Warum kreisen Raumsonden, bevor sie ihr Ziel erreichen?

Ausländischen Medienberichten zufolge soll die von der ESA und Japan gemeinsam entwickelte Merkursonde BepiColombo im Juni 2023 erneut über den Merkur fliegen. Die im Oktober 2018 gestartete Sonde wird jedoch erst im Dezember 2025 endgültig in die Merkurumlaufbahn eintreten. Über sieben Jahre lang wird BepiColombo dafür immer wieder an der Erde, der Venus und dem Merkur vorbeifliegen müssen. Warum also müssen Weltraumsonden immer wieder an anderen Planeten vorbeifliegen, um ihr Ziel zu erreichen, anstatt direkt zum Ziel zu fliegen?

Schematische Darstellung der Merkursonde BepiColombe

Schwache Kraft, die im Kreis läuft

Der durchschnittliche Umlaufradius des Merkurs beträgt etwa 57,9 Millionen Kilometer, während der Umlaufradius der Erde etwa 150 Millionen Kilometer beträgt. Allerdings kann BepiColombo nicht direkt von der Erde zum Merkur fliegen, sondern muss das Sonnensystem viele Male umrunden. Dem Plan zufolge soll die Sonde seit ihrem Start im Oktober 2018 einmal über die Erde, zweimal über die Venus und sechsmal über den Merkur fliegen, bevor sie in die Umlaufbahn um den Merkur eintritt.

Schematische Darstellung der Flugbahn der Merkursonde BepiColombo

Wie wir alle wissen, ist die kürzeste Entfernung zwischen zwei Orten eine gerade Linie, daher muss BepiColombo viel Zeit mit Kreisen verbringen.

Sowohl die Erde als auch Merkur drehen sich um die Sonne. Der Flug von der Erde zum Merkur ist vergleichbar mit dem Wechsel eines Satelliten von der hohen Erdumlaufbahn in eine niedrige Umlaufbahn, was einem Abbremsvorgang gleichkommt. Die Umlaufgeschwindigkeit der Planeten ist viel höher als die der Satelliten um die Erde, daher ist es schwieriger, ihre Umlaufbahnen abzusenken. Wenn BepiColombo direkt in eine elliptische Umlaufbahn um die Sonne mit einem Perihel bei 57,9 Millionen Kilometern und einem Aphel bei 150 Millionen Kilometern gebracht wird, ist es nicht nur notwendig, die Sonde in eine hyperbolische Umlaufbahn zu bringen, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, sondern ihr auch eine Restgeschwindigkeit von mehr als 7 Kilometern pro Sekunde zu verleihen.

Gestartet wurde „BepiColombo“ mit einer Ariane-5ECA-Rakete. Nach dem Verlassen der Erdanziehungskraft betrug seine verbleibende Geschwindigkeit nur noch 3,475 km/s und lag damit weit unter der geforderten Geschwindigkeit von 7 km/s. Wird der Antrieb der Sonde zur Änderung der Umlaufbahn genutzt, wird eine große Menge Treibstoff verbraucht. Daher besteht die praktischste Methode darin, die Schwerkraft eines großen Planeten zu nutzen, um der Sonde bei der Änderung ihrer Umlaufbahn zu helfen.

Die Schwerkraft unterstützt die Sonde bei der Änderung ihrer Umlaufbahn. Obwohl sich die relative Geschwindigkeit zwischen der Sonde und dem Planeten nicht ändert, ändert sich die Richtung der Geschwindigkeit der Sonde, wodurch ein Effekt entsteht, als würde die Sonde vom Planeten abprallen.

Je nach Orbit-Design erhöht oder verringert sich die Geschwindigkeit der Sonde relativ zur Sonne nach dem Abwurf durch den Planeten und erreicht so das Ziel des Bahnwechsels ohne Treibstoff. Die durch die Schwerkraft unterstützte Flugbahnänderung der Sonde bewirkt, dass Zeit und Raum gegen Geschwindigkeit getauscht werden. Schließlich ist die Nutzung der Schwerkraft des Planeten durch die Sonde zum Umkreisen und Ändern ihrer Umlaufbahn aufgrund unzureichender Energie eine hilflose Entscheidung.

Gravitationsbahnänderung hat hohen Wert

Wenn wir auf die Geschichte der Erforschung des Weltraums zurückblicken, können wir feststellen, dass durch die Schwerkraft unterstützte Änderungen der Flugbahn von Sonden bei vielen Missionen eine unersetzliche Rolle spielen.

Im Allgemeinen benötigen Sonden, die von der Erde zum Mond oder zu den nahegelegenen Planeten Venus und Mars aufbrechen, keine durch die Schwerkraft unterstützten Flugbahnänderungen. Weiter entfernte Himmelskörper wie Jupiter benötigen jedoch möglicherweise die Schwerkraft zur Beschleunigung. So führte beispielsweise die US-Sonde Juno einen Vorbeiflug an der Erde durch und beschleunigte auf über 3,9 Kilometer pro Sekunde, bevor sie Kurs auf Jupiter nahm.

Würde die durch die Erdanziehungskraft hervorgerufene Beschleunigung von 3,9 km/s fehlen und nur der Motor der Sonde genutzt werden, um dieselbe Beschleunigung zu erzeugen, würde sich das Trockengewicht der Juno-Sonde auf einen Bruchteil ihres derzeitigen Gewichts reduzieren und die Detektionsnutzlast, die sie tragen könnte, wäre sehr gering.

Von der US-amerikanischen „Mariner 10“ über „MESSENGER“ bis hin zu „BepiColombo“ haben alle drei Mercury-Sonden der Menschheit schwerkraftunterstützte Flugbahnänderungen genutzt, was angesichts der Einschränkungen der Raketen- und Sondenantriebssysteme die beste Option darstellt.

Für Merkur- oder Jupitersonden können durch die Schwerkraft unterstützte Flugbahnänderungen enorme Vorteile bringen, das heißt aber nicht, dass sie nicht direkt zu ihrem Ziel fliegen können. Die amerikanische Sonde Voyager flog nach dem Start direkt zum Jupiter, und die spätere Sonde New Horizons tat dasselbe.

Obwohl die Menschheit bislang nicht über eine Sonde verfügt, die direkt in die Umlaufbahn des Merkur fliegen kann, befindet sich das Perihel der von den USA gestarteten Parker Solar Probe nach dem Eintritt in die Umlaufbahn innerhalb der Merkur-Umlaufbahn.

Für einige andere Weltraumsonden ist eine durch die Schwerkraft unterstützte Bahnänderung eine unverzichtbare Option. So wurde beispielsweise die berühmte Sonnensonde Ulysses gestartet, und mit Hilfe der Schwerkraft des Jupiters veränderte sich ihre Umlaufbahn in eine Umlaufbahn mit einem Winkel von 80,2 Grad zur Ekliptikebene, wodurch die Menschen zum ersten Mal den Nord- und Südpol der Sonne sehen konnten.

Neue Impulse bringen neue Chancen

Die Ausnutzung der Schwerkraft großer Planeten zur Unterstützung der Umlaufbahnänderung ist derzeit für den Menschen die bevorzugte Option zur Erforschung des Weltraums mit hohem Beschleunigungsbedarf. Verglichen mit bestehenden Antriebssystemen auf Basis chemischer Energie umkreisen Planeten die Sonne sehr schnell. Der für die Änderung der Umlaufbahn erforderliche Geschwindigkeitszuwachs ist groß, während die zur Änderung der Bahnneigung erforderliche Beschleunigung ebenfalls hoch ist. Daher ist eine durch die Schwerkraft unterstützte Änderung der Sondenbahn die realistischste Methode.

Damit die Sonde ihr Ziel schneller erreichen kann, wurden mehrere Konzepte für hochspezifische Impulsantriebe entwickelt und vorgeschlagen. Diese bieten die Möglichkeit, auf die durch die Schwerkraft unterstützte Flugbahnänderung nach dem Prinzip „Zeit gegen Geschwindigkeit tauschen“ zu verzichten.

Das praktischste neue Antriebssystem ist der elektrische Antriebsmotor mit hohem spezifischen Impuls. Derzeit kann mit Hall-Elektroantrieben oder Ionen-Elektroantrieben ein hoher spezifischer Impuls von 3.000 bis 4.000 Sekunden erreicht werden. Obwohl die Schubkraft bestehender elektrischer Antriebsmotoren noch sehr gering ist, zeigen sich in der Praxis gute Anwendungsaussichten.

Die US-amerikanische Asteroidensonde Dawn verwendet drei elektrische NEXT-Schubtriebwerke, die der Sonde im Laufe ihrer elfjährigen Lebensdauer eine Gesamtgeschwindigkeitssteigerung von mehr als 10 km/s ermöglicht haben. Eine derartige Beschleunigungskapazität ist für Sonden mit herkömmlichen Motoren unerreichbar.

Schematische Darstellung der Asteroidensonde Dawn

Allerdings durchlief Dawn auch die Schwerkraftbeschleunigung des Mars und bewegte sich mit höherer Geschwindigkeit auf den Asteroidengürtel zu. Mit größeren elektrischen Antriebsmotoren wird in Zukunft die Notwendigkeit schwerkraftunterstützter Flugbahnänderungen für Weltraumsonden in die Tiefe deutlich reduziert werden.

Derzeit entwickeln die USA, Russland und andere Länder Hochschub-Elektroantriebe mit einem Schub von mehreren Newton. Einige amerikanische Unternehmen entwickeln außerdem ein neues Konzept für ein Magnetoplasma-Raketentriebwerk mit variablem spezifischen Impuls (VASIMR).

Die Vereinigten Staaten hatten einst die kühne Idee, Astronauten mithilfe leistungsstarker elektrischer Antriebsmotoren auf den Jupitermonden landen zu lassen. Dank des hohen spezifischen Impulses und der hohen Schubkraft der elektrischen Antriebsmotoren muss man sich bei der Gestaltung der Umlaufbahn nicht auf die Schwerkraft der Erde oder des Mars verlassen, um die Umlaufbahn zu ändern, wodurch die Sonde schneller zum Jupiter fliegen kann.

Das VASIMR-Triebwerk verfügt nicht nur über einen spezifischen Impuls von 3.000–50.000 Sekunden, sein Schub lässt sich auch leichter verstärken. Wird ein Super-VASIMR-Triebwerk mit einer Leistung von 200.000 Kilowatt eingesetzt, können Astronauten den Mars in maximal 39 Tagen erreichen.

Wenn der VASIMR-Antrieb in Zukunft praxistauglich wird, müssen sich polare Sonnensonden wie Ulysses oder sogar interstellare Sonden außerhalb des Sonnensystems nicht mehr auf die Schwerkraft großer Planeten verlassen, um ihre Umlaufbahn zu ändern, sondern können auf „rohe Gewalt“ zurückgreifen, um direkt zu ihrem Ziel zu fliegen. (Autor: Zhang Xuesong)