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Wettbewerb "Projekt Traumsonde" (unter 16 Jahre)
Mission Sedna

Nina Brauer, Rostock / Mitarbeiter: Nils Hein, Jan Wolfrum, Jonas Möller

Abb. 1

Abb. 2: Innerer Aufbau der Sonde

Abb. 3

Abb. 4. Flugstrecke der Sonde mit Bahnen von Erde und Sedna

Raumsonden wie "Dawn" oder "New Horizons" haben es in unserem Sonnensystem schon weit gebracht. Wir erhalten aktuelle Bilder vom Pluto und seiner näheren Umgebung, wir dringen "in Galaxien vor, die nie zuvor ein Mensch gesehen hat". Es ist ein dringendes Bedürfnis, eine Notwendigkeit, die Umgebung außerhalb unserer acht Planeten zu erkunden. Mit diesen Gedanken im Hinterkopf machten wir uns an die Arbeit. Unsere Forschungsarbeit gilt dem Himmelskörper Sedna, der einige ungewöhnliche (und bis jetzt unerforschte) Eigenschaften hat.

Das transneptunische Objekt 90377, oder kurz Sedna, ist weder Teil des Kuipergürtels noch ein Mond Neptuns. Es gilt aktuell als Objekt der "Inneren Oortschen Wolke". Es hat eine ungewöhnlich hohe Bahnexzentrizität (e = 0,8524). Die Umlaufbahn wirft im Allgemeinen einige Fragen auf: das Perihel liegt bei 76,06 AE, das Aphel bei 0,0151 Lichtjahren. Die Entdecker Sednas[1] vermuten, dass die Unregelmäßigkeit in der Umlaufbahn von der Gravitationskraft eines etwa marsgroßen Himmelskörpers herrührt (dessen Existenz aber noch nicht bewiesen wurde). Sedna erreicht sein nächstes Aphel im Mai 2076, was theoretisch eine nahezu perfekte Bedingung ist. Außerdem rotiert Sedna in einem für seine Größe ungewöhnlich langsamen Rhythmus von 40 Tagen um sich selbst. Theorien beantworten diese Unregelmäßigkeit mit der Existenz eines Mondes, der Gezeitenkräfte hervorrufen könnte, die Sedna verlangsamen. All diese Vermutungen planen wir mit einer speziell entwickelten Sonde zu ergründen. Unser Ziel ist es, Fotos und Infrarotbilder von der Oberfläche und Umgebung Sednas zu schießen, um mit ihrer Hilfe besagte Theorien zu bestätigen oder zu widerlegen.

Aufbau der Sonde

Der Korpus unserer Raumsonde, in dem sich die Geräte und der Computer befinden, hat die Form eines sechseckigen Prismas und ist bedeckt mit MLI-Folie ("Multilayer Insulation"). Die Folie wurde speziell für die Raumfahrt entwickelt und besteht aus mehreren gepressten, metallbedampften Kunststofffolien. Im wechselnden Intervall sind an den Seiten der Sonde drei Photovoltaikanlagen und drei Vorrichtungen für den Antrieb (Abb.1) angebracht.

Unser Ziel besteht vor allem darin, möglichst gut aufgelöste Fotos und Infrarotaufnahmen zu machen. Um in das Gebiet Sednas vorzudringen, muss unsere Sonde sehr leicht sein und einen guten Antrieb haben, weshalb wir die Messgeräte auf ein Minimum reduzieren, um Gewicht zu sparen. Um dem neuesten Stand der Technik gerecht zu sein, soll eine hochauflösende CCD-Kamera eingebaut werden, wie sie zum Beispiel in "New Horizons" (unter dem Namen LORRI) verwendet wurde. Mit nur 8,8 kg Gesamtgewicht und einer Auflösung von 1024 x 1024 px ist die Technologie der Kamera herausragend (P = 5,8 W). Für das Aufnehmen von Infrarotbildern wird ein VIR-Spektrometer eingebaut, das bereits in der Dawn-Sonde verwendet wird und auf dem VIRTIS-Spektrometer der Venus-Express-Mission basiert (P = 17,6 W). Selbstverständlich wird unsere Raumsonde eine Recheneinheit brauchen. Dafür planen wir eine "Vorrichtung zur autonomen Navigation von Satelliten"[2]. Verwendet wird sie zur Verarbeitung und Speicherung von Bildern und Ausführung von Befehlen von der Erde (wir schätzen die Leistung auf etwa 700 Watt, das Gewicht auf rund 10 kg).

Für den Ausgleich der Temperatur innerhalb der gesamten Raumsonde sorgt eine Thermalkontrolle mit integriertem Thermometer. Die Thermalkontrolle bildet ein separates Gerät, das mit Heizgeräten verbunden ist. Das Ziel ist, etwa 10 bis 20°C konstant im inneren des Korpus' zu halten. Die Außentemperatur um Sedna beträgt rund -260°C, die Sonde muss warm gehalten werden. Als passive Wärmezufuhr dienen die Absorption der Sonneneinstrahlung sowie die Wärme der arbeitenden Geräte. Die Außenhülle bildet noch dazu eine Isolationsschicht. Sinkt die gemessene Temperatur trotzdem unter 10°C (mindeste Arbeitstemperatur für die Geräte), schaltet die Thermalkontrolle automatisch Heizgeräte innerhalb des Korpus' an. Diese bleiben solange aktiviert, bis die gewünschte Temperatur wieder erreicht ist.

Die Datenübertragung erfolgt über Funkwellen. Die Daten werden aber nicht von der Erde direkt empfangen, sondern von einem Satelliten, der von der Trägerrakete mitgenommen und während der Abkopplung der eigentlichen Sonde mitabgekoppelt wird. Dabei soll der besagte Satellit bei etwa einem Drittel der Strecke zwischen der Erde und der Raumsonde stehen bleiben. Er hätte einen vorprogrammierten Kurs und man müsste ihn nicht mehr steuern. Das einzige Gerät an Bord wäre die empfangende und versendende Satellitenantenne. Als Antrieb dient ein minimierter chemischer Antrieb für kürzere Strecken. Der Zweck dieser Vorrichtung ist, die Signale möglichst ungestört empfangen und verarbeiten zu können. Selbstverständlich wird mit zwei wechselwirkenden Signalen gearbeitet, sodass man die Sonde von der Erde aus auch steuern kann.

Die Geräte, wie auch der Antrieb, werden mit Hilfe von Solarzellen mit Strom versorgt. Wie bereits am Anfang erwähnt, sollen an der Sonde drei Photovoltaikanlagen angebracht werden. Der elektrische Strom wird direkt an die Geräte und den Antrieb geleitet sobald der Bedarf da ist. Sonst wird er in einem Nickel-Cadmium-Akkumulator (3,5 kg) gespeichert und für die spätere Nutzung behalten, wenn die Sonde im Schatten eines Himmelskörpers steht und kaum von Sonnenstrahlung erreicht wird. Um jedes elektronische Gerät in der Sonde zu versorgen, werden rund 2,5 kW benötigt. Geht man davon aus, dass 1 m² Photovoltaikfläche etwa 0,7 kW unter den gegebenen Bedingungen leisten kann, und jede der drei Flächen 1,5 m² (1m x 1,5 m) groß ist, kommt man auf eine durchschnittliche Leistung von rund 3,15 kW.

Antrieb

Als innovativster Antrieb eignet sich der "Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion"-Motor[3], oder auch kurz der M2P2-Antrieb. Dabei wird ein Magnetfeld mit einer Spule erschaffen, welches dann mit ionisiertem Helium, also Plasma, "gefüllt" wird. Auf diese "Magnetblase" trifft dann Sonnenwind. Die geladenen Teilchen im Sonnenwind prallen vom Magnetfeld ab und der Schub der Teilchen, die mit sehr hoher Geschwindigkeit fliegen, wird auf das Magnetfeld übertragen. Dieser Impuls geht dann auf die Sonde über, welche anfängt sich fortzubewegen (P = 1 kW).Unser Antrieb soll aus drei dieser Spulenvorrichtungen bestehen. Sie dienen dafür, jede Richtung für die Kursänderung realisieren zu können, indem man z.B. eine der drei Spulen abschaltet und nur zwei weiterarbeiten lässt. Die Erfinder des M2P2-Antriebs schätzen die Geschwindigkeit einer 70 bis 140 kg schweren Sonde auf etwa 50 bis 80 km/s. Unser Entwurf wiegt etwa 141 kg, weshalb wir von einer Geschwindigkeit von etwa 45 km/s ausgehen.

Die sonnennächste Stelle in der Umlaufbahn wird Sedna erst in 60 Jahren erreichen - wir wollen trotzdem nicht so lange mit dem Start warten. Indem man die Sonde bereits jetzt auf die Reise schicken würde, wird sie zwar länger brauchen, als würde sie zur sonnennächsten Stelle fliegen, erreicht ihr Ziel aber um Jahrzehnte früher. Kennt man nun die präzise Stellung Sednas zur Erde, kann man berechnen, in welcher Stellung die Erde sein muss, um die Sonde loszuschicken und nach der Zeit, die die Sonde dann dementsprechend braucht, Sedna auf seiner Umlaufbahn treffen. Eine modellhafte Darstellung unserer Gedanken ist in Abb. 4 dargestellt.

[1] Entdeckung am 14. November 2003 von Mike Brown, Chad Trujillo und David Rabinowitz
[2] Erfunden und patentiert von Klaus Janschek, Valerij Tchernykh, Sergej Dyblenko am 31.05.2002, Deutschland, Technische Universität Dresden, http://www.freepatentsonline.com/DE10292353B4.html
[3] Erfunden von Robert Winglee, John Slough, Tim Ziemba, Anthony Goodson, USA, University of
Washington, http://earthweb.ess.washington.edu/space/M2P2/STAIF2000.PDF