Jupitertransfer: Viele Wege führen zum Jupiter
Jeder, der mich auf die Mission JUICE anspricht, fragt, warum der Jupitertransfer so lange dauert. Eine berechtigte Frage. Acht Jahre? Die Amerikaner brauchen mit Europa Clipper nur fünfeinhalb Jahre – sie starten lange nach JUICE und kommen deutlich früher an. Sind die ESA-Missionsanalytiker alle Schlafmützen?
Naja, nein. Nicht alle. (Einer schon.) In diesem Kontext möchte ich hier die Folien eines Vortrags präsentieren, den ich im Mai 2023 bei der internationalen Konferenz “Space Exploration” an der Universität Politecnico di Torino gehalten habe. Der Vortrag legt dar, wie sich der Jupitertransfer mit dem Fortschritt der Raumfahrttechnik seit den ersten Missionen in den 1970er Jahren verändert hat.
Der Jupitertransfer im Laufe der Zeit
Jedem Jupitertransfer trägt der physikalischen Tatsache Rechnung, dass die Erde sich ziemlich weit unten im gewaltigen Gravitationspotenzial der Sonne befindet, Jupiter mit seinem mehr als fünf Mal größerem Abstand deutlich weiter oben. Der Transfer zum Jupiter muss den resultierenden Energieunterschied überwinden. In meiner ersten Folie verwende ich eine schöne Grafik von xkcd, die diesen Umstand illustriert.
Es geht nicht um die Entfernung, wie man vielleicht meinen könnte. Eine Raumsonde zum Jupiter muss ein gewaltiges Stück im Schwerkraftpotenzial der Sonne hochklettern. Schauen wir uns nur den direkten Bahnbogen von der Erde zum Jupiter an. Der braucht an der Erde eine hyperbolische Fluchtgeschwindigkeit von rund 9 km/s. Ein gewaltiger Wert. Kaum eine Rakete kann eine solche Fluchtgeschwindigkeit erreichen, und selbst wenn: dann hätte man eine gewaltige Rakete, aber nur eine winzige Raumsonde.
In den 1970ern gab es die Missionen Pioneer 10 und 11 und Voyager 1 und 2. Die wurden tatsächlich direkt zum Jupiter geschossen, die Pioneers mit Atlas-Raketen, die Voyagers mit der größeren Titan III, beide mit kryogenen Centaur-Oberstufen versehen. 1990 folgte die ESA/NASA-Mission Ulysses, gestartet vom Space Shuttle mit einer vierstufigen (!) Oberstufe. 2006 folgte dann die vermutlich letzte Mission, die einen solchen Weg wählte. New Horizons wurde auf einer Atlas V 551 mit einer zusätzlichen Fetstoffoberstufe vom Typ Star 48B auf den Weg geschickt. Das war jedes Mal eine gewaltiger Aufwand für nicht sehr große Raumsonden. Dies lag an der sehr hohen Erdfluchtgeschwindigkeit, in allen Fällen deutlich über 9 km/s.
Keine dieser Missionen hatte den Jupiter als endgültiges Ziel, aber alle nutzten die Schwerkraft des Gasriesen, um ihre Bahn zu verändern. Die Pioneers und Voyagers flogen weiter auf auf einer Grand Tour, Ulysses vermaß das Magnetfeld oberhalb der Sonnenpole und New Horizons flog zum Pluto.
Der Jupitertransfer von Galileo, gestartet 1989, setzte erstmalig mehrfache Swingby-Manöver an den inneren Planeten ein. Die geflogene Sequenz trägt den Namen VEEGA (Venus-Earth-Earth Gravity Assist). Das Ziel war, die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit beim Start zu senken (sodass eine große und schwere Raumsonde gestartet werden konnte). Dennoch sollte am Ende, beim letzten Erdvorbeiflug, eine elliptische Bahn um die Sonne erreicht werden, deren Perihel bei der Erdbahn und deren Aphel an der Jupiterbahn liegt. Eine solche Ellipse hat zwangsläufig in Erdbahnnähe eine Differenzgeschwindigkeit von rund 9 km/s zur Erde.
Es folgte im Jahr 1997 die Saturnmission Cassini-Huygens mit einem VVEGA-Jupitertransfer (zwei Swingbys an der Venus, einer an der Erde). Ein Swingby am Jupiter reichte die 5.6 Tonnen schwere Sonde zum Saturn durch. 2023 wurde die ESA-Mission JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) gestartet. Deren Jupitertransfer verwendet eine EVEEGA-Sequenz, also drei Erdswingbys und einen Venus-Transfer. Der erste Erdvorbeiflug ist gekoppelt mit einem Mondvorbeiflug, was die Wirkung des darauffolgenden Erdswingbys etwas steigert. Aus der Tatsache, dass hier vier Swingbys stattfinden müssen, ergibt sich die lange Dauer des Jupitertransfers.
Problematisch ist ein Jupitertransfer mit Venus-Begegnung immer. Da hat man eine Raumsonde so optimiert, dass sie in der Bahn um Jupiter funktioniert, also in mehr als fünf Mal so großem Sonnenabstand wie die Erde, wo die Einstrahlleistung des Sonnenlichts eniger als 4% des Werts in Erdnähe beträgt. Und dann kommt der Missionsanalytiker daher und sagt: “Ach übrigens, wir müssen auf dem Weg noch an der Venus vorbei, wo die Sonne doppelt so stark scheint wie an der Erde. Damit muss eure Sonde auch noch klarkommen.”
Die Amerikaner haben dickere Raketen als wir, was beim Jupitertransfer deutlich mehr Handlungsspielraum eröffnet. Die Jupitermission Juno, gestartet 2011, nutzte eine neue Art von Transfer. Diese brauchte zwar eine höhere Erdfluchtgeschwindigkeit als der Jupitertransfer mit Venusbeteiligung, und zusätzlich ein großes Triebwerksmanöver zwischendurch, kommt dafür aber mit nur einem Erd-Swingby aus und braucht nur rund fünf Jahre (etwa zwei vom Start bis zum Erd-Swingby und dann drei von der Erde zum Jupiter) und keinen Venus-Vorflug. Das Triebwerksmanöver in der Nähe des Aphels steigert die hyperbolische Geschwindigkeit an der Erde von rund 5.5 auf 9 km/s.
Der Jupitertransfer von Juno wird von Europa Clipper (vorgesehener Start: Oktober 2024) nochmals getoppt werden. Der Mars steht gerade so günstig, dass man anstatt des Triebwerksmanövers einen Mars-Swingby machen kann. Der boostet die Geschwindigeit beim folgenden Erdvorbeiflug auf 9 km/s, was ausreicht, um zum Jupiter zu fliegen. Anmerkung: Die ESA-Asteroidenmission HERA startet auch im Oktober 2024 und nutzt dieselbe Gelegenheit für einen Mars-Swingby, fliegt aber nicht zum Jupiter, sondern zum Asteroiden 65803 Didymos.
Frühe Sonden ins äußere Sonnensystem verwendeten Radionuklid”batterien” (genauer gesagt Generatoren, die aus der Zerfallswärme eines Plutonium-Isotops mittels thermoelektrischer Wandler elektrischen Strom erzeugen). Juno war die erste Jupitermission, die mit Solargeneratoren auskam; auch JUICE und Europa Clipper haben Solargeneratoren. Diese müssen wegen der geringen Sonneneinstrahlung in Jupiternähe sehr groß sein und können bei geringerem Sonnenabstand eine hohe elektrische Leistung abgeben, in Erdnähe 14-20 kW. Bei zukünftigen Sonden könnte diese elektrische Leistung für den Betrieb von Ionentriebwerken genutzt werden. Damit können zwei Erdvorbeiflüge geboostet werden, sodass man von einer Erdflucht beim Start von 3 km/s auf besagte rund 9 km/s kommt. Die Transferdauer wäre dann etwa 6 Jahre, und zur Venus müsste man auch nicht mehr. Die elektrische Leistung gibt es quasi umsonst, weil man die großen Solargeneratoren ohnehin braucht, Es fällt nur eine vergleichsweise geringe Zusatzmasse für die Ionentriebwerke und den Xenontreibstoff an. Diese Art von Transfers wurde ESA-intern für Transfers zum Jupiter, Saturn und zu den Jupiter-Trojanern untersucht.
Solarelektrisch betriebene Ionentriebwerke nützen in Jupiternähe nichts, weil die Solargeneratoren dort gerade genug elektrische Leistung liefern, um die Raumsonde selbst zu betreiben, keinesfalls aber die sehr leistungshungrigen Ionentriebwerke. Für den Einschuss in die Bahn um Jupiter sowie alle folgenden Manöver würden konventionelle Raketentriebwerke und -treibstoffe benötigt.
Wenn das Raumschiff aber mit einem nuklearen Antrieb ausgestattet ist, würden sich ganz andere Möglichkeiten eröffnen. Das wäre Stoff für einen anderen Blog-Artikel. Ich hoffe aber, es ist inzwischen klar, warum der Transfer von JUICE so lange dauert. Ich hoffe auch, das war das letzte Mal, dass ein Jupitertransfer dieser Art zum Einsatz kommt.
Die gesamte Präsentation ist hier –> Link
Danke für den Link, aber da ist auch nur die Titelseite und der Abspann, zusätzlich zu dem, was ich hier bereits gezeigt habe.
Peer Schärfer, kennen wir uns eventuell 🤔. Wie auch immer, danke für den Link
Bezüglich Nuclear propulsion gibt es neben Nuclear Thermal und Nuclear Electric noch eine dritte Option, nämlich eine Fission-fragment rocket, welche die Spaltprodukte einer nuklearen Reaktion direkt zum Antrieb nutzt. Die nuklearen Spaltprodukte sind Ionen, die mit magnetischen Feldern gesteuert werden können. Bisherige Pläne für Fission-fragment rockets hatten aber das Problem, sehr massiv und damit schwer zu sein. In einem neuen NIAC-Projekt Aerogel Core Fission Fragment Rocket Engine soll dieses Problem gelöst sein. Mit einer Fission-fragment rocket kann jedenfalls ein sehr hoher spezifischer Impuls (>100.000 Sekunden) bei hoher Leistungsdichte (>kW/kg) erreicht werden. Reisen zum Jupiter wären in Monaten anstatt Jahren möglich.
Generell kann man sagen, dass Nuclear Thermal Rockets im besten Fall die Reisezeit halbieren. Mehr ist nicht zu erwarten. Der Vorteil von Nuclear Thermal Rockets ist der, dass sie quasi schon marktreif sind.
Dagegen würden Fission-fragment rockets die Raumfahrt revolutionieren, denn mit ihnen wäre ein Marsbesuch innerhalb einer Woche möglich.
Wow, eine Woche bis zum Mars!
1/2 Tag zum LEO (konventionell)
3 Tage beschleunigen (Fission-Fragment)
3 Tage bremsen (Fission-Fragment)
1/2 Tag zur Marsoberfläche (konventionell ?)
Mit wieviel g müssten die Raumfahrer dann zurecht kommen?
Das sollte eigentlich jeder überschlägig berechnen können.
Die Antwort zur Frage wie lange dauert es bis zu den Planeten unseres Sonnensystems, wenn sie konstant mit 1g beschleunigen, finden sie unter How fast will 1g get you there?. Dort liest man:
zum Mond mit 1g: 3.5 Stunden
zum Jupiter mit 1g: 6 Tage
Daraus folgt: wenn die Reise zum Mars vom Erdorbit zum Marsorbit 6 Tage dauern soll, so wird die benötigte konstante Beschleunigung/Bremsung deutlich unter 1 g liegen (ich schätze etwa 0.5 g). Wieviel es genau ist, überlasse ich ihnen zu berechnen.
Warum rechnet denn bloß nie mal jemand was nach?
Für einen Transfer in wenigen Tagen bräuchte man auf jeden Fall einen hyperbolischen Transfer, also eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um mit hoher Restgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem herauszuschießen.
Die Transferbahn kann als gerade Linie betrachtet werden, die in radialer Richtung von der Erde weggeht. Anders als bei konvntionellen Transfers würde man hier wirklich den Transfer machen, wenn Erde und Mars einander am nächsten stehen. Das macht man sonst nie, auch wenn viele sich das genau so vorstellen.
Nehmen wir mal einen Abstand zwischen Erde und Mars von 75 Millionen km an, wenn der Mars in Opposition steht. Um die Strecke in 7 Tagen zurückzulegen, müsste die Geschwindigkeit etwa 124 km/s betragen, also ein satt hyperbolischer Wert. Die Geschwindigkeitsänderung bei wachsender Sonnenentfernung vernachlässige ich mal.
Die Erde fliegt auf ihrer Bahn mit rund 30 km/s, Mars mit rund 24 km/s. Beide Bahngeschwindigkeiten sind in etwa senkrecht zur hyperbolischen Transferbahn, also kann ich die Delta-v-Werte zur Erdflucht und zur Marsankunft mit dem Pythagoras abschätzen (Eine Abschätzung reicht hier).
Ich kriege da jeweils etwa 127 km/s raus. Zusammengenommen also 254 km/s. Mit einem spezifischen Impuls von 100,000 s ist der “Treibstoffverbrauch” etwa 23% der Startmasse.
Um mit einer Beschleunigung von maximal 1 g ein Delta-v von 127 km/s zu erreichen, braucht man etwas mehr als 3.5 h. Das heißt, auch mit einer deutlich geringeren Beschleunigung würde das problemlos gehen.
Vielen Dank für den interessanten Artikel. Ich habe schon auf etwas in der Richtung gewartet… 😉
Grundsätzlich alles klar. Was mich aber wundert, ist das extrem lange Vorspiel mit über 2 Jahren bis zum Venustransit, bevor die Reise dann richtig losgeht. Gab es keine Möglichkeit, die Sache mit einem direkte(re)n Schuss zur Venus und insgesamt drei Swingbys zu wuppen, und damit eher bei sechs Jahren zu landen? Ist JUICE auch dafür schlicht zu schwer, oder war das eher ein Problem derzeit nicht gut passender Planetenkonstellationen?
Gut beobachtet!
Der erste Teils des Transfers, von der Erde zur Erde, ist zum einen der berüchtigte “Ariane 5 Memorial Loop”, der gebraucht wird, weil die Ariane 5 ECA aufgrund der Nicht-Wiederzündbarkeit des Oberstufentriebwerks nur ein sehr limitiertes Nutzungsprofil hat (bzw. hatte, denn sie gehört ja mittlerweile zum alten Eisen). Beim Start in die Erdflucht äußert sich dies darin, dass die Erdflucht nur mit einer geringen Deklination bezüglich des Erdäquators erfolgen konnte. Das ist bei einem Start in einen interplanetaren Transfer aber meist nicht erwünscht, man braucht in der Regel mehr Flexibilität. Die Abhilfe besteht darin, ein Jahr früher zu starten und einen Erd-Swingby mehr einzuplanen, bei dem dann die für den Transfer zum Jupiter erforderliche Deklination erreicht wird.
Der Erd-Erd-Transfer kann nun aber mit einem Manöver geboostet werden, das die hyperbolische Ankunftsgeschwindigkeit beim ersten Swingby deutlich erhöht. Dieses Manöver mit einer Größe von etwa 200 m/s wird im November 2023 durchgeführt werden (Großteil des Manövers am 17.11., Clean-up einen Monat drauf).
Vielleicht hau’ ich noch einen Artikel zu diesem Teil des Transfers raus.
Vielen Dank für Ihre Antwort. Ein Extra-Artikel zum ersten Teil des Transfers wäre natürlich sehr willkommen!
Mit der Ariane 6 sollte sich das Problem der Unflexibilität aufgrund Nicht-Wiederzündbarkeit des Oberstufentriebwerks ja erledigt haben. Wenn sie denn jemals fertig wird… 🚀
Ja, die Einführung des Vinci-Triebswerks war eine überfällige Maßnahme. Eigentlich war davon schon vor 20 Jahren die Rede, als noch von einer Ariane 5 ESC-B geredet wurde. Das Vinci-Triebwerk ist auch schon ziemlich alt – Europa hat nicht den Mut, der Herausforderung mit wirklich neuer Technik zu begegnen. Was aus der Ariane 6 wird, und ob sie sich wirklich durchsetzt, werden wir sehen. Ich bin mir nicht sicher, dass wirklich allen hiesigen Akteuren klar ist, dass es nicht mehr nur um das geostationäre Orbit geht.