Die Messung der Treibstoffversorgung auf Odyssey, einem jahrzehntealten Raumschiff ohne Treibstoffanzeige, ist keine leichte Aufgabe.
Seit die NASA vor fast 22 Jahren den Mars Odyssey Orbiter 2001 zum Roten Planeten gestartet hat, hat die Raumsonde den Mars mehr als 94.000 Mal umrundet. Das entspricht etwa 1,37 Milliarden Meilen (2,21 Milliarden Kilometer), eine Distanz, die ein äußerst sorgfältiges Management der Treibstoffversorgung des Raumfahrzeugs erfordert. Diese Leistung ist umso beeindruckender, da Odyssey keine Tankanzeige hat; Ingenieure mussten sich stattdessen auf Mathematik verlassen.
Ihre Arbeit hat Odyssey dabei geholfen, ein wissenschaftliches Vermächtnis aufzubauen: Das Raumschiff hat Mineralien auf der Marsoberfläche kartiert, was Wissenschaftlern ermöglicht, die Geschichte des Planeten besser zu verstehen. Odyssey hat Eisvorkommen gefunden, die von zukünftigen Astronauten genutzt werden könnten. Es handelt sich um untersuchte Strahlung, die denselben Astronauten schaden könnte. Und es hat potenzielle Landeplätze für kommende Missionen ausgekundschaftet. Odyssey gehört auch zu einer kleinen Konstellation von Orbitern, die Daten von den Rovern und Landern der NASA zur Erde zurücksenden (fast 150 Gigabyte bis heute, Tendenz steigend).
Aber letztes Jahr sah es so aus, als ob der Odyssee das Benzin ausgehen könnte: Berechnungen zeigten, dass ihr Hydrazin-Treibstoff viel niedriger war als erwartet.
Odyssey startete 2001 mit fast 500 Pfund (225,3 Kilogramm) Hydrazin-Treibmittel. Da es keine Tankanzeige gibt, haben Ingenieure auf verschiedene Weise abgeleitet, wie viel Hydrazin das Raumschiff im Laufe der Zeit verbraucht hat. Eine Möglichkeit, den Treibstoff von Odyssey zu messen, besteht darin, die beiden Treibstofftanks des Raumfahrzeugs zu erhitzen und zu beobachten, wie lange sie brauchen, um eine bestimmte Temperatur zu erreichen. Wie bei einer Teekanne würde sich ein fast leerer Kraftstofftank schneller erwärmen als ein voller.
Dies schien tatsächlich bei einer Treibstoffschätzung auf Odyssey im Sommer 2021 der Fall zu sein. Die Mathematik schien zu zeigen, dass etwa 11 Pfund (5 Kilogramm) Treibstoff verfügbar blieben – weniger als die Modellierung der Mission vorhergesagt hatte. Eine andere Schätzung im Januar 2022 ergab, dass nur noch 6 Pfund (2,8 Kilogramm) Hydrazin übrig waren.
Wenn die Zahlen korrekt wären, würde Odyssey in weniger als einem Jahr leer laufen. Entweder hatte das Raumschiff irgendeinen Fehler, wie ein Leck, oder etwas stimmte nicht mit den Messungen des Teams.
Es folgten monatelange Tests und intensive Untersuchungen. Nachdem sie das Mysterium des „fehlenden“ Treibstoffs untersucht haben, haben die Missionsingenieure neue Dinge darüber gelernt, wie sich das komplexe Treibstoffsystem des alternden Raumfahrzeugs im Flug verhält. Ihr Fazit: Der Orbiter sollte eigentlich mindestens bis Ende 2025 reichen.
Wie Odyssey Hydrazin verwendet
Odyssey braucht nicht viel Hydrazin, um an einem bestimmten Tag über die Runden zu kommen. Sonnenkollektoren versorgen seine Systeme mit Strom, während drei strategisch platzierte Reaktionsräder dem Orbiter helfen, seine wissenschaftlichen Instrumente auf die Marsoberfläche zu richten. Wenn sich die Reaktionsräder im Bus oder Körper des Raumfahrzeugs drehen, erzeugen sie ein Drehmoment, das die Odyssee dazu bringt, sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
„Diese Reaktionsräder müssen zusammenarbeiten, um die Ausrichtung des Raumfahrzeugs aufrechtzuerhalten“, sagte der Missionsmanager von Odyssey, Jared Call vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Aber da Odyssey in jeder Umlaufbahn eine volle Schleife absolviert, brauchen Sie eine Möglichkeit, den zunehmenden Schwung zu entladen.“
Hier kommt das Hydrazin von Odyssey ins Spiel. Die Triebwerke des Raumfahrzeugs setzen dieses Treibmittel in kleinen, kalkulierten Stößen frei, um dem sich aufbauenden Schwung der Reaktionsräder entgegenzuwirken.
Zusammenarbeit
Als die Berechnungen des Teams zeigten, dass ihr Treibstoffvorrat geringer als erwartet war, arbeiteten die Ingenieure von JPL mit denen von Lockheed Martin Space zusammen, die Odyssey gebaut, den Missionsbetrieb aufrechterhalten und technische Unterstützung für Raumfahrzeuge bieten.
„Zuerst mussten wir überprüfen, ob das Raumschiff in Ordnung war“, sagte Joseph Hunt, Projektmanager von Odyssey am JPL. „Nachdem wir die Möglichkeit eines Lecks ausgeschlossen hatten oder dass wir mehr Kraftstoff als geschätzt verbrauchten, begannen wir, uns mit unserem Messverfahren zu befassen.“
Das Team war sich einig, dass sie einige frische Augen brauchten, um die Situation einzuschätzen. Sie holten Boris Yendler, einen externen Berater, der sich auch auf die Schätzung von Treibstoffen für Raumfahrzeuge spezialisiert hat.
Wie alle Raumfahrzeuge ist Odyssey auf Heizungen angewiesen, damit verschiedene Teile, einschließlich der Kraftstofftanks, in der Kälte des Weltraums funktionieren. Yendler fragte sich, ob dem Treibmittel von einer anderen Quelle auf dem Raumschiff Wärme zugeführt wurde, was die Brennstoffmessung erschwerte. Nach vielen Experimenten bestätigte das Team, dass dies der Fall war: Heizungen entlang einer Kraftstoffleitung, die die Tanks verband, erwärmten sie schneller als erwartet, sodass es so aussah, als wären die Tanks fast leer.
„Unsere Messmethode war in Ordnung. Das Problem war, dass die Fluiddynamik an Bord der Odyssey komplizierter ist, als wir dachten“, sagte Call.
Nachdem das Team herausgefunden hatte, wie viel Wärme in ihren Berechnungen nicht berücksichtigt wurde, kam das Team zu dem Schluss, dass Odyssey noch etwa 9 Pfund (4 Kilogramm) Hydrazin übrig hat. Das reicht, um die Mission noch ein paar Jahre zu überstehen. Obwohl sich die Zahl ändern könnte, während das Team daran arbeitet, die Messungen zu verfeinern und ihre Genauigkeit zu verbessern, ruht sich das Team jetzt besser aus, da es sein Raumschiff besser versteht.
„Es ist ein bisschen wie unser Prozess für wissenschaftliche Entdeckungen“, sagte Call. „Sie erkunden ein technisches System, ohne zu wissen, was Sie finden werden. Und je länger Sie suchen, desto mehr finden Sie, was Sie nicht erwartet haben.“