So geht’s zu Ceres
Der Zwergplanet 1/Ceres ist nicht einfach zu erreichen. Wie man es auch dreht und wendet, es wird immer ein langer Flug und ein großes Delta-v, und damit ein hoher Treibstoffanteil. Dennoch ist Ceres erreichbar, sowohl (wenn auch marginal) mit konventionellem, als auch mit elektrischem Ionenantrieb.
Bei der wissenschaftlichen Konferenz ISSFD 2024 wird eine Arbeit vorgestellt, die mögliche Transfers einer großen Ceres-Sonde detailliert untersucht (PDF). Im Folgenden nehme ich auf den Inhalt dieser Arbeit Bezug.
Warum zu Ceres fliegen?
Die kleine NASA-Raumsonde DAWN wurde 2007 gestartet und erreichte den Zwergplaneten im März 2015, nachdem sie bereits ein Jahr am Asteroiden 4/Vesta zugebracht hatte. Es war schon seit langem bekannt, dass es auf Ceres auffallend helle Regionen gab, deren Existenz man sich jedoch nicht erklären konnte. DAWN führte erstmals Beobachtungen aus einer Bahn um Ceres durch.
Zwei helle Regionen im Einschlagkrater Occator wurden genau kartiert. Mit dem “Visual and Infrared Spectrometer”(VIR) konnte die Materialzusammensetzung bestimmt werden – die Helligkeit kommt vom hohen Gehalt an Natriumcarbonaten. Das Neutronenspektrometer des GR/NS-Instruments bestimmte den Hydrierungsgrad von Gestein. Damit konnte man eine erhöhte Präsenz von Wassereis feststellen (Mehr dazu hier (kurz, kostenlos) und hier (lang, Paywall)). Die angenommene Erklärung für diese Messungen ist, dass es unter der Oberfläche einen ausgedehnten Salzwasservorrat gab und möglicherweise noch gibt.
Ceres könnte also die der Erde nächstgelegene Ozeanwelt sein. Danach kommen die Jupitermonde Europa und Ganymed und die Saturnmonde Titan und Enceladus (und vielleicht ein paar andere). Also ein für Planetologen und Exobiologen hochinteressanter Himmelskörper.
Transfers von Erde und Mars zu Ceres
Der Blick auf die Pork-Chop-Plots offenbart das grundlegende Problem. Beim Flug direkt von der Erde zu Ceres ist die Ankunftsgeschwindigkeit immer mindestens 5 km/s, oft auch deutlich mehr. Wegen der geringen Masse und deswegen niedrigen Geschwindigkeit auf einer Bahn um Ceres muss man davon ausgehen, dass das impulsive Einschussmanöver in die Bahn um Ceres fast genau so groß ausfallen wird. Bei Transfers vom Mars dagegen gibt es durchaus einige Gelegenheiten mit Ankunftsgeschwindigkeiten um 3 km/s. 5 km/s sind indiskutabel, 3 km/s zwar immer noch hoch, aber vielleicht gerade noch machbar.
Mit konventionellem Antrieb zu Ceres
Ohne einen oder mehrere Swingbys an Mars geht es nicht, wie wir gerade gesehen haben. Man muss nun auch noch geeignete Erde-Mars-Transfers finden, die zu einer der Gelegenheiten für die Weiterflüge zu Ceres passen. Eine gefundene Lösung stelle ich hier vor. Sie beinhaltet zwei Mars-Swingbys. Wie die Trajektorie berechnet wurde, werde ich an dieser Stelle nicht erläutern.
Start ist im November 2041 mit einer Fluchtgeschwindigkeit von 3.5 km/s. Die Marsvorbeiflüge (beide im Mindestabstannd von etwa 300 km) liegen im Dezember 2042 und Oktober 2045. Die Ankunft bei Ceres ist im Dezember 2046, mit einer Relativgeschwindigkeit von knapp 3.2 km/s. Auf dem Weg fallen weitere Manöver von etwa 250 m/s an. Das gesamte Delta-v liegt also bei fast 3.5 km/s, zuzüglich etwaiger Manöver in der Bahn um Ceres plus Bahnkorrekturen während des Transfers. Rund 70% der Startmasse entfallen also auf Treibstoff, nochmals etwa 10% auf die Hardware des Antriebssystems. Da bleibt nicht mehr sehr viel für den ganzen Rest, Struktur, Solargeneratoren, Funkanlage, Instrumente …
Die Transferdauer ist mit 5 Jahren beträchtlich. Wenn man wie üblich eine nominelle (Baseline) und eine Backup-Mission haben will, kann man es sich einfach machen und die obige Lösung als Backup deklarieren. Baselien wäre dann eine 6-Jahresmission mit Start bereits im November 2040 und einem Erd-Swingby im November 2041, danach geht’s dann weuter wie oben beschrieben. Ähnliche Szenarien lassen sich auch in früheren oder späteren Jahren finden.
Mit Ionenantrieb zu Ceres
Der Zwergplanet 1/Ceres ist an der oberen Grenze der noch mit rein solarelektrischem Antrieb erreichbaren Zone im Sonnensystem.
Die Bahn von Ceres hat ein Aphel von knapp 3 AE (AE=Astronomische Einheit = 149.6 Millionen km) und ein Perihel von 2.55 AE, mit einer Inklination von 10.6 Grad gegenüber der Ekliptik. Gerade letzterer Punkt trägt erheblich zu der Schwierigkeiten bei, eine akzeptable Transferbahn zu finden.
Man muss unbedingt die Abnahme der verfügbaren Energie mit dem Quadrat der Entfernung von der Sonne in der Transferanalyse berücksichtigen, sonst kommt man nicht zu einer realistischen Lösung. Das ist generell die Crux mit solarelektrischen Antrieb im Sonnensystem. Bei über 2.5 bis maximal 3 AE Sonnenabstand ist ihr Einsatz nicht mehr sinnvoll.
Die Sonde benötigt auf jeden Fall große Solargeneratoren. In der verlinkten Arbeit wurden Solargeneratoren mit einer Leistung von 23 kW bei 1 AE angenommen. Bei 3 AE wären es noch mehr als 2.5 kW, genug zum Betrieb eines auf dem Hall-Effekt aufbauenden elektrischen Triebwerks mit einem Schub von 80 mN. Für die näher an der Sonne gelegenen Schubphasen kommen elektrostatische Triebwerke mit höherem spezifischen Impuls und damit höherer Effizienz, aber auch deutlich höherer Leistungsaufnahme infrage.
Die detaillierte Analyse der möglichen Lösungen hat gezeigt, dass wie mit den Transfers mit konventionellem Antrieb auch hier mindestens ein Mars-Swingby erforderlich ist. In diesem Fall findet man Transfers mit einer Dauer von 5.5-7.5 Jahren und einem Delta-v von 6-8 km/s. Das klingt zwar im Vergleich zur oben beschriebenen Option mit konventionellen Antrieb nach sehr viel, führt aber dank der bei Ionenantrieb viel höheren Ausstoßgeschwindigkeit noch zu verkraftbaren Treibstoffanteilen.
Ganz ohne Swingbys ist die Transferdauer zwar mit 5-7 Jahren etwas kürzer, aber das Delta-v steigt mit bis zu 11 km/s auf schwindelerregende Höhen. Wenn man Erd-Swingbys zulässt und Transferdauern von 9-11 Jahren akzeptiert, kostet es 7.5-9.5 km/s. Mars-Swingbys müssen also sein.
Diese Grafik zeigt die für Ionenantrieb typische Spiralbahn mit den üblichen langen Schubphasen, hier mit einem Mars-Swingby. Es wurde immer von einem Start mit der Ariane 62-Rakete mit einer Anfangsmasse von maximal 2.8 Tonnen ausgegangen. Damit erlaubt die obige Transferstrategie eine Masse von mehr als 2 Tonnen in der niedrigen Zielbahn um Ceres. Das ist trotz der erforderlichen großen und schweren Solargeneratoren ausreichend, um der Sonde noch ein knapp 600 kg schweres Landegefährt mitzugeben, das in einem der wissenschaftlich interessanten Gebiete im Krater Occator niedergehen und dort die Zusammensetzung der hellen Mineralien in situ untersuchen könnte. Ein Lander mit längerer Lebensdauer müsste selbst Strom erzeugen können, beispielsweise mit einem Radioisotopengenerator. Dann hätte er aber deutlich mehr Masse als 600 kg.
Die Suche nach einer stabilen, niedrigen Bahn um Ceres, von der aus der Lander abgesetzt werden kann, ist durchaus auch ein interessantes und keineswegs triviales Thema. Dazu steht in der verlinkten Arbeit etwas mehr.
Einen schön durchdachten Plan haben Sie da vorgestellt. Die dafür veranschlagte Lesezeit von sechs Minuten reicht allerdings nicht aus, weil man ein bisschen braucht, um das Ganze nachzuvollziehen. Ich wollte mich dann noch auf der Webseite der NASA informieren, ob denn die vorgeschlagene Missionskonzeptstudie vorsieht, eine Raumsonde auszusenden. Dort stand jedoch: „The cosmic object you were looking for has disappeared beyond the event horizon.“ Ich hoffe, die Scherzkekse finden Ceres irgendwann wieder. 🙂
Ich weiß auch nicht, wie das System auf 6 Minuten kommt. Ich nehme an, das zählt nur die Buchstaben und dividiert durch einen vogegebenen Faktor. Es freut mich natürlich, dass Sie sich die Mühe machen, das Ganze nachzuvollziehen.
Eine kurze Erklärung der Vorgeschichte wäre vielleicht von Interesse: Vorschläge für Missionen, sei es zu Ceres, sei es anderswohin, werden von Wissenschaftlern eingereicht. In diesem fall von Planetologen, für andere Arten von Missionen von Astronomen, Kosmologen oder anderen Fachleuten. Die Vorschläge sind dabei in der Regel die Antwort auf Ausschreibungen von Raumfahrtagenturen. In solchen Ausschreibungen werden schon Rahmenbedingungen festgelegt, beispielsweise der Kostenrahmen oder das ungefähre Startjahr.
Man würde sich wünschen, dass auch Vorgaben zur wissenschaftlichen Zielsetzung gemacht würden. Schließlich wird die organisierende Raumfahrtagentur ja eine Vision haben, wie sich die ausgeschriebene Mission in die Kette der Vorgänger- und Nachfolgemissionen einreiht.
Wenn man so einen eingereichten Missionsvorschlag durchliest, dann erscheint der meist sehr unausgewogen. Ein Drittel beschreibt, warum genau dieses Ziel wichtig ist, und warum man dort hinfliegen sollte. Mehr als die Hälfte befasst sich mit den Instrumenten, die bis zur letzten Schraube beschrieben werden. Jede/r Wissenschaftler/in hat ein Steckenpferd, das geritten werden will.
Das meiste dieser Beschreibungen braucht man in dieser Phase überhaupt noch nicht. Man will eigentlich nur wissen: Wie schwer ist das Instrument? Wie groß? Wieviel Strom zieht es? Wieviel Wärme setzt es frei? Wieviele Daten werden generiert? Was erfordert es für Arbeitsbedingungen (Temperatur, Sonneneinstrahlung, Sichtbedingungen etc.)? Wenn man Glück hat, steht die Antwort darauf irgendwo im Dokument, aber das ist keinesfalls sicher.
Systemanforderungen und Misisonsanalyse wird in aller Regel sehr knapp auf zwei, drei Seiten abgehandelt. Oft stimmen da noch nicht einmal die Grundannahmen, sodass man mit dem Dokument bei Licht besehen gar nicht so viel anfangen kann.
Dabei ist es doch klar, dass die Instrumente ohne Raumsonde nicht zum Ziel kommen. Die Raumsonde ohne Instrumente dagegen sehr wohl. Das zeigt schon mal, wo eigentlich die Prioritäten liegen sollten.
Es ist ziemlich ermüdend, wenn dieser einfache Sachverhalt ein ums andere mal ignoriert wird.
Deswegen versuchen meine Kollegen und ich, wenigstens in unserem Fachgebiet schon einmal feestzuklopfen, wovon man ausgehen sollte, wenn man eine Raumsonde für eine bestimmte Aufgabe bauen will. Im gegebenen Fall also eine Sonde, die einen Lander zu Ceres transportiert. Wenn man ein Paper schreibt und das zur Veröffentlichung einreicht oder bei einer Konferenz vorstellt, dann wird das im elektronischen Zeitalter online verfügbar sein und bleiben.
Idealerweise wird man die Ergebnisse in die Ausarbeitung der Vorschläge einarbeiten. Wenn die an einem Vorschlag arbeitenden Wissenschaftler sich Unterstützung von einem/r Bahnmechaniker/in holen, und der oder die sich unsere Ergebnisse anschaut und dann sogar bessere findet, ist das eine gute Sache.
Idealerweise vermeidet man, dass in der Zukunft schon wieder ein unrealistischer Vorschlag zu diesem Thema eingereicht wird.
Der Blog-Artikel ist eigentlich nur eine Art Teaser, der interessierte, vielleicht auch angehende Fachleute, zu diesem Papier führen soll.
Ob die NASA konkrete Studien für Landemissionen durchf”hrt, ist mir leider nicht bekannt. Die ESA hat im Rahmen der Jährlich stattfindenden Sommerschule in Alpbach/Tirol, im Jahr 2018 Studenten die Aufgabe gestellt, eine Mission zur Probenrückführung von einem Kleinplaneten zu entwerfen. Ich war als Tutor dabei. Dabei entstanden vier Konzept von vier Gruppen von Studenten, darunter eines zur Probenrückführung von Ceres namens “Calathus“. Probenrückführung ist noch einmal deutlich schwieriger als nur die Landung.
Vielen Dank für die ausführliche Antwort. Außenstehende, wie ich, haben von den komplizierten Bedingungen einer solchen Mission in der Regel ja keine Ahnung. Da wundert es einen direkt, wenn es tatsächlich mal klappt.
Ganz ehrlich, das wundert manchmal nicht nur die Außenstehenden.
Die Autoren arbeiten mehrheitlich am ESA und gehen somit quasi selbstverständlich von einer Ariane 62 als Träger aus.
Das ist zwar verständlich, aber aus wissenschaftlicher Sicht trotzdem ein Fehler, wenn man bedenkt, dass eine Falcon Heavy ca. das fünffache Gewicht in den Orbit transportieren kann. Von Starship ganz abgesehen … zugegeben, Starship gibt es noch nicht, aber wir reden hier von einem Missionsstart im Jahr 2037. Bis dahin wird sehr viel passieren.
Schon klar, aber das zitierte Paper fasst ja die Ergebnisse einer Studie für eine potenzielle ESA-Mission zusammen. Da wurde die zu nutzende Rakete vorgeschrieben, und der Budgetrahmen auch. Es gab genau die Wahl zwischen der Ariane 62 und der Ariane 64. Hinzu kommt, dass bei europäischen Missionen eine nukleare Stromversorgung mit einem RTG zumindest nach aktuellem Stand keine Option ist. Man kommt bei vorgegebenem Budgetrahmen fast zwangsläufig zu einer Startmassse von unter 3 Tonnen und einem Start mit einer Ariane 62. Der Verwendung des konventionellen Antriebs ist da fast ausgeschlossen, es muss zwangsläufig die Option mit Ionenantrieb sein. Der Lander wird realistischerweise batteriebetrieben sein müssen (wie soll man Solargeneratoren der erforderlichen Größe vorsehen?), sodass die Missionsdauer auf der Oberfläche stark eingeschränkt ist.
Wenn man jetzt die Option einer viel leistungsstärkeren Rakete ohne Aufpreis hätte, wäre die Rechnung eine ganz andere. Selbst bei einem sehr hohen Treibstoffanteil bei konventionellem Antrieb verbliebe dann möglicherweise noch genug Masse, um einen ausreichend großen Lander mitzuführen. Lander und Orbiter könnten eine Stromversorgung mit RTGs haben. Vielleicht bräuchte man gar keinen Orbiter, sondern nur eine Transferstufe, die komplett vom Lander gesteuert und im Zielorbit um Ceres abgeworfen wird. Dann hätte nur der Lander einen RTG. Er könnte auf der Oberfläche jahrelang überleben und würde direkt mit der Erde kommunizieren. Das wird Dragonfly vom Titan ja auch so machen.
Eine solche Mission könnte Europa immer noch durchführen, bräuchte dazu aber einen internationalen Partner, der den RTG und die Rakete beisteuert. Man müsste eine technische und finanzielle Abwägng der unterschiedlichen Optionen vornehmen. Die dazu notwenigen Daten seitens der Missionsanalyse stehen im verlinkten Paper.
Kann nur vermuten, dass diese Arbeit in irgendeiner Verbindung mit dem CALICO Vorschlag für eine M7 Mission steht.
Vermutlich würden wir über CALICO nicht einmal etwas wissen, wenn es der Vorschlag nicht (unglaublicherweise) in Phase 0 geschafft hätte und eine CDF Studie angefertigt wurde, die natürlich niemals veröffentlicht wurde, so ist darüber eigentlich nur bekannt, dass es sich um einen Vorschlag für eine Ceressonde mit irgendeiner Form von Landung handelte. Weil CALICO es nicht in Phase A geschafft hat werden wir über diesen Vorschlag auch nichts weitere mehr erfahren, schade eigentlich.
PS: Eine NASA Studie für eine Ceres Expedition gab es im Rahmen des letzten Decadal Survey.