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Neue Form des Raumfahrzeugantriebs für die Uranus-Mission vorgeschlagen
Die Menschheit hat nur eine Handvoll Raumschiffe in das äußere Sonnensystem jenseits des Asteroidengürtels geschickt. Es gab die Pioniere und Voyagers, die die Erde in den 1970er Jahren verließen. Die Galileo-Mission ging 1989 zum Jupiter und Cassini-Huygens 1997 zum Saturn. Schließlich verließ die New Horizons-Mission 2006 die Erde und steuert derzeit auf Pluto und den Kuipergürtel zu.
Ein Problem bei diesen Missionen ist der reine Zeit- und Kostenaufwand. Galileo brauchte 6 Jahre, um Jupiter zu erreichen, und kostete etwa 1,6 Milliarden Dollar, während Cassini-Huygens 7 Jahre brauchte, um zum Saturn zu gelangen und fast genauso viel kostete.
Jetzt schlägt ein von Finnland geführtes Team eine Mission zu Uranus vor, die von einer exotischen neuen Antriebsform angetrieben wird, die derzeit in der Erdumlaufbahn getestet wird. Dieser Antrieb ist solarbetrieben und benötigt daher kein Treibstoff an Bord. Und es kann eine Sonde zu Uranus in etwa der gleichen Zeit schicken, die Galilei brauchte, um zum Jupiter zu gelangen, der weniger als halb so weit entfernt ist. Aber die Kosten einer solchen Mission sind noch nicht klar.
Ein Problem für Sonden, die das äußere Sonnensystem besuchen, besteht darin, gegen die Schwerkraft der Sonne die erforderliche Geschwindigkeit zu erzeugen, um dorthin zu gelangen. Der ursprüngliche Plan für die Galileo-Mission war beispielsweise, die Sonde und ihre Trägerrakete mit dem Space Shuttle in die Erdumlaufbahn zu bringen. Der Booster wurde entwickelt, um die Sonde in weniger als zwei Jahren direkt zum Jupiter zu schicken.
Aber nach der Challenger-Katastrophe entschied die NASA, dass es nicht sinnvoll wäre, eine unbeleuchtete Rakete im Frachtraum des Shuttles zu platzieren. Und da keine andere Rakete Galileo und seinen Booster anheben konnte, musste die NASA einen anderen Weg finden, um dorthin zu gelangen. Daher der Schleuderansatz.
Die vorgeschlagene Uranus-Mission verfolgt einen völlig anderen Ansatz, der auf dem Konzept eines elektrischen Segels oder E-Segels basiert, das 2006 vom finnischen Ingenieur Pekka Janhunen (der auch der Leiter des neuen Uranus-Vorschlags ist) vorgeschlagen wurde. Ein E-Segel unterscheidet sich deutlich von einem herkömmlichen Sonnensegel, das Schub durch den Druck von Photonen erzeugt, die auf das Segel treffen.
Im Gegensatz dazu ist das E-Segel auf geladene Teilchen wie Protonen und Alphateilchen im Sonnenwind angewiesen. Die Idee besteht darin, ein elektrisches Feld um das Raumfahrzeug herum zu erzeugen, das diese ionisierten Partikel ablenkt und eine Kraft erzeugt, die das Raumfahrzeug während seiner gesamten Reise beschleunigt.
Das Segel besteht aus einer Reihe von leitenden Drähten, die sich wie Speichen an einem Rad radial vom Raumfahrzeug erstrecken. Das elektrische Feld wird mit Sonnenenergie erzeugt. Und mit 540 Watt sollte das Segel etwa 0,5 Newton erzeugen und das Boot um etwa 1 mm/s^2 beschleunigen.
Das sollte eine Geschwindigkeit von etwa 20 km/s erreichen, wenn es Uranus erreicht, was einer Reisezeit von etwa 6 Jahren entspricht.
Das Handwerk selbst ist in drei Teilen konzipiert. Das erste ist das E-Segel-Modul mit Sonnenkollektoren und Halteseilen, um die Drähte zu verlängern. Der zweite ist der Hauptkörper des Raumschiffs mit chemischen Triebwerken, um die Flugbahn auf dem Weg und in der Nähe von Uranus anzupassen, sowie Kommunikationsausrüstung für den Kontakt mit der Erde.
Der letzte Teil ist ein Eintrittsmodul, das in die Atmosphäre von Uranus entlassen wird, wo es verschiedene wissenschaftliche Messungen für die Übertragung zur Erde über das Hauptschiff durchführt, das als Relais fungiert.
Janhunen und Co. sagen, dass dieses Design mit kleinen Modifikationen auch für Reisen zu anderen Gasgiganten geeignet wäre.
Das ist eine ambitionierte Idee, nicht zuletzt, weil die E-Sail-Idee in dieser Größenordnung noch nie ausprobiert wurde. Ein kleiner Satellit namens ESTCube-1 testet derzeit die Idee und die Europäische Union hat ein laufendes Forschungsprojekt, um sie weiter zu testen. Ein weiterer finnischer Satellit wird das Prinzip dieses Jahr noch genauer testen, aber für eine solche Mission wird sicherlich noch mehr Arbeit erforderlich sein.
Dennoch liegen die Vorteile von E-Segeln gegenüber Schwerkraftschleudern auf der Hand. Sie sind nicht nur schneller, sondern können auch mit nur geringen Abweichungen in der Reisezeit fast jederzeit gestartet werden. Im Gegensatz dazu können Schleudern nur gehen, wenn die Gravitationsgötter in einer Linie sind.
Was Janhunen und Co. nicht diskutieren, sind die Kosten einer solchen Mission, die in dieser Phase eines Entwurfs, um fair zu sein, schwer zu bestimmen ist. Der Vorteil einer Mission vom Typ Cassini oder Galileo besteht darin, dass diese Raumschiffe jahrelang um ihre Zielplaneten herum operieren und riesige Datenmengen zurücksenden, wenn auch zu hohen Kosten. Der Nachteil ist, dass alles verloren geht, wenn das Raumfahrzeug irgendwie verloren geht.
Im Gegensatz dazu sendet die E-Sail-Mission einige Minuten an Daten von ihrem feurigen Eintritt in die Atmosphäre zurück. Das ist sicher wertvoll, müsste aber deutlich billiger sein, um es zu rechtfertigen.
Ein gutes Verständnis der relativen Kosten dieser Art von Missionen wird daher entscheidend sein, um festzustellen, ob E-Sails eine Zukunft bei der Erforschung des äußeren Sonnensystems haben.
Ref: arxiv.org/abs/1312.6554 : Schnelle E-Sail-Uranus-Eintrittssondenmission