7 db stärker, was bei gleicher Signalstärke der 3,7-fachen datenrate entspricht. Die Erfahrungen beim MRO über mehrere Jahre ergeben einen Gewinn um den Faktor 4,3 gegenüber dem X-Band bei gleicher Antenne und Sendestärke. Theoretisch wären es der Faktor 14,5. Doch das Ka-Band bei 32 GHz wird viel stärker vom Wetter beeinflusst. So ist das X-Band zu 97% verfügbar, das Ka-Band nur zu 80%.Wasserdampf und andere Faktoren schwachen auch das Signal ab.  Doch bei einer Sonde die sowieso alle Daten gespeichert hat wie New Horizons wäre es kein Problem einfach die durch Regen oder Wasserdampf verlorenen Daten erneut zu übertragen. Mit Sendern im Ka-Band könnte New Horizons die vierfache Datenrate übertragen. Offen ist, ob man sie mit den entfaltbaren Antennen kombinieren kann. Denn die Genauigkeit mit der die Form des Netzes sich der Parabelform nähert, steigt auch an. Die Antennen von TDRS und Galileo waren für den X-Band ausgelegt. Im Ka-Band müssen die Abweichungen viermal kleiner sein.

Theoretisch kann man natürlich zu noch höheren Frequenzen übergehen, doch dann absorbiert auch trockene Luft die Signale, nicht nur Wasserdampf oder Wolken. Es gibt TWTA Verstärker, die Standard Senderöhren von Satelliten bis 60 MHz und das höchste Frequenzband das praktisch genutzt wird ist das 98 GHz Band (Wetterradar, Mikrowellen-Strahlenkanonen). Um dieses bei Raumsonden zu nutzen, müsste man einen Satelliten mit Antenne in einem Orbit stationieren. Auf der Erde würde die Atmosphäre das Signal schlucken. Dann wird aber eine Empfangsstation schon sehr teuer.

Laserkommunikation

Fast noch länger als das Ka-Band erprobt man die Laserkommunikation. Theoretisch ist das der Übergang von einem Frequenzband von einigen GHz auf eines bei 200.000 GHz. Bedenkt man das eine Verdopplung der Frequenz die Datenrate vervierfacht so ist klar dass man so viel mehr Daten übertragen könnte. zudem ist die verfügbare Bandbreite dort enorm groß. Gesandt wird derzeit nicht im visuellen Bereich sondern bei 1,5 Mikrometern im nahen Infrarot. Laserkommunikation wird seit 2001 zwischen Artemis und SPOT-Erdbeobachtungssatelliten erprobt. Weitere Experimente sind seitdem gefolgt. das Experiment OPALS an Bord der ISS kann in 3,5 s 175 GBit zur Erde übertragen. Das europäische Data Relay System wird 1,8 GBit/s über 45.000 km übertragen können. Die entfernteste Kommunikation erfolgte bisher durch LADEE: 622 MBit aus 390.000 km Entfernung.

Das klingt zuerst toll, doch wenn das Signal quadratisch abnimmt mit der Entfernung wie bei Radiosignalen, so würde die Datenrate in 36 AE Entfernung nur noch 3,3 Bit/s betragen - also ein Bruchteil der Datenrate die New Horizons heute hat. Dabei hat dieses Experiment einen Stromverrauch von 136,5 Watt bei nur 0,5 Watt Sendeleistung. Das Gewicht von 29,5 kg ist dagegen vergleichbar mit dem Sendesystem von New Horizons. Warum dieser enorme Unterschied? Nun weil man unterschiedliche Dinge vergleicht: Die bisherige Laserkommunikation fand aus kurzen Distanzen aus verschiedenen Erdorbits zur Erde oder anderen Satelliten bis maximal Mondentfernung statt. Hier sind die Empfänger klein und müssen wegen der geringen Entfernung nicht mit einem schwachen Signal kämpfen.. Ein Kommunikationssatellit kann heute eine kleine 60 cm Hausantenne mit 100 MBit/s aus dem geostationären Orbit versorgen - wäre er 100-mal näher auf der Bahnhöhe der ISS so wären es theoretisch 1000 GBit/s, doch das geht nicht. Hier limitieren sowohl die Transponder die nicht die benötigte Bandbreite haben. wie auch die Funkregularien die Datenmenge. Man bekommt im C,X oder Ka Band maximal einen 30 bis 50 MHz großen Frequenzbereich zugewiesen und in diesem Bereich kann heute etwa pro MHz 3  bis 4 MBit übertragen. Nur im Bereich des Lichts gibt es wegen der viel höheren Frequenz den benötigten freien Frequenzbereich,.

Dagegen arbeiten die 35 und 70 m Antennen der Deep Space Networks mit extrem rauscharmen Empfängern, die aufwendig gekühlt werden. Sie sind ausgelegt, Signale gerade noch über dem Hintergrundrauschen zu detektieren ohne allzu viele Störbits zu generieren. Zudem sind die Empfangsantenenn für Raumsonden um eine Größenordnung größer als die für Erdsatelliten.

Aber auch die Laserkommunikation ist verbesserbar. Empfänger bei LADEE sind 4 kleine Teleskope mit nur 40 cm Durchmesser. Würde man hier zu einem Großteleskop übergehen, so würde man natürlich viel mehr Daten übertragen. Da man mit dem Teleskop keine Bilder macht, würde es reichen, wenn man nur die Empfangsleistung in einem relativ großen Brennpunkt bündelt. Dafür reichen sphärische Spiegel und eine einfache azimutale Montierung. Man schätzt die Kosten eines solche Teleskops nur als Empfänger viel kleiner als die eines astronomischen Teleskops ein.

Für den Mars Communication Orbiter hat man die Daten eines solchen Laserterminals errechnet:

Das klingt ganz toll, doch einige Megabit/s erreicht auch der derzeitige Mars Orbiter MRO im Ka-Band und sie nimmt dort mit der Entfernung nicht so stark ab. Würde man den Wert von 2,4 AE auf 36 AE herunterskalieren, so würden immerhin noch 4400 Bit/s (unter der Annahme einer quadratischen Abnahme der Datenrate mit der Entfernung wie bei Radiosignalen).

Allerdings hat diese Methode noch Zukunft. Bisher hat man fast nichts in die Bodenterminals investiert. Es sind kleine Teleskope. Für das obige Mars Laser Communication Demonstration Terminal (MLCDT) hätte man das 5 m Haleteleskop genutzt, das durch das Streulicht der Städte in der Umgebung für astronomische Beobachtungen weitgehend unbrauchbar wurde. Es kostet nichts, ex existiert schon. Dagegen sind die Antennen des Deep Space Networks teuer und auch ihr Betrieb ist teuer. Die zweite 35 m Antenne der ESA in Spanien hatte Baukosten von 30 Millionen Euro. Würde man so viel Geld in ein nur für den Zweck der Datenübertragung ausgelegtes Teleskop investieren man bekäme wohl einen 6-8 m Teleskop in der vereinfachten nur für die Datengewinnung benötigten sphärischen Bauweise. Noch mehr Potential scheint das Koppeln vieler kleiner Teleskope zu bieten. Bei Radiosignalen wird dies schon getan und auch bei LADEE koppelt man vier Teleskope. Dies war eine Alternative für das MLCDT. Teleskope bis 1 m Größe werden serienmäßig hergestellt und sind bezahlbar. (etwa 100.000 Dollar für ein 1 m Teleskop. Für die 30 Millionen Euro bekäme man also rund 300 dieser Teleskope die genauso viel Sammelfläche wie ein 17 m Teleskop hätten (in der Praxis gibt es natürlich noch andere Kosten für Nachführen, Detektoren, Gebäude, Stromversorgung etc., doch selbst wenn diese die Hälfte ausmachen, so würden sie genauso viel Sammelfläche wie ein 13 m Teleskop haben. Verglichen mit dem 5 m Hale Teleskop wäre das die 6,7-fache Datenrate.

Was relativ gut klappt ist das man die Signale auch bei Tag detektieren kann, nur nahe der Sonne gibt es Probleme, doch die haben auch Radiosignale. Bei Raumsonden hat man es dafür einfacher als von Satelliten Daten abzurufen - erdnahe Satelliten ziehen sehr schnell über den Horizont und ihr Signal leuchtet auf der Erde nur einen kleinen Fleck aus. Sowohl beim Satelliten wie auch der Empfangsstation braucht man daher eine sehr genaue Nachführung. Dagegen würde sich eine Raumsonde nur langsam über den Himmel bewegen und ihr Signal würde aus der großen Entfernung überall auf der Erde empfangbar sein.

Da Laserkommunikation immer mehr bei Satelliten eingesetzt wird so bei geplanten Konstellationen im niedrigen Erdorbit zur Intersatellitenkommunikation ist allerdings damit zu rechnen, dass sie über kurz oder lang auch eine Praxisreife erreicht die sei zu einer Alternative zur Radiokommunikation bei Raumsonden macht.

23.7.2015: Neues von SpaceX

So, wenn ich mich etwas rargemacht habe, dann nicht, weil es wenig Neues gibt, sondern weil ich seit dem Montag Schmerzen im Rücken habe und nicht längere Zeit am Computer sitzen kann. Ich kann zwar kurzzeitig etwas gegen die Schmerzen tun (Minzöl auf die schmerzende Stelle und schmerzlindernde Heilkräuter nehmen - Acetylsalicylsäure wirkt überhaupt nicht) aber das ändert nichts an der Sache, das ich praktisch nichts arbeiten kann.

Nun es gibt Neuigkeiten von SpaceX. Dir Firma macht sich ja Mühe meine Rolle als SpaceX-Wahrsager zu festigen, wie ich schon in einem Kommentar andeutete, ist der Überdruck der die Explosion verursachte auf Helium zurückzuführen. Helium wird in vielen Stufen genutzt, um die Tanks unter Druck zu setzen. Sie haben so mehr Steifigkeit und der Treibstoff wird mit einem definierten Ausgangsdruck in die Turbopumpen gedrückt. Da die Tanks sich leeren, haben die Stufen eine oder mehrere Heliumflaschen an Bord, gefüllt entweder mit Heliumdruckgas oder flüssigem Helium beide Mal aber unter Überdruck. Aus ihnen wird Helium nach und nach freigesetzt entsprechend dem steigenden Volumen im Tank, der anfangs zu 99% gefüllt ist. Wird nun das Helium bei vollem Tank freigesetzt, so steigt der Druck im Tank rapide an und er explodiert. Ich meinte die Ursache könnte ein defektes Reduzierventil sein, das war es nicht. Stattdessen hat eine Strebe versagt, die die Flasche halten soll. Sie Bbach bei einem Fünftel der spezifizierten Last von 4,488 kN. Das soll das erste Mal bei Tausender bisher eingesetzter Streben sein.

Ich habs zwar nicht gesagt, aber mir gedacht "Bestimmt ist wieder ein externer Zulieferer" schuld und das ist auch der Fall. SpaceX überlegt den Wechsel von Stahl auf Inconel - eigentlich eine Hochtemperaturlegierung und den Wechsel des Lieferanten. Man hat seitdem "Tausende" dieser Streben getestet und einige gefunden die weit unterhalb der Spezifikationen der Last nachgaben. SpaceX rechnet mit Einbußen in Höhe von mehreren Hundert Millionen (Dollar). Man hat auch den Jungfernflug der Falcon Heavy aufgrund der Probleme erneut verschoben nun auf April 2016, sodass sie drei Jahre hinter dem Zeitplan hinterherhinkt. Und wie ich schrieb, hätte die Dragon auch überlebt. Das hatte nichts mit Hardwareunterschieden von Dragon 1 und Dragon 2 zu tun, wie ein Kommentator im Blog schrieb, nein, es gab nur die falsche Software an Bord. Diese löste den Fallschirm nicht aus, sonst hätte man sie bergen können.

Neu für mich war auch, dass die NASA sehr wohl den Flug bezahlt - nur nicht zu 100%. Aber wie bei allen kommerziellen Flügen beginnt mit Produktionsbeginn eine Ratenzahlung, sodass vor dem Start der Flug meist zu 90% bezahlt ist. Nur die letzte Rate spart sich die NASA - also spart sie eigentlich nichts, denn die Fracht muss sie ja nochmals starten, von deren Herstellungskosten mal ganz abgesehen. Wahrscheinlich gilt das auch für den Fehlstart von Orbital.

Neues gibt es auch vom Satellitenprojekt. Das kommt langsam vornan während Konkurrent OneWeb schon Verträge für den Bau und Start abgeschlossen hat. Während bis Ende nächstes Jahr SpaceX gerade mal einige Experimentalsatelliten starten will, will Oneweb schon mit dem Aufbau der Konstellation beginnen. Wahrscheinlich werden die nun folgenden Startverzögerungen auch dazu führen, dass sich das SpaceX Projekt weiter verzögert. Nun hat Intelsat die FCC aufgefordert, die Nutzung der ersten beiden Testsatelliten zu verhindern. Der Grund: SpaceX in seiner Geheimhaltungspolitik hat nichts über die benutzten Funkfrequenzen und Maßnahmen zur Störminderung veröffentlicht. Damit wäre nicht klar, ob diese Satelliten andere stören. SpaceX hat drauf reagiert und diese Informationen anscheinend nachgeliefert. Es ist damit zu rechnen das da noch mehr Kontra kommen wird. Allerdings ist Intelsat ja auch nicht uneigennützig, sie sind Coinvestor bei OneWeb.

Nun meine Meinung dazu. Verblüfft hat mich schon das Elon Musk die Explosion als „huge Blow“ für SpaceX bezeichnet hat. Ich dachte er bezieht sich auf die Konsequenzen – Startverschiebungen bei vielen wartenden Kunden, Imageverlust, vor allem aber die Konsequenzen für die Falcon Heavy - wenn etwas bei der Falcon 9 kaputtgeht, dann ist die Wahrscheinlichkeit bei der Falcon Heavy mit schwerer Nutzlast = höheren Kräften durch die Beschleunigung viel höher. Aber dem ist nicht so. Vielmehr fürchtet er um die physiologischen Folgen für die armen Mitarbeiter, die nur "Erfolg" kennen. So viele wären seit dem letzten Misserfolg – dem dritten Start der Falcon 1 eingestellt worden und die kennen gar keine Misserfolge. Ach ist das nicht ein rührender Arbeitgeber? Damit die Mitarbeiter nicht zu sehr ins Grübeln kommen deklariert Elon Musk auch mal Teilerfolge zu vollen Erfolgen wie die taumelnde nicht wiederzündende Oberstufe beim Jungfernflug oder der Verlust von Sekundärnutzlasten.

Was machen da nur andere Launch Service Provider? Bei Arianespace war der letzte Fehlstart 2002, seitdem 66 Erfolge hintereinander. Die Delta 4 und Atlas V hatten überhaupt keine Fehlstarts, die der Vorgängermodelle sind noch länger her als bei Ariane 5. Darf dort keiner mehr den Betrieb verlassen und Rentnern nicht in die Rente gehen? Ich glaube eher nicht. Ich denke vielmehr das ein Fehler auftreten kann ist dort auch Bestandteil der Strategie und es gibt entsprechende Pläne, wie man damit umgeht.

Vor allem aber gibt es dort Fehlervermeidungsstrategien. Die wichtigste ist die Qualitätssicherung. Woanders ist es üblich jedes Teil das man beschädigungsfrei prüfen kann auch prüft. Bei der Saturn hat man ganze Tanks auf Überdruck (aber unterhalb des Berstdrucks) gesetzt um ihre Dichtigkeit und Stabilität zu prüfen. Eine Strebe, die fünfmal mehr Druck aushalten muss, als der Druck der bei Versagen anlag (wenn er durch die Beschleunigung kommt, dann war dies auch nahe an der Maximalbelastung) hat eigentlich so viele Reserven, dass man wahrscheinlich jede Strebe prüft und dann wäre dies nicht vorgekommen und man hätte den Fehler vorher erkannt und Maßnahmen zur Vorbeugung getroffen, die man nun erst hinterher umsetzen kann.

Offensichtlich rechnet auch Musk mit gravierenden Folgen als ich. Ich dachte mir „Den Fehler finden sie schnell, sind doch sonst auch so schnell und machen enorm viele Messungen, dann gibt es auch mehr Messwerte die Indizien sind“. Entsprechend schnell sollte die Falcon 9 erneut fliegen, auch weil ja viele Kunden schon jetzt lange gewartet haben. Aber „mehrere Hundert“ Millionen Dollar klingen doch mehr nach größeren erwarteten Verlusten, denn man braucht 4 Falcon 9 Starts, um nur in den Hunderterbereich in der Mehrzahl zu kommen. (Wenn er von Umsatz spricht, bei Gewinn sind es noch mehr Starts)

Wie es mit den Satelliten weiter geht, ist offen. Erstaunlich ist nur, das SpaceX hier langsamer als OneWeb ist und in Meldungen von einer frühen Projektphase spricht. Erwartet hätte ich das Gegenteil. Ich denke mir bei solchen neuen Services gilt „wer zuerst kommt mahlt zuerst“. Natürlich kann man auch abwarten und sehen was andere falsch machen und das dann selbst vermeiden. Aber diese Art von Firma war SpaceX in meinen Augen bisher nicht.

 

Links:

http://spacenews.com/falcon-9-failure-linked-to-upper-stage-tank-strut/



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