Warum gibt es keinen Orbiter für Uranus oder Neptun?

Warum gibt es im 21. Jahrhundert keinen Orbiter für Uranus oder Neptun oder zumindest ihre Monde? Es würde uns definitiv mehr über die Struktur und Zusammensetzung dieser Planeten verraten.

Ich weiß, dass es im öffentlichen Interesse sein muss, eine solche Mission zu erstellen und zu finanzieren, aber ich denke nicht, dass es so teuer wäre (in Anbetracht der Tatsache, dass wir eine Menge Orbiter für andere Planeten erstellt haben). Ihre Erforschung würde uns auch wertvolle Informationen über ihre Monde liefern.

Weil Cassini-Huygens zu Saturn 3,3 Milliarden Dollar kostete und weil die wirtschaftliche Hohmann-Transferbahn 16 Jahre dauern würde, um Uranus zu erreichen, und 40 Jahre bis Neptun.
Ein finnischer Forscher schlägt seit Jahren eine "Uranus Entry Probe" vor ( Link ) Vielleicht sollte ihm jemand sagen, er solle den Namen ändern ;)
Die Schaffung eines Orbiters für erdnahe Planeten ist viel billiger und einfacher. Der Vergleich von Orbitern für Mars und Uranus ist wie der Vergleich von Erdbeeren mit Wassermelonen.
@Uwe Ich glaube, dass die Konstruktionsprinzipien gleich sind, obwohl Uranus und Neptun weiter entfernt sind.
„muss im öffentlichen Interesse liegen“? Die Mehrheit der Öffentlichkeit würde absolut nicht zustimmen. Viele wollen kein Geld für Platz „verschwenden“. In der Tat, wenn Elon nicht das öffentliche Interesse geweckt hätte, würden wir wahrscheinlich jedes Weltraumprogramm in der westlichen Welt einstellen.
@ Tom11 Sie sollten glauben, dass Orbiter zu Mars und Uranus sehr unterschiedlich sind. Es ist auch sehr unterschiedlich, einen Orbiter zu diesen Planeten zu transportieren und sie in eine Umlaufbahn zu bringen. Uranus und Neptun sind nicht nur sehr weit entfernt, sie sind auch ganz anders als der Mars.
Eines der vielen Probleme eines solchen Orbiters ist die sehr langsame Datenübertragung, die durch die große Entfernung verursacht wird. Es würde Jahre dauern, alle Bilder zu übermitteln, die in einem Monat gemacht werden könnten. New Horizons hatte einen 8 GB Flashspeicher und die komplette Übertragung dauerte 15 Monate.
Ich denke nicht, dass lange Übertragungszeiten ein Hindernis wären, wenn die Bilder und Daten es wert sind.
Ich bin mir nicht sicher, welche Antwort ich kommentieren soll, aber man sollte beachten, dass die Verwendung einer Hohmann-Übertragung für so lange Entfernungen dumm wäre. Stattdessen würden wir wahrscheinlich mehrere Schwerkraftunterstützungen verwenden, möglicherweise einschließlich resonanter Umlaufbahnen (es ist wie eine doppelte Schwerkraftunterstützung um denselben Planeten und es ist wirklich cool). Aber eines der Probleme dabei ist die Geschwindigkeit, die die Sonde am Zielort hat: Sie braucht möglicherweise mehrere km/s, um eine Umlaufbahn zu erreichen, und das wäre nicht wünschenswert und wahrscheinlich nicht einmal machbar. Einige CU-Studenten haben ihre ASEN 6008 IMD-Abschlussprojekte veröffentlicht, die diese Techniken verwenden.

Antworten (2)

Orbiter sind teuer, und je weiter ihr Ziel entfernt ist, desto teurer wird es.

  • Sie möchten eine hohe Transitgeschwindigkeit, um in angemessener Zeit dorthin zu gelangen
  • dann müssen Sie bremsen, um in die Umlaufbahn zu gelangen, dies kostet viel Kraftstoff (mehr Kraftstoff aufgrund der hohen Transitgeschwindigkeit)
  • Aufgrund der langen Missionsdauer sind die Personalkosten hoch
  • Für die äußeren Planeten erzeugen Sonnenkollektoren nicht genug Strom, daher benötigen Sie einen Radiothermalgenerator (RTG) .

RTGs verwenden Pu-238 als Wärmequelle. Pu-238 ist selten und radioaktiv, daher sind RTGs sehr teuer und nur in kleinen Stückzahlen verfügbar. Die Produktion von Pu-238 für RTGs wurde wieder aufgenommen , aber das Volumen wird gering sein: 1,5 kg/Jahr ab 2019. Das New Horizons RTG enthält 11 kg Plutonium und produzierte zu Beginn der Mission ~300 W. Bei dieser Geschwindigkeit reichen 2 große oder 3-4 kleinere Sonden aus, die Sie in einem Jahrzehnt bereitstellen können.

Mit aktuellen Raketen ist ein Orbiter zum Mars machbar. Bei weiter entfernten Planeten stößt man schnell auf Massebeschränkungen. Cassini benötigte die damals größte verfügbare Rakete.

Mit Aerobraking benötigen Sie weniger Treibstoff, aber diese Technik ist noch experimentell, was es weniger wahrscheinlich macht, dass sie bei einer Mission der Flaggschiff-Klasse eingesetzt wird. Und es ist eine riskante Technik, ein Raumschiff in die Umlaufbahn zu bringen: Sie bekommen nur einen Schuss, der genau richtig sein muss. Zu wenig Bremsen und Sie erreichen die Umlaufbahn nicht, sondern fahren weiter, zu viel Bremsen und Sie verbrennen. Aerobraking hängt von detaillierten Kenntnissen der Atmosphäre (und ihrer Variabilität) ab, und davon haben wir für Uranus oder Neptun einfach nicht genug.

Orbiter-Missionen zu Uranus und Neptun werden in Betracht gezogen (dieser Thread enthält viele Details zu Kompromissen, Berechnungen der Sondengröße usw.), aber sie müssen mit anderen wissenschaftlichen Missionen konkurrieren. Sie können mit einem bestimmten Budget nur so viel tun.

Auch das Auswahlverfahren für den Wissenschaftsauftrag spielt eine Rolle, vermute ich. Da wir bereits mehrere Missionen zum Mars hatten, gibt es eine große, aktive und erfahrene Gemeinschaft von Marswissenschaftlern, die mit einiger Sicherheit neue Missionen vorschlagen können. Für Uranus und Neptun haben wir viel weniger Daten und eine viel kleinere wissenschaftliche Gemeinschaft mit weniger Erfahrung bei der Durchführung von Missionen. Während jedes Missionsauswahlprozesses sehen Sie also viele fokussierte Missionsvorschläge mit einem hohen Maß an finanzieller Zuversicht von der Mars-Gemeinschaft und einen Vorschlag mit viel Unsicherheit von der Uranus/Neptun-Gemeinschaft.

Diese Frage zu einem Orbiter für Pluto geht ins Detail, einschließlich Berechnungen, wie groß das Raumschiff sein müsste.

Bezüglich "Ladung von Orbitern":

  • Merkur: 3 Orbiter
  • Venus: 5
  • März: 14
  • Jupiter: 2
  • Saturn: 1

Diese Zahlen geben auch einen ungefähren Hinweis auf die Kombination, wie teuer eine Mission ist (teurer/schwieriger = weniger Missionen) + wie interessant das Ziel ist (Chance, Leben zu entdecken = mehr Missionen).

@Tom11 Siehe auch space.stackexchange.com/q/17/33 und andere rtg- Fragen.
Zumindest scheint die RTG-Beschränkung bereits gemildert zu sein . Die Produktion wird hochgefahren, um den voraussichtlichen Bedarf der NASA an den äußeren Planeten und Mars-Rovern zu decken.
Als Ergänzung zur Antwort: Die NASA hat ein Budget, und sie ist bestrebt, mit diesem Budget so viel wie möglich über unser Universum zu lernen. Solange es mehr zu lernen gibt, indem man zu einem nahen Planeten geht, werden sie kein Geld verschwenden, wenn man zu einem weiter entfernten geht.
Die Personalkosten sind im Vergleich zu den Start- und Hardwarekosten vernachlässigbar. Fly-Away-Kosten liegen leicht im unteren Milliardenbereich , und Sie streiten über einige Millionen für Personal?
@CortAmmon das stimmt nicht im Geringsten. Die NASA weiß offensichtlich nicht alles über die Erde - ganz zu schweigen von den 4 inneren Planeten! Und doch richten sie immer noch Teleskope in den Weltraum und schicken Orbiter zum Jupiter, einen Vorbeiflug an Pluto und einen Lander zu einem Asteroiden!
@MartinSchröder: Die Betriebskosten von Cassini werden mit 710 Millionen US-Dollar angegeben, das meiste davon werden Personalkosten über mehr als 25 Jahre sein. Das ist nicht zu vernachlässigen. saturn.jpl.nasa.gov/mission/about-the-mission/quick-facts
@MartinSchröder - aber die Personalkosten laufen während der gesamten Lebensdauer der Mission. Die Milliarden im Voraus werden relativ schnell ausgegeben, um die Sache in Gang zu bringen, aber die Menschen sind viele, viele Jahre lang ein laufender Kostenfaktor. Voyager 2 zum Beispiel wurde am 72. Mai genehmigt und im August 77 gestartet. Es läuft NOCH, und die NASA-Verwaltung muss immer noch mit Politikern um Geld kämpfen, um diese Mission zusammen mit allem anderen zu unterstützen.
@Tim All das hätte nicht erreicht werden können, wenn man zu näheren Planeten gegangen wäre. Wenn Sie ein Multi-Milliarden-Dollar-Projekt finanzieren wollen, müssen Sie in der Lage sein, zumindest zu zeigen, was Sie untersuchen möchten, und auch, dass es eine gute Chance gibt, dass es Ihnen neue wissenschaftliche Erkenntnisse liefert, an denen Sie arbeiten können. Nur „weil es da ist“ ist nicht gut genug. Teleskope sind ein relativ billiger Gewinn, also wäre es dumm, sie nicht zu benutzen. Es ist absolut bang for the buck.
@Hobbes: [ en.wikipedia.org/wiki/Cassini_orbiter#Objectives] (Wikipedia) hat folgendes: „Die Gesamtkosten dieser wissenschaftlichen Erkundungsmission belaufen sich auf etwa 3,26 Milliarden US-Dollar, einschließlich 1,4 Milliarden US-Dollar für die Entwicklung vor dem Start, 704 Millionen US-Dollar für den Missionsbetrieb, 54 Millionen US-Dollar für die Ortung und 422 Millionen US-Dollar für die Trägerrakete.“ - also ja, ops ist teurer als ich dachte, aber nur 30% der Gesamtkosten. Ich bezweifle, dass es so viel gekostet hätte, Cassini für sagen wir 5 weitere Jahre fahren zu lassen .
@MichaelKohne: Und wie viel hat Voyager 2 2016 gekostet? Sicherlich reden wir hier über einstellige Millionenbeträge.
Der größte Teil des Voyager-Wissenschaftsteams wurde inzwischen entlassen. Cassini ist immer noch in voller Stärke.
@MartinSchröder - die genauen Dollars sind nicht der Punkt - der Punkt ist, dass die Leute nicht nur Geld kosten (worauf Sie zu Recht hinweisen, sind Peanuts gegenüber der anfänglichen Hardware). Die Leute kosteten die Verwaltung AUCH einen andauernden Kampf, um ihre Gehaltsschecks zu rechtfertigen. Denken Sie daran, dass das Budget für die Mission als Ganzes NICHT im Voraus festgelegt wird. Die NASA-Administratoren müssen Jahr für Jahr, Jahrzehnt für Jahrzehnt zurückgehen, um mehr Geld für laufende Missionen zu bekommen.
@MartinSchröder - Re "Sicher reden wir hier über einstellige Millionenbeträge." Wahrscheinlich noch viel mehr. Die beiden Voyager-Satelliten erhalten immer noch mehrere Deep Space Network-Kontakte pro Woche, von denen jeder mehrere tausend bis zehntausend Dollar kostet. Dann gibt es Menschen. Der neueste Voyager Space Flight Operations Schedule listet elf JPL-Mitarbeiter auf. Ich wäre schockiert, wenn ein Vollzeit-JPL-Ingenieur mit Vollzeitbeschäftigung weniger als 250.000 $/Jahr kosten würde. Außerdem gibt es Forscher in anderen NASA-Zentren und an Universitäten, die durch das Voyager-Budget unterstützt werden.
@DavidHammen: Ich bin überrascht, dass Voyager immer noch so teuer ist (an Arbeitskräften und dass der DSN so teuer ist).

Mit meiner Hohmann-Tabelle können Sie sich ein Bild von ungefähr Delta V und Auslösezeiten machen. Die Tabelle geht von kreisförmigen, koplanaren Umlaufbahnen aus. Es ist also ein Anhaltspunkt, keine genauen Schätzungen.

Aufnahme LEO zum Mars: 4,3 km/s, 0,71 Jahre
Aufnahme LEO zum Uranus: 8,5 km/s, 16 Jahre
Aufnahme LEO zum Neptun: 8,6 km/s, 30,6 Jahre

Für eine Fangbahn gehe ich von einer Periapsis in 300 km Höhe und einer Apo-Apsis am Rand der Einflusssphäre (SOI) aus. Dies ist eine lose gebundene Einfangbahn, aber die Apo-Apsis kann abgesenkt werden, indem die obere Atmosphäre des Planeten an der Periapsis passiert wird. Die Periapsis-Geschwindigkeit der Einfangbahn von Neptun oder Uranus beträgt jedoch mehr als 20 km / s, sodass die Periapsis-Drag-Passes schwierig sein können. Die Skalenhöhe der Eisriesen ist viel kleiner als die Skalenhöhe des Mars, daher ist eine größere Präzision erforderlich, wenn ihre Atmosphären verwendet werden, um die Geschwindigkeit zu reduzieren. Gehen Sie ein wenig zu tief und der Orbiter kommt nicht zurück.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Auch die Sonneneinstrahlung ist viel geringer. In Marsentfernung beträgt das Sonnenlicht 43 % dessen, was wir auf der Erde haben. Uranus 0,3 %, Neptun 0,1 %. Also bräuchten wir Nuklearenergiequellen.

Mit Jupiter-Unterstützung

In den Kommentaren sprach LocalFluff die Möglichkeit einer Jupiter-Schwerkraftunterstützung an. Und tatsächlich wird dieser oft für Missionen zum äußeren Sonnensystem genutzt.

LEO zu Trans Jupiter Insertion: 6,3 km/s
Reisezeit zu Jupiter: 2,73 Jahre

Allein die Verbrennung, um uns auf den Weg zum Jupiter zu bringen, ist also immer noch wesentlich mehr als Mars. Ich bin mir nicht sicher, wie hoch das Delta-V-Budget nach der Jupiter-Schwerkraftunterstützung sein würde.

Die 2,73 Jahre, die es dauert, um von der Erde zum Jupiter zu gelangen, müssen zu den Reisezeiten vom Jupiter zum Eisriesen addiert werden. Wenn es sich um einen Hohmann-Pfad handelt, sind die Reisezeiten von Jupiter:

Jupiter bis Uranus: 21 Jahre
Jupiter bis Neptun: 37 Jahre

Die Gesamtreisezeit zum Uranus würde also etwa 24 Jahre betragen. Die Gesamtreisezeit zum Neptun würde 40 Jahre betragen.

Während also ein Jupiter-Schwerkraftassistent bei den großen Delta-V-Budgets helfen kann, verlängert er die langen Reisezeiten noch länger.

Sie sagen also, dass es mit Nuklearenergiequellen machbar ist?
Die nukleare RTG-Produktion scheint jetzt kein Engpass mehr für die Planetenerkundung zu sein. Die Hohmann-Berechnung muss natürlich stark reduziert werden, nicht nur durch Aerobraking, sondern auch durch die Gravitationsunterstützung von Jupiter (und vielleicht Venus) und den solarelektrischen Antrieb, den eine Uranus-Mission tatsächlich verwenden würde.
@Tom11 Ich glaube, dass Orbiter um Gasriesen jetzt machbar sind. Aber der NASA fehlen die Mittel, um jedes lohnende Projekt durchzuführen. Mangelndes Sonnenlicht ist nur eines der Dinge, die eine solche Mission schwieriger und teurer machen. Die langen Fahrzeiten sind meiner Meinung nach ein großes Hindernis. Diese erhöhen nicht nur die Missionskosten, sondern verringern auch die Wahrscheinlichkeit, dass diejenigen, die die Mission geplant haben, die Früchte ihrer Bemühungen noch erleben werden.
@LocalFluff Dein Kommentar hat mich dazu gebracht, mir eine Jupiter-Schwerkraftunterstützung anzusehen. Ihre RTG-Links (sowohl in Ihrem Kommentar unter meiner Antwort als auch in der Antwort von Hobbes) führen zu Verzeichnissen. Wäre es möglich, direkt auf die Seiten zu verlinken, die Sie im Sinn haben?
@HopDavid Sicher, es sind die wöchentlichen FISO-Telefonkonferenzen. Sie müssen diese befolgen oder sich eine Woche frei nehmen, um in das Archiv einzutauchen, wenn Sie dies nicht getan haben: Archivseite . Über RTG-Produktionsfolien sind hier und die Sounddatei ist hier
@oscar Lazi New Horizons hat keinen Hohmann-Transfer verwendet, um zu Pluto zu gelangen.
Warum gibt es keinen Orbiter für Uranus oder Neptun?
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