NASA: Zwei interplanetare Missionen im Finale

CAESAR und Dragonfly sind die Finalisten in der Endausscheidung für die neue mittelgroße Mission im NASA-Programm New Frontiers für einen Start im Jahr 2025. Beide Missionsvorschläge werden jetzt im Detail untersucht, bevor eine ausgewählt und entwickelt wird. Die Missionskosten sind mit 850 Millionen $ gedeckt, was Instrumente und Betrieb beinhaltet, aber nicht die Kosten für die Rakete.

CAESAR

Bei CAESAR (Comet Astrobiology Exploration Sample Return) handelt es sich um eine Mission zur Rückführung von etwa 100 Gramm Material vom Kometen 67P/Churyumov/Gerasimenko. Das Projekt soll vom NASA-Zentrum Goddard geführt werden, also bemerkenswerterweise nicht vom JPL. Principal Investigator ist Steven Squyres von der Cornell-Universität. Squyres war Projektleiter der Marsrover-Mission MER.

Der Zielkomet war bekanntlich das Ziel der europäischen Mission Rosetta, die vor über einem Jahr endete. Es ist der einzige Komet, der bereits im Detail charakterisiert werden konnte, über einen langen Zeitraum hinweg und mit feiner räumlicher Auflösung. Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko wurde unter anderem auch deswegen als Ziel für Rosetta gewählt, weil der Komet erst seit begrenzter Zeit in einer Bahn mit niedrigem Perihel ist. Sein Material dürfte also noch weitgehend pristin vorliegen.

Dies aber eben nur mit den Limitierungen, mit denen man sich abfinden muss, wenn man mit einer Raumsonde vor Ort Untersuchungen vornimmt. Wissenschaft, die fernbedient stattfindet, mit Instrumenten, die miniaturisiert, für extreme Bedingungen ausgelegt und dann auch noch  uralt sind, wenn sie endlich zum Einsatz kommen, ist kein Ersatz für die Wissenschaft, die man in irdischen Labors durchführt, mit modernstem Gerät und ohne enge technische Einschränkungen.

Konzeptskizze der CAESAR-Sonde im Moment des Anflugs an die Kometenoberfläche, Quelle: NASA

Konzeptskizze der CAESAR-Sonde im Moment des Anflugs an die Kometenoberfläche, Quelle: NASA

In der verlinkten NASA-Pressemitteilung ist die Raumsonde beim Abstieg zur Oberfläche mit ausgefahrenem Probenentnahmerüssel gezeigt. Die Solargeneratoren, die mir hier allerdings reichlich klein erscheinen (aber es ist ja auch nur eine Grafik), sind angewinkelt, um eine Beschädigung durch Kontakt mit der zerklüfteten Oberfläche zu vermeiden.

Die technische Herausforderung bei einer solchen Mission liegt vor allem darin, sicher zu stellen, dass die entnommenen Proben zuverlässig und durchgängig tiefgekühlt bleiben. Während der Entnahme, während des Transports, während des atmosphärischen Eintritts und dann auch noch auf dem Erdboden, bis die Kapsel gefunden und eingesammet wird.

Dragonfly (deutsch: Libelle)

Dragonfly soll eine mobile Kleinsonde in Form einer Quadcopter-Drohne für die Untersuchung der Oberfläche des Saturnmonds Titan werden. Das Projekt soll vom APL in Laurel/Maryland geführt werden und damit auch nicht vom JPL. Principal Investigator ist Elizabeth Turtle von der JHU.

Übersichtsgrafik der Mission Dragonfly auf dem Titan, Quelle: NASA

Übersichtsgrafik der Mission Dragonfly auf dem Titan, Quelle: NASA

Genau wie eine irdische Drohne wird Dragonfly von Batterien angetrieben und muss regelmäßig zum Aufladen an eine Ladestation. Diese sitzt auf einer Landeplattform, mit der zusammen die Drohne nach dem interplanetaren Flug, verpackt in einer Eintrittssonde für die Hochgeschwindigkeitseintritt und die Fallschirmlandung auf der Titanoberfläche. Die Landeplattform verwendet einen MMRTG (Multi-Mission Radio-Isotope Thermoelectric Generator) als Energiequelle und wird vermutlich auch für die Datenübertragung dienen.

Die Drohne ist mit einem MMRTG (Multi-Mission Radioisotop Thermoelectric Generator) ausgestattet. Die Motoren der Rotoren werden aber von Batterien angetrieben, die vom MMRTG aufgeladen werden. Damit soll die Drohne zu Flügen über einige zehn km Distanz imstande sein. Darauf folgt ein längere stationäre Phase (genannt wird ein Zeitraum von  weniger als einem Titantag (16 Erdtage), während der wissenschaftliche Untersuchungen vorgenommen und die Batterien aufgeladen werden.

Eine Drohne hat es auf dem Titan leichter als auf der Erde. Die Schwerkraft ist dort weniger als 1/7 von 1 g. Titan ist der einzige Mond im Sonnensystem mit einer dichten Atmosphäre, die großenteils aus Stickstoff besteht. Der Druck an der Oberfläche liegt bei etwa 1500 hPa (etwa das anderthalbfache des Normaldrucks auf irdischer Meereshöhe. Die Dichte ist jedoch mehr als 4 Mal so hoch wie auf der Erde. Somit ist der Leistungsbedarf um mindestens einen Faktor 30 geringer als bei einer irdischen Drohne. Das von mir verlinkte Paper nennt sogar einen Faktor 38. Also muss es da noch andere Effekte geben, beispielsweise vielleicht die höhere Viskosität der Atmosphäre bei einer Temperatur von 90 K, nahe am Tripelpunkt von Methan, der in der Atmosphäre in beträchtlichen Mengen vorkommt.

Nicht ganz klar ist mir, wo die Instrumente angesiedelt sind – auf der Landeplattform oder auf der Drohne?

Die europäische Perspektive

Nicht nur Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko, sondern auch Titan sind für die europäische Weltraumforschung alte Bekannte. Im Januar 2005 landete auf dem Titan die europäische Atmosphärensonde Huygens, die weich auf der Oberfläche landete und dann noch stundenlang weiter funktionierte und Daten sendete. Huygens war 1997 auf der NASA-Sonde Cassini zum Saturn gestartet wurden und im Juni 2004 im Saturnsystem angekommen.

Die erfolgreiche Mission war ein großer Erfolg für die europäische Raumfahrt, auch wenn realistischerweise die Landung auf dem Titan eben wegen der dichten Atmosphäre viel weniger schwierig ist als beispielsweise auf dem Mars. Huygens trat mit etwa derselben Geschwindigkeit in die Atmosphäre ein wie Mars-Sonden (6 km/s) die Abbremsung erstreckte sich jedoch über viele Hundert km des Abstiegs. Sodann zog ein Hilfsschirm den ersten Hauptfallschirm aus seinem Behälter. Dieser wurde im Verlauf des weiteren Abstiegs durch einen kleineren Fallschrim ersetzt, sonst hätte der Abstieg zu lange gedauert. Der Aufprall war auch ohne Bremsraketen, Airbags oder Knautschzone unproblematisch.

Die weltberühmte Aufnahme von der Oberfläche des Titan, eine aus der Sequenz, de nach dem Aufsetzen der Huygens-Sonde entstand, Quelle: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

Die weltberühmte Aufnahme von der Oberfläche des Titan, eine aus der Sequenz, de nach dem Aufsetzen der Huygens-Sonde entstand, Quelle: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

Die Instrumente waren bereits während des Abstiegs aktiviert worden – schließlich war Huygens als atmosphärische Sonde ausgelegt – und machte auf dem Boden einfach weiter.

Rosetta war viel anspruchsvoller und komplexer , aber ein ebenso großer Erfolg und ein bleibendes Symbol dafür, was wir Europäer leisten können, wenn wir zusammen und nicht gegeneinander arbeiten.

Was Rosetta und Huygens eint, ist jedoch leider nicht nur die wissenschaftliche Bedeutung und der technische Erfolg, sondern auch die Tatsache, dass nicht auf diesen Erfolg aufgebaut wurde. Rosetta war bereits die zweite ESA-Kometensonde. Schon die erste Mission namens Giotto, die im Jahr 1986 in nur 600 km Abstand am Kometen 1P/Halley vorbei flog, war phänomenal. Sie lieferte die Grundlage für die moderne Kometenforschung. Nach Giotto mussten die Lehrbücher zum Thema Kometen neu geschrieben werden.

Der darauf folgende Versuch, gemeinsam mit der NASA bereits eine Probenrückführung von einem Kometen anzugehen, beruhte auf einem schon 1985 vorgeschlagenen Konzept. Das Projekt endete aber erfolglos Angang der 1990er mit dem Ausstieg der Amerikaner. Die Europäer mussten allein klar kommen und definierten die Rosetta-Mission, die schließlich 2004 gestartet war und 2014 den Kometen 67P/C-G erreichte.

Interessanterweise hieß ein früher Vorschlag aus Europa für eine Probenrückführungsmission auch schon CAESAR, was damals aber für “Comet Atmosphere Encounter and Sample Return” stand. Es ist kaum vorstellbar, dass die Verantwortlichen für den jetzigen Missionvorschlag die Papers von damals nicht kennen.

Wesentlich ist, dass kontinuierlich am Kometenmissionen gearbeitet wurde und dass deswegen das Know-How mehr statt weniger wurde. Das ist nun anders – in Europa wird weder an weiteren Kometenmissionen noch an Titansonden gearbeitet. Erworbenes Know-How versauert. Experten machen was anderes oder wandern ab. Eigentlich sollten jetzt schon längst die Nachfolgemissionen in den Startlöchern stehen. Auch hätte Europa einmal etwas zum Thema Asteroiden machen können – der Unterschied zu Kometen ist fließend, und viel des bei Kometenmissionen erworbenen Könnens braucht man auch, um Kometen effizient zu erforschen.

Nichts davon geschieht jedoch. Stattdessen waren europäische Sonden am Mond, an der Venus, am Mars. Nächstes Jahr wird eine Merkurmission gestartet. Schön und gut, aber wo ist die logische Sequenz? Wo ist der langfristige Plan, bei dem eines auf dem anderen aufbaut? Beim Mars kann man so etwas vielleicht noch erkennen, aber sonst? Wäre es nicht zielführender gewesen, eine europäische Rolle als das globale Kompetenzzentrum für Kleinplanetenmissionen aufzubauen und diese Position zu behaupten?

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

16 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Michael Khan,
    Raumfahrt braucht Akzeptanz in der Bevölkerung , in der Politik, sonst kann sie nicht finanziert werden.
    Was ist das konkrete Ziel bei Caesar, was will man wissen, warum ist das wichtig?
    Warum muss man auf Titan landen?
    Geht es um Aufträge für die Industrie, damit wir nicht den technischen Anschluss verlieren?

    Ich persönlich kann mich für Raumfahrt begeistern und die Landung auf Titan, war eine Meisterleistung.
    Aber auf Emotionen allein kann man die Raumfahrt nicht begründen.

    • Zunächst einmal möchte ich Sie bitten, wenn Sie schon (warum auch immer) nicht Ihren eigenem Namen mit Ihren Kommentaren in Verbindung bringen wollen, dann doch wenigstens nicht dauernd das Pseudonym zu wechseln. Es ist schon eine Zumutung, dauernd mit Namenlosen diskutieren zu müssen. Dann sollte ich nicht auch noch Rätsel raten, ob dies die gleiche Person ist, mit der man schon mehrfach zu tun hatte.

      Zu den wissenschaftlichen Zielsetzungen von Dragonfly steht in dem verlinkten Paper einiges.

      Die Bedeutung von CAESAR wird in der NASA-Pressemitteilung erläutert, wenn auch nur knapp. Wie schon im Blog-Artikel gesagt: Man kann in Kometen – und nur dort – Material vorfinden, das weitgehend pristin (also unverändert) noch aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems erhalten geblieben ist.

      Wo genau mit “Emotionen allein” Raumfahrt “begründet” worden sein soll, wie Sie behaupten, kann ich nicht nachvollziehen. Ich zumindest habe hier mit keinem Wort “Raumfahrt begründet”, sondern lediglich meiner Meinung Ausdruck verliehen, dass Raumfahrtprogramme logisch aufgebaut sein sollten, sodass sich eine Mission aus der anderen ergibt und Know-How erhalten bleibt.

  2. Eine Arbeitsteilung weltweit wäre in der Raumfahrt aus mehreren Gründen sinnvoll:
    1) würde für das gleiche Geld mehr erreicht, wenn beispielsweise die NASA sich vor allem den Mars vornehmen würde und die ESA vor allem Asteroiden, Kometen und Monde ins Visier nähmen.
    2) wäre schnellerer Fortschritt zu erwarten. Die wiederholten NASA-Missionen zum Mars haben beispielsweise sowohl die Landetechnik vorwärtsgebracht (Höhepunkt Skycrane) als auch die Marsvehikeltechnik (Energieversorgung, wissenschaftliche Instrumente, teilautonomes Fahren). Würde die ESA eine Folge von Kometen-/Asteroidenmissionen und Probeentnahmeverfahren durchführen wäre auch hier ein Kompetenzgewinn mit jeder Mission zu erwarten
    3) die an den aufeinander aufbauenden Missionen beteiligten Industriefirmen könnten ebenfalls auf ihren Erfahrungen mit früheren Missionen aufbauen, was die Fehlerrate reduzieren würde und zu einer immer besseren Abstimmung der Instrumente auf die zu erwartenden Arbeitsparameter führen würde

    Noch eine Bemerkung zum Kommentar von 468: Die Rechtfertigung für Titan- oder Asteroiden/Kometenmissinen sehe ich selbst vor allem im Kompetenzgewinn durch die gewonnene Erfahrung, denn für mich steht die Raumfahrt erst ganz am Anfang und ihre jetztige Augabe sehe ich darin, Fortschritte in der Raumfahrttechnik selber zu machen. Beispielsweise indem die Reisezeit zum Zielobjekt verkürzt, indem das Ziel mit weniger Treibstoff erreicht wird (z.B. durch Abbremsen der Titansonde mittels Aerocapture) oder indem die Sonden teilautonom ihre Missionen durchführen oder indem Standardinstrumente für Raumfahrtmissionen entwickelt werden. Einen unmittelbaren Nutzen muss eine Titanmission nicht haben, den kann sie wohl gar nicht haben.

  3. An der Titanmission Dragonfly finde ich die Möglichkeit hochinteressant, ein grosses Gebiet des Titans detailliert erkunden zu können, denn mir schwebt eine systematische Erkundung möglichst vieler Himmelskörper vor. Die Mondoberfläche ist z.B. bereits in mehreren Spektralbereichen bis auf 0.5 Metern aufgelöst, es fehlt aber noch ein systematisches Abfahren des Mondes mit autonomen Fahrzeugen. Der Titan würde idealerweise systematisch abgeflogen werden – am besten gleich mit mehreren Quadroptoren, zumal es nicht viel teurer ist anstatt eine Drohne gleich mehrere hinaufzuschicken. Folgendes ist wirklich vielversprechend (Zitat, übersetzt mit DeepL):

    Darüber hinaus bietet die dicke Atmosphäre von Titan die Möglichkeit, verschiedene geologische Umgebungen im Abstand von mehreren zehn bis hunderten von Kilometern über die Erkundung mit einem Luftfahrzeug zu erreichen.

  4. Nicht ganz klar ist mir, wo die Instrumente angesiedelt sind – auf der Landeplattform oder auf der Drohne?

    Hier liegt ein Missverständnis vor. Es gibt keine “Landeplattform” als eigenständige Einheit, sondern nur eine große Drohne. Ein ziemlich detaillierter Artikel zu Dragonfly findet sich auf der Projekt-Webseite.

    • Ah. OK. Vielen Dank. Das war mir so nicht klar. Im von mir zitierten Paper hat mich wohl der Satz “this is still too high for continuous flight if powered by an MMRTG” in die Irre geführt. Aber eigentlich steht auch dort schon deutlich genug, dass die ganze Landeplattform bereits die erste Landung mithilfe ihres Rotors macht und dann diese Mobilität auch für die weitere Fortbewegung nutzt.

    • Prima, danke. Ich hatte das auch so aufgefasst, dass der Lander sich nach der Landung in zwei Komponenten aufteilt, von denen dann eine herum fliegt und die andere am Platz bleibt und als Ladestation fungiert. Eigentlich erscheint das ja auch erstmal gar nicht so dumm, weil die Drohne dadurch in der Tat leichter würde.

      So wie tatsächlich geplant ist es allerdings wohl wirklich in jeder Hinsicht effizienter und risikoärmer. Alleine schon wegen der Reichweite und weil beim Rückflug oder Andocken zum Aufladen auch jedesmal etwas schiefgehen könnte. Das alles hätte mir eigentlich schon Bedinis Video klar werden müssen, da er dort zwar einen Ladevorgang am Boden erwähnt, aber gar keine separate Komponente dafür vorstellt. Sechs, Ute! Setzen! Wieder mal nicht aufgepasst. ^^

  5. MH,
    an die Landetechniken hatte ich auch schon gedacht. So ein Asteroid ist für die Techniker wahrscheinlich so etwas wie ein Übungsplatz für Fahranfänger.

    Michael Khan,
    Namen sind Schall und Rauch. In verschiedenen blogs benütze ich unterschiedliche Nicks, wie auch Schriftsteller unter verschiedenen Pseudonymen veröffentlichen. Wenn Sie als Christ aber in Wissenschaftsblogs mitreden, werden sie sofort in eine Schublade gesteckt und ihre Beiträge werden nicht mehr wahrgenommen. Deshalb der Nickwechsel. Das hat mit Ihnen nichts zu tun.

    Frohe Weihnachten

    • Ob Ihre Ansichten wahrgenommen werden, hängt von der Art Ihres Auftretens (siehe hier) und der Qualität Ihrer Kommentare ab als von Ihren religiösen Ansichten. Letztere sind mir zumindest vollkommen gleichgültig. Ich nehme mal an, das geht nicht nur mir so. Ich empfinde es wohlgemerkt als penetrant, wenn jemand versucht, sein Christ-Sein zum Thema zu machen, wo es keins ist.

    • Wenn Sie als Christ aber in Wissenschaftsblogs mitreden, werden sie sofort in eine Schublade gesteckt und ihre Beiträge werden nicht mehr wahrgenommen.

      Das, Robert/Dichter/bom.tmp/468/486, liegt nicht an Ihrem christlichen Glauben, sondern daran, dass Sie den ständig wie eine Monstranz vor sich hertragen. Mit anderen Worten: Weil Sie in Kreisen missionieren (und dies auf eine reichlich idiotische Art), die von Ihnen nicht missioniert werden wollen.

  6. Die Titandrohne Dragonfly ist eine Art Rover, der (bei Bedarf) fliegen kann. Vom Konzept her ähnelt Dragonfly eher Entenvögeln als Dragonflys (Libellen), denn wie eine Ente oder ein Schwan soll sich Dragonfly längere Zeit (auch während der 8-tägigen Titannacht) am Boden (Landeort) aufhalten und die Umgebung mit Kameras (Panorama, Mikrokoskopisch) , Gammastrahl- und Neutronenspektrometern sowie Massenspektrometern untersuchen. Das einzige, was Dragonfly fehlt um es mit Entenvögeln vergleichen zu können, sind Beine/Räder. Statt dessen besitzt Dragonfly nur mit Probeentnahmebohrern versehene Landekufen, was in meinen Augen ein Mangel ist, denn so kann Dragonfly nicht einmal zu etwas heranrollen, was in der Kamera interessant aussieht. Dragonfly wiegt 450 Kilogramm und hat 8 jeweils 1 Meter lange in Paaren (Redundanz) angeordnete Rotoren an den Ecken des Fahrzeugs.
    Dragonfly nutzt sehr gut aus, dass auf Titan Fliegen die beste Art der Fortbewegung ist. Vom Konzept her könnte Dragonfly ein Vorbild selbst für grosse automatische oder gar bemannte Stationen ähnlich denen auf der Antarktis sein – nur dass diese Titanstationen sich auch noch selber dislozieren können, indem sie zu einem anderen Ort fliegen.
    Titan selbst wird als ozeanische Welt bezeichnet, weil die Titanoberfläche nichts anderes als ein gewaltiges Eisschild über einem globalen Ozean ist, der aus Wasser und Ammoniak besteht. Auf diesem Wassereisschild befinden sich Zonen mit Sanddünen sowie Flüsse und Seen aus einem Gemisch von flüssigem Methan (Erdgas) und Ethan (Alkohol). Methan-/Ethanregenfälle scheint es auf Titan ebenfalls zu geben, allerdings nur sehr selten, beobachtete doch Cassini-Huygens nur 2 Methanregenstürme.
    Schade nur, dass die Titanmission Dragonfly frühestens 2024/25 abhebt und den Titan erst Mitte der 30er Jahre erreichen wird. Mit diesem Erkundungstempo braucht die Menschheit Jahrzehnte bis Jahrhunderte bis sie nur schon das ganze Sonnensystem detailliert untersucht hat. Oberste Priorität sollten deshalb in meinen Augen Raumfahrttechnologien haben, die die Reise im Weltraum stark verkürzen und die die interplanetare Kommunikation stark erleichtern, so dass Marskolonisten etwa irdische Fernseh- und Radioprogramme oder Netflixstreams live – wenn auch zeitversetzt – empfangen könnten.

  7. Dragonfly startet frühestens 2024/25 und es braucht die Zeit bis dann wohl auch um dieses Vehikel zu konzipieren, zusammenzubauen und zu testen. Der Entwicklungs- und Testaufwand wäre für eine bemannte oder auch unbemannte Marsmission und -station wohl noch weit grösser (testen könnte man eine spätere bemannte Marsstation auf der Antarktis). Diese Überlegungen zeigen, dass so etwas wie eine bemannte Marstation kaum vor dem Jahr 2050 drin liegt, ja dass sogar ein Datum wie der 20. Juli 2069 für die erste bemannte Landung auf dem Mars wahrscheinlicher ist. Das wäre dann exakt 100 Jahre nach der ersten Mondlandung. Die Raumfahrt erkundet und erobert unsere weitere planetare Nachbarschaft also äusserst langsam. Ändern könnte sich das vielleicht durch die jetzt gegründeten privaten Raumfahrtfirmen wie SpaceX oder BlueOrigin, zumal der Gründer von SpaceX, Elon Musk, eine Landung auf dem Mars noch zu seinen Lebzeiten anstrebt. Vielleicht liegt die Langsamkeit des Entwicklungsprozesses tatsächlich daran, dass die Raumfahrt bis jetzt in der Hand von Regierungsorganisationen lag, vielleicht aber auch daran, dass die NASA unfähig geworden ist, grössere Vorhaben nicht nur zu planen, sondern sie auch über lange Zeit weiterzuverfolgen. Dann wären es vielleicht die Chinesen, welche als erste Astronauten zum Mars schickten.

  8. Schade, da werde ich wohl keine bemannte Marslandung mehr erleben. An die Mondlandung kann ich mich noch erinnern. Aber vielleicht sollte man sich auch daran erinnern, daß die Mondlandung damals 24 Mrd Dollar gekostet hat, und daß diese Menge Geld damals nur aufgebracht werden konnte, weil man (raumfaht-)technologisch im Rückstand zur Sowjetunion war, und diesen Rückstand aus politischen Gründen unbedingt aufholen mußte. Geld ist ein sehr limitierender Faktor. Und wenn man Geld für wissenschaftliche Zwecke (erstritten) hat, dann sollte man sich genau überlegen, wofür man es einsetzt. Ob da heute eine bemannte Marslandung Priorität hat, wage ich zu bezweifeln.

    Schade, ich hätte gerne eine bemannte Marslandung (und erfolgreiche Rückkehr) erlebt.

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