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Web Log Teil 483: 28.11.2016 - 3.12.2016

28.11.2016: Schiaparelli, Ariane 5 und die Software

Die ESA hat nun bekannt gegeben, warum Schiaparelli, (die ESA wird sicher inzwischen wieder die technische Bezeichnung Entry-Decend-Landing Demo bevorzugen) scheiterte.

Ursache war eine „Sättigung“ der IMU, der Inertial Measurement Unit. Das ist ein System, das die Ausrichtung des Landers im Raum anzeigt. Es gibt an, ob er geneigt ist, oder rotiert etc. Aufgrund dessen hat die Software angenommen, das der Lander schon auf der Oberfläche war bzw. nach der Darstellung sogar darunter. Dabei befand er sich noch in 1,2 km Höhe und die Triebwerke sind gerade einmal einige Sekunden gelaufen. Die Folge: Die Triebwerke wurden abgeschaltet und die Raumsonde fiel ungebremst auf den Mars und schlug mit etwa 300 km/h auf. Der Lander tat so als wäre nichts gewesen, so wurden sogar einige Experimente aktiviert, wie dies nach der Landung vorgesehen war.

Dies ist das zweite Mal, das eine Marssonde bei der Landung durch Softwarefehler verloren ging. Dasselbe passierte schon vor 18 Jahren beim Mars Polar Lander. Damals wurden kurz vor der Landung die Landebeine ausgefahren. Während dieses Prozesses geben die Fühler am Ende der Beine, die Bodenkontakt signalisieren, ein Signal ab, das die Software als Bodenkontaktsignal interpretierte und die Triebwerke abschaltete. Auch hier fiel der Mars Polar Lander auf die Oberfläche und zerschellte. Diesen Fehler fand man, erst als man eine baugleiche Raumsonde überprüfte (beim Mars Polar Lander aufgrund Konzeption und finanzieller Ausstattung des Projektes unterlassen) und man auf den Fakt aufmerksam wurde. Ein Softwareupdate hätte die Mission retten können, hätte man das vorher gewusst. Die ESA hat nach dem Verlust von Beagle gelernt und konnte von Schiaparelli die wichtigste Telemetrie über den Trace Gas Orbiter empfangen und war so fähig den Unfall zu rekonstruieren.

Mich erinnert das stark an den Fehlschlag des Jungfernflugs von Ariane 5. Dort gab es einen Überlauf in einem Programm, weil die Rakete schneller beschleunigte, als Ariane 4, von der man das Programm übernommen hatte. Die entsprechenden Module schalteten sich ab und die Statusinformationen, die sie an den Bordcomputer übergaben wurden, als echte Daten interpretiert, die auf eine enorme Abweichung vom Kurs hinwiesen. Durch das abrupte Schwenken der Rakete, in der noch dichten Atmosphäre, brach die Nutzlastspitze ab und das Selbstzerstörungsprogramm wurde ausgelöst.

Es gibt eine Reihe von Parallelen. So, das beide Fehlschläge durch die Software ausgelöst wurde, die unangemessen reagierte.

So scheint in beiden Fällen die Software nicht so etwas wie ein „Gedächtnis“ zu haben. Sprich: Wenn ich zum Zeitpunkt x Sekunden in 1200 m Höhe bin, kann ich bei x+1 Sekunden nicht auf oder unter der Oberfläche sein. Analog kann ich nicht die Richtung der Rakete innerhalb eines Sekundenbruchteils enorm stark ändern.

Das Zweite sind fehlende Plausbibilitätsprüfungen. Im einen Fall war ein Messwert gesättigt, hätte also verworfen werden müssen. Im zweiten Fall wurden Statusinformationen als echte Daten interpretiert. Eine Software, die einfach nichts gemacht hätte und die Triebwerke in der alten Einstellung weiter betrieben hätte, hätte nach diesem kurzfristigen Ausfall (die ESA spricht von 1 Sekunde) wieder korrekte Navigationsdaten bekommen.

Bei Schiaparelli, wo es anders als bei Ariane 5 nicht durch den Softwarefehler sofort vorbei gewesen wäre, kommt dann noch ein starres Programm hinzu. Man ist gelandet, also aktiviert man die Experimente. Dabei hätte man durch andere Sensoren (Beschleunigungsmesser, Bodenkontaktsensoren) die Information bekommen, das man noch fällt und die Triebwerke erneut anschalten können.

Man sollte innerhalb der ESA den Abschlussbericht des Ariane 5 Jungfernflugs an das Softwareteam von Schiaparelli bzw. des nächsten Rovers, der ja 2020 starten soll, weiterleiten. Dort stehen einige Empfehlungen drin, die eigentlich Stand der Technik sein sollten. Sodass man Werte auf Plausibilität prüft und wenn das nicht geht, einfach mal mit den Daten weiter macht die vorher noch als korrekt befunden wurden. Es gibt ja noch andere Daten welche Informationen über die Sonde liefern so die Beschleunigungssensoren und das Radargerät. Sie hätten wahrscheinlich ausgereicht, um die Sonde erfolgreich zu landen.

Zusätzlich wird man natürlich noch untersuchen müssen, warum die IMU gesättigt war, denn das dürfte nicht passieren.

Es zeigt aber auch ein Problem auf, das immer häufiger auftritt: Softwareprobleme bei Raumsonden. Juno hat derzeit einige Probleme mit ihren Bordcomputern. Man hat schon die Anpassung des Orbits auf den endgültigen Beobachtungsorbit zweimal verschoben. Auch bei anderen Raumsonden gab es Ausfälle, die bei den meisten Raumsonden und Satelliten dazu führen, dass diese in den Safe Mode gehen, d.h. Sie brechen die Experimente ab und richten sich so aus, das sie Strom von der Sonne bekommen und kontaktieren die Erde. Prominent erwischte das New Horizons wenige Tage vor dem Vorbeiflug an Pluto. Das scheint ein weiter verbreitertes Problem zu sein, als man denkt. Meiner Ansicht nach ist eine Ursache darin, dass die Software sich zwar enorm weiter entwickelt hat, aber nicht die Konzepte der Steuerung. Die ersten Raumsonden wurden durch Kommandos in Echtzeit gesteuert, die Experimente aktivierten, die Sonde drehten etc. Mit dem Auftauchen der Bordcomputer hat man das Konzept beibehalten. Nur werden nun ganze Listen von Kommandos zu Beobachtungsprogrammen zusammengefasst. Wenn es aber ein Problem gibt, dann gibt es keine Kommandos und die Raumsonde wartet oder im Falle von Schiaparelli: Geht einfach zum nächsten Programm über, dem für Inbetriebnahme der Experimente. „Eigenintelligenz“ im Sinne von selbstständigen Entscheidungen gibt es keine. Das zeigt sich auch bei den Rovern. Für die werden maximale Fahrstrecken pro Tag angegeben. Erreicht werden sie kaum. Der Grund: Die Rover könnten autonom fahren. Dürfen es aber in der Regel nicht. Stattdessen erarbeitet man bei der Missionsleitung einen Plan für die Fahrt zu einem neuen Zielpunkt und spielt den zur Sonde hoch. Der Zielpunkt ist meist nicht weit entfernt, die Route muss ja gut planbar sein. Dort stoppt der Rover, die Umgebung wird untersucht, und selbst wenn man dort nichts tun möchte, muss man nun erst einen neuen Plan für den nächsten Wegepunkt erarbeiten und das dauert. So fährt man immer nur kleine Strecken.

Opportunity ist der einzige Rover der wirklich viel Strecke zurückgelegt hat. Dies geschah erst nach Jahren, als man ihm mehr zutraute und auch weil die Mittel für die Missionsleitung nach mehrfacher Verlängerung der Mission gekürzt wurden. Das ging aber auch nur weil das Gelände wo Opportunity ist, praktisch eine Ebene voller Sand ohne Geröll ist. Opportunity ist übrigens 54 km von Schiaparellis Landeort entfernt. Bei rund 100 m pro Tag könnte er ihn in eineinhalb Jahren erreichen. Nominell kann Curiosity mehr Strecke pro Tag zurücklegen. Doch diese Sonde darf es nicht, weil das Geländer nicht so eben ist. Auf der Erde haben wir inzwischen selbsthaftende Autos, auf dem Mars, ohne Gegenverkehr und Fußgänger ist man davon noch weit entfernt.

Die Frage, die sich mir stellt, ist die, ob man vielleicht wenn man keine sichere Software schreiben kann nicht wieder die alte Methode anwendet. Viking, aber auch Surveyor landeten völlig ohne Bordcomputer. Viking hatte einen an Bord, doch der wurde erst nach der Landung aktiviert. Das geht eigentlich relativ einfach durch analoge Systeme. Ein Beschleunigungsmesser liefert die Geschwindigkeit. Unterschreitet sie eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit, so trennt man den hinteren Schild ab und entfalteten den Fallschirm. Unterschreitet sie dann später einen zweiten Punkt, so wirft man den Fallschirm und vorderen Schild ab. Gleichzeitig schaltet man die Triebwerke ein, deren Schub man an die Geschwindigkeit oder Höhe koppelt. Dazu hatte Viking ein einfaches Radargerät an Bord. Das liefert direkt Höheninformationen, über Integration auch Geschwindigkeitsinformationen.

Moderne Software und Radargeräte können mehr. Bei Curiosity und Schiaparelli liefern mehrere Radarkeulen Daten über den Drift, also ob man sich zur Seite bewegt, im unteren Bereich auch über Unebenheiten des Bodens. Doch richtig intelligent ist die Software nicht. Das zeigt nicht nur der Verlauf der Landung, sondern auch die Auswahl des Landegebiets und die Angaben über die Software. Wie Opportunity landete Schiaparelli in einer Ebene ohne Steine. Genauer gesagt: Alle Raumsonden nach 1997 landeten in Gebieten, wo praktisch kein Krater oder auch nur größere Steine vorhanden sind. Vorher gab es nur Aufnahmen von Viking Orbiter mit maximal 8 m Auflösung, danach konnte der MGS Aufnahmen mit 1 m Auflösung und ab 2005 MRO mit 0,35 m Auflösung anfertigen. Die Sicherheitsaspekte sind so wichtig, dass sich dem andere Aspekte unterordnen, obwohl man inzwischen die Größe der Landeellipsen deutlich verkleinern konnte, also ein kleineres Gebiet aussuchen kann, wo die Bedingungen zutreffen. Nur: Wenn ich auf einer Ebene lande, ist es egal ob ich einen seitlichen Drift habe oder nicht. Dass die Raumsonden Bilder auswerten, wie es heute schon Autos tun, ist auch noch Zukunftsmusik. Zwar machen die Sonden Bilder beim Abstieg, doch ausgewertet werden die nicht, stattdessen nach der Landung übertragen um in der Missionskontrolle die Flugbahn und den Landeort genauer zu bestimmen. Wenn die Sonden wirklich intelligent wären, würden sie die Bilder auswerten. Zwischen zwei Bildern kann man den Drift erkennen und man kann hochrechnen, wo man bei gleicher Geschwindigkeit landet. Dann könnte die Software die Sonde so umlenken, dass man in einem glatten Gebiet niedergeht. Es vergehen 3 Minuten von der Inbetriebnahme der Steuerdüsen bis zur Landung bei nur 2 m/s seitlicher Geschwindigkeit kann man so den Landepunkt um 360 m verschieben.

Sicher mit den Bordrechnern von Exomars ist das nicht möglich. Die SPARC V8 Architektur auf der die Rechner basieren wurde von 1992 bis 1995 bei Sun eingesetzt, die Rechner entsprechen also 20 Jahre alter Technik oder in etwa der technischen Leistung eines Pentiums. Doch es gibt ja zum einen gerade für die Bildverarbeitung die Möglichkeit die Algorithmen in Hardware zu gießen und als logikprogrammiertes Array mitzuführen, entweder unveränderbar oder über Software neu beschreibbar. Alternativ kann man auch einen normalen PC-Prozessor nehmen. Wenn er nur wenige Minuten arbeiten soll, würde auch nicht strahlungsgehärtete Hardware ausreichen. Durch Redundanz könnte man sich gegen den Fall eines Ausfalls oder kosmischen Teilchens, das Bits kippen lässt, absichern.

Wenn man wirklich die Software aktiv eine Landung steuern lässt (im obigen Sinne das sie aktiv den Kurs nach Betrieb der Triebwerke steuert), dann sehe ich große Potenziale. Man kann dann viel mehr Gebiete erreichen. Die Landeellipse von Schiaparelli hat z.B. einen Durchmesser von 100 km in Ost-West Richtung und 15 km in Nord-Süd. Innerhalb dieser Ellipse muss das Gelände weitestgehend risikolos sein. Wenn der Lander aktiv eine Zone ansteuern kann, dann kann man die Ellipse deutlich verkleinern. Dann kommen auch viele interessante Gebiete in Frage, die heute einfach nicht diese großen Zonen aufweisen. Eine Landung am Boden von Valles Marineris würde sicher einen atemberaubenden Umblick liefern, dazu noch Gestein aus der Tiefe. Man könnte in einem der vielen Flusstäler oder chaotischem Gelände landen. Dazu gehören natürlich auch andere Maßnahmen. So erlaubte eine bessere Navigation und kurz angesetzte Kurskorrekturmanöver die Reduktion der Landellipse bei Curiosity auf 20 x 6 km, also eine 13-mal kleinere Fläche als bei Schiaparelli. Allerdings tritt bei dieser Mission der Bus mit in die Atmosphäre ein, das erlaubt noch Kurskorrekturen in kürzerer Zeit und man muss nicht auf den Bus Rücksicht nehmen. Bei Schiaparelli war die Hauptnutzlast aber der Orbiter und Schiaparelli nur eine Demo.

In jedem Falle hat die ESA noch einige Arbeit vor sich. Ich bin mal gespannt ob man einen Untersuchungsbericht, wie bei dem Versagen von Ariane 5 veröffentlicht.

29.11.2016: Danke ARD und ZDF – Warum einfach, wenn es auch kompliziert geht?

Gestern gaben ARD und ZDF bekannt, dass sie die Olympischen Spiele von 2018 bis 2024 nicht live übertragen werden, da sie sich mit dem Rechteinhaber Discovery Channel nicht über die Modalitäten einigen konnten. Ich finde das toll.

Ich mag keinen Sport im Fernsehen. Er ist so ziemlich das langweiligste Programm, das es gibt, außer vielleicht noch Opern-Aufführungen und Dauerwerbesendungen. Sport macht man, aber man schaut nicht anderen dabei zu. Zumal jenseits von Ballspielarten die Sportarten ziemlich langweilig anzuschauen sind. Leute fahren mit Autos im Kreis (für mich ist das schon kein Sport – wo bleibt da die körperliche Anstrengung) oder springen von einer Schanze oder werfen Speere, Diskus oder Kugeln durch die Luft. Hast Du einen Wurf gesehen, hast Du alle gesehen.

Mein Wunsch an ARD und ZDF: Bitte übertragt auch keine anderen Fußballspiele, also zum einen die Welt- und Europameisterschaften und zum anderen die Europawettbewerbe wie Champions League etc. Zum Teil kommen die ja schon auf den Privaten. Meistens kommt ja dann auch ein etwas besseres Programm auf dem Ersten oder Zweiten, denn man will ja nicht, dass die ganzen Zuschauer abwandern. Ich habe nichts gegen Sport. Im Gegenteil: jetzt im Winter mache ich täglich eine Stunde meinen Spaziergang und dreimal in der Woche gehe ich Schwimmen. Alle Einkäufe erledige ich mit dem Fahrrad. Im Sommer ist es sogar noch mehr Bewegung. Aber Sport betreibt man, man schaut nicht anderen zu.

Das zweite ist das Thema Heimautomation. Das Thema ist mir schon immer suspekt. Einfach weil es nicht so viel zu automatisieren gibt. Schon der Begriff ist meiner Ansicht nach falsch: Denn die Systeme automatisieren ja nicht. Sie erlauben hingegen den Eingriff jederzeit von überall aus. Automatisierung ist sinnvoll: Die meisten Leute haben einen geregelten Tagesablauf. Entweder vorgegeben durch die Arbeit oder weil Menschen Gewohnheitstiere sind. So mache ich im Winter meinen Spaziergang immer nach dem Mittagsessen. Hat sich einfach so eingebürgert. Für jeden Tag gleiche Abläufe gibt es aber schon lange billige Lösungen: Zeitschaltuhren für Steckdosen. Kaffeemaschinen mit Timer, Heizkörperthermostaten, die jeweils zu verschiedenen Zeiten anders heizen. Was übrig bleibt für solche Apps sind dann Ausnahmesituationen. Also wenn man mal früher nach Hause kommt oder später, kann man die Heizung anpassen. Aber dafür lohnt es sich meiner Ansicht nach bei den meisten nicht, außer man hat eben keinen geregelten Tagesablauf. Nun gibt es einen Lichtschalter mit Bewegungssensor für ein solches System. An und für sich eine tolle Sache. So was habe ich als Steckdosenversion mit Leuchte schon außen auf der Terrasse. Wenn man im Haus, gerade in den Fluren oder Treppenhaus nicht dauernd das Licht ein/ausschalten will, weil man Räume nur passiert, ist das geschickt, vor allem wenn man keine Hände frei hat. Nur verstehe ich nicht, wozu ich da ein Heimautomationssystem brauche. Das hat nun zum einen überhaupt nichts mit der Steuerung zu tun. Zum anderen kostet das Teil 40 Euro. Das Licht mit Bewegungsmelder hat 6 Euro gekostet. Viel braucht man auch nicht. Wenn man nicht elektrisch montieren will, (und das ist auch bei der Automationslösung so) braucht man eine Lösung, die mechanisch den Schalter drückt und eben den Bewegungsmelder. Manchmal denke ich mir, dass dieses ganze System nur dazu da ist, damit die ebenso überflüssigen Smartphones eine Existenzberechtigung haben.

Mein Vorschlag für die Krankenkassen, Fernsehhersteller und Fernsehsender: Macht eine gemeinsame Initiative, um wirklich intelligente Geräte zu schaffen. Wenn es so viele Leute gibt, die so gerne Sport schauen. Die meisten meiner Erfahrung nach aber keinen Sport treiben, warum nutzt ihr dieses System der Heimautomation nicht produktiv? Fernseher die Sportprogramme z B. nur anzeigen, wenn der per App verknüpfte Schrittzähler am Vortag mindestens 10 km ergab (so viel sollte man sich bewegen, das ist auch leicht zu machen, wenn ich nur den ganzen Tag im Büro bin, komme ich auf 6 km. Wenn ich Einkaufen gehe auf 8 km. Den Rest kann man mit 20-40 Minuten spazieren gehen leicht reinholen). Das kann man ausbauen. So bei den Privaten dann werbereduziert oder sogar werbefrei ansehen, wenn man sich genügend bewegt. Bei den Öffentlichen müsste als Anreiz die GEZ-Gebühr bei mehr Bewegung gesenkt werden. Die Gelder kommen dafür von der Krankenkasse, die ja immer sagt, dass wir uns mehr bewegen sollen. Wenn wir dann gesünder sind das sollte ja die Kassenbeiträge senken. Anstatt diese zu senken, würde man die Einsparungen an die Fernsehsender zahlen oder eben die GEZ-Gebühr (AFD: Jargon: Zwangsabgabe) absenken. Technisch machbar ist das alles. Aber ich befürchte die Leute wollen ja nur Dinge, welche die Bequemlichkeit erhöhen. So befürchte ich, wenn man so was mal tatsächlich umsetzt, es zuerst einen Run auf alte Röhrenfernseher ohne Eigenintelligenz geben wird und man bald darauf Fernseher wieder ohne Internet und Wlan auf den Markt bringt.

An und für sich sehe ich Chancen, dass man mit IOT die Leute zu mehr Bewegung animieren kann. Es ist ja so, dass man für alles eine Motivation braucht. Nur das Gefühl, das etwas allgemein für die Gesundheit gut ist, bewegt die wenigsten Leute zu etwas. Bei mir ist das nicht anders. Mit dem Schwimmen habe ich angefangen, als ich vor 10 Jahren abgenommen habe. Seitdem habe ich auch damit mein Gewicht gehalten und mit dem Gehen fing ich vor eineinhalb Jahren an, als ich längere Zeit Rückenschmerzen hatte.

Wenn man dann per App nachweisen kann, wie viel man sich bewegt hat und damit angeben oder zumindest andere beeindrucken kann, dann wird das sicherlich viele bewegen, sich mehr sportlich zu betätigen. Noch mehr beflügelt die Leute aber, wenn sie einen unmittelbaren Vorteil haben. Das könnten geringere GEZ-Gebühren sein. Oder man Fernsehen werbefrei ansehen kann oder ein besonders gewolltes Programm überhaupt ansehen kann. Sport ist vielen ja so wichtig das Sie mehr als die GEZ-Gebühren an Sky zahlen nur um die Bundesliga ansehen zu können. Vor allem ist mein persönlicher Eindruck das das Interesse an Sport schauen und das Betreiben von Sport diametral entgegengesetzt sind. Kurz: Wer Sport schaut, betreibt selbst keinen. Das könnte man so ändern.

1.12.2016: Warum kein Smartphone für einen Euro kaufen?

Smartphones kosten 1 Euro – Warum sollte man trotzdem sich eines für 200, 300 oder noch mehr Euro kaufen? Solche Angebote gibt es zuhauf. Im Kleingedruckten steht dann immer „bei gleichzeitigem Abschluss von vertrag XYZ“. Der aufgeklärte Verbraucher weiß dann das er den Preis des Smartphones mitbezahlt, indem er in einem lange laufenden Vertrag sitzt und dieser mehr als andere Verträge ohne Handy kostet. In der Summe muss das nicht schlecht sein, eventuell kostet ein anderer Vertrag und ein desperates Handy genauso viel. Aber es ist intransparent, obwohl man nur auf eine Zahl achten muss, anstatt auf viele wie Handykaufpreis, Vertragslaufzeit, Grundgebühr, Gesprächsgebühren, Freikontingente etc.

An das musste ich denken, als ich auf diese Webseite von ULA kam. Dort kann man berechnen, was es einen kostet, einen Satelliten mit einer Atlas V zu starten. Nicht nur das dies erheblich preiswerter ist als die Angaben, die ich von Abschlüssen mit der NASA kenne. Aber das ist ja allgemein bekannt. Doch die Differenz ist so groß (187 zu 109 Millionen Dollar), das ULA inzwischen einiges an der Preisschraube gedreht hat.

Man kann dort die Rakete auch „Customieren“ also Nutzlastverkleidung oder Boosterzahl variieren.

Früher hat sich ULA über SpaceX beschwert. Dort würden „Internet-Preise“ angegeben werden. Bei uns ist das Wort ja eher negativ besetzt im Sinne von „günstigster Preis“. Ich vermute bei Trägern, wo es sich um ein Produkt geht, das sehr viel Zusammenarbeit mit dem Kunden verlangt, ist das eher negativ besetzt. Als Vergleich würde wohl ein Fertighaus verglichen mit einem Haus individuell gefertigt, passen. Beides sind Häuser und man kann drin wohnen, aber beim einen gibt es einen festen Preis und eine feste Leistung und beim anderen kann man auf Wünsche des Kunden eingehen.

Direkt gegen den Konkurrenten ist auch ein Punkt gerichtet, in dem man berechnen kann, wie viel es einen kostet, wenn man nicht eine Atlas bucht:

Es kann nur SpaceX sein, denn eine Ariane 5 hat einen besseren Flugrekord und daher geringere Versicherungsprämien. Die Proton ist in Zuverlässigkeit mit der Falcon 9 vergleichbar, fliegt aber pünktlich. Die 4,5 Monate Verzögerung halte ich für klein angesetzt. In den letzten beiden Jahren hat SpaceX mehr Starts geplant, als durchgeführt wurden und die Verzögerungen addieren sich noch zu der niedrigen Startrate, die nicht die Vorgabe erreichte. Unmittelbar gegen SpaceX ist auch die Genauigkeit des Einschusses gerichtet. Je niedriger der Schub eines Triebwerks ist desto kleiner ist die Abweichung von der Zielbahn. Ariane und Proton haben Triebwerke mit viel kleinerem Schub und können die Zielbahn sehr genau treffen. Aber ob so mehrere Jahre drin sind? Ich habe meine Zweifel. Das ginge nur, wenn man bei GTO Bahnen im Apogäum den verbliebenen Treibstoff nutzt, um das Perigäum anzuheben.

Vom Konkurrenten SpaceX hört man derweil gar nichts. Angeblich wollen sie Mitte Dezember die Starts wieder aufnehmen, doch das sagen die Kunden, nicht SpaceX. Dafür hat die Firma wieder einen Start von der NASA bekommen. Wie bei den bisherigen Nutzlasten ist es einer mit geringem finanziellem Risiko für die NASA. Bisher gab es zwei Aufträge für JASON-3 einem Umweltsatelliten, von dem von der NASA nur ein Teil der Instrumente stammte und TESS, ein Astrosatellit mit kleiner Masse und kleinem Budget. SWOT ähnelt Jason-3: Der Satellit wird in Europa gebaut und gemeinsam mit der ESA betrieben. Die NASA stellt nur einen Teil der Instrumente und bezahlt eben den Start. Günstiger wäre wohl ein Start mit der Vega gewesen. Wenn der Satellit 2021 starten soll, wäre die Vega-C leistungsfähig genug ihn zu starten und sie soll nicht teurer als die bisherige Vega sein. Aber die USA haben eben keine Rakete unterhalb der Falcon 9 und mit finanzierbarem Preis verfügbar.

Was mehr verblüfft: SpaceX wird immer teurer. Hier die Preise für die veröffentlichten Missionen:

Jason 3 : 82 Millionen Dollar

TESS : 87 Millionen Dollar

SWOT : 112 Millionen Dollar.

Jason 3 startete im Dezember letzten Jahres, das bedeutet, die Rakete wird in 5 Jahren um 36,6% teurer oder 7,6% pro Jahr, selbst wenn man berücksichtigt das die Preise für die NASA von den Website-Preisen abweichen (für das DoD ist es noch teurer, wie der Start von DSCOVR für 96 Millionen Dollar zeigte). Klar Fehlstarts kosten Geld. Mitarbeiter müssen bezahlt werden, auch wenn kein Start erfolgt. Mal sehen, wann die Webseite neue Preise offeriert. Angekündigt wurde die Falcon 9 übrigens mal mit 27 bis 35 Millionen Dollar pro Start ...

3.12.2016: Mit Ionentriebwerken zum Mond

Während man inzwischen die Eignung von Ionentriebwerken für den Mars untersucht, scheint sich keiner für den Einsatz für Mondmissionen zu interessieren. Zeit sich darüber Gedanken zu machen. Um es vorwegzunehmen: Es geht in diesem Blog vornehmlich um den nicht bemannten Teil einer Expedition. Das liegt daran das noch mehr als beim Mars die lange Betriebsdauer der Ionentriebwerke in keinem tolerierbaren Verhältnis zur Reisedauer mit chemischen Triebwerken steht. Bei der Dauer einer Marsexpedition von fast 3 Jahren sind 200-300 Tage mehr Reisezeit verkraftbar, beim Mond ist das aber unverhältnismäßig, wenn man in weniger als 4 Tagen beim Mond sein kann. Es gibt jedoch eine Ausnahme, dazu am Schluss noch eine Bemerkung.

Vergleich von ΔV für die verschiedenen Bahnen

Ich möchte zuerst einmal die ΔV-Budgets vergleichen. Für die Mondmission gehe ich von folgenden zwei Elementen aus:

Beim Mars ist es deutlich umfangreicher:

Daten

Bahnmanöver

Geschwindigkeitsbedarf chemisch

Geschwindigkeitsbedarf Ionentriebwerke

LEO → Lunar Orbit

4,1 km/s

7,3 km/s

LEO → Mars Direkte Landung

3,9 km/s

10,4 km/s

Lunar Orbit → Mondlandung

2,2 km/s

-

LEO → Marsumlaufbahn

4,6 km/s

7,6 km/s (chemisch/Ionentriebwerke)
13,9 km/s (nur Ionentriebwerke)

Mars Boden → Marsumlaufbahn

5,5 km/s

4,2 km/s

Marsumlaufbahn → Erdtransferbahn

0,9

4,0 km/s

Schon auffällig ist, dass beim Mond die Differenz deutlich kleiner ist. Beim Mars kann man zweimal ausnutzen, dass man chemisch eine Bahn erreichen kann, deren planetennächster Punkt nahe am Planeten liegt, während man sich mit Ionentriebwerken hochspiralt, also neben kinetischer Energie in der Fluchtbahn auch potenzielle Energie leistet. Das ist der Fall beim Verlassen von Erde und Mars, wie auch beim Einbremsen in die Umlaufbahn. Schon aufgrund dessen sollte man annehmen, dass Ionentriebwerke sich für die unbemannten Teile beim Mond eher lohnen.

Ich habe dann in einer Simulation die optimalen Parameter für maximale Nutzlast bestimmt. Randparameter sind:

Ich komme bei 100 t Startgewicht auf eine Nutzlast von 65 t. Die SLS soll mit Oberstufe 105 t erreichen. 100 t Startmasse erlauben eine etwas höhere Umlaufbahn, die für Ionentriebwerke wünschenswert ist (ich bin von einem Start in 400 km Höhe ausgegangen).

Detailbetrachtung

Von den 35 t entfallen 17,3 t auf den Treibstoff, 3,5 t auf die Tanks, 14,6 t auf Solarzellen und 3,2t auf die Triebwerke. Als optimaler spezifischer Impuls wurden 47 km/s ermittelt.

Chemisch wäre es bei spezifischen Impulsen von 4,5 km/s (Erde verlassen) und 3,2 km/s (in die Mondumlaufbahn Einbremsen) 33,3 t, wobei man noch 1 t für die Tanks abziehen muss, die Bestandteil des Servicemoduls sind, netto also 32,3 t, etwa die Hälfte.

Würde man die 65 t landen, so wäre die Nettomasse auf dem Mond (ohne Landestufe) bei 3,2 km/s Ausströmgeschwindigkeit und 2,2 km/s Geschwindigkeitsbedarf und einem Voll-/Leermasseverhältnis von 10:1 bei 13,7 t beim chemischen Fall und 29,0 t mit Ionentriebwerken, also mehr als doppelt so viel. 29 t ist wirklich viel. Das Columbus Labormodul wiegt voll ausgestattet 27 t. Es gäbe also mindestens so viel Platz wie in einem ISS-Labormodul und anders als bei der ISS kann man es auch verlassen.

Synergien für eine Marsmission

Der Hauptvorteil wäre aber ein anderer. Wenn man Ionentriebwerke auf dem Mars einsetzen will, dann benötigt man nicht nur viel größere Triebwerke als bisher (hier z.B. 51,5 N Schub, gängige Ionentriebwerke haben unter 0,3 N Schub) sondern auch eine viel leistungsfähigere Stromversorgung (1,4 MW, die Solar-Arrays der IUS haben eine Leistung von 120 KW).

Bei Leistungen im Megawattbereich kann man auch an einen Kernreaktor denken. Der S6G Reaktor für die Atom U-Boote der Los Angeles-Klasse hat z.B. eine Leistung von 27 MW bei etwa 1000 t Masse. Das sind 27 W/kg, unter der Leistung, die auch Solarzellen liefern, aber viel kompakter. Nur sind 165 MW und 1680 t etwa 100-mal schwerer als benötigt. Gelingt es einen kleinen Reaktor zu bauen der dieselben Leistungsdaten hat so wäre er eine gute Alternative zu Solarzellen, denn wie man so große Arrays (bei 25% Effizienz benötigt man bei 1,4 MW eine Fläche von 4150 m² also etwa eine quadratische Fläche von 65 x 65 m², das ist größer als ein Fußballstadium. Sicherheitstechnisch ist übrigens ein Kernreaktor einfacher zu handeln als ein RTG. Er besteht aus Uranbrennstäben bei den noch keine Kernreaktion eingesetzt hat. Es gibt also kaum Zerfallsprodukte vor allem keine lang strahlenden Actiniden, wie Plutonium, Neptunium und Americium. Brennstäbe sind, solange keine Reaktion gestartet wurde relativ harmlos. Sie strahlen zwar deutlich höher als die normale Umgebung, aber kurzzeitig kann man dieser Strahlung ausgesetzt werden.

Mit dem neuen Hyperium Reaktor soll deutlich besser liegen und kompakter sein mit 20 t Gewicht bei 26 – 30 MW Leistung, das heißt 1000 W/kg und damit deutlich besser als bisherigen Reaktoren. Mit 20 t Gewicht muss man auch bei Solarzellen rechnen so könnte man diesen Reaktor als Ersatz nehmen und hätte noch mehr Leistung als mit Solarzellen.

Bemannt mit Ionenantrieb zum Mond?

So denke ich würde auch ein Mondprogramm als Vorbereitungsprogramm zum Mars Sinn machen. Die Erforschung des Mondes oder eine Mondstation machen weniger Sinn als Marsvorbereitungsprogramm. Denkbar wäre natürlich auch als Vorbereitungsmission, dass man Ionentriebwerke für die bemannte Mission nimmt. Damit könnte man die lange interplanetare Reise simulieren. Mit genügend chemischem Treibstoff für eine schnelle Rückkehr könnte man trotzdem bei Problemen innerhalb von Tagen zurückkehren. Der Vorteil wäre, dass man hier mit einer kleineren Rakete auskommt. Die Orion mit Altair hätte eine Ares V und eine Ares I benötigt, vor allem weil die Orion deutlich schwerer als, die Apollokapsel ist. Die SLS wird selbst in der höchsten geplanten Ausbaustufe nie diese Nutzlast erreichen (zusammengenommen 211 t). Mit einem Mischantrieb (0,9 km/s chemisch, Rest Ionentriebwerke) könnte man 47 t in einen Mondorbit transportieren. Das entspricht einer Trägerrakete von 146 t die mit chemischem Treibstoff arbeitet. Gelingt es die SLS auf 152 t Nutzlast zu steigern, so könnte sie dieselbe Nutzlast mit diesem kombinierten Ionen-/chemischen Antrieb zum Mond befördern wie die Ares I+ Ares V Kombination (71,1 t).


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