Abenteuer-Universum

Hallo allerseits,

im Thread "anstrebenswerte Ziele" (viewtopic.php?f=37&t=3647) wurden u.a. einige interessante astronomische Objekte genannt. Ich möchte deren Parameter ein wenig ansehen, habe mir manche Daten beschafft, und stelle das hier herein, weil es ja den ein oder anderen evtl. interessieren könnte.

Hier zuerst die Liste:
(Lage - u.a. zur Auswahl beim Plotten: i=inneres Sonnensystem, a=äusseres Sonnensystem, e=erweitertes Sonnensystem (weit entfernte Objekte), s=Sterne, die nicht zum Sonnensystem gehören)

Betrachtet werden die Bahndaten zwischen dem 2020-01-01 und 2050-01-01, also die kommenden drei Jahrzehnte.

Gruss

positronium

Erst ein paar Bahnen:

Inneres Sonnensystem (XY): Inneres + Teile des äusseren Sonnensystems (XY): Inneres + Teile des äusseren Sonnensystems (YZ):

Äusseres Sonnensystem (XY): Äusseres Sonnensystem (XZ):

Und noch die ganz weit entfernten Objekte mit dazu (Also, ohne Alpha Centauri - das zu plotten bringt nichts, weil dann das Sonnensystem nur noch ein Punkt ist.).

XY: XZ: YZ:

Für einen besseren dreidimensionalen Überblick habe ich hier noch eine Animation - interaktiv ist das natürlich besser, und mehr Auflösung und Frames war/en beim Upload nicht möglich.
Das Quadrat hat eine Seitenlänge von 40 AE und liegt in der XY-Ebene.

Eine kleine Spielerei: Hier ist zu sehen, wann in den Jahren 2020 bis 2050 die Potentialdifferenz (bzw. Energie pro 1kg) zwischen der Erdoberfläche und der Oberfläche (bei unbekannter Masse oder Radius wird die Wirkung des Zielobjekts auf das Potential unberücksichtigt gelassen) aller anderen Körper welchen Minimalwert aufweist. - Zu mehreren Zielen könnte man sogar hinübertunneln.

Erst mal Danke für die Fleißarbeit!
Das ist eine prima Grundlage für die kommenden Diskussionen!

Gruß
gravi

Mir ist aufgefallen, dass hier noch keine Trojaner genannt wurden. Wie ist das denn zu erklären? Gelten sie als so uninteressant?
Soweit ich weiß, ist über diese Objekte noch nicht sehr viel bekannt. Dann wären sie doch ein lohnenswertes Ziel für eine Mission a la Rosetta. Jedenfalls sind die von Mars und Jupiter nicht allzu weit entfernt.

belgariath hat geschrieben: ↑

6. Aug 2017, 19:26

Mir ist aufgefallen, dass hier noch keine Trojaner genannt wurden. Wie ist das denn zu erklären? Gelten sie als so uninteressant?
Soweit ich weiß, ist über diese Objekte noch nicht sehr viel bekannt. Dann wären sie doch ein lohnenswertes Ziel für eine Mission a la Rosetta. Jedenfalls sind die von Mars und Jupiter nicht allzu weit entfernt.

Hallo belgariath,

eine solche Mission ist für das Jahr 2021 geplant. Sie heisst Lucy und soll in den Jahren 2025 - 2033 sechs Trojaner und einen Hauptgürtel-Planetoiden besuchen. Also vermutlich umgekehrt, d.h. erst den Hauptgürtel-Planetoiden und danach die 6 Trojaner

Details: NASA Selects Mission to Study Jupiter’s Trojan Asteroids


Und die Route ist wie folgt geplant (grosses Bild hier):

In the L4 cloud Lucy will fly by (3548) Eurybates (white), (15094) Polymele (pink), (11351) Leucus (red), and (21900) Orus (red) from 2027-2028. After diving past Earth again Lucy will visit the L5 cloud and encounter the (617) Patroclus-Menoetius binary (pink) in 2033. As a bonus, in 2025 on the way to the L4, Lucy flies by a small Main Belt asteroid, (52246) Donaldjohanson (white), named for the discoverer of the Lucy fossil. After flying by the Patroclus-Menoetius binary in 2033

Freundliche Grüsse, Ralf

positronium hat geschrieben: ↑

6. Aug 2017, 17:30

im Thread "anstrebenswerte Ziele" (viewtopic.php?f=37&t=3647) wurden u.a. einige interessante astronomische Objekte genannt. Ich möchte deren Parameter ein wenig ansehen, habe mir manche Daten beschafft, und stelle das hier herein, weil es ja den ein oder anderen evtl. interessieren könnte.

Hallo positronium,

über die von Dir nicht genannten Grössen bei den Planetoiden kann man durchaus Abschätzungen vornehmen, weil man ja deren absolute Helligkeit H kennt, und diese dann mit bekannten Objekten vergleichen kann.
Ich überlasse die Umrechnung auf den Radius anderen (also eine Division durch 2), weil in der Astronomie üblicherweise Durchmesser-Angaben gemacht werden.


1. Haumea:
Die Haumea dürfte aufgrund ihrer sehr raschen Rotation ziemlich elliptisch sein, ihre Achsen liegen zwischen 1000 km und 2000 km im Durchmesser. Ihr Durchmesser dürfte vergleichbar mit denen der Makemake und "Snow White" (225088) 2007 OR10 sein.

2. Sedna:
Der Durchmesser der Sedna dürfte irgendetwas über 1000 km sein. Anfangs wurde er mit 1400 km Durchmesser möglicherweise etwas überschätzt, mit knapp unter 1000 km wird er zur Zeit vermutlich aber eher etwas unterschätzt.

3. Biden (2012 VP113):
Der Durchmesser dieses Zwergplanetenkandidaten – das ist ja die "kleine Sedna" - dürfte irgendwo bei ~650 km liegen.

4. und 5. Pallas und Vesta:
Beide sind keine Zwergplaneten, da sie aus Fels bestehen. Deswegen genügt ihr Durchmesser nicht, um sie ins hydrostatische Gleichgewicht zu bringen, was man auf den Aufnahmen der Raumsonde Dawn bei der Vesta auch unschwer erkennen kann.

6. Chariklo:
Der Zentauer Chariklo ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~250 km geschätzt.

7. Chiron:
Der Zentauer Chiron ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~220 km geschätzt.

8. Pholus:
Der Zentauer Pholus ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~180 km geschätzt.

9. (468861) 2013 LU28:
Der retrograde Zentauer (468861) 2013 LU28 ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~120 km geschätzt.

10. (342842) 2008 YB3:
Der retrograde Zentauer (342842) 2008 YB3 ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~80-100 km geschätzt.

11. Asbolus:
Der Zentauer Asbolus ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~80-100 km geschätzt.

12. Echeclus:
Der Zentauer Echeclus gehört zur JCF (Jupiter Comet Family) und ist kein Zwergplanet; sein Durchmesser wird auf ~80 km geschätzt.


Freundliche Grüsse, Ralf


EDIT 13:33 Uhr:

Quellen:
List Of Transneptunian Objects
List Of Centaurs and Scattered-Disk Objects
List Of Neptune Trojans

Vorsicht zur 3.Liste: diese enthält eine Zusatzspalte über den Librationspunkt und zudem sind einige Spalten um 1 breiter



EDIT 16:19 Uhr: kleine Typos korrigiert

Danke für die Korrekturen! Ich habe das auch oben angepasst.

positronium hat geschrieben: ↑

7. Aug 2017, 15:19

Korrekturen

Hallo positronium,

über das Wort "Korrektur" bin ich nicht wirklich glücklich: es sind eher vorsichtige Abschätzungen und es ist keine Schande, diese Werte auch unbestimmt zu lassen.


Auch deswegen ist es wichtig, dass mehr solche Körper Besuch von einer einfachen Raumsonde erhalten, dank derer man deren Durchmesser direkt bestimmen kann und auf diese Weise dann besser verstehen kann, wie sich das Rückstrahlvermögen, also die Albedo, ergibt. - Und dann - und zwar leider erst dann - greifen auch Teleskope und Weltraumteleskope wie Spitzer und Herschel, die mit ihren Ergebnissen in verschiedenen Frequenzbereichen dann auf die Albedo schliessen und daraus und der absoluten Helligkeit dann auch den Durchmesser bestimmen können, ohne vor Ort nachschauen zu müssen. Doch bis dahin ist es noch ein weiter und steiniger Weg !


Erster Schritt in diese Richtung wird der Vorbeiflug der New Horizons-Sonde am KBO (486958) 2014 MU69 sein, aber eben - das ist noch keine systematische Untersuchung, sondern der liegt halt am Wege der Flugbahn, die vom Pluto aus noch erreichbar war, so dass diese Mission ohne allzu grosse Anstrengungen bezahlbar ist.


Man kennt dann drei aus der Nähe: den hellen lichtfreundlichen Pluto, den eher finsteren Plutomond Charon sowie den vermutlich ebenfalls hellen und lichtfreundlichen (486958) 2014 MU69.

Zudem hat man dann noch die beiden HST-Durchmesserbestimmungen des Quaoar und der Eris, so dass man dann von 5 KBO die Albedo kennt. Zählt man noch den grossen Neptunmond Triton dazu, so hat man dann insgesamt von 6 Eiskörpern aus diesen fernen Regionen unseres Sonnensystems brauchbare Angaben.


Wobei noch erinnert sei, dass (486958) 2014 MU69 kleiner ist als erwartet, nur 25 bis 45 km im Durchmesser - da ist der Plutomond Hydra, von dem es auch Bilder gibt, grösser, und der Plutomond Nix, von dem es ebenfalls Bilder gibt, möglicherweise auch grösser.

Und das ist wirklich Sch..ß., denn solche Körper hat man nun schon einige untersucht - wirklich interessant wäre ein KBO der 100 km-Klasse oder darüber gewesen, auch wenn das ganze nun vom New Horizons-Team schöngeredet wird. Aufgrund des Vorüberfluges am Pluto sind übrigens auch Albedo-Bestimmungen der beiden verbliebenen bekannten Plutomonde Kerberos und Styx möglich; die sind zwar deutlich kleiner und die Bilder sind unscharf, aber völlig ausreichend für eine hinreichend genaue Durchmesser- und somit Albedobestimmung.


Freundliche Grüsse, Ralf

Die mittleren Bahngeschwindigkeiten der Objekte (Integral über die betrachteten 30 Jahre) sind:
Diese Werte für die Planeten verwende ich gleich unten.

Ein grosses Problem sind ja die Reisezeiten. Hier hilft ja ein swing-by, aber wie stark ein solcher wirkt, muss erst einmal abgeschätzt werden.

Im folgenden wird angenommen, dass die Planeten sich geradlinig auf der X-Achse in positiver Richtung mit oben errechneter Geschwindigkeit bewegen. Diese Bewegung wird zeitlich so gelegt, dass der Planetenmittelpunkt bei t=0 eineinhalb Radien bei +x ist - der Koordinatenursprung ist also einen Planetendurchmesser von dessen Oberfläche entfernt.
Die Sonde/das Raumfahrzeug soll sich in Richtung positiver Y-Achse bewegen. Bei t=0 soll es im Koordinatenursprung sein (Randbedingung), die Startbedingung ist, dass vx=0 und vy=20000m/s, sowie alternativ vy=40000m/s (der Zeitpunkt wird wegen der numerischen Berechnung auf -7Tage gelegt.)
Ich verwende so hohe Geschwindigkeiten, weil niedrigere wie wir leider wissen, zu sehr langen Reisezeiten führen, und es mir um die Nützlichkeit des swing-bys geht.

Eine Graphik veranschaulicht obige Beschreibung (20000m/s): Die Ergebnisse für 20000m/s: Und für 40000m/s: Die Rechnung ist unspektakulär und von daher wahrscheinlich uninteressant...

Man sieht, dass spätestens bei 40000m/s ein wwing-by selbst am Jupiter nicht mehr soo toll ist.

Die Entfernung von der Erde (Jahr/Entfernung in AE) des äusseren Sonnensystems: Und der weit entfernten Objekte: Die minimale Entfernung in den Jahren 2020 bis 2050 mit dem Datum:

positronium hat geschrieben: ↑

7. Aug 2017, 17:28

Die mittleren Bahngeschwindigkeiten der Objekte (Integral über die betrachteten 30 Jahre) sind:

Hallo positronium,

kannst Du das mit den Bahngeschwindigkeiten bitte überprüfen ?

Je weiter draussen desto langsamer, aber bei Dir ist die Haumea schneller als der viel tiefer umlaufende Uranus !

Und noch extremer die Sedna ... - schneller als der Jupiter, ja sogar schneller als Ceres. - Ebenso Chariklo ... - schneller als Ceres, dabei verläuft die Chariklo-Bahn vollständig ausserhalb der Saturnbahn.

Und auch der Pluto mutet mir mächtig schnell an - der ist bei Dir fast so schnell wie der Saturn.


Wie hast Du die Bahngeschwindigkeiten ermittelt ?


Freundliche Grüsse, Ralf

ralfkannenberg hat geschrieben: ↑

7. Aug 2017, 22:59

kannst Du das mit den Bahngeschwindigkeiten bitte überprüfen ?

Je weiter draussen desto langsamer, aber bei Dir ist die Haumea schneller als der viel tiefer umlaufende Uranus !
...

Vielen Dank für den Hinweis! Du hast Recht.
Das ist mir passiert, als ich heute parallel an den Bahngeschwindigkeiten und an den Anpassungen der Liste mit Objekten gearbeitet habe - dabei habe ich die Zuordnungen nicht aktualisiert.
Jetzt sollte es passen.

positronium hat geschrieben: ↑

7. Aug 2017, 23:48

Jetzt sollte es passen.

Hallo positronium,

hmmm ... - zwar schon viel besser, aber es gefällt mir immer noch nicht. Warum bildest Du das Integral nur über 30 Jahre ?


Freundliche Grüsse, Ralf

ralfkannenberg hat geschrieben: ↑

8. Aug 2017, 09:48

Warum bildest Du das Integral nur über 30 Jahre ?

Wenn man sich für die Realisierbarkeit einer Mission interessiert, muss man ja eine Zeitspanne betrachten, die man noch erleben kann. Ich habe mich für 30 Jahre entschieden, und deshalb auch nur die Daten für 30 Jahre herunter geladen - mehr kann ich mit den Daten also nicht integrieren.
Es ist aber natürlich richtig, dass diese Werte nicht die durchschnittliche Bahngeschwindigkeit von jeweils vollständigen Umläufen um den Schwerpunkt des Sonnensystems sind. Solche Werte sind zwar in anderen Bereichen interessant, aber wenn es darum geht, diese Ziele anzufliegen, ist gerade bei Objekten mit grosser und stärker exzentrischer Umlaufbahn, die über einen vollen Umlauf bestimmte mittlere Bahngeschwindigkeit nicht relevant. Pholus dürfte so ein Beispiel sein (nur geschätzt, anhand der Plots, oben): In diesen 30 Jahren (entspricht der Pfeillänge in den Plots) befindet er sich recht weit von der Sonne entfernt, und ist deshalb relativ langsam. Die dortige Geschwindigkeit ist wichtig. In vielleicht 90 Jahren ist er recht sonnennah und schnell, aber das ist hier unwichtig.

Leider kann ich das oben nicht einfügen, weil nur drei Anhänge pro Beitrag erlaubt sind. Deshalb hier noch zu den Bahngeschwindigkeiten über die betrachteten 30 Jahre:

Planeten: Zwergplaneten: Asteroiden:

positronium hat geschrieben: ↑

8. Aug 2017, 10:53

Pholus dürfte so ein Beispiel sein (nur geschätzt, anhand der Plots, oben): In diesen 30 Jahren (entspricht der Pfeillänge in den Plots) befindet er sich recht weit von der Sonne entfernt, und ist deshalb relativ langsam. Die dortige Geschwindigkeit ist wichtig. In vielleicht 90 Jahren ist er recht sonnennah und schnell, aber das ist hier unwichtig.

Hallo positronium,

dass Pholus so weit entfernt ist sieht man übrigens sehr schön daran, dass er letztmals am 18.April 2009 gesichtet wurde, das ist also über 8 Jahre her.


Freundliche Grüsse, Ralf

Oben habe ich berechnet, wie viel ein swing-by bei einer Geschwindigkeit einer Sonde von 20000 und 40000 m/s bei welchem Planeten an Geschwindigkeitszuwachs erwarten lässt.
Jetzt möchte ich anhand dieser Daten, und den ebenfalls oben berechneten minimalen Entfernungen aller Objekte zur Erde, abschätzen (ist nicht exakt, aber genau genug), ob ein swing-by beim Flug zu den Objekten bzgl. der Reisezeit Sinn macht.

Die Abschätzung erfolgt maximal einfach: Ich nehme die minimale Entfernung und schaue für bestimmte Reisezeiten/Missionsdauern, wie schnell eine Sonde sein muss, um in eben dieser Zeit am Zielobjekt einzutreffen. (Die exakte Berechnung würde die Ergebnisse verschlechtern - die Zahlen sind also auf der sicheren Seite.) Wie oben zu sehen, ist ab Geschwindigkeiten von 20000m/s als swing-by-Objekt eigentlich nur Jupiter, ein wenig noch Saturn interessant, ab 40000m/s ist eigentlich alles uninteressant. D.h.: Es lohnt sich dann für den swing-by kein Umweg mehr, allerdings könnte man die paar Prozent "mitnehmen", wenn einer der Planeten ohnehin auf dem Weg liegt - eine möglichst gerade Flugbahn zwischen Start- und Zielort ist aber anstrebenswert.

Im folgenden wird berechnet, wie viele Tage|Jahre der Flug dauert, wenn man mit 20000m/s fliegt (derzeit ins äussere Sonnensystem machbar), sowie wie schnell die Sonde sein müsste, wenn sie 1, 2, 4, oder 8 Jahre Zeit für den Flug haben soll (8 Jahre ist mir aber sowieso viel zu lange. ).

Die Werte für Alpha Centauri lasse ich weg, weil das unter obigen Vorgaben unrealistisch ist.

Für die sehr weit entfernten Objekte ergibt sich: Man sieht sofort: Selbst wenn man sich 8 Jahre Zeit nimmt, ist die nötige Geschwindigkeit so hoch, dass ein swing-by für den man einen Umweg in Kauf nehmen muss, sinnlos.

Für Objekte des inneren Sonnensystems: Wenn man 20000 m/s und nach innen mehr erreichen kann sind die direkten Entfernungen und damit die Flugzeiten so kurz, dass man sich über swing-bys keine Gedanken machen muss.

Für die übrigen Objekte des ässeren Sonnensystems muss man genauer hinschauen: Wenn man 2 Jahre warten kann, braucht man (von oben) bis Mimas sowieso keinen swing-by.
Wenn man maximal 4 Jahre einplant, muss die Sonde so schnell fliegen, dass der swing-by bei Flügen zu Pluto, Neptun, und evtl. sogar Pholus nicht mehr grosse Vorteile bringt.
Bei 8 Jahren Reisezeit macht ein swing-by Sinn.

Zu bedenken ist noch, dass es bei swing-by Manövern nicht nur um Zeitersparnis geht sondern auch um Kostenersparnis, d.h. manchmal darf die Reisezeit durch das/die swing-by auch verlängert werden, Hauptsache die benötigte Rakete/Nutzlast kann kleiner ausfallen. Und oft möchte man mit einer einzigen Mission gleich mehrere Ziele anfliegen, auch aus Kostengründen.

Hoffentlich habe ich folgendes richtig berechnet - ist nicht so einfach, wie man auf den ersten Blick meinen könnte, wenn man nicht all zu viel Arbeits- und Rechenzeit investieren möchte.
Ich habe einige Flugbahnen bestimmt, und dafür verschiedene Vereinfachungen angesetzt: Es werden nur Direktflüge betrachtet (swing-by fällt weg - siehe oben), und so verwende ich für die Bahnberechnung nur das Potential der Sonne, als Startpunkt den Erdmittelpunkt und als Zielpunkt den jeweiligen Mittelpunkt des Zielobjekts.
Das bedeutet natürlich, dass ich die Potentiale und damit einhergehende aufzubringende kinetische Energien "künstlich" hinzurechnen muss.
Also, wenn Euch etwas auffällt, bitte schreiben - ich korrigiere das wenn möglich.

Das sind also nur Möglichkeiten, die sich daran orientieren, wie man die Ziele schnell erreichen kann.
Startzeitpunkt ist jeweils, wenn sich die Objekte nahe an der Erde befinden.
Bei den Objekten, bei denen es möglich ist, habe ich die Startgeschwindigkeit so gewählt, dass man auf ca. 15000m/s relativ zur Erde beschleunigen muss, bei den anderen jeweils einen möglichst geringen Geschwindigkeitswert. Zu diesen Bahnen (rot) gibt es jeweils welche, die in halber Zeit (grün), viertelter (blau) und achtelter (braun) zum Ziel führen.
In den Tabellen ist aufgelistet:
- die Flugzeit in Tagen,
- die Geschwindigkeit, auf welche das Flugobjekt relativ zur Erde beschleunigt werden muss,
- die mittlere Geschwindigkeit im System der Sonne,
- die Geschwindigkeit, mit der das Flugobjekt beim Zielobjekt ankommt (relativ zum Zielobjekt),
- die kinetische Energie, die bei der Erde aufzuwenden ist, um 1kg Flugobjekt aus dem Potential der Erde und auf die nötige Reisegeschwindigkeit zu bringen, und
- die kinetische Energie, welche relativ zum Zielobjekt besteht, wenn das Flugobjekt dort ankommt. D.h.: Wenn man abbremsen und landen statt nur vorbei fliegen will, muss man diese aufwenden.

Merkur: Venus: Mars:

Jupiter: Saturn: Uranus: