Voyager 1 und 2 haben die Auszeichnung, seit 42 Jahren im Weltraum zu sein und immer noch in Betrieb zu sein. Und obwohl sie 18 Milliarden Kilometer (11 Milliarden Meilen) von der Sonne entfernt sind, sind sie wissenschaftlich immer noch wertvoll. Aber ihnen geht die Energie aus, und wenn die NASA möchte, dass sie noch viel länger weitermachen, müssen sie einige Entscheidungen treffen.
Das Energieproblem
Das Thema Energie wird für die Voyagers im Laufe der Zeit immer kritischer. Ihre wissenschaftlichen Instrumente benötigen nicht nur Energie, sondern die Raumsonde muss sich auch in der kalten Umgebung des Weltraums warm halten. Die beiden Raumschiffe sind nicht solarbetrieben: Das wäre so weit von der Sonne nicht möglich. Sie verlassen sich auf thermoelektrische Generatoren mit Radioisotopen (RTG) für ihre Energie.
Jede der Voyager-Sonden hat drei RTGs, und sie verwenden Plutonium 238 als Brennstoff. Beim Zerfall dieses Isotops entsteht Wärme, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Jeder Voyager wurde gestartet und erzeugte 470 Watt bei 30 Volt Gleichstrom, aber im Laufe der Zeit verschlechtert sich das. Nicht nur der Kraftstoff wird ständig aufgebraucht, sondern die Thermoelemente im System verwendet, verschlechtern sich im Laufe der Zeit. Im Jahr 2011 erzeugten beide Voyager knapp 270 Watt, was etwa 76 % der Ausgangsleistung entspricht.
Ein Pellet aus Plutonium 238, dem Isotop, mit dem die RTGs beider Voyager-Raumschiffe angetrieben werden. Beim Verrotten geben die Pellets Wärme ab, weshalb sie rot glühen. Bildquelle: Los Alamos National Laboratory.
Obwohl diese 270 Watt besser sind als bei der Entwicklung und dem Start der Sonden vorhergesagt, bedeutet dies immer noch, dass unvermeidliche Entscheidungen darüber getroffen werden müssen, welche Raumfahrzeugsysteme ausgeschaltet werden müssen.
Zuallererst müssen Sie der NASA die Anerkennung dafür zollen, dass sie die Sonden so lange am Laufen gehalten hat. Es ist an sich schon erstaunlich. Einige Teile der Sonden wurden bereits ausgeschaltet, und bemerkenswerterweise funktionieren sie immer noch.
Als Reaktion auf Energiebedenken stellte die NASA im Jahr 2011 die Heizung der Voyager 1 ab ultraviolettes Spektrometer . Dieses Instrument wurde für den Betrieb bei Temperaturen von bis zu -35 Grad Celsius (-31 Grad Fahrenheit) entwickelt, aber nachdem seine Heizung ausgeschaltet , es funktionierte bei -79 Grad Celsius (-110 Grad Fahrenheit.)
„Es ist unglaublich, dass sich die Instrumente von Voyagers als so robust erwiesen haben.“
Voyager-Projektmanagerin Suzanne Dodd
Aber das war 2011, und seitdem haben die RTGs noch mehr an Leistung verloren. Tatsächlich verlieren sie jedes Jahr etwa 0,8 % ihrer Leistung. Jetzt schärfen die NASA-Ingenieure ihre Rechenschieber und erstellen einen neuen Energiemanagementplan, um die Sonden noch länger am Laufen zu halten.
Die Hitze ausschalten, um die Voyagers am Laufen zu halten
Vor kurzem hat die NASA beschlossen, die Heizung für ein anderes Instrument auszuschalten, diesmal für Voyager 2. Sie haben die Heizung für Voyager 2 ausgeschaltet Kosmisches Strahlen-Subsystem (CRS). Das ist schade, denn im November 2018 war das CRS-Instrument der Schlüssel zur Feststellung, dass Voyager 2 verließ die Heliosphäre und betrat den interstellaren Raum. Seit die Sonden die Heliosphäre verlassen haben, senden sie uns einzigartige und wichtige Informationen darüber, wie die Heliosphäre interagiert mit dem interstellarer Wind . Das kann kein anderes Raumschiff, und es würde Jahrzehnte dauern, ein anderes zu installieren.
Voyager 1 und 2 haben beide die Heliosphäre hinter sich gelassen und sind die ersten Raumschiffe, die dies tun. Bildnachweis: Von NASA/JPL-Caltech – https://photojournal.jpl.nasa.gov/figures/PIA22835_fig1.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=74978307
Aber obwohl die Instrumentenheizung für das Cosmic Ray Subsystem (CRS) von Voyager 2 ausgeschaltet wurde, bestätigten die Ingenieure, dass das Instrument immer noch bei -59 °C (-74 °F) funktioniert, obwohl es nur bis -45 °C getestet wurde ( -49F.)
„Es ist unglaublich, dass sich die Instrumente von Voyagers als so robust erwiesen haben“, sagte Suzanne Dodd, Projektmanagerin von Voyager, die am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, arbeitet. „Wir sind stolz, dass sie den Test der Zeit bestanden haben. Die lange Lebensdauer der Raumsonde bedeutet, dass wir es mit Szenarien zu tun haben, von denen wir nie gedacht hätten, dass wir ihnen begegnen würden. Wir werden weiterhin jede uns zur Verfügung stehende Option prüfen, damit die Voyagers die bestmögliche Wissenschaft betreiben.“
So wie es jetzt aussieht, gibt Voyager 2 immer noch Daten von fünf Instrumenten zurück, obwohl die Heizung des CRS ausgeschaltet war. Insbesondere heizt es immer noch das Low-Energy Charged-Partikel-Instrument auf. Das liegt daran, dass es ähnlich wie CRS Daten zum Übergang aus der Heliosphäre zurückgeben kann. Das CRS ist unidirektional, während das Low-Energy-Instrument omnidirektional ist, was einer der Gründe dafür ist, dass die Heizung des CRS abgeschaltet wurde.
Das Unvermeidliche verzögern
Die Erzeugung von Wärme ist eine energieintensive Tätigkeit. Wenn die Leistung in den Sonden nachlässt, müssen möglicherweise weitere Heizungen abgeschaltet werden, damit die verbleibenden Instrumente arbeiten können. Es führt kein Weg daran vorbei. Doch der schrumpfende Energiehaushalt der Sonden betrifft neben wissenschaftlichen Instrumenten auch andere Systeme.
Die Sonden haben kleine Triebwerke und sind für den Betrieb der Sonden von entscheidender Bedeutung. Die Raumsonden müssen so ausgerichtet werden, dass ihre Antennen der Erde zugewandt sind, damit sie Befehle empfangen und Daten zur Erde zurücksenden können. Jedes Raumfahrzeug verfügt über einen Tank mit Hydrazin-Einzeltreibstoff, der zum Antrieb seiner kleinen Triebwerke verwendet wird, die in winzigen Stößen oder Stößen arbeiten, um das Raumfahrzeug auszurichten.
In dieser Abbildung schaut das Hubble-Weltraumteleskop der NASA entlang der Wege der NASA-Raumsonden Voyager 1 und 2 auf ihrer Reise durch das Sonnensystem und in den interstellaren Raum. Hubble starrt auf zwei Sichtlinien (die kegelförmigen Zwillingsmerkmale) entlang der Bahn jedes Raumfahrzeugs. Das Ziel des Teleskops ist es, Astronomen bei der Kartierung der interstellaren Struktur entlang der sternengebundenen Route jedes Raumfahrzeugs zu unterstützen. Jede Sichtlinie erstreckt sich über mehrere Lichtjahre zu nahegelegenen Sternen. Bildnachweis: NASA, ESA und Z. Levy (STScI).
Wenn die Leitungen, die den Treibstoff zu den Triebwerken zuführen, einfrieren, könnten die Ingenieure die Antennen oder Instrumente der Raumfahrzeuge nicht ausrichten. An diesem Punkt wäre das Raumschiff wahrscheinlich nutzlos. Daher benötigen sie auch Wärme.
Es gibt jedoch ein weiteres Problem mit den Triebwerken. Im Laufe der Zeit fallen solche Systeme unweigerlich aus, und 2017 bemerkten Ingenieure ein Problem. Einige der Triebwerke von Voyager 1 mussten härter arbeiten, um die richtige Ausrichtung zur Erde beizubehalten. Also wandten sie sich an einige lange unbenutzte Triebwerke, um zu sehen, ob sie die Arbeit erledigen könnten.
Ob Sie es glauben oder nicht, dieser sekundäre Satz von Triebwerken wurde seit 37 Jahren nicht mehr verwendet. Aber sie waren begeistert und haben ihren Job gemacht. Das muss eine Art Rekord für sich sein.
Eine Illustration von Voyager 1. Der Satz von vier Backup-Triebwerken befindet sich in dieser Ausrichtung auf der Rückseite des Raumfahrzeugs. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Jetzt zeigen die Haupttriebwerke von Voyager 2 Probleme. Aufgrund des Erfolgs, den sie mit den alten, unbenutzten Triebwerken von Voyager 1 hatten, haben sich die Ingenieure entschieden, auch die alten Backup-Triebwerke von Voyager 2 zu starten. Aber diese waren nicht so lange inaktiv wie die von Voyager 1. Sie wurden zuletzt verwendet, als Voyager 1 vor 30 Jahren 1989 auf Neptun traf, und die NASA plant, sie noch in diesem Monat einzuschalten.
Mit cleverer Technik, sorgfältiger Planung und umsichtigem Einsatz der verbleibenden Energie beider Voyagers verzögert sich das unvermeidliche Ende der Raumsonde. Dadurch können ihre fortlaufenden wissenschaftlichen Beiträge noch eine Weile weitergeführt werden.
„Beide Voyager-Sonden erkunden Regionen, die noch nie zuvor besucht wurden, daher ist jeder Tag ein Tag der Entdeckung.“
Voyager-Projektwissenschaftler Ed Stone
Ingenieure und Missionsplaner sind der Meinung, dass es noch einige Jahre Betriebsfähigkeit gibt. Das ist wichtig, denn alles, was wir über die Region des Weltraums lernen, in der sie sich befinden, ist auf ihre einzigartige Position zurückzuführen, sie zu beobachten. Das ist nicht zu unterschätzen, denn auf der Grundlage von Voyager-Daten werden immer noch neue Papiere geschrieben, nicht nur von dort, wo sie jetzt sind, sondern von dort, wo sie vor Jahren, sogar Jahrzehnten waren.
Im Jahr 2017 war Fran Bagenal, der ehemalige Vorsitzende der NASA-Assessment Group Outer Planet interviewt in Nautilus . In diesem Interview sagte sie: „Ich analysiere immer noch Voyager-Daten, ob Sie es glauben oder nicht. Wir haben gerade drei Artikel über Voyager-Daten veröffentlicht, die vor 33 Jahren aufgenommen wurden, und feiern gleichzeitig den 40. Jahrestag der Einführung. Es hat Spaß gemacht. Mir wurde klar, dass einige der Daten, über die ich meine Dissertation von 1979 erstellt hatte, nicht erneut analysiert wurden.“
Es stellt sich die Frage, wie viele zukünftige Arbeiten auf der Grundlage aktueller Daten in Jahrzehnten verfasst werden könnten.
Nichts hält ewig
Die bekanntesten Fotos des Voyager-Programms sind die Hellblauer Punkt Foto (eigentlich eine Fotoserie.) Wir erhalten keine Fotos mehr von den Voyager-Kameras. Da draußen gibt es nichts zu fotografieren. Aber es ist fast schon unheimlich, wie diese Raumschiffe noch so viele Jahrzehnte nach ihrem Entwurf, Bau und Start immer noch Daten liefern, einzigartige Daten. Seltsamerweise sind sie wie Zeitkapseln der frühen Weltraumforschungstechnologie.
Der berühmte „blassblaue Punkt“ der Erde, aufgenommen von Voyager 1 im Februar 1990 (NASA/JPL)
'Beide Voyager-Sonden erkunden Regionen, die noch nie zuvor besucht wurden, daher ist jeder Tag ein Tag der Entdeckung', sagte Ed Stone, Wissenschaftler des Voyager-Projekts vom Caltech. „Voyager wird uns immer wieder mit neuen Erkenntnissen über den Weltraum überraschen.“
Nichts hält ewig und eines Tages wird es das Raumschiff Voyager sein. Für Leute, die sich mit den Missionen auskennen und eine Ahnung davon haben, was sie zum Wissen der Menschheit beigetragen haben, wird dies ein trauriger Tag. Es ist seltsam, an all das zu denken, was hier auf der Erde passiert ist, während die beiden Raumschiffe ihre Reise angetreten haben.
Die gute Nachricht ist, dass zukünftige Raumfahrzeuge auf der Arbeit des Voyager-Programms aufbauen werden.
Eine künstlerische Darstellung der winzigen IBEX-Sonde. Bildquelle: NASA
Die NASA startet die Interstellar Mapping and Acceleration Probe ( IMAP ) im Jahr 2024 und wird von den Beobachtungen der Voyagers profitieren. Ihr Interstellar Boundary Explorer (IBEX) baut bereits auf der Arbeit von Voyager 1 und 2 auf und gibt uns mehr Detailinfos zur Heliosphäre.
Im selben Nautilus-Interview sagte Fran Bagenal: 'Ich würde voraussagen, dass wir in ungefähr 15 Jahren oder so aufhören werden, mit ihm zu kommunizieren.' Sie ist keine offizielle Sprecherin des Voyager-Programms, aber wenn sie richtig ist, bedeutet dies, dass die Kommunikation bis 2032 enden könnte.
Markieren Sie dieses Datum in Ihrem Kalender.
Cue die Nostalgie.
Quellen:
- Pressemitteilung: Ein neuer Plan, um die ältesten Forscher der NASA am Laufen zu halten
- NASA: Voyager-Programm
- Pressemitteilung: Voyager 1 feuert nach 37 Jahren Triebwerke ab
- Pressemitteilung: Voyager 2-Sonde der NASA betritt den interstellaren Raum
- Pressemitteilung: Kühlung des Voyager-Instruments, nachdem die Heizung ausgeschaltet wurde
- Universum heute: Schließlich! Voyager 2 ist jetzt im interstellaren Raum
- Wikipedia-Eintrag: Voyager-Programm
