Wenn Sie schon einmal Kerbal Space Program gespielt haben, wissen Sie, wie schwierig es sein kann, Ihr Raumschiff in die gewünschte Umlaufbahn zu bringen. Im wirklichen Leben ist es noch schwieriger. Aus diesem Grund ist es ziemlich beeindruckend, einen Vorschlag zu sehen, alle großen inneren Saturnmonde auf einmal zu untersuchen.
Im Großen und Ganzen sind Umlaufbahnen ziemlich einfach. Planeten und Monde sind im Grunde Ellipsen. Sobald Raumfahrzeuge in Bewegung gesetzt werden, folgen sie in der Regel einer elliptischen oder parabolischen Bahn. Sie müssen also lediglich die Umlaufbahn Ihres Raumfahrzeugs auf Ihr Ziel und Ihren Ursprungspunkt ausrichten. Sie können die Berechnungen von Hand durchführen, wenn Sie sich mit Mathematik auskennen. Mehrere frühe Science-Fiction-Autoren wie Robert Heinlein und Hal Clement taten genau das, um sicherzustellen, dass ihre Raumfahrtgeschichten korrekt waren.
Solche einfachen Berechnungen ermitteln jedoch nur Vorbeiflugrouten und berücksichtigen keine Energiespartricks wie Gravitationsschleudern. Der Energiebedarf, um ein Raumschiff in das äußere Sonnensystem zu bringen, ist so hoch, dass selbst die frühen Missionen zum Jupiter und darüber hinaus auf Schwerkraftunterstützung angewiesen waren, die schwer zu berechnen ist.
Und wie wir bei Missionen wie Juno und Cassini gesehen haben, ist es äußerst nützlich, ein Raumschiff in die Umlaufbahn um einen Planeten zu bringen, damit wir genügend Zeit zum Sammeln von Daten haben. Im Idealfall möchten Sie beispielsweise für eine Mission zum Saturn den beringten Planeten in angemessener Zeit erreichen und sich dann in eine Reihe von Umlaufbahnen um den Planeten begeben, die mehrere Vorbeiflüge an interessanten Monden ermöglichen, aber das ist eine große Herausforderung Mission.
Eine der Herausforderungen betrifft die Orbitalenergie. Um Saturn schnell zu erreichen, müsste man viel Geschwindigkeit aufbauen. Um in die Umlaufbahn zu gelangen, muss man einen Großteil dieser Geschwindigkeit abbauen. Dies stellt eine besondere Herausforderung dar, wenn Ihr Raumschiff tief in der Gravitationsquelle des Planeten kreisen soll. Für die Cassini-Mission erzielte das Team einen Kompromiss und verwendete Umlaufbahnen, die von Zeit zu Zeit in die Nähe der inneren Monde des Saturns abtauchten. Das war in Ordnung, denn ein Hauptfokus von Cassini lag auf dem Mond Titan, der relativ weit vom Saturn entfernt ist.
Für eine Rückmission zum Saturn möchten Astronomen unbedingt einen guten Blick auf Enceladus haben. Wir wissen, dass es reichlich flüssiges Wasser gibt und dass es ein ausgezeichneter Kandidat für das Leben ist. Aber es liegt tief im Gravitationsschacht des Saturn, mit einem Umlaufradius, der nur ein Fünftel so groß ist wie der von Titan. Die derzeit stärkste vorgeschlagene Mission ist der Enceladus Orbilander, der den Mond etwa 18 Monate lang umkreisen würde. Dies würde die Mission jedoch daran hindern, andere Saturnmonde eingehend zu untersuchen.
Hier kommt dieser neue Vorschlag ins Spiel. Anstatt sich nur auf Enceladus zu konzentrieren, warum nicht Zeit um alle großen Saturnmonde herum verbringen? Um dies zu erreichen, schlägt das Team eine komplexe Reihe von Umlaufbahnen vor, die auf einem elektrischen Antriebsmotor basieren. Ein solches Triebwerk, auch Ionentriebwerk genannt, könnte über einen längeren Zeitraum eine kleine Menge Schub liefern. Die Idee besteht darin, die Umlaufbahnen schrittweise zu verschieben, anstatt sie in einem einzigen Schritt zu verschieben. Diese dynamischen Umlaufbahnen sind wirklich schwer zu berechnen, aber sie sind äußerst energieeffizient und können im Laufe der Zeit angepasst werden.
In ihrem Vorschlag zeigt das Team, wie ein elektrischer Antrieb eine Mission antreiben könnte, die nicht nur Enceladus und Titan, sondern auch Dione, Tethys und Mimas besucht. Abhängig von den Prioritäten könnte die Mission in eine Umlaufbahn um jeden dieser Monde gebracht werden und dabei mehrere Annäherungsversuche an jeden Planeten durchführen. Abhängig von der Dauer der Mission könnte der elektrische Antrieb entweder solar- oder nuklearbetrieben sein.
Dieser erste Vorschlag ist nur ein Proof of Concept, zeigt aber, dass die nächste Mission zum Saturn nicht zwischen Enceladus oder einem anderen Mond wählen muss. Es ist möglich, einen großen Rundgang durch das Saturnsystem zu unternehmen, wenn wir nur mit eisernem Blick auf die Umlaufbahnen achten, die wir wählen.
Die Ergebnisse werden auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.
Mehr Informationen:
Elena Fantino et al., Ein neuartiges Flugbahnkonzept für eine Mission zu den Inneren Großen Monden des Saturn, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.17548