Kleinsatelliten als Datenrelais fur NASA-Marslander

4. März 2015 von Michael Khan in Mars, Raumfahrt, Technik

Wenn eine Landesonde in die Marsatmosphäre eintritt, dauert es noch 6-8 Minuten bis zum Aufsetzen. Dabei kann eine Menge schief gehen. Für das meiste davon gibt es keine realistische Möglichkeit zum Backup. Wenn also etwas in die Hose geht, bedeutet das meist auch gleich einen Fehlschlag der Gesamtmission.

Wenn man wenigstens eine Funkverbindung zwischen zum Eintrittsmodul hat, kann man zwar ein sich anbahnendes Unglück auch nicht mehr aufhalten. Aber zumindest kann man Telemetrie und damit ein erhebliches Volumen an für die Ingenieure sehr wichtigen Daten, die den augenblicklichen Zustand der Sonde beschreiben, auffangen und später auswerten. Sollte die Sonde abstürzen, weiß man wenigstens, woraus es lag und kann so das Problem bei folgenden Sonde vermeiden.

Falls während der gesamten Landephase geometrische Sichtbarkeit zwischen Landesonde und Erde besteht, kann die Landesonde eine Trägerfrequenz senden oder zu bestimmten Punkten während des Abstiegs festgelegte Tonsequenzen. Diese können von Radioteleskopen auf der Erde empfangen werden. Daten kann man auf diese Entfernungen nicht senden, dazu bräuchte man hohe Frequenbzen udn eine große Sendeantenne. Aber die Radioteleskope können auch die Dopplerverschiebung der empfangenen Frequenz messen. Daraus kann man schon allerhand ableiten. Wenn etwas schiefgeht und das Signal verstimmt, weiß man wenigstens, in welcher Phase das geschah. Allerdings kann nicht für alle Transfers und Landeorte auch eine  Sichtverbindung zuer Erde garantiert werden.

Wenn bereits eine Orbitersonde um den Mars kreist, kann deren Bahn manchmal so angepasst werden, damit sie genau zur Landezeit die Landestelle überfliegt. Das allerdings ist nur bedingt möglich. Typische Orbiter, deren Haupteinsatzzweck die wissenschaftliche Untersuchung der Oberfläche ist, fliegen in niedrigen, sonnensynchronen Bahnen. Sie überqueren den Äquator immer zu derselben lokalen Zeit, typischerweise am Nachmittag und in den frühen Morgenstunden.

Der Transfer einer Landesonde kann aber nicht immer so geplant werden, dass auch dessen Landung am Nachmittag stattfindet. Oft ist das auch gar nicht erwüsncht - landet man am Vormittag oder in den Mittagsstunden, kann man noch vor Sonnenuntergang an der Landestelle die Solargeneratoren ausfahren und die Batterien aufladen. Das ist ein gewichtiges Plus, das niemand leichtfertig aufgeben würde.

Außerdem ist der Bahnbogen von Eintritt zu Landung lang - er verläuft von Westen nach Osten. Sonnensynchrone Orbiterbahnen sind aber nahezu polar. Der Orbiter fliegt also von Süden nach Norden über die Landestelle - quer zur Anflugrichtung des Landers. Die atmosphärische Trajektorie kann also mit einem Orbiter kaum zur Gänze erfasst werden.

Wenn erhebliche Änderungen an der Bahn des Orbiters erforderlich werden, kostet das Treibstoff. Üblicherweise benötigt aber der Alltagsbetrieb einer Orbitersonde nur kleine Manöver. Das heißt, selbst geringe Mengen, die zur Anpassung der Bahn drauf gehen, bedeuten, dass die theoretische Lebensdauer für den Wissenschaftsbetrieb um Monate verkürzt werden. Das ärgert die beteiligten Wissenschafter, deren Experimente auf dem Orbiter sitzen. Diese Leute sind ohnehin schon nicht begeistert von der Bahnänderung, weil die ihren lange im voraus erstellten Wissenschaftsplan über den Haufen wirft.

Die Ingenieure im Kontrollzentrum wünschen sich natürlich Daten von der Eintritts- und Landephase möglichst schnell. Aber nicht alle Orbiter sind dafür eingerichtet, Daten per UHF-Frequenzen zu empfangen und die unverzüglich per X-Band zu Erde zu senden. Der alte NASA-Orbiter Odyssey kann das. Der etwas modernere MRO kann das nicht. Wenn Sie an die Landung von MSL vor zweienhalb Jahren zurückdenken - damals gab es Daten in "Echtzeit" nur dank Odyssey.

Wirkliche Echtzeit ist das natürlich nie - die Lichtlaufzeit zwischen Mars und Erde bewirkt unausweichlich eine Verzögerung um einige Minuten.

Bei der NASA/JPL-Landesonde InSight, die im März 2016 gestartet wird und Ende September in Elysium Planitia landen wird, versucht man nun etwas Neues. Die Oberstufe der Atlas-Rakete, die InSight zum Mars startet, wird nach InSight auch zwei Kleinsatelliten, so genannte CubeSats aussetzen. Die sind natürlich auf derselben Bahn wie InSight, d.h., sie fliegen auch zum Mars. Diese CubeSats namens MarCO1 und MarCO2 sind völlig identisch aufgebaut. Sie haben sogar Triebwerke und kleine Mengen Treibstoff, können also gesteuert werden.

Ihre Flugbahnen sollen so angepasst werden, dass sie, genau während InSight in die Atmosphäre eintritt - Die Ingenieure sprechen von "Entry, Descent and Landing (EDL)" - wenige Tausend Kilometer höher vorbeifliegen, also in direkter Sichtverbindung zum Eintrittsmodul. Diese Kleinsatelliten sind mit einer UHF-Empfangsanlage und einer X-Band-Sende-/Empfangsanlage ausgestattet. Sie können die Daten der Eintrittsonde mit einer Bandbreite von 8 Kilobit pro Sekunde empfangen und direkt zur Erde weiter funken. Dauert die EDL-Phase sieben Minuten, werden immerhin mehr als drei Megabit an Daten übertragen, und zwar vollredundant, denn es wird ja zwei identische Kleinsatelliten auf den Weg gebracht.

Wirklich brilliant an dieser Idee der NASA-Experten ist, dass sie keinerlei technische Änderungen des InSight-Landers, seiner Marschstufe ("Carrier Module") oder seines Eintrittsmoduls ("aeroshell") erfordert. Das ist wichtig, weil InSight ja eigentlich nur ein Reload der erfolgreichen Phoenix-Mission  ist, die im Mai 2008 weit im Norden des roten Planeten landete. Zwischen den MarCO-Kleinsatelliten und dem InSight-Komposit besteht zu keinem Zeitpunkt eine physische Verbindung.

Näheres dazu in dieser Präsentation von S.Asmar udn S.Matousek vom JPL.


25 Kommentare zu “Kleinsatelliten als Datenrelais fur NASA-Marslander”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Cubesats als Begleiter einer grösseren Mission: Das ist wirklich eine gute Idee. Ich könnte mir auch noch unkonventionellere Einsatzgebiete von Cubesats vorstellen: So könnte man anstatt einen Lander, eine ganze Gruppe von Cubesats auf Planeten und Mond mit Atmosphäre niederregnen lassen. Umhüllt von einer Aeroshell und entsprechend gepolstert wären Landungen ohne Ballon denkbar. Nach der Landung würden die Cubesats Bilder und andere Daten aus ihrer Umgebung zurückfunken. Vorteile gegenüber einer konventionellen Mission wäre die Einfachheit und dementsprechend Kostengünstigkeit der Mission und die Möglchkeit dutzende von diesen Dingern verstreut auf einem Zielplaneten oder Mond auszusetzen.

    • Martin Holzherr Antworten | Permalink

      Nun ja, die Idee kleine Lander auf Planeten und Monde mit Atmosphären "niederregnen" zu lassen ist zwar vielversprechend, aber mit einem Cubesat hat solch ein kleiner Landekörper wohl wenig zu tun.

      Eine echte Einsatzmöglichkeit von Cubesats für die Marserforschung wäre das Aussetzen einer ganzen Schar von Ihnen in Marsorbits. Zum Beispiels zur Kommunikation zwischen Missionen auf dem Mars und der Erde oder zur kontinuierlichen, lückenlosen Überwachung des Marses zum Beispiel zur Echtzeitbeobachtung von Meteoriteneinschlägen auf dem Mars.

  2. Michael Khan Antworten | Permalink

    Ich halte Vorstellung von Mikro-Landesonden für vollkommen unrealistisch, weil wegen des unweigerlich zu treibenden technischen Aufwands der für wissenschaftliche Nutzlast zur Verfügung stehende prozentuale Anteil der Sondenmasse keine Konstante ist, sondern sinkt, je kleiner die Sonde ist. Bei kleinen Sonden wird er Null, bei ganz kleinen negativ. Das wäre dann wirklich interessant - negative Wissenschaft. Wer das nicht wahrhaben will, möge bitte einmal die Daten der durchgeführten Marsmissionen miteinander vergleichen. Aber bitte Vergleichbares vergleichen - nicht Rover mit stationären Landern.

    Ich habe es in dieser Diskussion zu einem Artikel von Eugen Reichl mal anhand eines Vergleichs der MER-Rover mit MSL-Curiosity durchgerechnet. Link zum betreffenden Kommentar hier. Der vier Mal so schwere Rover hat 10 Mal mehr wissenschaftliche Nutzlast. Bemerkenswert und aufschlussreich. Der Break-Even-Punkt, ab dem die Wissenschaft Null wird, liegt wahrscheinlich gar nicht mehr sehr weit unter den MER-Rovern.

    Wohlgemerkt - Daten zu tatsächlich realisierten Sonden sind die technisch umgesetzte Erfahrung von Leuten, die das erweisenermaßen schon einmal gemacht haben. Das Web ist zusätzlich auch noch voll von Vorschlägen, die natürlich allesamt viel mehr versprechen, aber auffälligerweise immer von Leuten kommen, die die Tauglichkeit ihrer Ideen noch nie in der Praxis beweisen mussten.

    Ich bin da sehr skeptisch. Zehn miniaturisierte Kameras leisten nicht dasselbe wie eine große Teleskopkamera, die das Zehnfache jedes der miniaturisierten wiegt. Auch Antennen kann man nicht einfach immer kleiner machen. Dann sinkt halt der Antennengewinn hinunter zur Rundstrahlcharakteristik.

    • Martin Holzherr Antworten | Permalink

      Ich habe das Bild der Erderkundung durch Pioniere wie Livingstone oder die Polarforscher Nansen oder Amundson vor Augen, wenn ich an die Erkundung eines fremden Planeten, beispielsweise des Mars denke. Mit andern Worten: Solange nicht der gesamte Planet Mars bereist ist, solange gibt es weisse Flecken auf dem Mars und solange können einem wichtige Dinge durch die Lappen gegangen sein. Ein Rover, der ein paar Kilometer auf dem Mars abrollt, das ist nicht das was ich mir unter einer systematischen Marserkundung vorstelle.

      • Michael Khan Antworten | Permalink

        Das ist ganz sicher so. In-Situ-Erforschung am Boden und globale Erforschung aus dem Orbit sind komplementär, aber selbst zusammen genommen immer noch limitiert. Langfristig wird Mars durch Menschen vor Ort erforscht werden. Aber selbst wenn der ganze Planet bereist worden sein wird, wird er nicht seine Geheimnisse preisgegeben haben. Das sehen wir doch an der Erde.

  3. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Gute Weltraumforschung versucht Technologien (für zukünftige Missionen) weiterzuentwickeln. "Kleinsatelliten als Datenrelais fur NASA-Marslander" zu verwenden ist deshalb eine sehr gute Idee der NASA, denn Kleinsatelliten in Form der Cubesats (10 cm Kantenlänge) können bei einer Mission im Dutzend mitgeführt werden und es gibt inzwischen viele Anbieter von Cubesatlösungen oder -teillösungen, so dass ein kompletter Cubesat weniger als 10'000 Dollar kosten kann.
    Die NASA ist tatsächlich in den letzen Jahren innovativer geworden und auch offener - vor allem durch die Einbidnung von privater Weltraumforschung und einen stärker Fokus auf die NIAC-Programme.

    Auch die ESA will übrigens schon bald Cubesats einsetzen und hat ein eigenes Programm dazu gestartet.

    • Michael Khan Antworten | Permalink

      Das aktuelle Modethema "Small is beautiful" ist eine Sache, aber die harten Naturgesetze sind eine andere Sache. Letztere kann man nicht einfach ignorieren.

      Cubesats kann man da einsetzen, wo man nicht viel navigieren muss und die Funkerei mit Kabeln drinnen im Satelliten und Stab-oder Patchantennen außen dran noch klappt. Bei niedrigen Bahnen um die Erde, noch unterhalb der Van-Allen-Gürtel alles kein Thema.

      Muss man aber auf hohe Frequenzen und deswegen Hohlwellenleiter gehen und sind Antennen mit höherem Gewinn unverzichtbar, dann kann man mit Kleinstsatelliten mit einem Liter Volumen eben nichts mehr anfangen.

      Ist irgendeinwann einmal der Mars so erschlossen, dass die Daten der kleinen Mars-Cubesats von S-Band- oder gar UHF-Empfängern auf der Marsoberfläche empfangen werden können, dann werden die auch auf dem Mars ein Thema sein, aber bis dahin sehe ich keinen wirklichen Einsatzzweck für die ganz kleinen in interplanetaren Missionen, oder gar Nano-, Pico- und Femtosats.

      Diese zwei MarCOs sind ja keine Ein-Liter-CubeSats, sondern sie sind deutlich größer und schwerer. Eigentlich sind sie im Wesentlichen fliegende Antennen und Funkelektronik. Klar, Energieversorgung und minimalistische Bahn- und Lageregelung braucht man auch. Und selbst damit schaffen die gerade mal läppische 8 kbps Datenbandbreite.

      Ich sehe da jetzt wirklich nicht, wie man das noch weiter herunter skalieren und dennoch etwas Nennenswertes damit anfangen soll. Irgendwelche Bildchen in Web-Cam-Qualität sind zwar besser als gar nichts. Aber das ist auch wirklich nur besser als gar nichts, mehr nicht.

      • Martin Holzherr Antworten | Permalink

        Hier ein paar Vorschläge was man mit Cubesats in der Planetenforschung machen könnte und zwar am Beispiel Mars
        1) Dutzende von Cubesats, jeder mit eingebauter Kamera, umkreisen den Mars und senden ihre Bilder zu einem grösseren Satelliten, der sie dann zur Erde übermittelt.
        2) Cubesat um Atmosphäreneffekte auf dem Mars zu erforschen, analog zum Projekt SwissCube-1
        3) Cubesat-Formation-Flying um mit vielen und austauschbaren Cubesats ein Teleskop oder ein anderes zusammengesetztes Instrument aufzubauen

        • Michael Khan Antworten | Permalink

          Das mag gehen, aber nicht alles, was geht, ist auch sinnvoll. Eine CubeSat-Kamera wird eben nicht nennenswert über WebCam-Qualität hinaus zu bringen sein, siehe VMC.

          Aber lohnt das den Aufwand? Cubesats kommen ja nicht von allen ins niedrige Mars-Orbit, sie müssen erst einmal dorthin transportiert werden, mit einem richtigen Satelliten.

          Da kann man pro Kilogramm CubeSat-Masse schon einmal 1-2 Kilogramm Treibstoffmasse draufschlagen. Das relativiert die angeblich geringe Masse der Kleinsatelliten schon einmal.

          Dann kommt das Problem mit der Datenübertragung. Direct-to-Earth kann man gleich vergessen. Das Senden über den Umweg eines großen Satelliten mit Tausenden von Kilometern Funkfeldstrecke führt zu sehr niedrigen Datenbandbreiten. Falls es überhaupt geht. Wenn der Mars dazwischen ist, geht es nicht. Und selbst bestenfalls kriegt man Daten nur gaaaanz langsam herunter. Was auch hohen Auflösungen im Weg steht.

          Was das alles an Masse kostet, bei sehr zweifelhaftem Gewinn, könnte man natürlich bei einem vernünftigen Orbiter, den man ohnehin braucht, in Form eines weiteren Instruments oder einer Verbesserung der vorhandenen Instrumente nutzen. Globale Abdeckung der Narsoberfläche schaffen die auch in zwei- vier Wochen, mit räumlichen und spektralen Auflösungen, die bei CubeSats vollkommen illusorisch sind und bleiben.

          • Martin Holzherr | Permalink

            Stimmt. Ein 1 Liter Cubesat ist sehr beschränkt.
            Aber eine Studie will mit einem 3U Cubesat eine 1m-Auflösung aus einem 400 km Erdorbit erreichen.

            Clyde Space is working with the UK Astronomy Technology Centre in Edinburgh on a feasibility study into high resolution Earth observation from a 3U CubeSat. The system in this video has a performance estimated at better than 1m resolution from a 400km orbit.

          • Michael Khan | Permalink

            Soso. 1 Meter bei 400 km Abstand, das wären 2.5 Mikrorad Auflösung. Und das bei einem Satelliten mit 3 Litern Volumen, also Schuhkarton-Größe? Da kann die Optik ja maximal einige Zentimeter Apertur haben. Komisch, dass die HiRISE-Kamera auf MRO, die in ähnliche Auflösungsbereiche vordringt (bis zu 1 Mikrorad, in der Praxis < 1 m bei um 280 km Höhe), dazu eine Apertur von 50 cm und eine Systemmmasse von 64 kg braucht - allein für die Kamera, wohlgemerkt, nicht für das Gesamtsystem.

            Der Proba-1-Satellit wiegt 94 kg, davon sind 25 kg wissenschaftliche Nutzlast. Die High Resolution Camera erreicht mit 115 mm Apertur 8 Meter Auflösung. Ich möchte mal wissen, wie man das jetzt alles nochmals deutlich kleiner machen und trotzdem gleichzeitig um eine Größenordnung bessere Auflösung herausholen will.

            Ich denke, man sollte Behauptungen, die im Internet auftauschen, einer Plausibilitätsprüfung unterziehen. Naturwissenschaftlich gebildete Menschen haben ja zum Glück das Rüstzeug dazu.

          • Martin Holzherr | Permalink

            Das Video, zeigt, dass der 3U-Satelliten einen Spiegel aus 4 Segmenten besitzt, die um die Hauptachse herum ausgefahren werden. Gänzlich unmöglich scheint mir die Behauptung nicht, wenn man solch einen faltbaren Spiegel verwendet. Das Webb-Space-Teleskop entfaltet den Hauptspiegel ebenfalls erst im Weltraum. Ein Segment des Webb-Space-Teleskops wiegt übrigens nur 20 Kilogramm und hat einen Durchmesser von 1.3 Meter.

          • Michael Khan | Permalink

            Das James Webb Space Telescope soll eine Winkelauflösung von mindestens 0.1 Bogensekunden erreichen. Das wären 0.5 Mikrorad. OK, das bezeht sich aber auf sehr viel größere Wellenlängen, deswegen hinkt der Vergleich etwas.

            Trotzdem sollte einem das zu denken geben. Allein das Spiegelsystem des JWST wiegt 625 kg und hat einen effektiven Durchmesser von mehr als 6 Metern. Der gesamte Satellit wiegt mehr als 6 Tonnen. Es sidn nämlich nicht die Spiegelsegmente allein, die zählen. Der Mechanismus, sie auszufahren und stabil zu halten. Was ist mit dem thermischen Ausgleich, sonst kann man die Fokussierung vergessen.

            Und hier reden wir mal eben davon, eine fast schon vergleichbare Leistung auf Schuhkartongröße zu komprimieren.

          • Martin Holzherr | Permalink

            Ein 12U Cubesat der ultraleichte Materialien und einen segmentierten Spiegel benutzt, kann 1m Auflösung aus 400 km Erdorbit heute knapp erreichen. Voraussetzungen wären
            1) 40 - 50 cm Apertur total, Gewicht aller Spiegelsegmente < 5 kg
            2) Sunshading für den Spiegel durch auffaltbare Solarzellen
            Datenübertragung, Elektronik, CCD konventionell aber jeweils kleinstmögliche Ausführung.

            Ein ultarleichter und hochpräziser Spiegel wird im Artikel Figure verification of a precision ultra-lightweight mirror:
            Techniques and results from the SHARPI/PICTURE mirror at NASA/GSFC
            vorgestellt.

            Das verlinkte Bild eines 12U Cubesats zeigt bereits wie man die Solarpanel so anordnen kann, dass ein Schirm entsteht, der den Spiegel vor direkter Sonneneinstrahlung schützt. Das Totalgewicht läge bei unter 20 Kilogramm.

          • Michael Khan | Permalink

            Ich denke, man sollte bei solchen Aussagen vorsichtig sein und den Konjunktive nicht weglassen, bis die Machbarkeit demonstriert wurde. Für mich als jemand, der doch schon einige Erfahrung in der Fotografie unter widrigen Umständen mitbringt, sowie einige Jahrzehnte Arbeitserfahrung in der Raumfahrttechnik, sind "ultraleicht" und "hochpräzise" Begriffe, die einander widersprechen - ich kenne das so: entweder man hat das eine oder man hat das andere.

          • Martin Holzherr | Permalink

            Cubesat-Flotten versprechen billige und fast lückenlose Erdobservierungen. Beispiel: heute gibt es eine engmaschige Feuerüberwachung (Waldbrände) aus dem Weltraum nur mit einer Auflösung von 4 Kilometern, Bilder höherer Auflösung zu diesem Zweck fallen dadegen nur ein bis zweimal im Tage an.
            Mit einer Flotte von auf 400km kreisenden 2'000 3U- Cubesatsatelliten, von denen jeder Bilder mit einer Auflösung von 10 Metern schiessen und sie mit einem 100 Megapixel Sensor aufnehmen kann, hätte man dadegen alle 10 Minuten ein Bild und eine vollkommene Abdeckung der ganzen Erdoberfläche. Damit könnte man Feuer schon erkennen, wenn sie noch ganz klein sind und sie in einem frühen Stadium bekämpfen. Und das beste daran, ein Satellit dieser Serie würde wohl nicht mehr als 100'000 Dollar kosten, der Gesamtpreis für das System läge somit bei 200 Millionen + den nötigen Raketenstarts. Da jeder Satellit aber so klein und leicht ist wären gar nicht so viele Satellitenstarts nötig. Man sieht: die Kombination von kleinen und standardiserten Satelliten mit einer Umstellung auf Flottenmissionen anstatt Einzelmissionen kann gute Resultate zu einem unschlagbaren Preis bringen.

          • Michael Khan | Permalink

            Gar kein Widerspruch. Aber da reden Sie von der Erde, nicht vom Mars. Ich wiederhole hier noch einmal meine Aussage vom 6. März:

            Cubesats kann man da einsetzen, wo man nicht viel navigieren muss und die Funkerei mit Kabeln drinnen im Satelliten und Stab-oder Patchantennen außen dran noch klappt. Bei niedrigen Bahnen um die Erde, noch unterhalb der Van-Allen-Gürtel alles kein Thema.

            Aber daraus kann man nicht ableiten, dass eine Flotte von Cubesats auf dem Mars ähnlich sinnvoll ist, es sei denn, man hat auf der Mars-Oberfläche UHF-Empfangsstationen. Ob es dann wirklich immer noch sinnvol ist, Cubesats im Orbit zu haben anstatt die entsprechende Masse in bessere Instrumente auf einem großen Satelliten zu investieren, ziehe ich nach wie vor in Zweifel.

          • Martin Holzherr | Permalink

            Nicht Cubesats, aber Planetsats wären eine Lösung für den Mars und andere Planetenmissionen. Mit anderen Worten: Standardisierung von Komponenten und eine Systemarchitektur, die von anfang an auf Erweiterungsmöglichkeiten angelegt ist, würde die Planetenforschung meiner Meinung nach voranbringen.

            Ein positives Beispiel ist das Interplanetary Internet, ein (Zitat)" a conceived computer network in space, consisting of a set of network nodes which can communicate with each other"

            Ein Bewusstsein für den Wert des Systemdenkens hat sich in unserer Zeit erst gerade herausgebildet. Das Systemdenken materialisiert sich heute nämlich in vielen Startups aus dem Silicon Valley, wie Airbnb, Uber, Google, Apple oder dem Konzept des selbstfahrenden Autos. Dabei geht es nicht mehr um ein einzelnes Gadget oder Produkt (vergleichbar einer einzelnen Mission im Weltraum), sondern darum den ganzen Weltmarkt mit einer neuen Technologie oder einem neuen Service aufzurollen und dazu ein ganzes Ökosystem von auf einander abgestimmten Leistungen und Produkten einzurichten (IPhone+ITunes+AppStore+ICloud)

            Die Weltraum- und Planetenforschung ist heute noch in der Phase der Einzelmissionen, in der die nächte Mission wenig von den vorhergehenden profitiert und wo es kein sich ständig erweiterndes Set von technologischen Fertigkeiten und von sich entwickelnden Weltraumtechnologien gibt. Vielleicht wird ja der Markteintritt von privaten Weltraumfirmen das ändern. Wenn Weltraumforschung und Weltraumaktivitäten zu einem evolvierenden technisch sich weiterentwickelndem Ökosystem werden, dann werden wir eine starke Beschleunigung erleben.

    • Hans Antworten | Permalink

      Ich stelle gerade fest, dass es doch immer wieder interessant und lehrreich ist, Diskussionen zwischen Ihnen beiden zu lesen. Da ist, salopp ausgedrückt (und ich entschuldige mich schon mal vorab) "der Träumer", der irgendwelche Quellen auftut und das alles ganz toll findet; auf der anderen Seite dann "der Praktiker", der erklärt, warum dieses oder jenes nicht funktioniert oder funktionieren kann. Und obwohl (oder vielleicht gerade weil) ich auch eher zur Kategorie "Träumer" gehöre, finde diesen Blog immer wieder lehrreich, weil er eben dazu anregt, doch mal genauer über die einzelnen Sachverhalte nachzudenken, die gerade mal angesprochen werden.
      So finde ich die CubeSats, von denen hier die Rede ist, z.B. auch schon sehr beeindruckend, - vor allem, wenn man bedenkt, dass ich mir unter CubeSat bisher meistens solche aus der "1-Liter-Klasse" vorgestellt habe. - Wahrscheinlich, weil das die am weitesten verbreitete Grösse ist. Von daher danke für den Hinweis, dass die in diesem Fall grösser sind. Dann sind sie zwar immer noch beeindruckend, aber nicht mehr so sehr.

      Was ich aber trotzdem noch seltsam finde, ist die Sache, das die relativ nahe am Triebwerk, bzw. an der Düse sitzen sollen. Selbst wenn man vermutet, dass sich der Träger bereits im Vakuum befindet, wenn diese Düse zum ersten mal zündet, finde ich die Position eher problematisch. Gibt es da noch weitere "Sachdienliche Hinweise" dazu?

  4. Michael Khan Antworten | Permalink

    @Martin Holzherr:

    Es ist am immer eine Frage der Stückzahlen. Natürlich ist es nicht wirklich effizient, für jede Mission in Jahren der Entwicklung eine maßgeschneiderte Mission hochzuziehen. Logisch wäre es, wenn es eine standardisierte Plattform gäbe, die es vielleicht in maximal zwei oder drei festgelegten "Geschmacksrichtungen gibt": große oder kleine Solargeneratoren, Ionenantrieb oder nicht, große oder kleine Hauptantenne. Alle Komponenten liegen im Regal.

    Der Systembus ist somit schnell zusammengestöpselt. Seine Eingeschaften sind weithin dokumentiert und liegen fest. Nur die Nutzlast wird je nach Anwendungszweck ausgetauscht, verwendet aber standardisierte mechanische, Power- und Daten-Interfaces.

    So ist das bei Erdsatelliten schon im Bereich der geostationären Nachrichtensatelliten und bei einigen kleinen Erdbeonachtungsplattformen. Wenn Sie beispielsweise einen Fernsehsatelliten bauen wollen und gehen zu Boeing oder zu Airbus oder Alcatel, dann drückt man Ihnen den Spezifikationskatalog einer der Standard-Plattformen in die Hand und Sie dürfen fleißig ankreuzen.

    Ich habe mir mal mit ein paar Kollegen gedacht, das müsste doch auch bei den mittelgroßen Wissenschaftsmissionen der ESA gehen. Wir haben einfach mal gesagt, das Ding muss immer 3 Tonnen Anfangsmasse vollgetankt haben und wird von einer Soyuz ins GTO gestartet. Von da kann man in hochexzentrische Bahnen, zum L2-Punkt, zum Mond, zum Mars, zu Asteroiden. Geht alles. Dann ist es uns sogar gelungen, eine Industriestudie genehmigt zu bekommen. Auch die hat bestätigt, dass sowas im Prinzip geht.

    Der erste Dämpfer war, dass Mars. Mond und Asteroidenmissionen, oder interplanetare und astronomische Missionen, doch relativ wenig Übereinstimmungen in den Anforderungen aufwiesen. Standardisierte Plattformen gehen aber nur, wenn die Anforderungskataloge für die Anwendungsfälle auch erhebliche Übereinstimmungen haben. "One size fits all", das geht bei BHs schon mal gar nicht, und bei Wissenschaftsmissionen auch nur bedingt.

    Wir mussten als zweiten Dämpfer auch feststellen, dass es einer beträchtlichen Anzahl von Missionen bedarf, damit am Ende wirklich Zeit und Geld gespart wird. Bei einer Vielzahl von Komponenten ist es so, dass die nach 7,8 Jahren nicht mehr am Markt sind, sondern durch andere ersetzt wurden. Das heißt aber, der "standardisierte Bus" ist gar kein solcher, seine Spezifikation ist ständig im Fluss und es ergeben sich erhebliche Unterschiede abseits von der wissenschaftlichen Nutzlast zwischen einer Mission und der nächsten. Wenn man nun die Spezifikation einfriert und die erforderlichen Komponenten auf Halde kauft, und in 7 Jahren 15 Plattformen oder mehr baut und einsetzt, dann macht das Sinn. Das aber ist realistischerweise nicht zu erwarten.

    • Hans Antworten | Permalink

      Das bedeutet also, das wissenschaftliche Missionen häufiger werden müssten, damit sich die Anforderungsprofile annähern und als weiteres müsste eine Spezifikation ab einem Zeitpunkt x für eine bestimmte Zeit festgeschrieben werden, damit sich die Sache lohnt. Sie schreiben 15+x Missionen in 7 Jahren, macht also 2,x Missionen pro Jahr, wobei man die Nachkommastelle im günstigsten Fall aufrunden kann. Also am besten 3 oder mehr Missionen pro Jahr. - Da muss ich ja trotz lebhafter Phantasie erst mal anfangen nachzudenken, bevor mir dazu was einfällt, wie man dieses Pensum erfüllen könnte... (Danach sprudeln die Ideen allerdings. ;-) *)
      Dann stellt sich natürlich die Frage, wie lange man eine Spezifikation festschreibt, bevor sie durch eine Neue ersetzt wird. Die Überarbeitung dürfte ja schon losgehen, wenn die als aktuell geltende Spezifikation gerade verabschiedet wurde. Als Vergleich dient mir da gerade der Standard der Programmiersprach C++, wo der eine noch nicht mal verabschiedet ist, wenn schon die Arbeit am nächsten losgeht. Bzw. einige Dinge erst gar nicht in den aktuellen Standard landen, sondern in den nächsten aufgeschoben werden. Möglicherweise würde es bei den Sat.-Missionen nicht ganz so krass, weil man in grösseren Zeiträumen planen muss, aber so ein Muster würde ich trotzdem erwarten.

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      *) Eine Idee wäre etwa, den Mars mit einem Netzwerk aus Satelliten ähnlich dem GPS-System zu überziehen, etwa mit aktualisierten Versionen von Mars Express (aber ohne zusätzliche Lander). Da der Mars kleiner als die Erde ist, würde man wohl auch mit 16 bis 20 Satelliten auskommen, schätze ich jetzt mal. Ein solches Netzwerk hätte dann auch den Vorteil, dass man eine Landung nicht nur so direkt verfolgen könnte, wie es die Signallaufzeit zulässt, sondern auch noch aus unterschiedlichen Perspektiven. - Evtl. könnten einige Satelliten dann auch die zwischendurch abgeworfenen Teile wie Hitzeschild und Bremsfallschirm beobachten, so dass man sie später nicht erst suchen muss.
      Etwas ähnliches bei der Venus wobei ich da allerdings nur drei oder vier als Relaisstation dienende Satelliten in den Geo-Orbit der Venus schicken würde, und die Oberfläche mit Ballon oder Zeppelinmissionen untersuchen würde, die sich unterhalb der Wolkendecke, aber immer noch in grosser Höhe aufhalten. - Wie Eugen Reichel ja mal geschrieben hat, sind die Temperaturen und der Druck da noch nicht so extrem wie am Boden.
      Sowas könnte man jetzt noch für die übrigen Planeten weiter spinnen, wobei sich dann aber auch die Frage stellt, wie gross die Missionen bei den Gasplaneten werden müssen und vor allem wie man das Transportproblem löst? - Denn immerhin braucht man da ja auch wieder einiges an Treibstoff zum abbremsen und in die Umlaufbahn einzuschwenken...

      Und unsere (ur-)Enkel schicken eine solche Mission dann zum Plutosystem... :-D

      • Michael Khan Antworten | Permalink

        Standardisierung macht da Sinn, wo die Anwendungen wirklich ähnlich sind. Bei Nachrichtensatelliten ist das ganz sicher der Fall. Bei der Erdbeobachtung sicher auch. Und noch bei ein paar anderen Anwendungen.

        Bei planetaren Mission geht es aber schon los.

        Marssonden sollen Aerobraking können. Das ist ein erheblicher Einflussfaktor für die Auslegung. Mondsonden und Asteroidensonden brauchen die Funktionalität nicht.

        Venus-Sonden ist permanent zu heiß. Marssonden und allen, die noch weiter raus sollen, ist praktisch immer zu kalt. Erd- und Mondsonden kann entweder zu heiß oder zu kalt sein, je nachdem.

        Sonden zu den Gasplaneten und weiter hinaus kommen mit Solargeneratoren nicht aus. Sonden ins innere Sonnensystem dagegen schon.

        Jupitersonden haben erhebliche Anforderungen an die Strahlungsfestigkeit. Diese Anforderung zieht sich durch den ganzen Entwurf. Bei anderen Sonden gibt es da keine besonderen Anforderungen.

        Saturnsonden werden besondere Schutzvorkehrungen gegen Staubimpakte brauchen. Andere Raumsonden kaum. Auch wieder so eine Anforderung die alles andere vor sich her treibt.

        Die Auslegungslebensdauer: Bei Mond- und Asteroidensonden reicht ein Jahr. Bei marssonden 2-3 Jahre. Bei Jupitersonden 6-8 Jahre. Bei Saturn und Konsorten 10-30 Jahre. Das macht beim Aufbau der Sonde enorm viel aus.

        Und so weiter. Deswegen ist das hier mit der Standardisierung des Bus eigentlich aussichtslos.

        • Hans Antworten | Permalink

          Zuerst einmal besten Dank für die Auflistung der besondern Anforderungen bei den einzelnen Planeten. Aber zu meinem Szenario fällt mir darauf ein, dass man dann halt einen Standardbus für die einzelnen Planeten entwickelt. Denn mein Szenario, sieht ja viele Satelliten vor, die jeweils um einen Planten kreisen, so dass sich eine planetenspezifische Standardisierung eigentlich lohnen müsste. Wenn also etwa beim Jupiter die besonders hohe Strahlungsfestigkeit gefordert ist, dann kann man einen Bus für einen Satelliten, der den Planet polar umkreisen soll, doch auch für einen Satelliten verwenden, der einen der Monde umkreist.
          Für alle Sonden zu den Gasplaneten oder ihrer Umgebung sieht man RTGs oder ähnliches vor, womit die Energieversorgung sicher gestellt wird. Also ich denke, teilweise wird sich da sicher was standardisieren lassen. Dann kann man natürlich fragen, inwieweit man es überhaupt noch mit einem Standard zu tun hat, aber das wäre mMn Erbsenzählerei, wo sie nicht nötig ist.
          Wäre schliesslich noch die Frage, inwiefern das Szenario wissenschaftlich Sinnvoll ist? - Aber darüber kann ich nur spekulieren, deshalb lass ich das grundsätzlich mal dahin gestellt. Es geht ja schliesslich um Grundlagenforschung und da weis man ja bekanntlich nie, ob bzw. was man mit den Erkenntnissen am Ende anfangen kann.

          Zuletzt würde mich dann noch interessieren, für welche anderen Anwendungen, ausser Nachrichten- und Erdbeobachtungssatelliten, Sie eine Standardisierung für sinnvoll halten?

          • Michael Khan | Permalink

            Es gibt halt immer zwei Fragen: Erstens: wie weit lässt sich eine Plattform standardisieren und zweitens: wie oft wird eine standardisierte Plattform genutzt.

            Ich denke schon, dass man eien standardisierte Plattform für Jupitermissionen oder für Gasriesen entwickeln könnte, aber wenn es dann in 15 Jahren nur drei Anwendungen für die Plattform gibt, weiß ich nicht ob der Break-Even erreicht wird, d.h., on die Mehrkosten für die Erstentwicklung der standardisierten Plattform über die aufsummierte Reduzierung der wiederkehrenden Kosten für jede Mission wieder hereingeholt wird.

            Bei Nachrichtensatelliten, Navigationssatelliten und Erdbeobachtungssatelliten ist die Sache klar.

            Ich hätte nichts dagegen, wenn es Dutzende interplanetarer Misionen gäbe und für jede diese Missionen jeweils ein Kampfflugzeug weniger gebaut und eingesetzt würde, aber meine Meinung zu diesem Thema hat wahrscheinlich bei denen, die so etwas entscheiden, wenig Gewicht.

          • Hans | Permalink

            Ach ja, die Frage, wie oft eine Plattform genutzt wird. - Die hatte ich wohl verdrängt...

            Ich hätte nichts dagegen, wenn es Dutzende interplanetarer Misionen gäbe und für jede diese Missionen jeweils ein Kampfflugzeug weniger gebaut und eingesetzt würde,

            Da stimme ich Ihnen voll und ganz zu.

            aber meine Meinung zu diesem Thema hat wahrscheinlich bei denen, die so etwas entscheiden, wenig Gewicht.

            Wahrscheinlich. Und meine Meinug zählt bei den Leuten wohl noch weniger...

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