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Wettbewerb "Projekt Traumsonde" (über 25 Jahre)
LoVE - Longtime Venus Explorer

Dr. Christian Jäkel, Beringstedt

Raumsonde LoVE

Schemazeichnung der Raumsonde

Mobiler und für Dauerbetrieb ausgelegter Venus-Lander mit dem Missionsziel: Untersuchung von Vulkanismus und Tektonik der Venus

Es wurden bereits mehrere erfolgreiche Venuslandungen durchgeführt (v.a. Venera-Missionen der UdSSR). Die Betriebsdauer der Sonden war jedoch begrenzt und lag im Bereich von einer Stunde, einerseits weil der Orbiter unter dem Horizont verschwand, andererseits, weil die extremen Bedingungen auf der Venus die Lebensdauer der Sonden begrenzten (insbesondere die Temperatur von ca. 450 °C, der Atmosphärendruck von 90 bar, sowie die korrosive Atmosphäre). Viele Daten konnten auf diese Weise gewonnen werden, einschließlich Fotos von der Oberfläche. Längerfristige Beobachtungen, insbesondere seismische Messungen zur Beobachtung von Vulkanismus und Tektonik, waren aber bislang unmöglich. Damit fehlen auch immer noch belastbare Grundlagen für ein Klimamodell der Venus, da hierbei vulkanische Wärme und Ausgasung berücksichtigt werden müssten. Das hier vorgestellte Projekt könnte solche Daten beibringen.

Ziel des vorliegenden Entwurfs ist ein Lander, der den unwirtlichen Bedingungen längerfristig Stand hält. Dem Forschungsanliegen entsprechend, muss die Instrumentierung mindestens aus einem Seismometer und einer Analyseeinheit zum Nachweis von Schwefeldioxid und anderer vulkanischer Gase bestehen; sinnvoll ist zudem eine Temperaturmessung. Zusätzlich sollte der Lander mobil sein, um gegebenenfalls interessante Strukturen aus der Nähe zu untersuchen. Dazu ist eine Kamera und ein Antrieb erforderlich. Bei bisherigen Sonden erforderte der Betrieb unter den vorherrschenden Bedingungen vor allem eine Kühlung, um die Instrumente möglichst lange funktionsfähig zu erhalten. Die Energieversorgung erfolgte durch Batterien. Für einen Dauerbetrieb ist beides ungeeignet. Deshalb besteht der Grundgedanke des vorliegenden Entwurfs darin, die Technik an die Temperatur anzupassen statt umgekehrt. Trotzdem muss natürlich der Einfluss des Drucks und der korrosiven Anteile der Atmosphäre beherrscht werden. Eine dauerhafte Energieversorgung ist sicher zu stellen.

Konzept

Moderne Halbleitertechnik versagt bei hohen Temperaturen, weil mit zunehmender Temperatur immer mehr Ladungsträger die Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzband allein infolge ihrer thermischen Energie überwinden. Der Halbleiter verliert damit seine charakteristischen halbleitenden Eigenschaften. Daher wird für die Sonde auf „Retro“-Technik in Form von Vakuumröhren zurückgegriffen.

Zum Schutz gegen den Druck und die beim Abstieg zu passierende korrosive Wolkenschicht aus Schwefelsäure darf die technische Ausrüstung mit der Umgebung nicht in direkten Kontakt kommen. Für die vorgesehenen Messungen ist dies auch nicht erforderlich. Seismische Erschütterungen sind im abgeschlossenen Raum messbar, chemische Analyse kann durch Spektroskopie berührungsfrei durchgeführt werden. Durch eine durchsichtige Außenhülle hindurch kann eine Kamera Bilder liefern. Der Antrieb wird nach innen verlegt, indem der ganze Instrumententräger von innen auf einer kugelförmigen Hülle fährt und diese so ins Rollen versetzt. Bei allen Komponenten ist darauf zu achten, dass sie bei einer Umgebungstemperatur von 450 °C (durch die Wärmeentwicklung der Instrumente voraussichtlich etwas höher) funktionsfähig bleiben.

Hülle

Aus obigem ergibt sich, dass die Sonde aus einer chemisch wenig angreifbaren durchsichtigen Kugel bestehen muss. Als geeigneter Werkstoff kommt Quarzglas (Schmelzpunkt T = 1700 °C, Dichte ρ = 2660 kg/m³) infrage. Die Kugelform kann zugleich einem hohen Außendruck Stand halten; das Problem des Drucks kann außerdem entschärft werden, wenn während des Abstiegs kontinuierlich ein Innendruck in der Kugel aufgebaut wird, der den Außendruck teilweise kompensiert (siehe unten).
Daten: Angenommener Durchmesser der Sonde D = 2 m. Wandstärke der Kugel d = 3 cm. Resultierendes Volumen des Quarzglases V = 0,366 m³; resultierende Masse m = 973 kg.

Elektronik

Wie bereits angesprochen, soll Röhrentechnik zum Einsatz kommen. In der Endphase der Entwicklung von Vakuumröhren gab es bereits Miniaturröhren mit relativ geringer Betriebsspannung und Stromaufnahme. Allerdings ist mit dieser Technologie keine sehr intelligente Steuerelektronik oder Datenspeicherung im verfügbaren Gewichts- und Volumenrahmen realisierbar. Die Elektronik muss sich auf Datenerfassung und funktechnische Übertragung an einen Orbiter beschränken. Ein Sensor zur Temperaturmessung kann aber in die Elektronik integriert werden. Die eigentliche Intelligenz muss auf den Orbiter verlagert werden. Lediglich seismische Ereignisse sind transient und werden daher in Stärke und Zeitpunkt zwischengespeichert; bei allen anderen Messungen sollte es genügen, sie nur in den Zeitfenstern durchzuführen, in denen der Orbiter erreichbar ist (alle 87 min).

Die Betriebstemperatur von Elektronenröhren ist wegen der erforderlichen Heizung ohnehin hoch; wichtig ist, dass bei der Herstellung das Ausheizen der Restgase aus dem Elektrodenmaterial bei deutlich höherer Temperatur als der späteren Betriebstemperatur erfolgt, damit während des Betriebs keine weiteren Ausgasungen das Vakuum verschlechtern. Lötverbindungen mit Bleilot fallen wegen des geringen Schmelzpunktes aus, es gibt aber Hartlot mit Schmelzpunkten oberhalb von 450 °C.

Daten: Bei geringer Flughöhe des Orbiters ist keine große Sendeleistung erforderlich. Ein handelsüblicher Röhrentransceiver wiegt einige Kilogramm und nimmt ca. 100 Watt auf (bei geringer Sendeleistung eher weniger). Für diese Mission kann dies sicherlich noch optimiert werden. Für die Abschätzung angenommene Masse der gesamten Elektronik: 10 kg; Leistungsaufnahme 80 Watt.

Seismometer

Eine aufgehängte Pendelmasse verharrt infolge ihrer Trägheit, während die Umgebung erschüttert wird. Die Relativbewegung kann z.B. kapazitiv gemessen werden (Variation einer Kondensatorkapazität durch Änderung des Plattenabstandes), die Änderung kann z.B. in die Frequenzänderung eines Schwingkreises übersetzt und ausgewertet werden. Nachteilig aber unvermeidlich ist, dass das Seismometer im Inneren der Sonde nur indirekten Bodenkontakt hat.

Daten: Die Masse ist vor allem durch den Pendelkörper bestimmt, für die Abschätzung 4 kg.

Röntgenspektrometer

Das Spektrometer soll primär vulkanische Produkte in Form von Schwefelverbindungen nachweisen. Für eine berührungsfreie Messung eignet sich die Röntgenfluoreszenz. Dabei wird die Probe mit Gammastrahlung angeregt und antwortet mit einer charakteristischen (nach dem Moseley’schen Gesetz von der Ordnungszahl Z abhängenden) Gamma-Linie.

Als Quelle für die Gammastrahlung eignet sich am einfachsten ein radioaktives Präparat, z.B. Americium 241, das eine Strahlung von 60 keV abgibt und damit die Fluoreszenz aller Ordnungszahlen bis Z = 67 (Holmium) anregen kann. Im Bereich kleiner Ordnungszahlen unter Z = 23 (Natrium) versagt die Analyse, da die charakteristische Linie einerseits von der Comptonstreuung verdeckt wird und andererseits so niederenergetisch ist, dass sie die Außenhülle der Sonde nicht durchdringt. Schwefel mit Z = 32 liegt aber im Nachweisbereich. Allerdings wird die Quarzhülle der Sonde ein starkes Signal bei Z = 28 (Silizium) liefern, welches subtrahiert werden muss. Der Detektor besteht aus einem Fluoreszenzkristall, z.B. Caesiumiodid (T = 626 °C) oder Natriumiodid (T = 662 °C), und einem nachgeschalteten Fotomultiplier, der ein zur Energie proportionales Spannungssignal liefert. Der Multiplier ist im Prinzip eine Elektronenröhre und kann daher unter Venusbedingungen eingesetzt werden. Das als Quelle dienende Präparat muss abgeschirmt werden, um eine direkte Einstrahlung in den Detektor zu vermeiden. Blei (T = 327 °C) fällt als Absorber aus, jedoch eignet sich z.B. Eisen (T = 1536 °C, ρ = 7870 kg/m³). Die 60 keV-Strahlung ist relativ niederenergetisch und wird durch 2 cm Eisen hinreichend abgeschirmt.

Daten: Abschirmung: zylindrisch, Radius r = 2 cm, Länge l = 10 cm. Daraus V = 0,00013 m³; m = 1 kg. Detektor: Fotomultiplier mit Hochspannungserzeuger, m = 5 kg. Leistungsaufnahme P = 80 W.

Kamera

Halbleiterchips können aus den genannten Gründen nicht verwendet werden. Hoch entwickelte Kamera-Röhren auf der Basis des äußeren Fotoeffekts sind jedoch bekannt, z.B. die Orthikon-Röhre. Sie besteht aus einer Mosaikschicht winziger Kondensatoren (einer pro Bildpunkt), die durch Belichtung aufgeladen und durch einen Elektronenstrahl ausgelesen werden. Damit steht eine Kamera in Röhrentechnologie zur Verfügung, die sich für Venusbedingungen anpassen lassen müsste. Die Kamera wird auch zur Aufnahme optischer Spektren mit dem Spektrometer eingesetzt.

Daten: Ein Orthikon ist konstruktionsbedingt recht unhandlich; genaue Daten stehen nicht zur Verfügung. Schätzung für eine moderne Variante m = 10 kg; P = 100 W.

Optisches Spektrometer

Ein optisches Spektrometer zur Messung vulkanischer Gase (Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff) kann bei Bedarf mit einem Servomotor vor die Kamera gefahren werden. Es besteht aus Spalt, Gitter und einer Optik zur Anpassung an die Kamerabrennweite. Ein Orthikon ist unempfindlich für Infrarot, aber verwendbar für Ultraviolett. SO2 und H2S besitzen Absorptionsbanden im UV-Bereich (ca. 200 bis 300 nm), die zum Nachweis dienen können. Eine erhöhte Konzentration dieser Stoffe durch vulkanische Aktivität lässt sich an der Ausprägung dieser Absorption erkennen. Für die Messung kann als zusätzliche Lichtquelle eine Blitzlampe eingesetzt werden. Sie belastet die Energieversorgung nicht zusätzlich, wenn sie aus einer zuvor geladenen Kapazität betrieben wird.

Daten: Schätzung: Spektrometer und Servo m = 4 kg; Blitzlampe und Kondensator m = 2 kg.

Fahrwerk

Das Fahrwerk rollt von innen auf der kugelförmigen Hülle ab. Es genügt im Prinzip ein (am tiefsten Punkt auf der Hülle aufsitzendes) Antriebsrad mit Elektromotor. Um die Sonde in jede Richtung steuern zu können, muss der Antrieb schwenkbar sein, wozu zwei weitere Motoren in Äquatorhöhe eingesetzt werden. Normale Elektromotoren (Eisenkern, Kupferwicklung, Kohlebürsten) sollten unter Venusbedingungen funktionieren (Kupfer T = 1083 °C, Kohle T = 3800 °C, Eisen T = 1536 °C, Curiepunkt von Eisen bei 744 °C), ebenso auch elektromagnetische Relais. Lackisolierter Draht ist unbrauchbar, die einzelnen Wicklungslagen können aber z.B. durch Glimmer getrennt werden. Als Schmierstoff für bewegliche Teile kommt Graphit (= Kohle) infrage. Eine Reihe weiterer ohne Antrieb mitlaufender Kugeln (ähnlich einem Kugellager; nicht im Bild) kann für eine Lastverteilung sorgen.

Daten: Drei Motoren zu je 2 kg ergeben m = 6 kg, die Leistungsaufnahme kann bei entsprechender Untersetzung gering gehalten werden. Für die Abschätzung: P = 100 W.

Energieversorgung

Für den Betrieb der Sonde müssen nicht alle Verbraucher gleichzeitig in Betrieb sein. Um den Kontakt zum Orbiter zu halten, ist die Elektronik (80 W) ständig erforderlich, die anderen Verbraucher können einzeln zugeschaltet werden. Röntgenspektrometer 80W + 80W = 160W, Einsatz der Kamera 80W + 100W = 180W, Fahren 80W + 100W = 180W. Eine Energieversorgung von 200 Watt sollte demnach ausreichen. Als dauerhafte Energiequelle kommt ein thermoelektrischer Generator mit Radionuklidbatterie oder eine Fotovoltaik-Anlage in Betracht. Ersterer benötigt zum Betrieb einen Temperaturgradienten. Bei Raumsonden entsteht dieser zwischen der heißen Isotopenbatterie und der kalten Weltraumumgebung. Die Umgebungstemperatur auf der Venus beträgt jedoch bereits 450 °C. Die Isotopenbatterie müsste also erstens noch einmal deutlich heißer sein und zweitens, um die Temperaturdifferenz zu nutzen, außerhalb der Hülle angebracht werden, was mit dem Gesamtkonzept der Sonde unvereinbar ist. Daher muss trotz der erwähnten Probleme mit Halbleitern auf Fotovoltaik zurückgegriffen werden. Das verwendete Halbleitermaterial muss allerdings eine große Bandlücke aufweisen, um bei 450 °C noch zu funktionieren. Silizium (Bandlücke 1,1 eV) scheidet aus, infrage käme z.B. Bornitrid (Bandlücke 5,8 eV, T = 2967 °C, ρ = 2180 kg/m³ bei hexagonalem Gitter). Solarzellen aus III/V-Halbleitern wie Bornitrid erreichen zugleich hohe Wirkungsgrade von bis zu 40%.

Die Solarkonstante auf der Venusbahn liegt bei 2615 W/m², wegen der dichten Wolkenhülle erreichen nur 20 % davon die Oberfläche, entsprechend 523 W/m². Als Fläche für die Solarpaneele steht die innere Querschnittsfläche (Äquatorfläche) der Sonde zur Verfügung (mit Spielraum r = 0,95 m); alle Instrumentierung muss sich darunter befinden, um die Solarpaneele nicht abzuschatten. Dies ergibt zugleich den Vorteil eines tief liegenden Schwerpunktes, wie er für den Fahrbetrieb wünschenswert ist. Die resultierende Fläche beträgt ca. 2,84 m²; bei einem (vorsichtig geschätzten) Wirkungsgrad von 15 % ergibt sich eine elektrische Leistung von ca. 223 Watt. Der Betrieb der Sonde wäre damit also leicht möglich, ohne dass Energie zwischengespeichert werden muss.

Daten: Für die Massenberechnung gehe ich aus von 0,5 mm Bornitrid, als Isolator 1 mm Glimmer (T = 1200 °C, ρ = 3000 kg/m³). Da sich das Solarpaneel in der Äquatorebene der Sonde befindet, sollte die tragende Struktur möglichst leicht sein, um den Schwerpunkt nicht unnötig anzuheben. Ich rechne mit einer 2 cm starken Platte aus Magnesium (T = 650 °C, ρ = 1740 kg/m³). Bei Abwesenheit von Sauerstoff ist eine Entzündung auch bei hoher Temperatur nicht zu befürchten. Volumen: Bornitrid 0,0014 m³; Glimmer 0,0028 m³; Magnesium 0,057 m³. Gesamtmasse hieraus m = 111 kg.

Druckausgleich

Um das Problem des hohen Atmosphärendrucks zu reduzieren, soll im Innern der Sonde ein entsprechender Gegendruck aufgebaut werden. Allerdings ist hier ein Kompromiss nötig, da die Vakuumröhren der Elektronik natürlich wiederum diesem Druck Stand halten müssten. Der genaue Wert des Innendrucks muss gemäß der Stabilität der Röhren gewählt werden. Um ihn zu erzeugen, wird die Sonde mit einem Drucktank ausgerüstet, dessen Inhalt während des Abstiegs zur Oberfläche freigesetzt wird. Für eine Abschätzung: Innendruck nach der Landung 45 bar (= 50 % des Außendrucks). Ein kugelförmiger Tank kann (siehe 3.8) nur etwa die halbe Höhe des Innenraums füllen, wegen des am tiefsten Punkt angeordneten Antriebsmotors etwas weniger.

Daten: Angenommener Durchmesser D = 0,9 m, Werkstoff Stahl (T = 1500 °C, ρ = 7850 kg/m³), Wandstärke d = 2 cm. Hieraus V = 0,049 m³; m = 382 kg. Füllvolumen ca. 0,333 m³. Innenvolumen der Sonde abzüglich Instrumentierung ca. 2 m³. Kompression des Gases 6-fach, bei einem Enddruck von 45 bar nach der Entspannung resultiert ein Anfangsdruck im Tank von ca. 270 bar. Füllung mit Inertgas (Helium), Dichte bei Normaldruck 0,18 kg/m³, bei 45 bar 8,1 kg/m³; in 2 m³ also 16,2 kg.

Trägerstruktur und Gesamtmasse

Die Trägerstruktur für Instrumente und Antrieb muss den Drucktank tragen, sollte also entsprechend stabil sein. Ich rechne daher mit Stahl. Die Antriebsräder und Stützkugeln werden zur Schonung der Hülle beim Abrollen mit Hochtemperaturkunststoff (z.B. Polyphenylen, T = 500 °C) beschichtet.

Daten: Hohlprofil mit Querschnitt 2 cm², Gesamtlänge 30 m. Daraus V = 0,005 m³; m = 47 kg. Ferner 16 Kugellagerkugeln mit r = 2 cm; resultierendes Volumen V = 0,0005 m³; Masse m = 4,2 kg.

Resultierende Gesamtmasse der Sonde: ca. 1573 kg. Sie liegt damit in der Größenordnung der Venera-Sonden (ca. 1 bis 1,5 t), könnte also mit einer heutigen Trägerrakete zur Venus gelangen.

Missionsverlauf

Sonde und Orbiter werden mit einer geeigneten Trägerrakete von der Erde gestartet und auf einer Hohmann-Bahn zur Venus transportiert. Die Sonde wird abgetrennt und steigt an einem Fallschirm zur Venusoberfläche ab. Der Orbiter wird in eine niedrige Umlaufbahn gebracht, in der er beim Überflug jeweils Kontakt zum Lander aufnehmen, Messungen starten und Daten empfangen kann. Da jede an der Quarzhülle angebrachte Halterung deren Stabilität gefährden würde, wird die kugelförmige Sonde beim Abstieg von einer Käfigstruktur getragen, an der wiederum der Fallschirm angebracht ist. Im Prinzip reicht ein torusförmiger Ring, in dem die Sonde liegt. Per eigenem Antrieb kann die Sonde ihn dann nach der Landung verlassen. Bei der hier angenommenen Massenverteilung zwischen Hülle und Instrumententräger (Instrumentenschwerpunkt 0,5 m Höhe) kann die Sonde ca. 3 cm hohe Hindernisse überwinden, bei tiefer liegendem Schwerpunkt und größerer Masse der Instrumentierung auch mehr.

Landeort und -zeitpunkt werden so gewählt, dass die Sonne gerade aufgeht; hierdurch erzielt man eine Missionsdauer von etwa einem halben Venustag (ca. 58 Erdtage). Möglicherweise übersteht die Sonde sogar die Venusnacht und kann ihre Mission danach fortsetzen.