Pluto – Am Ende unseres Sonnensystems [2/6]

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Inhalt der Pluto/New Horizons Reihe

In insgesamt 6 Episoden soll auf den Webseiten der Rieser Sternfreunde die Mission der Raumsonde New Horizons zum letzten Planeten unseres Sonnensystems Pluto vorgestellt werden (korrekt ist seit 2006: Zwergplanet, aber Planet hört sich doch noch etwas wertiger an). Zur Übersicht hier die Inhalte der einzelnen Episoden (mit Links zum jeweiligen Bericht):

1) New Horizons – Prolog, Vorgeschichte und Planung

2) New Horizons – Die Technik 1 (aktueller Bericht)

3) New Horizons – Die Technik 2

4) New Horizons – Die wissenschaftlichen Instrumente

5) Das Warten hat ein Ende – Die Reise ans Ende unseres Sonnensystems

6) Aus interplanetar wird interstellar!

 

New Horizons – Die Technik 1

nh_strukturDie Struktur von New Horizons

Energieversorgung

New Horizons hat in etwa die Maße eines Konzertflügels – 0,7 m breit, 2,1 m lang und an der breitesten Stelle 2,7 m. Dazu kommen noch eine 2,1 m Parabolantenne und die etwa 1,2 m lange zylinderförmige Radionuklidbatterie (RTG – radioisotope thermoelectric generator), die mittels radioaktivem Zerfall von Plutonium (10,9 kg) zu Beginn der Mission 285 Watt bei 28 Volt erzeugt. Beim Vorbeiflug an Pluto beträgt die Leistung nur noch 225 W, was auf den radioaktiven Zerfall und damit das Schwinden des Radionukilds zurückzuführen ist.

nhEndmontage von New Horizons, links der RTG (schwarz)

Die Leistung der RTG wurde so dimensioniert, dass nach dem Vorbeiflug noch 25 Jahre lang genug Energie für alle Systeme erzeugt wird (mindesten 182 W).
Übrigens, auf Photovoltaik beruhende Systeme zur Energieerzeugung (Sonnensegel o.ä.) sind für diese Mission untauglich, da das Sonnenlicht bei Pluto einfach zu schwach ist, um ausreichend Energie erzeugen zu können – die Sonne erscheint auf Pluto nur mehr als ein (heller) Stern unter vielen (Entfernung etwa 5,5 Lichtstunden)!

pluto_panorama01Das „Panorama“ auf Pluto – zwei künstlerische Darstellungen.
Wie es wirklich aussieht erfahren wir erst im Sommer 2015!
pluto_panorama02

Die Zuverlässigkeit dafür, dass die Sonde in den 10 Jahren der Pluto-Mission alle Anforderungen komplett erfüllen sollte, betrug 0.85. Man ging darüber hinaus sogar davon aus, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von 85% die Sonde 16 Jahre lang in einer Entfernung von bis zu 50 AE arbeiten kann. Dementsprechend sind auch die zahlreichen Subsysteme ausgelegt – Struktur, Kreiselsysteme, Antrieb, Stromerzeugung, Kommunikation, Navigation, wissenschaftliche Instrumente.

Elektronik

Die Sonde führt 2 Computersysteme mit – eines für die Durchführung der wissenschaftlichen Experimente und zur Steuerung (Command and Data Handling System), das andere zur Lagekontrolle (Guidance and Control System). Beide Computersysteme sind aus Redundanzgründen doppelt vorhanden, womit New Horizons damit über 4 Rechnersysteme verfügt. Die zugehörigen Prozessoren (Mongoose V 3000, RISC-Prozessoren mit 12 MHz Taktfrequenz) sind strahlungsgehärtet.

Für die Zwischenspeicherung der wissenschaftlichen Daten stehen zwei Flash-Recorder mit je 8 Gigabyte zur Verfügung. Der interne Speicher von 768 Kilobyte beinhaltet eine Reihe von Kommandos, die einen monatelangen autonomen Betrieb der Sonde erlauben (sogenannte Zeitgesteuerte Regeln und Autonomitaetsregeln).

Auch wenn nun manch moderner Zeitgenosse abfällig über diese „Leistungsdaten“ die Nase rümpft, die Leistungsfähigkeit der Rechensysteme reicht für die anstehenden Aufgaben aus. Nicht das umfangreiche Berechnen von Tabellen oder Erstellen aufwendiger Grafiken stehen bei dieser Mission im Vordergrund – Zuverlässigkeit für die „Lebenserhaltung“, Steuerungen und wissenschaftliche Experimente in einer der extremsten Umgebungen haben oberste Priorität.

Kommunikation

Die Sonde kommuniziert mit der Erde über 4 Antennensysteme:

Hauptsystem ist eine 2,1 Meter im Durchmesser messende Parabolantenne über die im X-Band (8-12 GHz) Daten mit einer Übertragungsrate von etwa 300 bis 600 Bit pro Sekunde (in Pluto-Nähe) zur Erde gesendet werden können. Das „downloaden“ eines einzigen Bildes von LORRI (long range reconnaissance imager – Kamera für hochauflösende Aufnahmen) wird dann etwa 12 Stunden dauern, die gesamten Daten des Encounters werden etwa 40 Tage für die Übertragung zur Erde benötigen.

nh_parabolDie 2,1 Meter Parabolantenne

Zum Vergleich: In Jupiternähe konnten Daten noch mit 38 Kilobit pro Sekunde übermittelt werden, ein Standard-ADSL-Anschluss bietet dem Nutzer hierzulande bis zu 16 Megabit pro Sekunde und Glasfaser-Netzwerke bieten Übertragungsraten von bis in den Terabit pro Sekunde-Bereich (das ist dann etwa 1,5 Millionen mal „schneller“).

Eine Übertragung „in Echtzeit“ ist damit nicht möglich, daher werden zum einen die gesammelten Daten in zwei je 64 GBit (8 GByte) großen Flash-Speicherbausteinen zwischengespeichert und erst nach dem Vorbeiflug übertragen. Zum anderen wird bereits während der heißen Phase der Mission fortlaufend übertragen, denn es besteht die nicht zu unterschätzende Gefahr, dass trotz zahlreicher Not-Prozeduren die Sonde beschädigt wird oder ganz ausfällt – die Daten wären unwiederbringlich verloren.

Für den Empfang der eintrudelnden Daten ist das Deep Space Network (DSN) der NASA zuständig. Das DSN ist ein System von mehreren über den Erdball verteilten 70 Meter Empfangsantennen (Goldstone/USA, Canberra/Australien, Madrid/Spanien), die im Bedarfsfall auch zusammen ­geschaltet werden können um auch sehr schwache Signale detektieren zu können.

dsnStandorte des Deep Space Network mit den jeweiligen Antennensystemen

Da das DSN noch weitere Missionen zu verfolgen hat (etwa die Voyager Sonden – Live-Daten hier: http://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html), muss darüber hinaus die Datenmenge einiger Daten innerhalb eines 10 Tage-Zeitraums um den Encounter ein wenig komprimiert werden (Faktor 20) – auch auf die Gefahr hin, dass die ein oder andere Information verloren geht. Eine Auswahl welche der Daten komprimiert werden können, wird durch die Missionsverantwortlichen getroffen (http://pluto.jhuapl.edu/science/data_collection.php).

Übertragen wird mittels der bereits beschriebenen 2,1 Meter-Parabolantenne, deren Öffnungswinkel (der Sendekeule) nur 0,3° beträgt. Daher ist für die Übertragung eine äußerst genaue Ausrichtung erforderlich, zumal die abgestrahlte Sendeleistung lediglich 12 Watt beträgt (mit Antennengewinn von 42 dB sind das auch nur 1510 Watt).

Zur Veranschaulichung vielleicht folgendes: Wenn die etwa 1500 Watt bei Pluto in einem Winkel von 0,3° abgestrahlt werden, dann misst dieser Strahl – ein wenig Geometrie angewandt – auf der Erde 23.561.998 km im Durchmesser und für die 30 Meter Antennen des DSN bleiben (sehr stark vereinfacht, keine atmosphärische Dämpfung, kein Antennengewinn) gerade mal 2,2*10-15­ Watt übrig.

Zum Vergleich: Eine modernde LED-Lampe verbraucht etwa 2 Watt – das ist etwa 900 Billionen Mal mehr! (siehe dazu auch den Bericht von Uwe)

dsn03+04

Beispielhaft hier die Empfangsdaten der Kometensonde Rosetta vom 27.11.14 und Voyager 1 vom 30.11.14. Man beachte die empfangene Leistung … 10-20 Kilowatt (=10-17 Watt) bei Rosetta (etwa eine halbe Lichtstunde/500 Millionen Kilometer entfernt) und 10-23 Kilowatt (=10-20 Watt) bei Voyager 1 (etwa 18 Lichtstunden/19,5 Milliarden Kilometer entfernt)

 

Die anderen Antennensysteme – eine kleinere Parabolantenne mit 30 cm und zwei Rundstrahlantennen auf jeweils entgegengesetzter Seite – dienen der Ausrichtung der Hauptantenne und für Kommunikation, falls die Sonde keinerlei Ausrichtung zur Erde hat.

 

Zu guter Letzt noch das Neueste – Time to Wakeup !

New Horizons letzte Hibernation Phase neigt sich dem Ende zu, am 6. Dezember ist es soweit: New Horizons wird das letzte Mal aufwachen. Danach beginnt die Phase der Vorbereitung des Pluto Encounters. Bereits im August 2014 wurde durch Mission Control der wakeup-call für den 06.12.14, 15 Uhr EST (eastern standard time, 21 Uhr MEZ) in New Horizons Computer programmiert, 90 Minuten später sendet New Horizons mit einem letzten „Guten Morgen“ seine Bereitschaft für wahrhaft große Ereignisse.

Projektleiter Alan Stern formuliert es so: „We are almost on Pluto’s doorstep and we are ready to go!„

 

Weiter geht es mit dem zweiten Teil der Technik des „Raumschiffs“ New Horizons (Antrieb, Navigation und Temperaturkontrolle)

Bleiben Sie dran 🙂 !

Es sind noch 225 Tage (Stand: 30.11.14)

 

Quellen (es ist klar, dass die Bilder und Daten nicht aus meinem Fundus kommen, sondern aus verschiedensten Quellen der Literatur und des Internets stammen – daher hier und auf jeder Seite einfach eine vollständige Liste der Informations- und Bildquellen):

  • http://de.wikipedia.org/wiki/New_Horizons (die Universalquelle)
  • http://www.bernd-leitenberger.de/new-horizons1.shtml (die meiner Ansicht nach beste und fundierteste deutsche Informationsquelle)
  • http://www.dmuller.net/spaceflight/realtime.php?mission=newhorizons&mode=scet (New Horizons Real-Time Simulation)
  • http://pluto.jhuapl.edu/index.php (offizielle New Horizons Website)
  • http://space.jpl.nasa.gov/ (Solar System Simulator – zur Darstellung der Planeten/New Horizons Positionen)
  • http://plutoids.eu/index.php?page=281 (Deutsche Webseite zu New Horizons)
  • http://www.boulder.swri.edu/pkb/ssr (offizielle Instrumenten- und Missionsbeschreibungen im pdf-Format)
  • Kosmos Himmelsjahr 2015, Hans-Ulrich Keller, Kosmos Verlag

zusätzliche Bildquellen dieser Seite

  • http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/New_Horizons_SWAP.jpg
  • http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/46/New_Horizons_1.jpg
  • http://www.eso.org/public/images/eso0908a/
  • http://pluto.jhuapl.edu/overview/piPerspective.php?page=piPerspective_06_11_2014
  • http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/New_Horizons_-_REX.jpeg
  • http://eclecticplanet.org/space/explore/astronomy/bigearthscopes.html
  • http://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html