Nachdem New Horizons nun am Pluto vorbei geflogen ist, ist die Mission noch nicht zu Ende. Schon im Vorfeld wurde nach weiteren Zielen gesucht, die man nach Pluto noch anfliegen könnte. Dabei war die Auswahl sehr begrenzt, denn die Sonde hat nur sehr begrenzte Möglichkeiten mit den eigenen Triebwerken zu navigieren. Deshalb musste zuletzt noch das Hubble Space Telescope benutzt werden, um nach geeigneten Zielen zu suchen. Letztlich fand man auch einige, aber für mehr als ein einziges wird es wohl nicht reichen.

Das war der Hintergrund, wegen dem ein kurzer Tweet vorhin meine Aufmerksamkeit erregt hat:

Damit gibt es konkrete Zahlen und wir können einmal schauen, was wir damit anfangen können. New Horizons ist eine sehr kleine und leichte Sonde. Sie wog beim Start nur 470kg und davon waren 77kg Treibstoff. Der Treibstoff ist einfaches Hydrazin, das katalytisch zerlegt wird. Der spezifische Impuls beträgt dabei nur etwa 220s (2,2km/s).

Ionentriebwerke können deutlich mehr als das. 2000s (20km/s) gelten dort als wenig. Grob überschlagen braucht man mit dem zehnfachen spezifischen Impuls nur ein Zehntel der Treibstoffmenge ( das gilt für relativ kleine Geschwindigkeitsänderungen wie diese hier) und bei 2000s ist noch lange nicht Schluss. 5000s sind für Ionentriebwerk völlig normal und 10’000s noch gut erreichbar.

Bevor man aber im Rausch der Möglichkeiten völlig versinkt, sollte man nicht vergessen, dass die Energie für den Antrieb irgendwoher kommen muss. Denn Ionentriebwerke werden elektrisch betrieben und die elektrische Energie in Bewegungsenergie des Treibstoffs umgewandelt, mit einer Effizienz so um die 70-80%. Sie sind also Teilchenbeschleuniger. Allerdings sind Ionentriebwerke darauf optimiert möglichst viele Teilchen zu beschleunigen und nicht Teilchen möglichst hoch zu beschleunigen. Denn hohe Geschwindigkeiten haben ihren Preis.

Der Energieverbrauch des Triebwerks für jedes Gramm Treibstoff steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, auf die man den Treibstoff beschleunigt. Gleichzeitig steigt der Schub dabei nur linear. Wenn man also ein Gramm Treibstoff in der gleichen Zeit auf eine doppelt so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dann bekommt man dafür den doppelten Schub, braucht aber vier mal so viel Energie!

New Horizons hat aber nicht viel Energie. Zur Zeit sind es noch etwa 200W. Damit muss man haushalten. Aber ich bin mir sicher, dass man zeitweise 100W davon für den Antrieb erübrigen könnte. Davon würden noch 80W im Treibstoff landen, den wir auf 20.000m/s beschleunigen wollen. Das reicht für sage und schreibe 0,4mg Treibstoff pro Sekunde. Allerdings bräuchte man auch keine 20-25kg für das später geplante Manöver, sondern nur 2-2,5kg. Damit lässt sich ausrechnen, dass man 4-5 Millionen Sekunden braucht. Das ist durchaus noch im Rahmen. Ein Jahr hat etwas mehr als 31 Millionen Sekunden und was sind bei einer so langen Mission schon 2 Monate?

Tatsächlich hätte man an diesem Punkt der Mission mit 33kg noch genug Treibstoff, um die Triebwerke fast 3 Jahre auf diesem Niveau weiter laufen zu lassen. Dabei hätte man nicht nur einen Spielraum von etwa 120m/s für weitere Manöver, sondern etwa 1,2km/s (vom Treibstoffverbrauch während der Mission davor gar nicht zu sprechen). Es wäre wahrscheinlich genug gewesen um gleich noch eine ganze Reihe von Objekten im Kuiper Gürtel anzufliegen – und das alles mit nicht mehr Strom als eine 100W Glühbirne braucht.

Wollen wir hoffen, dass es noch mehr Missionen in diese Bereiche des Sonnensystems gibt und dass diese Sonden dann mit besserer Technik ausgerüstet sind.

Kommentare (6)

  1. #1 dgbrt
    15. Juli 2015

    Um Pluto in akzeptablen Zeiten zu erreichen, braucht man schon etwas mehr Wumms. Dawn und Rosetta haben gezeigt, wie das mit Ionen-Triebwerken geht. Aber die haben genauso lange gebraucht wie New Horizons; die Entfernung war aber um ein vielfaches geringer.

    Wenn man NH also zusätzlich mit einem solchen Triebwerk ausgestattet hätte wäre die kleine Nutzlast nochmal reduziert worden. Und wo sollte NH damit jetzt hin fliegen?

    • #2 wasgeht
      15. Juli 2015

      NH soll jetzt noch zu einem Asteroiden im Kuiper Gürtel fliegen.

      Was ich hier im Artikel beschrieben habe, wäre aber nicht für einen schnelleren Flug zum Pluto gewesen, sondern für effizientere Korrekturmanöver … und viel Reserve für weitere Manöver zu anderen Asteroiden.

  2. #3 Honeybunny
    16. Juli 2015

    200W ist keine Energie. Meinten sie vielleicht Ws (Wattsekunde)?

  3. #4 Christopher van der Meyden
    16. Juli 2015

    Was Frank meint ist, dass das RTG von New Horizions etwa 200W konstant liefert. Die Leistung nimmt etwa 5% alle 4 Jahre ab, was bis 2030 reicht.

  4. #5 INCO
    16. Juli 2015

    Schönes Gedankenexperiment, ich habe hier einige Anmerkungen dazu:
    New Horizons hat während der Cruise-Phase ein Power Budget von über 150W ([1] Fig. 10), da bleibt also nur weniger als 100W übrig, insbesondere für die extended mission.
    Da machen die Heater, die im Moment für die Hydrazin-Thruster gebraucht werden mit ~2W/Stück auch keinen großen Unterschied.
    Die 10000s scheinen mir etwas zu hoch gegriffen für Triebwerke mit hohem TRL. Die meisten sind eher bei unter 5000s ([2] Fig. 1 von 2003, also vor dem Start der Sonde).
    Die angenommene Effizienz des Systems scheint mir persönlich auch etwas zu hoch gegriffen. Insbesondere, da wir hier ja von einem low-power Model sprechen, da ist der Grundverbrauch der benötigten Power-Conditioning Systeme natürlich besonders bedeutend.
    Der geringe Schub macht Kurskorrekturen auch schwieriger, da man ja nicht mehr quasi-instantan den Geschwindigkeitsvektor ändern kann. Man braucht also auch etwas mehr delta-V, das sollte aber keinen allzu großen negativen Einfluss im Vergleich zu der gesteigerten Treibstoff-Effizienz haben.
    Insgesamt ist hier wahrscheinlich für die Energie-beschränkte New Horizons Sonde nicht die schlechteste Lösung gewählt worden. ;-)

    Danke für die anregenden Blogeinträge!

    [1] http://www.boulder.swri.edu/pkb/ssr/ssr-fountain.pdf
    [2] http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030105665.pdf

    • #6 wasgeht
      16. Juli 2015

      Ok, zwischen Pressekonferenz und Podcast mal eben einen Artikel schreiben war vielleicht nicht ganz die schlauste Idee. Ich hätte tatsächlich nicht gedacht, dass in der Cruise Phase keine 100W übrig blieben.

      Dann wiederum war die Marge groß genug. 50W reichen immernoch für einen Pulsbetrieb mit dem halben Treibstoffdurchsatz, dauert dann eben 4 Monate statt 2 Monate. (Und mit Sterling Motoren käme man ohnehin auf knapp 1000W elektrischer Leistung. Man kann sicher einen Weg finden sie nicht dauernd abrufen um die Mechanik zu schonen.)

      Und ja, die quasi-instantane Änderung hat schon etwas für sich. Aber beim Rechnen etwas mehr schwitzen könnte man wohl auch noch verkraften.