Satelliten um äußere Planeten, die wie Verstärker für Signale von voyagerähnlichen Objekten wirken

Ein Problem bei der Erforschung des Weltraums ist, dass, sobald sich das Objekt (wie Voyager) weit draußen im Sonnensystem befindet, die physische Entfernung so groß ist, dass das Signal, das die Erde erreicht, sehr schwach ist. Ich habe mich gefragt, ob für uns Menschen die Zeit gekommen ist, in Satelliten rund um die äußeren Planeten zu investieren, die wie Verstärker für entfernte Voyager und Voyager-ähnliche zukünftige Missionen wirken könnten. Ihre Aufgabe wäre es, sagen wir Neptun zu umkreisen und jedes Signal von diesen extra weit entfernten Systemen zu hören und sie mit verstärkten Signalen zur Erde zurückzusenden. Als Backup könnten alle Planeten wie Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun oder sogar ihre zahlreichen Monde solche Satelliten haben. Jedes Problem in einem Satelliten ist also kein unmittelbares Problem und muss nicht sofort behoben werden.

Viel einfacher, große Parabolantennen und sehr rauscharme Verstärker auf der Erde zu bauen. Und wirklich viel billiger.
Es ist ziemlich früh für so etwas. Sie würden eine beträchtliche Anzahl von Repeatern im Sonnensystem benötigen. Scheint teuer zu sein, sobald Sie anfangen, Trägerraketen, Personal und Repeater hinzuzufügen.
Verwandt, aber kein Duplikat: space.stackexchange.com/questions/23232/…
Es ist nützlich, in der Nähe jedes Planeten ein Relais zu haben, um Informationen von Sonden weiterzuleiten, die diesen Planeten und seine Monde erforschen. Ein paar umlaufende Sonden tun dies zum Beispiel für die Mars-Rover, und Gallileo & Cassini gaben beide Daten von den von ihnen freigesetzten Sonden weiter.
Für Sonden außerhalb des Planetensystems, wie Voyager, hilft es nicht viel. Selbst wenn sich Neptun auf der richtigen Seite seiner Umlaufbahn befindet, ist es immer noch weniger als die Hälfte des Weges zur Voyager, und eine größere Schüssel auf der Erde macht das mehr als wett.
Was ist deine Frage?
Ihr Problem ist, dass viel mehr solcher Relaisstationen benötigt werden als nur "Als Backup könnten alle Planeten wie Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun oder sogar ihre zahlreichen Monde solche Satelliten haben". Alle Sonnenplaneten ändern ständig ihre relative Position. Um eine riesige Antenne und einen sehr leistungsstarken Sender auf der Erde zu ersetzen, werden viele Relaisstationen in sehr kurzer Entfernung benötigt. Eine DSN-Antenne hat etwa die 1000-fache Leistung und den 10-fachen Durchmesser als ein voyagerähnliches Objekt.

Antworten (1)

Es gibt mehrere Faktoren, die dies erschweren:

  1. Antennengröße. Die größte Parabolantenne im Weltall hat einen Durchmesser von 10 m ( Spektr-R ). Das DSN hat 70 m Antennen. Ein Satellit mit einer 70-m-Antenne wäre sehr schwer, vielleicht zu schwer, um zum äußeren Sonnensystem zu gelangen. Es braucht viel Energie, um in die Umlaufbahn von Neptun zu gelangen: Die Voyagers sind mit ~700 kg das schwerste Raumschiff, das wir je dorthin geschickt haben. Selbst ein SLS kann keinen 10-Tonnen-Satelliten dorthin schicken, wo Sie diese Relais benötigen.
  2. Orbitale Mechanik. Wenn Sie einen solchen Satelliten in eine Umlaufbahn um Jupiter bringen, folgt er Jupiters 12-jähriger Umlaufbahn. Die Hälfte der Zeit wird es weiter von Voyager 1 entfernt sein als wir. Sie brauchen also 4 davon: einen in der Nähe von Jupiter, die anderen 3 in Umlaufbahnen vor oder nach Jupiter. Tatsächlich möchten Sie Jupiter überhaupt nicht umkreisen, weil Jupiter und seine Monde im Weg sind (und wegen der Strahlungsumgebung). Es ist besser, alle 4 in führende / nachlaufende Umlaufbahnen zu bringen. Und sie sollten nicht in der Nähe von Jupiter sein.
  3. Dies wären eigenständige große interplanetare Missionen. Jupiter ist nur 5 AE von uns entfernt, die Voyager sind 140 AE entfernt. Um einen Unterschied zu machen, sollten die Relaissatelliten auf halbem Weg sein, was der doppelten Entfernung zu Pluto entspricht. Es dauert 15 Jahre, um dorthin zu gelangen.
  4. Kosten. Ein einzelner Satellit kostet leicht 250 bis 500 Millionen US-Dollar, was mehr ist als eine 70-m-DSN-Antenne kostet.
  5. Eingeschränkte Nutzung. Wir haben nur wenige Missionen, die diese Relais verwenden könnten: 2 Voyagers und New Horizons. Diese lagen 30 Jahre auseinander. Es gibt Pläne für 2 weitere: einen Pluto-Orbiter und eine interstellare Mission. Die Kosten für das Antennennetz müssten zwischen diesen Missionen aufgeteilt werden. Und New Horizons hat gezeigt, dass Flyby-Missionen mit wirklich geringen Bandbreitenanforderungen (1 kbit/s) funktionieren können.
  6. Regelmäßiger Ersatz. Da diese Antennen auf die Erde und den Satelliten gerichtet sein müssen und sich diese Richtungen ständig ändern, muss der Satellit Triebwerke zum Manövrieren verwenden. Das begrenzt die Lebensdauer des Satelliten. Jeder benötigt auch RTGs für die Stromversorgung (was auch die Lebensdauer begrenzt und die Mission viel teurer macht, und wir produzieren nicht genug Pu-239, um all diese Missionen zu versorgen).

Relais um einen Planeten herum sind eine andere Geschichte. Für den Mars wird dies bereits getan. Jeder Mars-Orbiter ist in der Lage, Signale von allen Missionen auf der Marsoberfläche weiterzuleiten. Dadurch können die Oberflächenmissionen kleiner und leichter sein (sie müssen nur eine kleine Schüssel tragen, um mit einem Orbiter über ihnen zu kommunizieren).

Zusätzlich zu den oben genannten mindestens zwei weitere. (1) Eine 70-m-Antenne ist nur eine hübsche Skulptur ohne sehr rauscharme, kryogen gekühlte, frequenzspezifische und etwas knifflige Empfänger und Verstärker zur Erfassung der Daten. Dass sie kryogen gekühlt werden, bringt ein weiteres Verbrauchsmaterial im Weltraum mit sich, ein Verbrauchsmaterial, das normalerweise durch seinen Behälter austritt. Dass sie frequenzspezifisch sind, bedeutet, dass das Fahrzeug einen für jede Frequenz und ein automatisiertes System benötigt, das sie ein- und auswechselt. Dass sie etwas pingelig sind, bedeutet, dass das Fahrzeug mehr als einen für jede Frequenz benötigt.
(2) Die bodengestützten Systeme unterliegen einer kontinuierlichen Verbesserung. Die in den 1960er und 1970er Jahren verwendeten störrischen Rubin-Maser-basierten Low-Noise-Verstärker sind verschwunden, ebenso wie ihre Ersetzungen, und ihre Ersetzungen werden jetzt ersetzt. Zeug im Weltraum hingegen enthält viel Elektronik aus früheren Jahrtausenden. Zum Beispiel haben die Computer in den Rovern und Landern, die derzeit auf dem Mars operieren, weniger Rechenleistung und viel weniger Speicher als ein gewöhnlicher Desktop-Computer aus der Mitte der 1990er Jahre. Elektronik für den Einsatz im Weltraum liegt zwei Jahrzehnte hinter Elektronik für den Einsatz am Boden.
Satelliten um äußere Planeten, die wie Verstärker für Signale von voyagerähnlichen Objekten wirken
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