Wir könnten CubeSats rund um Uranus verstreuen, um zu verfolgen, wie er sich verändert

An Erkundungsmissionen in das äußere Sonnensystem mangelt es immer noch schmerzlich, auch wenn ihnen im Planetary Science Decadal Survey von 2013 bis 2022 hohe Priorität eingeräumt wurde. Tatsächlich wurden viele Planeten im äußeren Sonnensystem noch nie von einer Sonde umkreist. Insbesondere bei einem – Uranus – müssen wir uns auf Daten von Voyager 2 mit Instrumenten verlassen, die vor über 50 Jahren entwickelt wurden, oder auf erdgestützte Beobachtungen. Keine der Lösungen kann die seltsame Physik wirklich verstehen, die auf diesem Planeten vor sich geht, der im Wesentlichen auf der Seite liegt. Und obwohl es viele vorgeschlagene Missionsarchitekturen gibt, die man sich ansehen kann, macht es immer Spaß, einen Blick auf eine neue zu werfen, wenn sie auftaucht. Ein Team aus Stanford entwickelte ein neues Konzept namens Sustained CubeSat Activity Through Transmitter Electromagnetic Radiation (SCATTER). Um die Idee weiterzuentwickeln, erhielt es ein Stipendium des NASA Institute for Advanced Concepts. Sie haben vor einiger Zeit einen Artikel veröffentlicht, und es lohnt sich, sich hier damit zu befassen.

Eine große Hürde, die es bei der Erforschung von Uranus zu überwinden gilt, ist die Frage, wie eine Mission dort betrieben werden kann. Die Entfernung ist zu weit entfernt, als dass Sonnenkollektoren effektiv von Nutzen sein könnten. Die einzige andere praktikable Option ist daher ein Radioisotopen-Wärmegenerator (RTG). Diese wurden bei Missionen wie den Voyager-Sonden eingesetzt und seitdem schrittweise verbessert. Allerdings sind sie groß und sperrig, was sie für kleinere Satelliten unpraktisch macht.

Uranus verfügt außerdem über eine dynamische Umgebung, die von nur einem Satelliten aus nur schwer zu überwachen wäre. Sein Magnetfeld, einer der aufregendsten Teile des Uransystems, ändert sich fast täglich. Eine einzelne Orbitalsonde wäre kaum in der Lage, die notwendigen Veränderungen in diesem System zu erkennen, da sie zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen einzigen räumlichen Punkt an Daten über das Magnetfeld erfassen kann.

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Es wäre besser, mehrere Sonden mit Sensoren im gesamten Uransystem zu platzieren. Auf diese Weise konnten sie die dynamische Veränderung des Magnetfelds aus verschiedenen räumlichen Blickwinkeln beobachten. Aber es wäre unerschwinglich teuer, ein solches Multi-Probe-System mit seinem eigenen RTGS zu Uranus zu schicken.

Deshalb beschlossen Dr. Sigrid Close und ihr Team in Stanford, eine andere aufstrebende Technik auszuprobieren, um zu sehen, ob sie das Problem lösen könnten – Power Beaming. Kürzlich haben wir über einen erfolgreichen Test eines Energiesatelliten berichtet, der im Rahmen eines einzigartigen Experiments Energie zur Erde zurückstrahlt. Allerdings gibt es in den physikalischen Gesetzen keine Beschränkungen dafür, dass die Leistung von einem Satelliten zurück zu einer Bodenstation übertragen wird. Die gleiche Technologie kann jedes Gerät überall im Sonnensystem aus der Ferne mit Strom versorgen.

Das System, das Dr. Close und ihr Team entwickelten, basierte auf der Idee einer Basisstation mit einem leistungsstarken RTG, das dann eine Reihe kleinerer CubeSats mit darauf angebrachten Sensoren in ihrem gesamten Uran-System aussenden würde. Die Basisstation würde dann als Stromquelle und Kommunikationsknotenpunkt für die CubeSats im gesamten System dienen. Es würde mit seinem RTG Energie erzeugen und diese per Power Beaming an die CubeSats übertragen. Diese CubeSats wiederum würden die lokale Umgebung, in der sie sich befinden, überwachen und Daten wie Magnetfelder und andere EM-Strahlung zurück an die Basisstation weiterleiten, die diese dann mithilfe ihres viel robusteren Kommunikationssystems zurück zur Erde übertragen kann.

Darüber hinaus könnten die CubeSats möglicherweise auch die von der Basisstation zu ihnen gestrahlte Energie zur Navigation nutzen. Durch den Einsatz einer Art Sonnensegel könnten die CubeSats den Strahlungsdruck des Energiestrahls nutzen, um sich durch das Uransystem zu schlängeln, das neben dem riesigen Planeten mindestens 27 verschiedene Monde enthält.

Das Verständnis der grundlegenden Physik hinter dem Power Beaming und dem Segelantriebssystem stand im Mittelpunkt eines Berichts von Dr. Close und ihren Kollegen, der 2022 auf dem AIAA SCITECH Forum veröffentlicht wurde. In erster Linie ging es um die Frage, welche Größe von CubeSat ideal für die Mission wäre . Sie entschieden sich für einen 0,5U Cubesat mit den Maßen etwa 10 cm x 10 cm x 5 cm und einem Gewicht von etwa 500 g. Diese Konfiguration brachte den besten Kompromiss zwischen Agilität und der Fähigkeit zur Kraftübertragung.

Dies ist nur eines von vielen Konzepten, die für unsere nächste Mission zum Uranus vorgeschlagen wurden, und obwohl das Projekt bereits im Jahr 2021 abgeschlossen ist, ist unklar, ob derzeit aktiv an dem Projekt geforscht wird. Es sind jedoch noch viele Schritte zu erledigen, bevor es losgehen kann. Das Papier schlägt ein Startfenster im Zeitraum 2043-2045 vor, mit einer Ankunft auf dem Planeten im Jahr 2054, sodass noch genügend Zeit bleibt, die Missionsarchitektur weiter zu konkretisieren. Aber vorerst lohnt es sich sogar, das neuartige Konzept zu verbreiten, unabhängig davon, ob die Mission jemals das Licht der Welt erblickt.

Erfahren Sie mehr:Lee et al. – ERKUNDUNG VON URANUS DURCH STREUUNG (ANHALTENDE CUBESAT/CHIPSAT-AKTIVITÄT DURCH ÜBERTRAGTE ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG)Lee et al. – Unterstützung der Uranus-Erforschung mit ausfahrbaren ChipSat-SondenUT – Zehn interessante Fakten über UranusUT – Welche Mission könnte Ozeane an Uranusmonden entdecken?

Hauptbild: Darstellung des SCATTER-Sondenkonzepts. Bildnachweis – Lee et al.