Keine Lobby für Uranus

Der Planet Uranus war in den frühen sechziger Jahren kein realistisches Ziel für eine direkte Erkundung durch Raumsonden. Mit einem chemischen Antrieb dauerte die Reise über ein Jahrzehnt, sie erforderte eine riesige Trägerrakete und selbst dann konnten nur winzige Nutzlasten transportiert werden. Uranus, so war der Konsens, war nur mit irgendeinem zukünftigen, fortschrittlichen Antriebssystem, beispielsweise auf nuklearer Basis, zu erreichen. Doch dann machte jemand eine Entdeckung…

Uranus, gesehen vom Hubble-Space Telescope

Im Jahre 1965 beschäftigte die NASA einen Werkstudenten namens Gary Flandro, dem eine Anordnung der äußeren Planeten auffiel, die sich nur alle 176 Jahre ereignet. Mit Hilfe dieser besonderen Konstellation, so Flandros Überlegung, könnte es möglich sein, gegen Ende der 70iger Jahre eine Raumsonde zunächst zum Jupiter zu schicken, dort mit Hilfe der Schwerkraft des Riesenplaneten "Schwung" zu holen und danach den wie an einer Perlenkette aufgereihten äußeren Planeten bei einem schnellen Vorbeiflug einen Besuch abzustatten. Die Flugzeit wäre dank der Unterstützung Jupiters auf wenige Jahre begrenzt und lag damit in der technischen Lebensdauer damaliger Raumfahrzeuge.

Im Jahr 1969 begann die NASA mit der Ausarbeitung einer Mission, die sie als "Grand Tour" bezeichnete. Der Plan sah den Bau von insgesamt vier Sonden vor, die im Rahmen einer etwa zehnjährigen Reise alle äußeren Planeten besuchen sollte.

Für die "Grand Tour" gab es eine ganze Reihe von Szenarien aber das bevorzugte Modell sah in etwa so aus: Start der ersten beiden Raumfahrzeuge an Bord einer Saturn 1b-Rakete im August 1977. Vorbeiflug am Jupiter im Januar 1979, am Saturn im August 1980 und am Pluto (der damals noch den ehrenwerten Status eines Planeten hatte) im Dezember 1985. Das zweite Sondenpaar sollte die Erde im November 1979 verlassen und im März 1981 den Jupiter erreichen. Die Bahnumlenkung am Jupiter hätte diese beiden Sonden dann Im Februar 1985 zum Uranus gebracht. Ein Vorbeiflug am Neptun im Februar 1988 hätte die "Grand Tour" vervollständigt.

Zu dieser Zeit begann allerdings schon der Niedergang von der kurzen Blüte der US-Raumfahrt. Die NASA befand die Mission als technisch zu anspruchsvoll und zu teuer. Sie hätte damals 900 Millionen Dollar gekostet, etwa 5 Milliarden nach heutigem Kurs.

Für eine Zeit verschwand der Plan aus der öffentlichen Diskussion. NASA-intern wurde er aber weiter entwickelt und tauchte 1972 wieder auf. Die US-Raumfahrtbehörde plante jetzt nur noch mit zwei Sonden des bewährten Mariner-Typs, welche ein Startfenster im Jahre 1977 wahrnehmen sollten. Die Mission wurde auf den Namen "Mariner Jupiter-Saturn 77" getauft. Sie sollte eine Flugzeit von vier Jahren umfassen und zusammen 250 Millionen Dollar kosten. Uranus und Neptun waren in diesem Szenario nicht mehr enthalten.

Im Versuch, soviel wie möglich von der ursprünglichen Grand Tour zu retten, vergab die NASA etwa um diese Zeit auch Studienaufträge für eine dritte Mariner-Mission mit der Bezeichnung "Mariner Jupiter-Uranus 79". Sie sollte mit verbesserten Instrumenten ausgerüstet werden und beinhaltete zum Schluss sogar eine Uranus-Atmosphäreneintrittssonde als Piggyback-Raumfahrzeug, ähnlich wie später die Jupitersonde Galileo und noch später Cassini/Huygens. Mit zunehmender Komplexität stiegen die Kosten, das US-Raumfahrtbudget befand sich nun endgültig im freien Fall, und so wurde Uranus erneut gestrichen.

Nicht lange vor dem Start von "Mariner Jupiter-Saturn 77" wurden die beiden Raumsonden in "Voyager" umbenannt. Das war auch in etwa der Zeitpunkt, an dem die Projektplaner erkannten, dass die die Uranus-Mission doch noch eine kleine Chance hatte, denn ihre Bahnberechnungen ergaben, dass eine der beiden Voyagers nach dem Vorbeiflug am Saturn mit Hilfe der Schwerkraft des Ringplaneten auf eine Bahn zum Uranus umgelenkt werden konnte.

Ob es aber dazu kommen konnte hing vom Saturnmond Titan ab. Titan war für die Voyagers ein Ziel mit absoluter Top-Priorität. Das Problem bestand darin, dass es keine Flugbahn gab, die es erlaubte, sowohl Titan aus der Nähe zu inspizieren, als auch in der Folge eine solche Bahnumlenkung durch die Saturn-Schwerkraft zu erfahren, dass Uranus hätte erreicht werden können.

Schließlich fällte man ein salomonisches Urteil: Für den Fall, dass die erste Voyager im November 1980 am Titan erfolgreich war, sollte das zweite Fluggerät im August 1981 so durch das Saturn-Mondsystem gelenkt werden,  dass es in der Lage wäre im Januar 1986 den Uranus zu erreichen. Sollte aber Voyager 1 am Titan scheitern, dann würde man mit der zweiten Sonde einen erneuten Versuch unternehmen, den großen Saturnmond zu untersuchen. Der Weiterflug zu Uranus wäre dann nicht mehr möglich gewesen.

Voyager 2 startete zuerst, am 20. August 1977 und der Start verlief glatt, sieht man von einem kleinen Problem mit einem Sensor an Bord der Sonde ab. Voyager 1 folgte am 5. September 1977 und auch hier verlief zunächst alles planmäßig. Das Raumfahrzeug hatte bereits die Marsbahn gekreuzt, als am 5. April 1978 ohne Vorwarnung der Hauptempfänger zu überhitzen begann, worauf der Bordcomputer auf die Reserveeinheit umschaltete. Doch auch die wies ein schwerwiegendes Problem auf. Der Kondensator, welcher die durch den Dopplereffekt verursachte Phasenverschiebung ausgleichen sollte, war defekt. Der Empfänger konnte sich nicht auf das Funksignal von der Erde aufschalten.

Als die Controller auf den angeschlagenen Hauptempfänger zurückschalteten erlitt der eine Überspannung, eine Röhre brannte durch, und dann war er endgültig tot.

Eine Woche lang bestand kein Kontakt mehr zu Voyager 2, dann hatten die Ingenieure auf der Erde ein Verfahren entwickelt, der Sonde ein phasenverschobenes Signal zu senden. Aber mit einem defekten Reserveempfänger und einem komplett ausgefallen Hauptempfänger war die Mission aufs Höchste gefährdet.

In den kommenden Wochen arbeitete die Bodencrew ein Programm aus, mit dem Voyager, sollte sie künftig ganz auf sich gestellt sein und keine Anweisungen von der Erde mehr empfangen können, eigenständig ein Minimalforschungsprogramm ausführen konnte.

Mitte Oktober 1978 war die Software fertig und zur Raumsonde gesendet. Voyager 2 kränkelnder Empfänger hatte sie akzeptiert. Zumindest eine reduzierte Basismission war nun wieder möglich, die Fortsetzung in Richtung Uranus schien jedoch aussichtslos.

Doch als die Monate und schließlich Jahre vergingen, und der defekte Reserveempfänger weiterhin Nachrichten von der Erde empfing, wuchs die Hoffnung erneut. In der  Zwischenzeit hatte man auch das Verfahren perfektioniert, auf welcher Frequenz man die Kommandos an Voyager 2 senden musste, damit sie der Empfänger dort akzeptierte.

Die Jupiterpassagen von Voyager 1 und 2 am 5. März 1979 und am 9. Juli 1979 waren ein voller Erfolg. Danach waren beide Sonden auf dem Weg zum Saturn, den Voyager 1 am 13. November 1980 erreichte. Die Sonde erfüllte alle Missionsziele einschließlich der wichtigen Titan-Passage. Damit war Voyager 2 frei für den Uranus. Zu dieser Zeit waren die Controller schon zuversichtlich genug, um sogar noch eine Weiterführung der Mission zum Neptun zu ins Auge zu fassen. Den würde man im August 1989 erreichen. Dann hätte man, ein dutzend Jahre nach dem Start der Voyagers, mit Ausnahme Plutos alle Ziele der ursprünglichen Grand Tour besucht.

Am 25. August 1981 überflog Voyager 2 den Saturn in einem Abstand von nur 101.000 Kilometern. Bis 100 Minuten nach dem geringsten Abstand funktionierte alles prächtig, dann blieb die bewegliche Kameraplattform stecken und alle für die Abflugphase ausgesuchten Ziele konnten nicht mehr beobachtet werden. Fast die Hälfte der Saturn-Bilddaten von Voyager 2 war damit verloren. Allerdings war der Fehler schnell gefunden. Die Drehraten im Bewegungsmechanismus waren bei bestimmten Winkeln so hoch gewesen dass es die Schmierung der Plattform überforderte.

Neben technischen Problemen waren jetzt Anforderungen zu bewältigen, an die man bei der Planung der ursprüngliche Voyager-Mission nicht gedacht hatte. Für den Fall eines erneuten Ausfalles der Kameraplattform wurde ein Programm geschrieben, mit dem in diesem Fall die gesamte Raumsonde auf ein Ziel ausgerichtet werden konnte. Es wurde ermittelt, dass die Sonde etwa 150 dieser Rollmanöver durchführen konnte. Sollte diese Option aber erforderlich werden, dann würde dies auf Kosten der Neptun-Mission gehen.

Dann mussten die schwächeren Beleuchtungsverhältnisse am Uranus in Betracht gezogen werden. Die Belichtungszeiten waren jetzt viermal länger als beim Saturn-Vorbeiflug. Das bedeutete, dass die Driftrate der Raumsonde herabgesetzt werden musste, damit die Bilder nicht verschmierten. Voyager durfte nun nicht mehr als eine halbe Bogenminute pro Minute bewegen, ein Wert, der viermal besser sein musste als am Saturn.

Die Hauptmenge der Daten lief bei der Uranus-Passage nicht mehr über die Großantennen in Goldstone und in Madrid ein, sondern auf der Südhalbkugel der Erde. Das bedeutete einen aufwendigen Umbau der Anlage des Deep Space Networks in Canberra. Die maximale Übertragungsrate vom Uranus war nur noch halb so hoch, wie die, mit der Voyager 2 noch vom Saturn senden konnte. Speicherplatz an Bord der Sonde war aber extrem begrenzt. Der bislang unbenutzte Reserve-Computer wurde zum Bildbearbeitungsgerät umfunktioniert. Um eine größtmögliche Datenmenge zur Erde übermitteln zu können, wurde ein neues Kompressionsverfahren entwickelt, das mit 40 % des bisherigen Speichervolumens auskam. All das und noch vieles mehr wurde in den viereinhalb Jahren bewältigt, die Voyager 2 für die Reise vom Saturn zum Uranus benötigte.

Am 4. November 1985 begann die Beobachtungssequenz noch aus großer Entfernung. Im Dezember entdeckte die Raumsonde ihren ersten damals noch unbekannten Mond. Er bewegte sich innerhalb der Bahn von Miranda, und erhielt später den Namen Puck. Voyager 2 fand in den nächsten Tagen noch neun weitere bislang unbekannte Monde.

Am 24. Januar 1986 flog Voyager 2 in die Magnetosphäre von Uranus ein, die sie selbst erst fünf Tage zuvor entdeckt hatte. Eine Stunde vor der größten Annäherung an Uranus passierte sie den Mond Miranda in nur 29.000 Kilometer Abstand. Danach überflog das Raumfahrzeug den Riesenplaneten nur 81.600 Kilometer über der Wolkenobergrenze. Die Flugbahn wurde wie geplant in Richtung Neptun umgelenkt. Am Ende ergab der Vorbeiflug von Voyager 2 eine Ausbeute von 7.000 Bildern und einer großen Menge wissenschaftlicher Daten.

Bis zum heutigen Tag ist die Passage von Voyager 2 der einzige Besuch eines Raumfahrzeugs am Planeten Uranus geblieben. In den 25 seither vergangenen Jahren gab es immer wieder Pläne für weitere Missionen zu den äußeren Gasriesen. Keine davon kam je über das Planungsstadium hinaus. Dabei sind Uranus und Neptun mit ihren komplexen Mond- und Ringsystemen kaum weniger interessant als Saturn.

Eine zukünftige Mission würde man nicht auf einen simplen Vorbeiflug, der in wenigen Stunden absolviert ist, beschränken wollen. Aber bereits eine einfache Orbitmission würde heute mehr als eine Milliarde Dollar kosten. Damit hätte sie im US-Raumfahrtprogramm den Status einer Flagship-Mission. Für Russland und China wäre eine solche Mission derzeit außerhalb der technologischen Reichweite. Für Europa kommt sie überhaupt nicht in Frage, denn hier ist das Thema der dafür notwendigen Energieversorgung mittels Radioisotopengeneratoren ein Thema das man weiträumig meidet.

Hinzu kommt ein weiterer Komplexitätsfaktor: Die Möglichkeit der Schwerkraft-Unterstützung durch den Jupiter, wie sie bis etwa 2019 bestünde, kann wegen der bis dahin zu kurzen Planungs- und Bauzeit nicht mehr wahrgenommen werden. Dies bedeutet lange Beschleunigungsphasen im inneren Sonnensystem entweder mit Gravity-Assists an Venus, Erde und Mars oder der Verwendung einer Solar-Elektrischen Antriebsstufe oder einer Kombination aus beidem. In keinem Fall beträgt die Flugzeit aber weniger als 13 Jahre. Erst dann könnte am Ziel die eigentliche Mission beginnen.

Am Uranus selbst wäre wahrscheinlich ein riskantes Aerocapture-Manöver in der oberen Uranus-Atmosphäre nötig, um für die notwendige Abbremsung zu sorgen, will man vermeiden, große Mengen an Treibstoff für den Zweck der Einbremsung in die Orbitalbahn mitzunehmen (mit der ihr eigenem Risiko, dass ein chemisches Antriebssystem nach 13 Jahren Flugzeit in inaktivem Zustand möglicherweise nicht mehr funktioniert.

Uranus hat keine Lobby. Und so wird, fürchte ich, dieser hoch interessante Planet mit seinem Mondsystem für eine weitere Generation außerhalb unserer Reichweite bleiben.

Uranus mit einigen seiner Monde – Aufnahme Voyager 2 

Ich bin Raumfahrt-Fan seit frühester Kindheit. Mein Schlüsselerlebnis 1963. Ich lag mit Masern im Bett. Und im Fernsehen kam eine Sendung über Scott Carpenters Mercury-Raumflug. Dazu der Kommentar von Wolf Mittler, dem Stammvater der TV-Raumfahrt-Berichterstattung. Heute bin ich im "Brotberuf" bei Airbus Safran Launchers in München im Bereich Träger- und Satellitenantriebe an einer Schnittstelle zwischen Wirtschaft und Technik tätig. Daneben schreibe ich für Print- und Onlinemedien, u.a. für Astronomie Heute, Raumfahrt Concret und vor allem für mein eigenes Portal, "Der Orion", das ich zusammen mit meinen Freundinnen Maria Pflug-Hofmayr und Monika Fischer betreibe. Ich trete in Rundfunk und Fernsehen auf, bin Verfasser und Mitherausgeber des seit 13 Jahren erscheinenden Raumfahrt-Jahrbuches des Vereins zur Förderung der Raumfahrt (VFR). Aktuell erschien in diesen Tagen beim Motorbuch-Verlag "N1 - Moskaus Mondrakete". Bei diesem Verlag sind in der Zwischenzeit insgesamt 16 Bücher von mir erschienen, zwei davon werden inzwischen auch in den USA verlegt. Daneben halte ich etwa 20 mal im Jahr Vorträge bei den verschiedensten Institutionen im In- und Ausland. Mein Leitmotiv stammt von Antoine de Saint Exupery: Wenn du ein Schiff bauen willst, dann trommle nicht Menschen zusammen, um Holz zu beschaffen, Werkzeuge zu verteilen und Arbeit zu vergeben, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten unendlichen Meer. In diesem Sinne: Ad Astra

3 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Sehr spannend

    Ich würde mich selbst als an der Raumfahrt sehr interessiert beschreiben, aber wie spannend, ja Filmreif, die Missionen der beiden Voyagersonden war, wusste ich bis zum heutigen Tag nicht.

    Vielen Dank!

  2. Voyager Rules!

    Ich freue mich, dass die Voyager-Missionen in diesem Artikel gewürdigt werden – sie waren kühn, sie schoben die Grenzen der Technologie ein ganzes Stück weiter hinaus und vor allem brachten sie Wissen, dort wo vorher keins war. Nicht nur in Bezug auf die äußersten Planeten, auch schon zu den Systemen von Jupiter und Saturn. Die Voyagers sind mein Favorit, wenn es um interplanetare Missionen geht.

    Auch für technisch nicht vorbelastete Leser ist Folgendes Buch interessant und lesenswert:

    Reiner Klingholz: Marathon im All: Die einzigartige Reise des Raumschiffes Voyager 2. Westermann Verlag, Braunschweig 1989, ISBN 3-07-509233-9

    Was die zukünftige Untersuchung von Uranus und Neptun angeht, so wird es in der Tat noch etwas dauern, bis es einen Orbiter geben wird, analog zu Galileo (am Jupiter) oder Cassini (am Saturn).

    Gerade bei Uranus stellt sich ja das besondere Problem, dass die Neigung des Planeten relativ zu seiner Bahnebene so hoch ist, dass es mit der am Jupiter und Saturn erprobten „Tour“-Technik – d.h., mit einer Serie von Swingbys an den Monden, um die Bahn während der wissenschaftlichen Phase zu modifizieren, bis auf einige Zeitfenster im Uranus-Jahr schwierig bis unmöglich ist.

    Zudem hat Uranus auch keine großen Monde, die man für eine solche Tour nutzen könnte. Selbst Titania mit ihren knapp 1600 km Durchmesser ist da schon etwas grenzwertig.

    Neptun ist da vorteilhafter. Seine Rotationsachse ist kaum geneigt, und außerdem hat er einen großen Mond, Triton, der mit 2700 km Durchmesser gut für planetare Touren geeignet ist.

    Man hat also am Uranus nicht nur das von Eugen beschriebene Problem, wie man in vertretbarer Zeit hin kommt. Man hat dann auch noch das Problem, nach dem man (in der Tat am besten per Aerocapture) den Einfang bewerkstelligt hat, die wissenschaftliche Phase hinbekommt. Zwei solcher probleme – das ist dann schon etwas heftig.

    Allerdings bietet sich neben der klassischen planetaren Missionen auch die Möglichkeit einer atmosphärischen Eintrittssonde. So etwas ist erst beim Jupiter im Rahmen der Galileo-Mission realisiert worden. Eine ähnliche Sonde könnte man auf einem realitiv kleinen Träger zum Uranus oder Neptun schicken. Der Träger müsste als Datenrelais fungieren, wenn die Eintrittssonde in die Atmosphäre eintritt. Danach wäre die Mission beendet. Für die NASA wäre da sie ja immerhin so eine Eintrittssonde schon entwickelt hat, eine derartige Mission nicht besonders schwierig.

    Wenn es keinen Orbiter gibt, wäre das doch immerhin besser als gar nichts. ich schreibe demnächst dazu mal einen Artikel.

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