Wie ist es möglich, eine Sonde nach Sedna zu starten?

Dieser Zwergplanet erreicht im Sommer 2076 sein Perihel. Ist es möglich, in einer Entfernung von 76 AE eine Sonde zu starten, die Sedna rechtzeitig erreichen würde? Mit einer Umlaufzeit von über 11.000 Jahren ist dies möglicherweise die einzige Chance der Menschheit (wie wir sie kennen). Wiederholte Internetrecherchen haben noch keine Nation oder Gruppe ergeben, die Pläne für diese Mission macht, aber liegt das an fehlender Vision oder ist die Aufgabe selbst unmöglich?

Es scheint, dass Neptun um 2056 in der Lage sein könnte, bei der Bereitstellung einer Gravitationsunterstützung zu helfen. Wenn irgend möglich, sollte eine solche Mission auf eine orbitale Einnahme und/oder Landung abzielen.

Neben den wissenschaftlichen Zielen und Angeberrechten würde eine solche Mission auch als interstellarer Vorläufer dienen. Jeder Orbiter/Lander müsste logischerweise so konstruiert sein, dass er so lange hält, wie wir ihn machen können, Jahrhunderte, wenn nicht Jahrtausende. Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein interstellares Leuchtfeuer am Rand unseres Sonnensystems!

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Tolle Vision! Aber in diesem sehr langen Zeitraum denke ich, dass man lieber eine Weile warten und sehen sollte, ob es nicht leichter zugängliche Objekte vom Typ Sedna gibt, zu denen man stattdessen gehen kann. Ich denke, seine Entdeckung ist noch zu jung, um ein Jahrhundert-Missionsplan zu werden.
In ähnlicher Weise möchten Sie vielleicht 40 Jahre auf bessere Antriebs- und Energiesysteme warten, anstatt jetzt eines auf den Markt zu bringen, um in 60 Jahren dorthin zu gelangen.
Es sollte sogar machbar sein, jetzt einen zu schicken. Es könnte schön sein, das Vorher und Währenddessen von einer Sonde aufzuzeichnen. Aber die Finanzierung wäre ein Albtraum.
@LocalFluff: Warum gerade Sedna? Schauen Sie sich die Illustration seiner Umlaufbahn an (die rote Linie in der Celestia-Ansicht oben). Wenn eine Sonde „per Anhalter fahren“ kann, wird sie schließlich auf eine Entfernung von 937 AU (0,0148 Lj) gebracht. Aufgrund des extrem langen Zeitrahmens würde eine solche Mission auch ein ideales technisches Testfeld für ultralanglebige Ausrüstung bieten, die benötigt wird, wenn die Menschheit Sonden auf andere Sternsysteme ausrichtet.
@MarkAdler: Meiner Meinung nach könnte der Entwurf einer Sedna-Mission sehr gut als Anstoß für die Entwicklung besserer Antriebs- und Energiesysteme dienen.
937 AE ist eine Entfernung, aus der ein Radioteleskop die Sonne als Gravitationslinse nutzen könnte! Es würde jedoch 6000 Jahre dauern, bis Sedna das Aphelium erreicht. Wenn Dawn im nächsten Jahr herausfindet, dass Ceres ein eingefangenes Kuipergürtelobjekt ist, könnte uns eine Landungsmission dort bis 2076 viel über Sedna verraten. Obwohl selbst das angesichts der heutigen Weltraumpolitik optimistisch erscheint.
Ich bin mir nicht sicher, ob eine Mission nach Sedna wirklich viel "Vorbereitung" für eine interstellare Mission wäre. Sedna am Perihel hat 76 AE, während Proxima Centauri 271.000 AE hat. Das sind mehr als drei Größenordnungen Unterschied. Nicht, dass ich eine Mission nach Sedna nicht befürworten würde (wäre großartig), aber wir kommen sehr, sehr lange nicht zum nächsten Stern …
Ich bin nicht davon überzeugt, dass „per Anhalter fahren“ eine sinnvolle Idee ist. Eine Sonde, die sich mit Sedna treffen kann, befindet sich bereits in einer Umlaufbahn, die sie auf über 900 AU (Aphelentfernung von Sedna) ausführen wird. Wenn es das Ziel ist, so weit herauszukommen, bin ich mir nicht sicher, was es Ihnen bringt, sich im Orbit um Sedna oder sogar auf seiner Oberfläche zu befinden, im Vergleich dazu, nur im offenen Weltraum zu sein. Natürlich wäre es cool, Sedna selbst zu erkunden.
Meinst du eine Flyby-Mission (im Stil von New Horizons) oder einen Orbiter?

Antworten (3)

Analyse erster Ordnung

Angesichts der Tatsache, dass wir praktische Ionentriebwerke haben, ist es an der Zeit, sie sich anzusehen.

Tiefenraum 1

Die DS1-Sonde wog 387 kg, hatte 83 kg Treibstoff, war 162 Tage in Betrieb und erzeugte 92 mN. Es wurden also etwa 0,2 mm/s^2 erzeugt.

Das Fahrzeug ist auch nicht panzertrocken. Es hat ungefähr 6 Monate (180 Tage) Kraftstoff pro Design. Das ist ein Entwurf mit ungefähr 20% Kraftstoff, und meine Schätzung der Masse des Triebwerks selbst beträgt 10 kg - etwa 0,01 N pro kg und linear skaliert, mit etwa der 16-fachen Triebwerksmasse an Kraftstoff pro Jahr. (Diese Zahlen sind grob, bieten aber eine Basislinie)

Antreiben eines 2-kW-Triebwerks ...

Im inneren Sonnensystem ist Solarenergie für ein elektrisches Triebwerk brauchbar; Außerhalb der Asteroiden wird es so gut wie nicht lebensfähig.

Radiothermische Generatoren werden ebenfalls in Kilogramm pro Watt gemessen ... einer der effizientesten war auf den Reisenden, mit etwa 40 W pro Kilogramm abgegebener Elektrizität ... um eine vernünftige Beschleunigung von 0,2 mm / s ^ 2 zu erreichen, sie unpraktisch werden.

Was uns in den Bereich der Kernspaltungsreaktoren bringt. Was auch große Massen bedeutet - der SNAP-10A hatte 290kg und 30kW.

Ins Hypothetisieren

Wir brauchen ein mehrere Tonnen schweres Raumschiff. Es gibt ein Design für einen Kernreaktor mit einer elektrischen Leistung von 100 kW und einem Gewicht von ~ 520 kg. Dies wäre ausreichend, um etwa 50 NSTAR-Einheiten mit jeweils 91 mN zu versorgen; Unter der Annahme von nur 20 solcher Einheiten und jeweils 80 kg Reaktionsmasse pro 6 Monate und jeweils 10 kg plus einer wissenschaftlichen Nutzlast von 200 kg können wir eine gute Hypothese erster Ordnung erhalten. Ich gehe vorerst von einer Anlagendauer von 5 Jahren aus, da der SAFE400 seit mehreren Jahren getestet wird und ich keine Dokumentation für seinen Kraftstoffverbrauch finden kann.

  kg    kW   Item
 200    40   NSTAR x20, giving 2N
 520  (100)  SAFE-400 400kW/100kWe nuclear reactor.
6400     0   2 years NSTAR fuel for 20 units.
 200    10   science package comparable to a mars orbiter.
7400    --   mission mass.

Dies würde beim Start einen Missionsschub von 0,00027 m/s^2 ergeben. Fast direkt vergleichbar mit DS1 ... und ein 720-tägiger Schub mit einer Drehung und einem Flip wird ungefähr 3,4 AU abgedeckt und eine Spitzengeschwindigkeit von 8,3 km / s oder 17861396 s pro AU oder ungefähr 209 Tage pro AU ... und 71 AU zu decken. Dies würde etwa 41 zusätzliche Jahre bedeuten.

Die tatsächliche Beschleunigung würde jedoch im Laufe der Mission zunehmen, und die Kraftstoffmasse stellt den größten Anteil dar. Wir können die durchschnittliche Masse von etwa 4000 kg für die Gesamtberechnung verwenden – was die Geschwindigkeit bei ausgeschaltetem Motor fast verdoppelt und die Ausrollzeit auf etwa 20 verkürzt Jahre. Die verbleibenden Probleme sind Brennstoff für das Kraftwerk, für dessen Berechnung mir die Daten fehlen.

Es könnte eine größere Kraftstoffmasse verwendet werden, was die Dauer erhöht, aber die Anfangsbeschleunigung verringert. Eine 4-jährige Tankdauer, zum Beispiel,

   kg    kW   Item
  200    40   NSTAR x20, giving 2N
  520  (100)  SAFE-400 400kW/100kWe nuclear reactor.
12800     0   2 years NSTAR fuel for 20 units.
  200    10   science package comparable to a mars orbiter.
21800    --   mission mass. (probably about 1050kg tanks dry)

Anfangs wäre es etwa 0,00009 m/s^2, mit einem Spitzenwert von etwa 0,0019 m/s^2 und einem Durchschnitt von etwa 0,001 m/s^2 ... und würde etwa 51 AE unter Schub und eine Spitzengeschwindigkeit von abdecken ca. 62km/s... oder ca. 28 Tage pro AU, für ca. 2 Jahre Ausrollzeit.

Dies würde eine ungefähre Missionsreisezeit in der Größenordnung von 6 Jahren bedeuten, und etwa 1/2 davon würde nach außen stoßen, 1/3 ausrollen und 1/6 in die Umlaufbahn verlangsamen.

Leider sind die Technologien nicht alle vollständig erprobt. Mit nicht vollständig bewiesen meine ich (1) wir wissen nicht, dass sie tatsächlich eine 4-jährige konstante "Verbrennung" überleben werden ... obwohl wir wissen, dass sie mindestens 160 Tage halten werden, und (2) das Spaltsystem existiert noch nicht lange genug, um festzustellen, dass es tatsächlich die 4-10 Jahre dauern wird, die für eine Mission benötigt werden

Spekulative Antwort

Ja, eine Analyse erster Ordnung zeigt, dass es plausibel ist, dass eine Mission durchgeführt werden könnte, und zwar mit einer Flugzeit von weniger als 10 Jahren.

Es gibt jedoch eine Reihe von Unwägbarkeiten in den verfügbaren Daten. Die strukturelle Masse wird einfach geschätzt; Die Kraftstoffmasse kann für die angegebene Dauer nicht ausreichen usw.

Für das erste Beispiel bekomme ich Δ v von ≈ 64,77 km/s unter Verwendung von NSTAR in Anführungszeichen ich sp = 3.300 Sek und Tsiolkovsky-Raketengleichung Δ v = v e ln ⁡ m 0 m 1 . Um halb Δ v drehen, das ist dann an ≈ 32,386 km/s mit grob 27% Reaktionsmasse zum Verzögern übrig, aber das ist für einen Vorbeiflug nicht wirklich notwendig. Die Berechnung der Zeit ist allerdings etwas kniffliger, da es darauf ankommt Δ v beim Start erreicht, Gravitationshilfen, Flugbahn und so weiter. Der Schub von NSTAR selbst würde jedoch nicht ausreichen, um der heliozentrischen Geschwindigkeit zu entkommen.
@aramis: Hervorragende Analyse. Frage: Sie sagen, "die Technologien sind nicht alle vollständig erprobt." Können Sie den Technology Readiness Level der unbewiesenen Technologien einschätzen?
@TidalWave: Danke für die Delta- V - Berechnungen. In Bezug auf den NSTAR-Schub: Ausreichend, um die Umlaufgeschwindigkeit von Sedna bei enger Annäherung für eine Fang- / Landemission zu erreichen?
Mit nicht vollständig bewiesen meine ich (1) wir wissen nicht, dass sie tatsächlich eine 4-jährige konstante "Verbrennung" überleben werden ... obwohl wir wissen, dass sie mindestens 160 Tage halten werden. (2) Das Kernspaltungssystem existiert noch nicht lange genug, um festzustellen, dass es tatsächlich die 4-10 Jahre dauern wird, die für eine Mission benötigt werden.
Tatsächlich wird die Fluchtgeschwindigkeit kein Problem sein, vorausgesetzt, der Kurs ist nicht rückläufig - er ist bereits im Orbit im Gleichgewicht, und das alte nivenische "Rücken bringt Sie herein, bringt Sie in Drehung, Drehung bringt Sie heraus und bringt Sie heraus du zurück..." gilt. Es ist nur eine Frage des Timings. Spin up im Orbit, zeitlich so abgestimmt, dass er in Richtung des Orbits, aber über Orbitalgeschwindigkeit bricht. Es fügt dem Gesamtkurs ein paar AU hinzu.
Die NASA hat einmal die TAU-Sonde/Mission bis zu 1.000 AE vorgeschlagen, die Entfernungen zu nahe gelegenen Sternen über Parallaxe gemessen und Messungen usw. durchgeführt haben könnte. Die Wiki-Seite ist en.wikipedia.org/wiki/TAU_%28spacecraft%29 Die Sonde verwendete eine nukleare elektrische Rakete, die einen 1-MW-Spaltungsreaktor für die Stromversorgung und einen Ionenantrieb für den Schub verwendete. Das war 1987. Ich vermute, dass etwas Ähnliches für Sedna funktionieren würde.

Wenn man bedenkt, dass Voyager 1 36 Jahre nach dem Start bereits 126 AE von der Sonne entfernt ist, sollte es keinen Grund geben, dass es mit einem normalen Start, kleinen Manövern und planetaren Vorbeiflügen energetisch nicht möglich wäre. Ein Vorbeiflug am Jupiter sollte ausreichen. Jupiter wird auch für die nötige Neigungsänderung sorgen.

Es wäre jedoch ziemlich schwierig, eine Sonde zu konstruieren, die so lange funktioniert. (Es wurde nicht zugesichert, dass die Voyager-Raumsonde am Saturn vorbeiarbeitet.)

Aber (korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege) die Voyagers haben sich fast seit dem Start gemeldet. Könnte eine Sonde nach Sedna im Gegensatz dazu die Rosetta-Methode mit langen Winterschlafperioden durchführen?
Ja, die Voyager haben funktioniert, aber sie wurden nicht dafür entwickelt und getestet. Etwas zu entwerfen und zu testen, das so lange hält, ist schwer. (Damit meine ich, ich weiß nicht, wie ich das machen soll.)
Rosettas Winterschlaf diente dazu, bei Operationen auf der Erde Geld zu sparen. Es trägt nur sehr wenig zur Verlängerung der Lebensdauer der Hardware bei.
Die Voyager-Sonde profitierte von einer sehr glücklichen Planetenausrichtung, die es ihr ermöglichte, mehrere Gravitationsunterstützungen durchzuführen. Dies kann nicht beliebig reproduziert werden.
Es gab zwei Voyager-Sonden. Der von mir erwähnte hatte nur zwei Assists von Jupiter und Saturn. Wie ich bereits erwähnt habe, würde nur Jupiter ausreichen. Sie könnten also Jupiter dazu bringen, Sie jedes Jupiterjahr (12 Erdenjahre) in Richtung Sedna zu schwingen.
@MarkAdler Ich meinte den Ruhezustand, um die Lebensdauer des Netzteils zu verbessern, die Elektronik kann auch davon profitieren, aber ich weiß nicht genug, um mehr als eine vorübergehende Bemerkung an dieser Front zu machen
@MarkAdler: Ja, die Langlebigkeit der Ausrüstung ist sowohl die größte Herausforderung als auch einer der Hauptgründe für eine Sedna-Mission. Und schön zu wissen, dass eine solche Mission mehrere Startfenster haben könnte.
@Jeder, der Leistungsabfall von Thermoelementen lähmt bereits die Reisenden und hat auch die Pioniere verkrüppelt. Voyager war ein Jahrzehnt lang nicht in der Lage, das gesamte Wissenschaftspaket effektiv zu betreiben, und ist jetzt an einem Punkt angelangt, an dem es kaum noch das Radio und nicht gleichzeitig mit den wissenschaftlichen Instrumenten bedienen kann. Wohlgemerkt, der radiothermale Haufen kocht immer noch vor sich hin - aber die Thermoelemente, die benötigt werden, um Wärme in Strom umzuwandeln, sind korrodiert und nicht mehr effizient genug, um gut zu funktionieren.
@Everyone: Wenn Sie ein RTG verwenden, verschlechtert es sich, unabhängig davon, ob der Strom verwendet wird oder nicht. Die Wärme verschlechtert die Thermoelemente, und ein RTG hat keine Möglichkeit, die erzeugte Wärmemenge zu regulieren.
Kann ein RTG entwickelt werden, das mechanisch alle ein bis zwei Jahrzehnte einen neuen Satz Thermoelemente einwechselt?
Zusätzlich zu dem Vorschlag von Russell (Austausch von Thermoelementen unterwegs) denke ich, dass die Materialwissenschaft bis etwa 2040 (insbesondere wenn sie finanziert wird) ausreichend weit fortgeschritten sein wird, um Thermoelemente herzustellen, die die gewünschten paar Jahrzehnte zuverlässig halten würden. Ich frage mich auch, ob eine Mission nach Sedna ein guter Kandidat für ein Sonnensegel für einen Teil des Antriebs wäre, zumindest bis die Sonde zu weit von der Sonne entfernt war.
Wie fast alles andere scheint dies ein starkes Argument für das Projekt Orion zu sein. Schade um die Politik.

Ich werde versuchen, Ihre Frage zu beantworten.

Beste Fluggelegenheit . Sedna liegt jetzt (Mai 2016) bei 85,7 AU von Sol. Sie wird 2076 (in 60 Jahren) bei 76 AU liegen. Dann wiederum, nach weiteren 60 Jahren (im Jahr 2136), wird Sedna wieder bei 86 AU liegen. Es besteht also wirklich keine Eile, eine Mission dorthin zu schicken.

Alle 12 Jahre kann Jupiter für eine Gravitationsunterstützung verwendet werden. Eine zweite Gravitationsunterstützung kann an der aktuellen Position durch einen Neptun-Vorbeiflug erfolgen. Alle Raumfahrzeuge, die jetzt der Schwerkraft der Sonne entkommen, haben eine Jupiter-Schwerkraftunterstützung verwendet. Dazu gehören Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 und New Horizons. Alle 5 Raumschiffe mussten (oder müssen) ungefähr 30 Jahre reisen, um die aktuelle Entfernung von Sedna zu erreichen.

Mit der aktuellen Technologie können wir eine Raumsonde nach Sedna schicken, ähnlich wie New Horizons. Wir müssen ungefähr 30 Jahre warten, um einen Vorbeiflug durchzuführen und zu sehen, was da ist.

Antrieb . Eine Raumsonde nach Sedna kann New Horizons sehr ähnlich sein. Es kann mit einer Atlas-V-Rakete gestartet werden und mit einer ähnlichen Geschwindigkeit reisen. Es könnte möglich sein, ein Sonnensegel oder einen Ionenmotor zu verwenden, aber niemand hat dies in einem solchen Umfang versucht. Ich werde also nur über klassische, chemische Motoren sprechen, die für frühere Schiffe verwendet wurden.

Das Senden einer Sonde für einen Sedna-Vorbeiflug ist wahrscheinlich so schwierig wie das Senden von New Horizons in Richtung Pluto. Wenn die Sonde das gleiche Gewicht wie New Horizons hat, ist die benötigte Kraftstoffmenge fast gleich. Wenn Sie jedoch einen Orbiter oder sogar einen Lander bauen möchten, ist alles komplizierter. Sedna ist kleiner als Pluto und hat daher wenig Schwerkraft. Wenn sich ein Raumschiff mit ähnlicher Geschwindigkeit wie New Horizons (14,5 km/s) nähert, gibt es nichts, was es aufhalten kann. Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Objekt in die Umlaufbahn um Sedna einzufügen:

  1. Baue ein riesiges Raumschiff mit genügend Hydrazinvorräten, um langsamer zu werden. Dies bedeutet, dass Sie das Schiffsgewicht zu stark erhöhen müssen, was nicht machbar ist.
  2. Senden Sie die Sonde mit geringerer Geschwindigkeit, damit Sednas Schwerkraft sie einfangen kann. Dadurch wird die Reise viel länger dauern, wahrscheinlich über 100 Jahre.

Wenn wir Sednas Oberfläche berühren wollen, sollten wir besser einen Impaktor bauen, wie den, der von der Deep Impact -Sonde verwendet wird. Der Impaktor wird uns Bilder aus der Nähe der Oberfläche liefern. Durch den Aufprall werden Materialien unter der Oberfläche freigelegt.

Technische Herausforderungen . Das wichtigste Problem ist, dass der radioisotopische thermoelektrische Generator (RTG) eine begrenzte Lebensdauer hat. Das verwendete Plutonium-Isotop hat eine Halbwertszeit von 87 Jahren, sollte also ausreichen. Allerdings haben auch die in einem RTG verwendeten Thermoelemente eine begrenzte Lebensdauer. Die Pioniere haben ungefähr in der gleichen Entfernung wie Sedna den Kontakt verloren. Die Voyager haben weiter entfernt im Weltraum überlebt, aber sie können ihre Antennen kaum einschalten. Es wird erwartet, dass New Horizons im Orbit von Sedna nicht mehr funktioniert. Unser Raumschiff muss also ein viel größeres und leistungsstärkeres RTG verwenden.

Die Kommunikation zur Erde ist in großer Entfernung weitaus schwieriger. New Horizons benötigte nach seiner Begegnung mit Jupiter weniger Zeit zum Senden von Daten als jetzt nach der Begegnung mit Pluto, selbst wenn die Begegnung mit Jupiter dazu führte, dass weitaus mehr Daten erfasst wurden.

Fazit . Mit unserer aktuellen Technologie können wir eine Raumsonde ähnlich wie New Horizons bauen. Die Sonde wird mit Hilfe eines Jupiter-Schwerkraftassistenten 30 Jahre lang nach Sedna reisen und einen Vorbeiflug durchführen. Das RTG muss größer sein als die für frühere Sonden (wahrscheinlich wird es 50 kg Plutonium tragen). Die Daten der Begegnung werden einige Jahre brauchen, um auf die Erde heruntergeladen zu werden.

Einen Orbiter oder einen Lander nach Sedna zu schicken, ist mit der derzeitigen Technologie nicht machbar.

Keine Kernreaktoren?
Wie ist es möglich, eine Sonde nach Sedna zu starten?
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