Ich habe mich gefragt, ob es technisch möglich ist, einen CubeSat/Nanosatelliten oder eine Konstellation von Nanosatelliten zu schicken, um die Wasserdampfstrahlen in der südlichen Region von Enceladus im Saturn-Planetensystem zu erforschen.
Unwahrscheinlich
Das Problem beim Senden eines Cubesat an Saturn ist die Stromversorgung. Ein Cubesat ist nicht groß genug, um einen nuklearen Wärmegenerator zu tragen, und mit ziemlicher Sicherheit nicht groß genug, um genügend Solarzellen zu tragen, um ihn im äußeren Sonnensystem mit Strom zu versorgen.
Betrachten Sie die Juno-Sonde zum Jupiter. Seine Solarzellen wiegen 340 kg, erzeugen aber am Jupiter nur 240 W Leistung, der nur 4 % des Sonnenflusses hat, der in der Erdumlaufbahn verfügbar ist. Saturn hat nur 1/4 des Sonnenflusses wie Jupiter, so dass selbst die 8,9 Fuß mal 29 Fuß großen Solarmodule von Juno bei Saturn nur etwa 100 W erzeugen würden.
Cassinis Sender bei Saturn hatte eine Ausgangsleistung von 20 W. Eingangsleistung wäre mehr gewesen. Sie bräuchten also Sonnenkollektoren von vielleicht 1/3 der Größe von Juno, nur um den Sender mit Strom zu versorgen, ganz zu schweigen von allen Heizungen, wissenschaftlichen Instrumenten, der Navigation usw. Das sind also mindestens 10 Fuß x 10 Fuß Sonnenkollektoren nur für die Übertragung.
Juno galt als kleine Außenplanetenmission. Es hatte noch eine Trockenmasse von 1.353 kg und eine Nassmasse mit Treibstoff von 3625 kg.
Cubesats sind viel kleiner als diese. Das größte vorgeschlagene Cubesat-Design, das ich gesehen habe, ist 27U (54 kg, 34 x 35 x 36 cm). Dies ist einfach nicht groß genug oder massiv genug, um die bei Saturn erforderliche Anzahl von Solarmodulen aufzunehmen, geschweige denn genug Treibstoff für Raketentriebwerke oder die Masse eines Triebwerks zu transportieren. Es würde bei weitem nicht genug Strom geben, um einen elektrischen Antrieb anzutreiben. Sie hätten keine Möglichkeit, in Saturns System zu manövrieren. Aber auch nur die für den minimalistischen Betrieb benötigten Solarzellen würden das Größen- und Gewichtsbudget eines ganzen CubeSats sprengen.
Solarmodule mit 1/10 des Gewichts von Junos wären immer noch massiver als die gesamte zulässige Cubesat-Masse und würden bei Saturn nur etwa 10 Watt erzeugen, wenn das Gewicht linear mit der Größe skaliert. Das ist mit ziemlicher Sicherheit nicht der Fall, aber es ist eine ausreichend gute Annahme für eine Annäherung, da wir immer noch mindestens eine Größenordnung von einer Größe entfernt sind, die groß genug ist, um zu funktionieren, und das ignoriert immer noch alle anderen Energiesenken in einer Weltraumsonde.
Ja, es ist nicht einfach, aber nicht unmöglich. Diese Antwort befasst sich mit den in den Kommentaren erwähnten Kommunikationsproblemen.
Die MarCO-CubeSats dienten eigentlich als Kommunikationsverbindungen zwischen einem auf dem Mars landenden Raumschiff und der Erde. Es war eine langsame Verbindung, nur 8 kb/s bei einer Leistung von 5 W, und zu der Zeit betrug die Entfernung nur etwa 0,7 AE, während Saturn 9 oder 10 AE entfernt sein wird. Das bedeutet, dass entweder ihre Antennen größer sein müssten, ihre Leistung viel größer oder die Frequenz müsste höher sein, damit die gleiche Öffnung einen schmaleren Strahl erzeugen würde.
Natürlich wäre optische Kommunikation der richtige Weg.
Weitere Informationen zur optischen Kommunikation und zum Vergleich mit Funk:
Organischer Marmor
Uwe