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Das sagt der/die AutorIn des Artikels, UMa über sich:
Ich interessiere mich für extrasolare Planeten, Astrophysik, Geowissenschaften und verwandte Themen. Wenn mich etwas interessiert oder mir seltsam vorkommt, rechne ich das nach. Meist bin ich im Astronews.com Forum aktiv.
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Proxima 1
Kürzlich wurde die Entdeckung eines Planeten von etwas über einer Erdmasse in der habitablen Zone um Proxima Centauri, dem sonnennächsten Stern, bekanntgegeben. Seine Bezeichnung ist Proxima Centauri b.
Hier versuche ich zu beschreiben, wie eine Sonde aussehen könnte, die den Planeten um Proxima Centauri noch im 21. Jahrhundert direkt erforscht. Dabei habe ich mich auf bereits vorhandene Technologie beschränkt, mit Ausnahme des Primärantriebes, für den es bis jetzt noch keine Technologie gibt, mit der die Entfernung zu Proxima Centauri von 4,24 Lichtjahren oder 268000 Astronomischen Einheiten (AE), in weniger als ein paar tausend Jahren zurückgelegt werden könnte.
Aber es gibt schon einige Ideen für den Primärantrieb. Eine Möglichkeit sind riesige, extrem leichte Lichtsegel, welches in Sonnennähe durch die Sonne, oder aber, auch in größerer Entfernung durch einen starken Laser angetrieben werden könnten. Typischerweise wird dies für eher kleinere Sonden vorgeschlagen.
Eine andere Möglichkeit sind Kernspaltungs- oder Kernfusionsrückstoßantriebe von denen einige über 1000 km/s Ausströmgeschwindigkeit erreichen könnten.
Es gibt exotischere Ideen zum Abbremsen wie das MagSail zum abbremsen. Oder elektrodynamische Tether zur Richtungsänderung. In dieser eher konservativen Sonde werden sie nicht verwendet.
Eine Beschleunigung oder Richtungsänderung durch gerichtete Abwärme der RTGs ist möglich, wie man bei den Sonden Pioneer 10 und 11 gemerkt hat, aber zu ineffektiv um größere Bahnänderungen durchzuführen. Deswegen erhält Proxima 1 zusätzlich einen Ionenantrieb.
Im weiteren werde ich annehmen, dass eine Geschwindigkeit von 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, das sind 30000 km/s mittels eines Rückstoßantriebes von 5000 km/s Ausströmgeschwindigkeit erreicht wird. Auch wenn es wenig wahrscheinlich scheint, dass eine solche Geschwindigkeit von einer Raumsonde in den nächsten Jahrzehnten erreicht werden kann, würden langsamere, plausiblere Geschwindigkeiten keine Ankunft mehr in diesem Jahrhundert gestatten.
Der Aufbau von Proxima 1
Die hohe Geschwindigkeit bestimmt den Aufbau der Raumsonde Proxima 1. Einerseits muss sie leicht sein, damit die Startmasse nicht zu groß wird, andererseits gibt es keine Möglichkeit wieder abzubremsen und so wird es eine Vorbeiflugsonde mit einer extrem hohen Geschwindigkeit von 30000 km/s. Dies stellt hohe Anforderungen an das Kamerasystem, das die Aufnahmen aus großen Entfernungen von vielen Millionen Kilometern machen muss zusammen mit kurzen Belichtungszeiten von wenigen hundertstel Sekunden. Im Prinzip ergibt sich eine Videokamera, die in schneller Folge etwa 30 Bilder die Sekunde aufnehmen muss. Wegen der hohen Entfernungen ist eine große Auflösung und eine hohe Lichtstärke erforderlich, die eine große Öffnung und damit insgesamt eine große Kamera erfordert. Damit scheiden sehr kleine Sonden aus.
Stromversorgung:
Die 4 Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) zur Stromversorgung wiegen zusammen 220 kg und liefern zu Anfang 1140 W Strom. Bei dem Vorbeiflug an Proxima Centauri sind es noch 570 W. Davon braucht die Sonde mit Instrumenten, aber ohne Sender und Antrieb maximal 170 Watt. Die gesamte Wärmeproduktion fällt von anfänglich 17,6 kW auf 12,5 kW ab. Sie verhindert die Auskühlung der Sonde während des Fluges.
Sekundärantrieb:
Als Sekundärantrieb und Lageregelung hat Proxima 1 einen Ionenantrieb. Mehrere große und einige Ionentriebwerke kleine Lageregelung. Die Ausströmgeschwindigkeit der Ionentriebwerke beträgt 50 km/s. Maximal werden 400 W Strom benötigt, damit können 11 mN Schub erzeugt werden. Es stehen 113 kg Xenon als Treibstoff in einem Drucktank zur Verfügung, die Triebwerke können damit insgesamt 16 Jahre betrieben werden. Insgesamt kann damit die Geschwindigkeit um 8,2 km/s geändert werden. Eine nennenswerte Beschleunigung oder Abbremsung ist damit also nicht möglich. Auch kann die Ankunftszeit nur um maximal 19 Stunden verändert werden. Allerdings kann, wenn die Triebwerke die letzte 16 Jahre durchgehend laufen, die Sonde um bis zu 13,8 Astronomische Einheiten (AE) seitwärts bewegt werden. Eine größere Änderung wäre möglich, wenn mehr als 16 Jahre vor er Ankunft mit der Kurskorrektur begonnen würde. Dabei beträgt die Gesamtmasse mit vollem Treibstofftank 750 kg.
Während nahezu der gesamten Flugphase dreht sich Proxima 1 mit wenigen Umdrehungen pro Minute um die Achse in Flugrichtung um die Lage zu stabilisieren.
Ein mehrlagiges Schutzschild von über 5 m Durchmesser schützt die Sonde vor Staubteilchen die mit 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit von vor auf die Sonde treffen. Außerdem absorbiert es die Protonen und Elektronen des interstellaren Gases, die als niederenergetische Strahlung auf die Sonde treffen.
Instrumente:
Proxima 1 verfügt über zwei Kamerasysteme. Die Large Proxima Imaging Camera (LaPIC) ist ein Cassegrain Teleskop mit 50 cm Öffnung und 12 m Brennweite. Sie ist das Hauptinstrument von Proxima 1 und dient neben der Gewinnung der Bilder und Spektren der Planeten um Proxima Centauri auch der Bestimmung der Parallaxen der Sterne. Das Gesichtsfeld beträgt maximal 1 Grad. Aus einer Entfernung von 10 Millionen km von Proxima Centauri b können noch Details von 10 km erfasst werden. Der Detektor hat 5 Spektralkanäle zwischen 400 nm bis 2,5 µm.
Die LaPIC ist quer zur Flugrichtung angebracht und liegt komplett hinter dem Schild. Spiegel die seitlich angebracht sind befinden sich normalerweise hinter dem Schutzschild und reflektieren das Licht aus unterschiedlichen Richtungen in die feststehende LaPIC. Es gibt aber auch mehrere Spiegel, die sich über den Rand des Schildes ausklappen können, um Aufnahmen nach vorn zu ermöglichen. Dabei gibt es insgesamt 6 als Backup, falls einige durch Staubteilchen beschädigt werden. Diese Spiegel dienen vor allem dem Schutz der Kamera, so dass diese auch nach vorn Aufnahmen machen kann, ohne teilweise in den Teilchenstrom zu geraten.
Ein abbildendes Spektrometer für das sichtbare und infrarote Licht sollen die Zusammensetzung der Oberflächen und Atmosphären der Planeten des Proxima Centauri Systems bestimmen.
Daneben gibt es noch die kleine Small Camera (SmaC) die mit nur 7,5 cm Öffnung deutlich Lichtschwächer ist aber über ein Gesichtsfeld von 16 Grad verfügt. Sie verfügt aber zusätzlich über nur schwach reflektierende Spiegel, mit denen auch Großaufnahmen des Sterns Proxima Centauri selbst gemacht werden können, ohne die Kamera zu überhitzen.
Das Energetic Partikel Spectrometer (EPS) erfasst Elektronen, Protonen und Ionen um Bereich von 100 bis 10000 keV. Dabei muss die hohe Geschwindigkeit der Raumsonde berücksichtigt werden, die sie je nach Richtung zur Teilchenenergie addiert. Auch das interstellare Gas sowie der Sternenwind werden damit erfasst. Ein Staubdetektor ragt ebenso wie das EPS über das Schild hinaus und werden so vom Staub und Teilchenstrom durchsiebt. Des weiteren gibt es ein Gerät zu Messung der interstellaren Magnetfelder.
Kommunikation:
Proxima 1 hat nur eine Hochgewinnantenne (HGA) von 5 m Durchmesser. Sie hat keine Niedriggewinnantenne (LGA) wie Raumsonden, die im Sonnensystem verbleiben, denn sie wäre nutzlos, da sie zu schwach ist, um die Erde aus größerer Entfernung erreichen zu können oder von dort Signale zu empfangen. Eine mit der Haupttriebwerksstufe verbundene Kommunikationseinheit für die Beschleunigungsphase inklusive MGA und LGA wurde mit dieser abgeworfen.
Der Sender kann mit bis zu 175 W Sendeleistung senden bei 400 W Stromverbrauch.
Gesendet wird im Ka Band bei 34 GHz, direkt auf die Sonne zu. Dies hat den Vorteil, dass die Sendeenergie auf einen Winkel von nur 6 Bogenminuten gebündelt werden kann. Der Nachteil ist, dass die Empfangsstärke durch Wasserdampf in der Erdatmosphäre gestört wird. Daher ist eine erheblich größere Redundanz in den gesendeten Signalen als bisher nötig. Trotz der großen HGA des starken Senders und der hohen Frequenz nimmt die Datenrate wegen der sehr großen Entfernung stark ab. Sie beträgt 2 Bit/s zu beim Square Kilometre Array (SKA) oder 440 Bit/s nach der Erweiterung des SKA bzw. Neubau eines Empfangsarrays. In den 8 Jahren könne damit bis zu 100 Gigabit übertragen werden. Unter Berücksichtigung der Rotverschiebung der Signale, kommt das Signal bei der Erde mit einer Datenrate von 400 Bit/s und einer Frequenz von 30,75 GHz an. Für die Kommunikation der Sonde, die sich weit von der Erde entfernt, muss das SKA mit Empfängern für das Ka Band nachgerüstet werden, da die Empfänger für dies hohen Frequenzen nicht geeignet sind.
Die Mission von Proxima 1
Mit einem einstufigen Test des Primärtriebwerks im Herbst 2028 mit einer 3 Tonnen schweren Neptunsonde, die mit nur 1,3 Tonnen Treibstoff auf 838 km/s beschleunigt, wieder abbremst und nach nur 87 Tagen in einen Neptunorbit einschwenkt, wird die Technologie getestet.
Im Anfang Februar 2030 mit 6 Starts des Space Launch Systems Block 2 werden die je 130 Tonnen schweren Komponenten in einen niedrigen Erdorbit von 186 km Höhe gebracht. Dort werden die 6 Teile, die Sonde mit den 3 obersten Stufen, sowie 5 weitere Primärtriebwerke, zum schwersten Objekt von 780 Tonnen, das von Menschen in den Orbit gebracht wurde zusammengesetzt. Durch eine Ausströmgeschwindigkeit von 5000 km/s beschleunigt der vierstufige Primärantrieb in knapp 3 Jahren Proxima 1 auf 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Bereits im Juni 2030 ist Proxima 1 mit 184 AE die entfernteste Sonde von der Erde und überholt damit Voyager 1. Nach der Trennung der letzten Stufe des Primärantriebes Ende 2032 fliegt Proxima 1 mit nur noch 750 kg Gesamtmasse aber 30000 km/s weiter.
Bereits während des Fluges beginnt die interstellare Mission. Dabei werden Teilchen und Magnetfelder im interstellaren Raum vermessen. Die Daten werden gesammelt um die Empfangsanlagen auf der Erde nicht dauerhaft zu blockieren und im Abstand von einem Jahr zum SKA mit einer maximalen Datenrate von anfänglich 440 Bit pro Sekunde gesendet. Mit zunehmender Entfernung muss die Datenrate reduziert werden und die Übertragungszeiten werden immer länger.
Während der zweiten Phase des Fluges nach Proxima Centauri beginnt dann die astrometrische Mission. Insgesamt sollen die Positionen mehrerer Millionen Sterne unserer Milchstraße auf besser als 0,2 Millibogensekunden genau bestimmt werden. Selbst wenn man nur die Genauigkeit des Hipparcos Satelliten erreicht, kann man wegen der langen Basislinie von über 200000 AE die Distanzen selbst zu Galaxien trigonometrisch bestimmen. Insbesondere bei Supernovae, die in nahen Galaxien bis etwa 100 Millionen Parsec während des Fluges auftreten, können so im Vergleich mit Aufnahmen von der Erde trigonometrische Parallaxen bestimmt werden. Aber auch innerhalb der Milchstraße können die Entfernungen der Sterne so mit einer zehntausendfach höheren Genauigkeit gemessen werden, als mittels der GAIA Mission.
Wegen der niedrigen Datenrate werden die Rohdaten bereits an Bord der Sonde ausgewertet und nur die nötigen Informationen mit einer niedrigen Datenrate von wenigen Bit pro Sekunde zur Erde gesendet.
Anfangs, bis in die 2070er Jahre, dient das SKA als Empfangsanlage, wobei zuletzt dafür ein immer größerer Anteil der Zeit aufgewendet werden muss. Bis zur Ankunft an Proxima Centauri muss das SKA vergrößert oder aber ein größeres Array gebaut werden, dass aus dieser Entfernung die Bilder und Daten empfangen kann, die mit wieder mit 440 Bit pro Sekunde gesendet werden.
Im März 2073, etwa 6 Monate vor dem Vorbeiflug, beginnen die Aufnahmen der Umgebung von Proxima Centauri, um sie nach weiteren entfernten Planeten abzusuchen. Die Aufnahmen sind jetzt besser als mit dem European Extremely Large Telescope (E-ELT) von der Erde aus. Die Planung weitere Aufnahmen muss autonom erfolgen, da die Signallaufzeit zur Erde und zurück über 8 Jahre beträgt und so nur einer grobe Planung der Mission möglich ist aufgrund von über 8 Jahre alten Daten, während die verbesserten Positionen und neuen Planeten noch nicht berücksichtigt werden können.
Die spektroskopischen Aufnahmen sind während des Anfluges mit z=-0,0955 blauverschoben, wegen der hohen Geschwindigkeit von 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, mit der sich die Sonde nähert. Dabei verdeckt der Schild Proxima Centauri um die Planeten besser aufnehmen zu können.
Anfang Oktober 2073 fliegt Proxima 1 durch das Innere des Proxima Centauri Planetensystems. Dies ist der erste Vorbeiflug an einem anderen Stern als der Sonne. Neben den Aufnahmen und der Spektroskopie wird auch das Magnetfeld und die Gas- und Staubzusammensetzung vermessen.
Geschwindigkeit ist dabei so groß, dass eine Astronomische Einheit in weniger als 5000 Sekunden zurück gelegt wird.
Nachdem die äußeren Planeten aufgenommen wurden, konzentriert sich Proxima 1 auf das Primärziel Proxima Centauri b. Dabei wird in schneller Folge ein ganzes Video aufgenommen damit Bilder wegen der schnellen Bewegung nicht unscharf werden. Die nächsten Aufnahmen sollen Strukturen, die weniger als 10 km messen, zeigen können. Währenddessen macht die SmaC auf der anderen Seite Nahaufnahmen des Sterns.
Nach dem Vorbeiflug werden die Spiegel gedreht und die Aufnahmen gehen von der anderen Seite weiter. Doch von nun an sind alle Farben rotverschoben, da sich nun die Sonde wieder entfernt. Nun wird der Sender eingeschaltet, um die Atmosphäre zu vermessen. Dabei wird versucht die Bahn so zu legen, dass Proxima 1, von der Erde aus gesehen, hinter Proxima Centauri b hindurchfliegt, damit das Signal durch seine Atmosphäre geht. Je nach gegenseitiger Stellung können auch noch anderen Planeten oder Proxima Centauri selbst vermessen werden.
Nach dem die Messungen abgeschlossen sind, wird begonnen, die Daten zur Erde zu senden.
Schließlich im Dezember 2074, 14 Monate nach dem Vorbeiflug an Proxima Centauri, ist die größte Nähe zum Alpha Centauri Hauptsystem A und B erreicht. Dabei werden Aufnahmen der dort bekannten Planeten gemacht, um ihre dreidimensionale Position besser zu vermessen. Neue Planeten werden dabei nicht entdeckt werden, da aus der Distanz von 10500 AE die Aufnahmen schlechter sind, als die mit Großteleskopen von der Erde oder dem erdnahen Weltraum. Sie sind vergleichbar mit einem 13 Meter Teleskop von der Erde aus.
Im Januar 2078 erreichen die ersten Daten die Erde mit einer Datenrate von 400 Bit pro Sekunde. Wegen der Rotverschiebung ist die Datenrate beim Empfangen geringer als beim Senden. Es dauert ganze 8 Jahre um alle Daten in höchster Komprimierung von Proxima 1 zur Erde zu übertragen.
Wie realistisch ist Proxima 1?
Außer dem Primärantrieb habe ich nur existierende oder im Bau befindliche Technologien verwendet. Es ist unwahrscheinlich, dass es bis 2030 einen derartigen Antrieb gibt. Einfacher, schneller und billiger wären Großteleskope auf der Erde oder im All, die Planeten um nahe Sterne direkt untersuchen können.
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