Home Site Map Sonstige Aufsätze Weblog und Gequassel counter

Web Log Teil 514: 7.11.2017 - 12.11.2017

7.11.2017: Es funktioniert nicht

Das ist die zusammenfassende Beurteilung zu Projekt Breakthrough, auf die mich ein Blogleser aufmerksam gemacht hat. Der Plan hört sich nach Wikipedia so an: man beschleunigt kleine Nanosonden mit einem riesigen Laser auf einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zum nächsten Stern Alpha-Centauri wovon sie dann Daten übertragen.

Der Leser bezweifelte die Umsetzbarkeit dessen. Zu Recht.

Problem Kommunikation

Nimmt man bestehende Kommunikationssysteme (berechnet mit den Daten von New Horizons), dann bräuchte man eine 10 m große Kommunikationsantenne und einen Sender mit 17,5 kW Sendeleistung um mit 1 Bit/s von Alpha Centauri aus zu senden. Das bekommt man mit den Sonden die nicht mal ein Gramm wiegen dürfen nicht gestartet. Optishce Datenübertragung ist auch nicht viel besser, zumindest nicht solange wir als Empfänger nicht Teleskope errichten, die wirklich riesig sind. Zudem geht die Optik, die man dafür braucht bei den Beschleunigungen (siehe unten) kaputt. Selbst wenn – die Sonde durchquert das Sternensystem mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit (0,2 c), also die Entfernung Erde-Sonne z. B. in unter einer Stunde. Da klappen vielleicht noch einige Aufnahmen von Alpha Centauri. Doch sollte es Leben geben, das kann die Sonde nicht ermitteln, dazu huscht ein Planet mit 60.000 km/s an der Sonde vorbei.

Dann gäbe es noch die Problematik wie die Sonde mit Strom versorgt wird. Auf der Reise gibt es ja keine Sonneneinstrahlung. RTG dürften bei dem Gewicht genauso ausscheiden wie große Antennen.

Faktenlage

Soviel zur Frage die mir gestellt wurde, ob man damit Informationen gewinnen kann. Ich habe aber schon grundlegende Zweifel an der Umsetzbarkeit. Einige harte Fakten aus der Wikipedia:

Plausibilitätsprüfung

Die Beschleunigung kann man bei Kenntnis der Strecke und Endgeschwindigkeit berechnen. Es gilt:

s = ½ * a* t ²

v = a * t

Wenn v = 60.000.000 m/s und s = 2.000.000.000 m gegeben sind, kann man t zu 66,67 s und a zu 900.000 m/s berechnen. Das sind rund 90.000 g

Doch machen wir mal die Gegenprobe.

Die Beschleunigung erfolgt durch Licht. Licht hat keine Masse, aber die Kraft, die es ausübt, kann man als Äquivalenzmasse ausdrücken nach den Gleichungen:

E= ½ m*c²

F= m*c

mit E = 100 GW und c = 299.792.458 m/s kommt man für 100 GW auf 2,225x10-6 kg Äquivalenzmasse und einen Schub von 667,1 N.

Um mit 667,1 N eine Beschleunigung von 900.000 m/s zu erreichen so kommt man

a = F /m

auf eine Masse von 0,741 g

Der Artikel spricht von einigen Gramm, doch mit dem Equipment könnte man maximal 0,74 g beschleunigen. In Wirklichkeit wird es aber weniger sein, weil ich hier relativistische Effekte außen vor gelassen habe. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit braucht man sukzessive immer mehr Energie zur Beschleunigung. Der Fehler ist bei einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit aber klein.

Problem Energieübertragung

Normale Solarsegel die wir heute haben erreichen Flächendichten von 5 g/m². 0,741 g wären dann nicht mal 0,15 m² groß. Theoretisch postuliert, aber nicht technisch umgesetzt, wäre es einen Kunststoff mit Aluminium zu beschichten. Der Kunststoff würde dann abgetragen werden und die nur Mikrometer dicke Schicht aus Aluminium bleibt übrig. Wie man die heil ins Weltall bringt ist heute noch ungelöst. Theoretisch könnte man einen Kunststoff nehmen der sich durch Licht zersetzt und ihn dann durch die solare UV-Strahlung abtragen lassen. Dann käme man auf ein Flächengewicht von 0,27 g/m². Das Segel wäre dann 2,75 m² groß.

Auf diese Fläche treffen dann 100 GW Leistung pro Sekunde, das ist die 1.600-fache Energie welche die Sonnenoberfläche auf der gleichen Fläche abgibt. Aluminium hat bis zu 95% Reflexionsgrad. Die Fläche nimmt pro Sekunde also 5 GW an Leistung auf. Das dürfte mühelos ausreichen sie in Sekundenbruchteilen verdampfen zu lassen. Bei einer Demonstration für SDI konnte ein 2 MW MIRACL-II Laser eine blankpolierte Titan II Hülle innerhalb von Sekundenbruchteilen zum Bersten bringen und hier reden wir von der 50.000 fachen Energie. Pro Sekunde werden 5 GW von weniger als 1 g Materie aufgenommen. Bei Kernspaltung von Uran wird 204 MeV pro Kern frei. Umgerechnet auf normale Energie ist das bei Atommasse 235 8,12x1010 W/g. In 16 s wird dem Bruchstück so viel Energie übertragen, wie es freisetzen würde wenn es der Kern einer Atombombe wäre! Und es soll viermal länger beschleunigt werden.

Problem Fokussierung

Es ist meiner Ansicht nach schon zweifelhaft, ob man die Energie so fokussieren kann. Der Mond ist 380.000 km entfernt und wird seit Jahrzehnten von Lasern angepeilt die Laserreflektoren von bemannten und unbemannten Missionen nutzen um die Entfernung Erde-Mond zu bestimmen. Beim LLR ist die ausgeleuchtete Fläche schon 70 km². Hier kann zwar der Startpunkt nahe der Erde liegen, doch der Endpunkt soll ja 2 Millionen km entfernt sein, also siebenmal weiter als der Mond entfernt. Man muss dann aber nicht auf 70.000.000 m² sondern 0,15 bis 2,75 m² fokussieren. Wie das gehen soll würde mich interessieren, zumal es nicht ein Laser sein soll, sondern viele. Denn 100 GW Laser bekommt man nicht realisiert. Es zählt ja nicht die Spitzenleistung eines Impulses (da kann man 100 GW durchaus erreichen), sondern die Dauerleistung. Man bräuchte dafür also 100 Kraftwerke à 1 GW. Daher wird man sehr viele Laser einsetzen. Der Mircal-II Laser, ein chemischer Laser lieferte 1 MW über 70 s. Davon bräuchte man dann 100.000 Stück. Die alle müssten auf eine Fläche unter 1 m² in bis zu 2 Millionen km Entfernung zielen – ich kenne Nichts womit man ein Teleskop, auf das der Laser ja seine Impulse wirft – so genau ausrichten kann. Das Keck Teleskop kann auf 4 Bogensekunden ausgerichtet werden. 1 m in 2 Millionen km Entfernung sind aber 0,0001 Bogensekunden – 40.000-mal genauer.

Zusammenfassung

Es klappt aus vielen Gründen nicht. Man bekommt in dem Gewicht weder die Ausrüstung unter noch würde sie die Beschleunigung überleben. Man kann Laserlicht nicht so gut auf eine kleine Fläche fokussieren und bündeln das man effektiv beschleunigen kann. Ob man so viele Laser jemals finanzieren kann, ist eine andere Frage und zuletzt dürfte schon nach einem Bruchteil einer Sekunde nichts mehr zum Beschleunigen da sein, weil die Energie ausreicht alles zu verdampfen. Selbst wenn – Daten von Alpha Centauri könnte man keine übertragen und damit man Forschung dort betreiben kann müsste man ja dort wieder abbremsen.

9.11.2017: Das Solarfahrrad

Ich fahre ja viel Fahrrad. Allerdings noch ein klassisches Fahrrad wo man selbst treten muss. Der absolute Verkaufsschlager dieses Jahr ist das E-Bike. Ich habe mir aber mal gedacht – so viel Strom braucht das eigentlich nicht, ginge es nicht auch das man zumindest im Sommer es nur mit Solarstrom versorgen könnte, sozusagen in der Ökobilanz genauso gut wie das normale Fahrrad?

Klar, es wird nie ohne Akku gehen. Schon alleine, weil man im Winter viel im Dunkeln unterwegs ist und auch im Sommer nicht immer die Sonne scheint. Aber meine Vision wäre es doch toll, wenn man den Akku nie aufladen müsste – zwischen dem Fahren steht das Fahrrad ja rum. Wenn man selbst im Winter in den 8 Stunden Arbeitszeit zwischen und Hin- und Rückfahrt den Akku wieder voll laden könnte wäre das toll, denn das Aufladen am Abend vergisst man schnell. Selbst wenn man dauernd fährt, wäre die Reichweite größer. Typisch sind heute so 40 km pro Akku. Das reicht zwar für die tägliche Fahrt zum Arbeitsplatz, aber bei einer Fahrradtour wird es da schon eng.

Die Fläche und Leistung

Das einfachste was denkbar ist wäre ein Dach über dem Fahrrad, z. B. über Streben am Rahmen befestigt. Die maximale Fläche ergibt sich aus der Breite und Länge die ein Fahrrad sowieso belegt. Bei meinem sind das 60 cm Breite und 190 cm Länge, also rund 1,14 m². Eine kleine Recherche für Module zeigt, das ein 250 bis 300 W Modul eine Fläche von 1,65 m² hat bei 18 kg Gewicht. Hochgerechnet auf die kleinere Fläche wären das 12,5 kg Gewicht und 200 W Leistung.

Fangen wir mit dem Gewicht an – das wäre für ein Fahrrad zu hoch. Ein E-bike ist ja sowieso schon schwerer als ein normales Fahr ad. Aber nochmal 18 kg mehr? Klar die Module sind auch für die stationäre Verwendung gedacht. Sei sind auch 3,5 cm dick. Bei einem Fahrrad wäre es sinnvoller eine leichtere Konstruktion zu verwenden. Idealerweise auch gekrümmt, das schützt zum einen den Fahrer besser vor Regen und zum zweiten kann man so ein Profil erhalten, geformt, wie bei einem Flügel. Das liefert etwas Auftrieb – zumindest bei Gegenwind, wenn man sich sonst schwer tut mit dem Fahren (bei mir sehr nervig – sowohl hier, wie auch in Nesselwang, steigt die Landschaft nach Westen hin an – Der Wind kommt immer von Westen sodass ich immer bergauf bei Gegenwind fahren muss).

Ein Blick über den Tellerrand zu Satellitentechnik. Dort wiegen starre Arrays, vergleichbar den Modulen die man stationär montiert bei 1,14 m² Fläche 5,3 kg und flexible Arrays 2,7 kg. Die müssen immerhin 6 g beim Start aushalten. Das müssen Module fürs Dach wohl eher nicht. Zugammen mit der Elektronik für das Einspeisen und Halterungen für das Dach sollte man auf unter 8 kg kommen, das ist im Mittel das, was ein E-Bike mehr als ein normales Fahrrad wiegt und so sollte das gleiche Gewicht für eine „Dauerladestation“ tolerierbar sein.

Fahrtstrecke

Der Ertrag ist natürlich jahreszeitlich unterschiedlich. Daneben auch vom Ort. In Vorarlberg, Österreich bekommt man mit einer 1000 W Peak-Anlage im Dezember noch 40 kW, in Aachen nur noch 20 kW. In der Spitze ist der Unterschied kleiner: 165 zu 135 kW.

Bei 200 W Leistung wären das minimal im Dezember 4 kW in Aachen und 8 kW in Österreich.

Ich habe mir einfach mal bei Amazon das meistverkaufte E-Bike rausgesucht. Das hat eine Reichweite von 40 bis 55 km bei einem 36 V 12 Ah Akku. Der Akku hat also eine Gesamtkapazität von 432 Wh. Nimmt man 500 Wh mit den unvermeidlichen Verlusten bei Stromwandlung und Aufladung, so kann man den Akku mit 4 kWh immerhin achtmal aufladen. Wer also im Monat nicht mehr 320 km fährt – z. B. sechsmal in der Woche rund 12 km pro Tag, der müsste selbst im Dezember/Januar nie den Akku aufladen. Im Sommer könnte er selbst in Aachen täglich 70 km mit dem Solarstrom fahren.

Im Sommer wären es minimal 27 kWh. Die verteilen sich im Juli auf 16 Sonnenstunden pro Tag, also 54,4 Wh/h. Dann wäre der Akku in 9 Stunden voll. In Österreich schon nach weniger als 5 Stunden. Das würde dann ausreichen für eine Fahrradtour mit Pausen um die Reichweite zu verdoppeln. 40 km schafft man mit vollem Akku. Wenn man 9 Stunden unterwegs ist, lädt er nochmals auf und man kommt auf weitere 40 km.

Realistischerweise wird man bei dem Preis die Solarmodule kosten (ein 250 W Modul aus monokristallinen Zellen etwa 200 bis 300 Euro und man braucht hier eine kleinere Fläche) auf die effizienteren Galliumarsenidzellen ausweichen. Sie sind zwar teurer liefern aber nochmals 25 % mehr Leistung.

Einschränkungen

Natürlich gibt es auch Probleme. So verschiebt sich der Schwerpunkt nach oben. Das ist beim E-Bike nicht so tragisch, weil es durch den Motor und Akku sowieso einen niedrigeren Schwerpunkt hat. Man wird aber einen robusteren Ständer brauchen. Es gibt auch Hochklappständer, die in der Mitte angebracht sind, die sind eher geeignet als die seitlichen Ständer. Würde man ein Solarfahrrad neu entwickeln, so wäre wegen der großen Höhe wohl ein Liege- oder Sitzfahrrad sinnvoller. Dann würde die Dachfunktion auch besser genutzt werden. Die sieht man ja derzeit noch vereinzelt auf den Straßen. Der größte Nachteil derer finde ich ist die niedrige Sitzposition. Man sieht dann wirklich den Straßenverkehr wie ein Kind, kann anders als beim normalen Fahrrad nicht über ein Auto hinwegschauen.

Meine Idee vom Dach wird wohl im praktischen Einsatz zu anfällig sein. Doch da man meist auflädt, wenn das Fahrrad steht, wäre es auch nicht nötig. Ein flexibles Array könnte man auch am Gepäckträger anbringen und würde es erst entfalten, wenn das Fahrrad steht. Bei genügend Platz wäre man dann auch nicht auf die obige Fläche beschränkt. Ein ATK-Flexarray bietet 15 KW/m³ Leistung wenn es gefaltet wird. Das ist Satellitentechnologie, übertragen auf die Wirkungsgrade von monokristallinen Zellen und die niedrigere Sonnenstrahlung am Boden sind es 7,6 kW/m³. 0,2 kW brauchen dann 26 l Volumen. Das ist ein Volumen das auch in einer Gepäckträgertasche zur Verfügung steht.

Das wäre eine gute Lösung, solange man nicht an genügend Orten eine Auflademöglichkeit hat. Man braucht zwar nur eine normale Steckdose, aber ich denke die wenigen Arbeitgeber mögen es, wenn man das Fahrrad ins Gebäude bringt und außen sind meistens Steckdosen eher Mangelware.

Man kann leicht im Kopf überschlagen, das dieselbe Überlegung bei einem Auto wenig bringt. Zwar hat das schon ein Dach das man nur belegen muss und auch mehr Fläche. Ein Mittelklassewagen hat zwar etwa 5 m² nutzbare Fläche – 5-mal mehr als ein Fahrrad, aber die Batterie hat eine Kapazität von 40-80 kWh, also die 100-200 fache Kapazität. Damit liefert die solare Stromversorgung nur wenig am Gesamtenergiebedarf eines E-Autos.

12.11.2017: Strategien für die Datenoptimierung einer Venussonde

Das heutige Thema ist nicht neu. Ich habe es schon mal besprochen, aber ich will es erneut aufnehmen. Es geht darum möglichst viele Daten einer Venuslandesonde zu gewinnen.

Dir Grundproblematik ist relativ einfach. Man weiß nicht wie lange die Sonde überleben wird. Das kann man auch in einer Versuchskammer nicht richtig simulieren, denn die Sonde absolviert ja bevor sie am Boden ankommt eine Reise durch die Atmosphäre bei der sie sich auch schon aufheizt. Richtig simuliert müsste man die Sonde in eine 90 Bar auf 470 °C beheizte Kammer bringen, was auch nicht so einfach ist. Aber man kann sicherlich eine Mindestdauer angeben. Eine solche Designlebensdauer hatten auch die Veneras als bisher einzige Landesonden: Bei Venera 9/10 waren es 32 Minuten. Bei Venera 11-14/Vega 59 Minuten. Dazu noch etwas später.

Die zweite Problematik: man muss die Daten übertragen. Wenn wir von der direkten Übertragung zur Erde absehen, die nur geringe Datenraten erlaubt, haben alle anderen Lösungen die Variable der Entfernung. Je weiter der Empfänger von der Landesonde entfernt ist, desto kleiner muss die Datenrate sein. Nur ist die Entfernung fast nie konstant. Teilweise ändert sie sich drastisch, sodass man zum einen Zeitpunkt ein Vielfaches der Daten übertragen kann wie einige Stunden vorher. Man muss die Mission also genau planen. Ich will hier die Optionen, die ich für sinnvoll halte, mal durchspielen.

Zuerst mal: was kann die Landesonde machen? Wenn, man es genau betrachtet eigentlich wenig. Man kann natürlich die Untersuchungen fortführen die beim Abstieg erfolgten wie Druck, Temperaturmessungen, Atmosphärenanalysen. Nur ändern sich die Messwerte nicht mehr. Immerhin, ein Gaschromatograph/Massenspektrometer könnte von einer kurzen Analyse (um möglichst viele Messungen in der Atmosphäre durchzuführen) auf eine langsame, aber genauere umschalten. Man kann einen Sensor zum Boden runter lassen und Dichte, Bodentemperatur, Wärmeleitfähig, elektrische Leitfähigkeit etc. bestimmen. Ein Gammastrahlenspektrometer kann die radiogenen Elemente bestimmen und ein Photometer und Radioempfänger Blitze. Mit zwei Photometern (unten und oben) kann man auch die Verdunklung durch aufgewirbelten Staub und wie lange er zum Absetzen braucht bestimmen. Ein Radiometer kann die Temperatur bestimmen, wobei an einem Teleskop angebracht man sogar eine Temperaturkarte erstellen kann, sofern sinnvoll. (Wahrscheinlich wird es überall gleich heiß sein). Die typischen Landeexperimente die Zeit brauchen wie Alphateilchenspektrometer, Neutronenspektrometer, Bohren mit Bodenprobenanalyse oder Laserinduziertes Plasma das spektroskopisch untersucht wird funktionieren nicht, brauchen zu lange oder sind unsinnig (z.B. Neutronenspektrometer da kein Wasser zu erwarten ist). Russland führte eine Röntgenfluoreszenzanalyse einer Bodenprobe durch. Bei 6 Versuchen gelang sie zweimal. Der Aufwand ist groß. Man benötigt dafür einen Umgebungsdruck von 1/20 Bar noch weniger als in der Druckkapsel und die Probe musste aus 90 Bar Umgebungsdruck gewonnen werden. Dabei erhält man nur die grobe chemische Zusammensetzung des Bodens.

Mir fallen eigentlich nur zwei Instrumente ein, die hohe Datenraten haben und die eine Optimierung nötig machen. Das wären Kameras und ein abbildendes Spektrometer. Beide könnten aber auch schon beim Abstieg aktiv sein. Dann würden sei eben nicht nur die Oberfläche vom Boden aufnehmen, sondern eben wie Huygens die Landschaft beim Abstieg. Idealerweise wären in meiner Vision es 7 Fenster in der Kapsel: 6 am Äquator und eines am Boden. Die sechs am Äquator, (nach unten geneigt sodass der Horizont in 2/3 der Höhe verläuft) erlauben eine verzerrungsfreie Rundumsicht. Mit Kameras mit leichtem Weitwinkel (70 Grad, das entspricht bei normalen Kameras einem 25 mm Objektiv) kann man so die ganze Umgebung der Sonde und den Boden aufnahmen. Ein IR-Spektrometer wäre parallel dazu angeordnet.

Die Veneras haben sich in der Auslegung auch nach den Kameras gerichtet. Zuerst waren die anderen Experimente aktiv, nach einigem Minuten hatten sie ihre Daten übertragen und die Kameras wurden aktiv. Die Designlebensdauer der Kapseln war für die Übertragung eines Panoramas ausgelegt. Danach begannen sie einfach von vorne. Es gibt daher zu einigen Veneras auch abweichende Daten über die Übertragungsdauer, die bei Vega 1+2 (ohne Kameras) z.b. bei nur 20 Minuten lag. Da sie bauidentisch zu Venera 11-14 waren, mit 95-127 Minuten Überlebenszeit waren, würde ich diese Zeit als die Zeit interpretieren in der man das Messprogramm durchführte. Ohne Kameras war es eben nach 20 Minuten beendet. Danach war bei den automatischen Stationen Schluss und man konnte eben noch Telemetrie oder das Trägersignal empfangen. So was ist nicht so sinnvoll, aber die Mission war darauf ausgerichtet.

Meine Vorstellung ist die einer Pflicht und einer Kür. Die Pflicht legt die Lebensdauer fest. Das wäre nach der Landung ein Panorama sowie, sofern nicht schon beim Abstieg erfolgt gespeicherte Bilder die beim Abstieg gewonnen wurden und ein mittelaufgelöstes Spektrum der Umgebung.

Die Kür wären weiter Aufnahmen beim Abstieg die zwischen den beim ersten Mal liegen (z.B. erste 5 km, 10, 15 km, 20 km, zweite 2,5 km, 7,5 km …) und Spektren. Alternativ überträgt man die Aufnahmen und Spektren nochmals, nur eben in höherer Auflösung.

Kommen wir zum grundlegenden Problem. Es gibt folgende prinzipielle Möglichkeiten:


Andere Optionen wie das ein Orbiter die Sonde absetzt, habe ich nicht untersucht sie sind nur komplizierter, aber kein prinzipiell neues Szenario. Die Problematik will ich mal an der ersten Option erläutern. Pioneer Venus setzt die Sonden, einen Monat vor Ankunft ab, bremst dann ab und erreicht so die Venus 30 Minuten nach Ankunft am Boden der letzten Sonde. Über den Bus wurden keine Daten übertragen, aber er ist ein schönes Beispiel. Pioneer Venus übertrug rund 55 Minuten beim Abstieg. Der Bus erreicht die Venus 30 Minuten später, nehmen wir 90 Minuten an und das die Kapseln noch 30 Minuten nach der Landung (eine überlebte ja auch 67 Minuten) noch Daten über den Bus gesandt hätten. Bei einer Geschwindigkeit (im Unendlichen) von 3 km/s und 90 Minuten Zeitversatz wäre der Bus in 40.130 km Entfernung wenn die Sonden mit dem Senden beginnen. Nach einer Stunde wäre er in 20.170 km Entfernung, also halb so weit. Vor allem am Schluss kurz vor dem Verglühen steigt die Datenrate enorm an. Blendet man die Zeit direkt vor dem Eintritt ab, da es unwahrscheinlich ist, dass er genau über dem Lander herabkommt, zumal dieser nach dem Eintritt in die Atmosphäre senkrecht sinkt und nimmt eine Minimaldistanz von 3000 km an, so bekommt man für 90 Minuten Kommunikation folgende Tabelle:

(Daten mit Pioneer Venus Sendesystem. Sendeleistung 10 Watt, Sender und Empfänger Rundstrahlantennen)

Distanz [km]

Zeit [s]

Geschwindigkeit [m/s]

Datenrate [bit/s]

Daten gesamt [Mbit]

3.000

0

8.989

750.933

0

7.869

600

7.461

109.151

166

12.094

1.200

6.692

46.207

209

15.954

1.800

6.205

26.554

230

19.568

2.400

5.860

17.651

243

23.001

3.000

5.598

12.774

252

26.296

3.600

5.390

9.774

258

29.477

4.200

5.221

7.778

264

32.566

4.800

5.079

6.373

268

35.576

5.400

4.958

5.340

271

Sie zeigt das Dilemma: In den ersten 600 Sekunden (10 Minuten) kann man 166 MBit übertragen. Wegen des ansteigen der Entfernung in den restlichen 4800 s nur noch weitere 105 MBit. Die Abhängigkeit von der Entfernung ist immer gegeben, ebenso das sowohl bei Bussen wie auch Orbiter das Relais irgendwann von der Sonde aus gesehen hinter dem Horizont verschwindet und man so einen Punkt definieren muss, bis zu dem man Kontakt hat. Legt man ihn nach weit hinten so kann man zwar die ganze Kommunikation übertragen, aber ist dann noch weit entfernt – niedrige Datenrate. Daher wäre ich dafür den Zeitpunkt bei einer Vorbeiflugmission auf die Solllebensdauer zu legen, auch wenn man dann nicht weiß wie lang sie wirklich gearbeitet hätte.

Bei Venera 9,10,13 Vega 1+2 war es so das die Sonden alle noch arbeiteten als die Relais keine Daten mehr empfingen.

Nun zu den Optionen:

Bus verglüht nach der Sonde

An und für sich eine gute Lösung erlaubt es die Distanz zu minimieren, da der Bus sich nicht selbst in sichere Distanz bringen muss, also im Flugpfad versetzen. So angewandt bei Pioneer Venus, die aber direkt zur Erde sandten. Lediglich nach dem Atmosphäreneintritt und der Landung weichen die Flugpfade ab. Dann bewegt sich die Landesonden fast kaum noch, der Bus nähert sich aber rapide. Bei 3 km/s Ankunftsgeschwindigkeit wäre der Bus dann aber bei Beginn der Übertragung bei einer 2 Stunden Mission (60 Minuten Abstieg, 60 Minuten auf der Oberfläche) noch über 48000 km entfernt, bei der Landung noch 30725 km. Die Datenrate wäre also niedrig. Bei den folgenden Beispielen gehe ich von einem 40 Watt Sender Rundstrahlantenne beim Sender, 1,5 m großen Parabolantenne beim Empfänger aus. Die Dämpfung wurde mit den Daten von Pioneer Venus berechnet. Startdatenrate: 50 Kbit/s, Enddatenrate, 125 Kbit/s.

Bus passiert den Planeten

In meinen Augen die bessere Option, insbesondere weil ich dann eine Sonde bei jeder Mission zur Venus mitführen kann die sie als Swing-By Ziel nutzt. Es muss also keine dezidierte Venusmission sein, sondern eine “Sekundärnutzlast“. So verwandt bei Venera 11-14 und Vega. Diese passierten die Venus in großem Abstand von rund 36.000 km Distanz. In dieser hohen Distanz ändert sich diese kaum noch. In 7200 s nur auf 74.500 km. Aber auch hier gilt: die Distanz sollte möglichst klein sein. Sie wird aber nie so klein wie beim verglühenden Bus sein.

Der Orbiter der die Sonde absetzt und in einen Orbit einschwenkt, nähert sich zwar stärker der Venus zur effektiven Abbremsung, aber er verliert daher auch den Kontakt früher. Daher wird man hier eine kürzere Mission anstreben. Venera 9 und 10 funktionierten beide noch als ihre Orbiter keine Daten mehr empfingen. Für die Veneras errechnen sich Minimaldatenraten von 21 kbit und Maximaldatenraten von 91 Kbit/s.

Der elliptische Orbiter.

Alle bisherigen Orbiter haben einen elliptischen Orbit. Man kann als Vergleich die Molnija Satelliten heranziehen die hatten eine Umlaufsdauer von 12 Stunden bei denen sie 8 Stunden im Empfangsbereich einer Bodenstation blieben, bei einer maximalen Entfernung von 40.000 km. Hier benötigen wir weniger Zeit, maximal 3 Stunden. Bei den Molnija Orbits war der Empfang möglich wenn sie mindestens 25.000 km von der Erdoberfläche entfernt waren. Übertragen auf die Venus mit fast gleichem Radius entspräche Ein Orbit mit mindestens 3 Stunden Übertragungszeit einer Bahn mit einem venusfernsten Punkt von 27.500 km. In den 3 Stunden wäre die Empfangsstation dann zwischen 24.000 und 27.500 km entfernt – näher als ein Bus, und in gleichmäßigem Abstand.Datenraten zwischen 206 und 157 Kbit.

In 3 Stunden sind das 1617 MBit.

Der Orbiter in einer Kreisbahn

Riskant, aber wenn es klappt, eine Hochgeschwindigkeitsalternative ist der Orbiter in einer niedrigen Kreisbahn. Er passiert das Landegebiet nur kurz, in einer 1000 km hohen bahn ist er nur 675 s lang 25 Grad über dem Horizont. Bei im Mittel 1.500 km Distanz beträgt die Datenrate dann aber 52,8 Mbit/s. In den 675 s kann man dann aber 35.640 MBit übertragen. Das Problem: lebt die Sonde zum zeitpunkt des Überflugs nicht mehr, dann bekommt man gar keine Daten. Man wird daher den Zeitpunkt so legen das dies garantiert ist, z.B. kurz nach der Landung. Die Veneras und Pioneer Venus brauchten alle ziemlich gleich lange für den Abstieg. Etwa 50 bis 55 Minuten ab Abtrennung des Hitzeschutzschildes. Etwa 10 Minuten mehr vom Atmosphäreneintritt. Rechnet man da 10 Minuten Reserve oben drauf (65 Minuten) und beginnt 10 Minuten nach der Landung mit der Übertragung so würde bei einem Abstieg in minimaler Geschwindigkeit der Orbiter 25 Minuten nach der Landung erscheinen. Bei 10-12 Minuten Übertragungsdauer würde man nur eine Lebensdauer von maximal 37 Minuten benötigen.

In meinen Augen ist dies das Optimum. Man könnte es noch optimieren indem man den Bus zusätzlich nutzt, so gehen garantiert keine Daten verloren, aber man hat das Potential viel mehr zu übertragen.

Mögliches Szenario

Für die reine Orbiter/Bus Mission bei einer Datenrate in der Größenordnung von 100 Kbit/s. Wäre bei 20 Minuten Mindestlebenszeit folgendes denkbar:

Etwa 30 Minuten vor der Landung beginnt die Sonde mit der Anfertigung von Panoramen, alle 5 Minuten eines. Bei der JPEG-Komprimierung „fein“ (0,17 MB/Mpixel) sind dies 1,44 MPixel pro Aufnahme, rund 1200 x 1200 Pixel bei 7 Aufnahmen (6 Seitlich, eine unten). Nach der Landung während 17 Minuten ein Panorama (6 Aufnahmen) mit doppelter Auflösung. (2.400 Pixel x 2.400 Pixel/Bild). Das gleiche Datenvolumen entfällt auf ein abbildendes Spektrometer. Das sind 110 x 110 Pixel mit 128 Punkten pro Spektrum. Nach der Landung braucht man für ein doppelt auflösendes Spektrum 50 Minuten, bei Nutzung der Zeit nach 17 Minuten während der es keine Bilder mehr gibt, sind es 34 Minuten.

Danach könnte man entweder doppelt hoch aufgelöste Versionen der Aufnahmen übertragen die man schon gemacht hat, oder weitere Aufnahmen, die man zwischen den schon übertragenen beim Abstieg machte. Das wäre die Kür.

Mit dem Orbiter in der Kreisbahn sähe das ganz anders aus. Die 35.640 MBit auf dieselbe Datenmenge übertragen würde 13.700 x 13.700 Pixel große Bilder ermöglichen und Spektren mit 512 Pixeln räumlicher und 720 Pixeln spektraler Auflösung. So fein müsste es gar nicht sein. Mit 16 Mpixel pro Bild könnte man 11-mal mehr Bilder (774 anstatt 66) übertragen. Bei den Spektren würde ich nichts ändern weil leider bei diesen Instrumenten das Datenvolumen in der dritten Potenz zur Auflösung ansteigt.

Idealerweise passt der Lander seine Datenrate dynamisch der Dichte der Atmosphäre und der Entfernung ab. Dazu muss das Relay nur denselben Sender wie der Lander haben, der auf einer leicht anderen Frequenz sendet. Er überträgt ein definiertes Bitmuster zyklisch in verschiedenen Datenraten und der Lander bestimmt die Datenrate wo er es sauber empfängt. Da Sende/Empfangssystem symmetrisch ist, empfängt dann auch der Bus die Daten gut.

Optimierungen

Vor allem bei der kleinen Datenrate der Buslösung gäbe es zu optimieren. Die JPEG.Komprimeriung habe ich von meiner Digitalkamera genommen. Ich kenne durchaus gut komprimiertes JPEG und trotzdem gut aufgelöste Bilder. Ich denke man kann hier um den Faktor 2 hochgehen. Es gibt auch neuere Verfahren wie JPEG-2000 die effizienter komprimieren. Vor allem beim Anfang des Abstiegs wird die Atmosphäre noch nicht klar sein. Der Bordcomputer kann die Aufnahmen analysieren und wenn es zu wenig Kontrast gibt entscheiden stattdessen Spekten mit doppelt so hoher spektraler Auflösung zu senden.

Sender ist hier ein 40 Watt Sender, den hatte schon Pioneer Venus. Angesichts einer Betriebszeit von maximal einigen Stunden könnte man auf 100 Watt gehen, das addiert natürlich Gewicht beim Sender aber auch der Batterie. Zuletzt die Empfangsantenne. 1,5 m sind nicht groß. MRO, Exomars und Juno kommen auf 2,2 bis 3 m Antennengröße. Eine 3 m Antenne erhöht die Datenrate um den Faktor 4. Alles zusammen würde den Faktor 20 ergeben. 


Sitemap Kontakt Neues Impressum / Datenschutz Hier werben / Your advertisment here Buchshop Bücher vom Autor Top 99