Venus-Lander

Mechanische Messgeräte mit guter Genauigkeit zu entwickeln, die Ihre Signale auch noch "digitalisieren"  erscheint mir jetzt aber recht aufwendig zu sein, vor allem weil die zugrunde Liegende Technik seit Jahrzehnten "verkümmert" da auf der Erde immer mehr mit elektronischen Systeme gearbeitet wird...
da kann ich mit Hitzefeste Elektronik schon eher vorstellen...

MFG S

@Stefan307:
AREE soll ja nach Möglichkeit auch Hochtemperaturelektronik-Instrumente mitführen, falls solche zur Verfügung stehen. Wenn nicht, dann müssen es eben mechanische Messgeräte richten...

Late last year, NASA announced HOTTech, the Hot Operating Temperature Technology Program, which is providing funding to support “the advanced development of technologies for the robotic exploration of high-temperature environments … with temperatures approaching 500 degrees Celsius or higher.” The AREE team hopes that HOTTech will result in some science instruments that will be able to survive on their rover, although if not, they also have some ideas for a few interesting ways of doing science without any electronics.

http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/space-robots/jpl-design-for-a-clockwork-rover-to-explore-venus

Jetzt gab es einen weiteren komplexeren Test von Hochtemperaturelektronik auf Basis von SiC-Halbleitern, bei denen die Schaltkreise bis zu 4000 Stunden betrieben werden konnten. Dieser Test fand im Glenn-Forschungszentrum unter Simulation der Oberflächenbedingungen der Venus (500°C und entsprechend hoher Druck) statt.
https://www.universetoday.com/137803/building-electronics-can-work-venus/

Mal ein paar prinzipielle Überlegungen...

-Wie viel Leistung muss man abführen?
Ich denke die Elektronik die man wirklich unbedingt kühlen muss kann man inklusive Kameras auf weniger als 10W Abwärmeleistung reduzieren. Der Leistungsverstärker der Sendeanlage ist wahrscheinlich die größte elektronische Abwärmequelle. Elektromotoren und andere elektromechanische Systeme können durchaus so konstruiert werden das sie Temperaturen über 500°C aushalten. Der Leistungsverstärker der Sendeanlage lässt sich eventuell auch so konstruieren das er die Umgebungstemperatur aushält, eventuell als Röhrenverstärker.

Zusätzlich zur Abwärme der Elektronik selbst muss man dann auch noch Wärme abführen die aus der Umgebung in das System strömt. Durch eine gute thermische Isolierung sollte man diesen Wärmeeintrag aber auf wenige Watt reduzieren können.

-Auf welche Temperatur muss man kühlen?
Gewöhnliche Halbleiterelektronik kann bei Temperaturen bis etwa 100°C eingesetzt werden. Es gibt zwar auch hochtemperatur-Halbleiterbauelemente die noch bei über 300°C funktionieren aber es gibt soweit ich weiß insbesondere keine Kamerasensoren die bei wesentlich mehr als 100°C noch funktionieren. Eventuell kann man Kamerasensor, Prozessor(en) und Speicher auf ein niedriges Temperaturniveau kühlen aber Leistungselektronik, idealerweise inklusive Leistungsverstärker auf einem höheren Temperaturniveau betreiben.

-Geht es auch ohne Kühlung?
Es gibt mittlerweile Hochtemperaturhalbleiterbauelemente die noch bei Temperaturen über 500°C funktionieren (auch wenn sie teilweise nicht dafür spezifiziert sind). Komplexere integrierte Schaltkreise die in dem Temperaturbereich funktionieren sind gegenwärtig nicht kommerziell verfügbar.
Alternativ zu Halbleitern könnte man auch etwa auf (mikro)elektromechanische Schaltkreise setzen.
Während es gegenwärtig keine halbleiterbasierenden Bildsensoren gibt die in diesem Temperaturbereich funktionieren könnte man vielleicht Bildaufnahmeröhren konstruieren die das schaffen, damit kenne ich mich aber zu wenig aus.

-Was für passive Kühlmöglichkeiten hat man?
Prinzipiell lässt sich die thermische Trägheit eines Kühlkörpers für einen begrenzten Zeitraum als Wärmesenke nutzen. Effektiver ist das Ausnutzen der Schmelzwärme eines bestimmten Stoffs. Wasser hat beispielsweise eine Schmelzwärme von 334kJ/kg, damit könnte man also eine Abwärme von 10W könnte man also gute 9 Stunden pro Kilogramm Eis als Wärmesenke auskommen bevor dieses vollständig geschmolzen ist. Es gibt neben Wasser auch noch andere Stoffe mit hoher Schmelzwärme aber fallweise höherem und daher eventuell geeigneteren Schmelpunkt. Auch eine Verdunstungskühlung ist eine Option, eventuell lässt sich auch beides kombinieren (Eis schmelzen, dann Schmelzwasser verdunsten).

-Was für aktive Kühlmöglichkeiten hat man?
Grundsätzlich kommen verschiedene Kältemaschinen in Frage sowie Peltier-Elemente. Peltierelemente sind einfach aufgebaut aber ineffizient. Als Kältemaschinen in Frage kommen neben mechanisch angetriebenen Kompressionskältemaschinen auch thermisch (etwa über eine Radionuklidwärmequelle) angetriebene Absorptionskältemschinen o.Ä. in Frage. Bei effizienten Kompressionskältemschinen dürfte der Leistungsbedarf der Kältemaschine angesichts der hohen Temperaturdifferenz bereits deutlich über der Abwärmeleistung der zu kühlenden Systeme liegen, bei weniger effizienten Varianten beträgt er eventuell ein Vielfaches.

-Wie kann man eine solche Sonde mit Energie versorgen?
Photovoltaik scheidet auf der Venus praktisch aus. Bei den hohen Temperaturen funktionieren gängige Solarzellen nicht, eine aktive Kühlung der Solarzellen hätte einen höheren Energiebedarf als Ertrag. Die dichte Wolkendecke erschwert die Nutzung von Sonnenenergie zusätzlich, auch solarthermische Varianten sind daher unpraktikabel. Für eine Sonde mit kurzer Lebensdauer kommen chemische Thermalbatterien in Frage. Bei längerer Nutzungsdauer entweder Windenergie deren Ertrag aber wohl schwer abzuschätzen ist oder eine Radionuklidbatterie.

Bei Radionuklidbatterien kommen insbesondere Varianten mit AMTEC Generator oder thermoionischem Generator in Frage. Diese sind bei hohen Ausgangstemperaturen (die Temperatur auf der "kalten" Seite liegt ja zwangsweise etwas über der Umgebungstemperatur) relativ effizient. Auch Stirlingmotoren sind sicherlich eine Option.

Dank der dichten Atmosphäre könnte man eventuell mit einer sehr kompakten Windenergieanlage relativ viel Energie gewinnen. Das Problem: Der Wind wehr nicht immer, das aktive Kühlsystem muss aber immer funktionieren. Eventuell könnte man eine Kombination aus einer Windenergieanlage und einem Batteriespeicher oder einem Kältespeicher umsetzen oder eine Kombination aus einer Windenergieanlage etwa für das Antriebssystem eines Rovers und einer Radionuklidbatterie die lediglich das Kühlystem und die Elektronik versorgt.

-Wie kann man eine solche Sonde mit Energie versorgen?

Hallo,

mal eine ganz naive Frage. Ist bei 400-500 °C Außentemperatur nicht genug Energie vorhanden, die man nutzen könnte?

mal eine ganz naive Frage. Ist bei 400-500 °C Außentemperatur nicht genug Energie vorhanden, die man nutzen könnte?

nicht sofern man nihct irgendwo eine kältere Wärmesenke hat.

Man gewinnt Energie eigentlich nie aus der Wärme selber sondern aus einem Wärmegradienten - eine Seite ist warm und die andere kalt.

Das ist ein grundsätzliches Problem: Viele Elektronen in einem Speicher bringen nichts wenn überall anders auch viele Elektronen sind - man braucht ein elektrisches Potential.
Hoher Luftdruck an sich bringt dir nichts - irgend wo anders muss niedrigerer Luftdruck herrschen damit sich ein Luftstrom bildet.

Hallo,

ich merke schon, ich hätte Thermodynamik 1 und 2 aus meinem Grundstudium nicht so erfolgreich verdrängen sollen. Ihr habt natürlich recht, dass man ohne Kälte aus der Wärme auch keine Energie ziehen kann.

Vielen Dank für die "Erinnerung"

Mario

Ein grundsätzliches Problem eines Venus-Landers ist allerdings auch das die Atmospähre die Verwendung von Spezialhardware erfordert die man nicht auch für andere Missionen sinnvoll verwenden kann. Die Technik muss in weiten Teilen extra entwickelt werden und es gibt dann kaum andere Anwendungen dafür, das macht die Sache sehr teuer. Insbesondere wenn es um einen langlebigeren Lander, eventuell gar einen Rover geht.

Man muss sich auch überlegen ob bestimmte Landezonen nicht günstiger sind als andere. Es gibt auf der Venus große Höhenunterschiede, im Gebirge, in großer Höhe ist die Temperatur vermutlich deutlich geringer, ebenso in Polnähe. Eines der höchsten Gebirge der Venus befindet sich in der Nähe des Nordpols. Die Temperatur auf den Gipfeln der nordpolnahen und bis zu etwa 10800m hohen Maxwell Montes soll teilweise deutlich unter 400°C liegen, das macht einiges einfacher. Auf einem Berggipfel landen ist aber wiederum eine Herausforderung vor allem wenn es aufgrund der Wolkendecke keine wirklich guten Aufnahmen davon gibt dafür aber Wind.

Um den Boden zu untersuchen könnte eventuell auch eine fliegende Sonde eine Option sein. Von einem in 20-30km Höhe fliegenden Ballon könnte man etwa über Seile eine Sonde in eine tiefere Schicht herunterlassen- und die Sonde schlicht wieder hochziehen bevor sie sich zu stark aufgeheizt hat. Man könnte auch über ein Seil Bodenproben zu dem Ballon hochziehen. Von dort aus könnte man die Bodenproben auch im Rahmen einer Sample-Return Mission zur Erde zurück schicken. Es ist aber eventuell nicht einfach ein Seil zu konstruieren das bei den Temperaturen eine ausreichende Zugfestigkeit besitzt. Kunststoffseile kommen kaum mehr in Frage, auch Stahlseile verlieren bei den Temperaturen bereits deutlich an Festigkeit, ein Stahlseil wäre daher vermutlich unpraktikabel schwer. Eventuell kommt ein Seil aus Kohlen- oder SiC Fasern oder Keramik/Mineralfasern in Frage, das könnte sowohl stark als auch leicht genug sein. Ich weiß aber nicht ob es so etwas in der nötigen Form/Qualität/Länge von der Stange zu kaufen gibt oder ob man das wiederum erst extra entwickeln müsste.

Auf Wind wird man wohl eher nicht stossen, die Atmosphäre wird sich wohl eher wie eine Flüssigkeit verhalten. Mir war so das die Russen das mal getestet haben.

Die Frage ist was will man dort. Vielleicht sollte man erstmal einen Merkur Lander konstruieren.

Micha

Auf Wind wird man wohl eher nicht stossen, die Atmosphäre wird sich wohl eher wie eine Flüssigkeit verhalten. Mir war so das die Russen das mal getestet haben.

Die Atmosphäre ist bedingt durch den viel höheren Druck natürlich viel dichter auf der Erde und in gewisser Weise etwas "flüssiger". Aber es gibt natürlich dennoch Strömungen die man als Wind bezeichnen kann.

Die Frage ist was will man dort. Vielleicht sollte man erstmal einen Merkur Lander konstruieren.

Die Frage kann man bei der Erforschung fremder Himmelskörper immer stellen...

Aber im Prinzip, ja, ein Merkur Lander der einen längeren Zeitraum als ein paar Tage auf der Oberfläche überleben kann könnte tatsächlich einfacher umzusetzen sein.

Auf Wind wird man wohl eher nicht stossen, die Atmosphäre wird sich wohl eher wie eine Flüssigkeit verhalten. .
Micha

Flüssigkeiten sind nicht kompressibel.
"In Bodennähe wurden bislang nur geringe Windgeschwindigkeiten von 0,5 bis 2 m/s gemessen. Durch die hohe Gasdichte entspricht das auf der Erde immerhin der Windstärke 4, das heißt, es kommt einer mäßigen Brise gleich, die Staub bewegen kann."

 aus: Wikipedia,   https://de.wikipedia.org/wiki/Venus_(Planet)

Flüssigkeiten sind nicht kompressibel.

Bei dem Druck auf der Oberfläche (jedenfalls auf 0-Niveau) ist die ja hauptsächlich aus CO2 bestehende Atmosphäre (kritischer Druck: 73,8 Bar) bereits superkritisch und daher tatsächlich nur noch sehr eingeschränkt komprimierbar. Bei einer Abkühlung auf irdische Temperaturen würde die Atmosphäre zu einer Flüssigkeit kondensieren.

Ich denke aber trotzdem das man eine Strömung in der Atmosphäre noch als "Wind" bezeichnen kann.

Aber im Prinzip, ja, ein Merkur Lander der einen längeren Zeitraum als ein paar Tage auf der Oberfläche überleben kann könnte tatsächlich einfacher umzusetzen sein.

Es kommt darauf an, wo auf dem Merkur man landet. In der Nähe der Pole ist es kühl genug, die Bedingungen sind dort nicht viel anders als auf dem Mond. Allerdings ist  die Stromversorgung mit Solarzellen kritisch. Aber mit nuklearer Energieversorgung per RTG könnte ein Lander dort sogar Jahre überleben.

Ich setze das Thema mal hier rein, da es ja insbesondere um Halbleiterentwicklungen für hohe Temperatureinsätze geht:
 
Während sich hinsichtlich eventueller Hochtemperatureinsätze die weiter vorne im Thread genannten Halbleiterforschungen u.a. auf SiC (Siliziumkarbid) konzentriert haben, ist man bei der NASA scheinbar auch auf III-V Halbleiter wie GaN (Galliumnitrid) aufmerksam geworden. Jedenfalls gab's hier gleich mal eine $750.000 Förderung aus dem Hot Operating Temperature Technology (HOTTech) Programm der NASA an die Arizona State University.
 
http://www.spaceflightinsider.com/missions/commercial/gallium-nitride-processor-next-generation-technology-space-exploration/

This material will be needed the most for the missions with high-temperature destinations. For NASA, this project would be beneficial for numerous missions, especially for the Science Mission Directorate missions focused on destinations with high-temperature environments, such as the Venus surface, Mercury, or the deep atmosphere of gas giants

Zuviel Hoffnung auf einen schnellen Weltraum-Einsatz sollte man da allerdings auch nicht haben:

Given that the process of developing GaN-based microprocessor is expected to be challenging and lengthy, it is difficult to estimate when NASA could launch its first space exploration mission equipped with such a device. However, Zhao hopes that promising results could come within 10 years from now.

Bevor das aber einige falsch verstehen, GaN-Chips gibt es bereits für spezielle Applikationsbereiche (ein recht konsolidierter Markt, siehe hier) und auch die ESA hat sich bereits mit GaN befasst (GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative’ (GREAT²)) bzw. einen GaN-Chip innerhalb des Erdbeobachtungssatelliten Proba V erfolgreich getestet. Allerdings ging es da weniger um die Hochtemperatureigenschaften von GaN.

Under the HOTTech program, Zhao plans to demonstrate a GaN-based microprocessor that can work efficiently under high temperatures above 500 degrees Celsius.

Das klingt vielversprechend.

Beachten sollte man aber auch: Ein geeignetes Halbleitermaterial ist nur die halbe Miete. Schließlich müssen alle verwendeten Werkstoffe für die Temperaturen geeignet sein. Kunststoffe fallen daher als (isolator-) Werkstoffe weitgehend weg, manche Keramiken ebenfalls weil sie bei den Temperaturen zunehmend leitfähig werden, gängiges Lötzinn kann man auch nicht verwenden, manche Materialien tendieren dann auch ineinander zu diffundieren, es kann zu mehr oder weniger schnellen Korrosionsprozessen kommen...

Aber unterm Strich denke ich das es durchaus realistisch ist das wir in ein paar Jahren Halbleiter-ICs zur Verfügung haben die auch bei >500°C und damit unter Venusbedingungen arbeiten können.

Hallo
Ihr solltet auch nicht vergessen das Entwicklungen die den Betrieb von Raumfahrzeugen unter höheren Temperaturen erlauben, auch für die die Sonnenforschung interessant sind.
Ich halte die Venus sowieso für einen in vielerlei Hinsicht "unterschätzten" Planeten, in ihrer dichten Atmosphäre kann man z.b. auch Verfahren erproben die man bei den Gasriesen anwenden will.

MFG S

Hallo
Ihr solltet auch nicht vergessen das Entwicklungen die den Betrieb von Raumfahrzeugen unter höheren Temperaturen erlauben, auch für die die Sonnenforschung interessant sind.
Ich halte die Venus sowieso für einen in vielerlei Hinsicht "unterschätzten" Planeten, in ihrer dichten Atmosphäre kann man z.b. auch Verfahren erproben die man bei den Gasriesen anwenden will.

MFG S

Bei einer Sonnen-Sonde kann man allerdings die Hitze gut abschirmen da sie ja hauptsächlich als Strahlungswärme aus nur einer Richtung kommt.

In den tieferen, heißeren Atmosphäreschichten von Jupiter und Saturn könnte eine Sonde auch nicht lange überleben, egal wie sie konstruiert ist. Um dorthin vorzudringen reicht also etwa ein Kühlsystem das die etwa Schmelzwärme eines Kühlmittels nutzt völlig aus.

Bereits die Galileo-Tochtersonde konnte die Wolkendecke der Jupiteratmosphäre durchdringen, zukünftige Sonden könnten noch etwas tiefer gehen ohne das dafür neuartige Technologie nötig ist, freilich auch im Saturn.

Uranus und Neptun sind im inneren überhaupt so kalt das eine Sonde auch ohne Hochtemperatur-Elektronik wahrscheinlich relativ problemlos bis zum wahrscheinlich flüssigen Mantel vordringen und dort landen könnte.

Bereits die Galileo-Tochtersonde konnte die Wolkendecke der Jupiteratmosphäre durchdringen, zukünftige Sonden könnten noch etwas tiefer gehen ohne das dafür neuartige Technologie nötig ist, freilich auch im Saturn.

Uranus und Neptun sind im inneren überhaupt so kalt das eine Sonde auch ohne Hochtemperatur-Elektronik wahrscheinlich relativ problemlos bis zum wahrscheinlich flüssigen Mantel vordringen und dort landen könnte.

Unterschätze die Temperatur in den Eisriesen nicht. Nur weil sie Eisriesen genannt werden, bestehen sie nicht wirklich aus Eis wie wir es kennen. Die oberen Atmosphären sind zwar wirklich eiskalt, aber die tieferen Schichten sind ebenfalls  warm. In 300 km Tiefe beim 100 Bar Niveau von Uranus liegt die Temperatur schon bei über 45°C. Nach unten, wenn Druck und Temperatur der Gasmassen über den kritischen Punkt ansteigen, dürfte es dann schnell noch sehr viel wärmer werden. Natürlich sind diese Planeten kälter als Jupiter (140 km Tiefe, 24 Bar, 152°C), dennoch habe ich massive Zweifel, ob du mit einer Sonde wirklich den Mantel der Eisriesen erreichen kannst.

Das größte Problem hier ist das man nicht genau weiß wo der Mantel der Eisriesen anfängt und dementsprechend weiß man nicht genau was für Bedingungen dort herrschen.

100 Bar und knapp 50°C wären ja noch sehr gemütliche Bedingungen. Aber auch 200 Bar und etwas mehr als 100°C wären mit relativ normaler Elektronik noch gut zu bewältigen. Viel mehr aber nicht.

Problem: Wenn man eine Sonde hinschickt um das herauszufinden dauert es 10 Jahre aufwärts bis man eine Sonde hinschicken kann die von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren kann. Und daran führt kaum ein Weg vorbei.

Problem: Wenn man eine Sonde hinschickt um das herauszufinden dauert es 10 Jahre aufwärts bis man eine Sonde hinschicken kann die von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren kann. Und daran führt kaum ein Weg vorbei.

Wobei hier sicher keine ein Problem damit hätte wenn dies alle 10 Jahre erfolgen würde. Galileo war 1995!

MFG S

Zitat von: Dominic am 31. Dezember 2017, 19:40:48

Problem: Wenn man eine Sonde hinschickt um das herauszufinden dauert es 10 Jahre aufwärts bis man eine Sonde hinschicken kann die von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren kann. Und daran führt kaum ein Weg vorbei.

Wobei hier sicher keine ein Problem damit hätte wenn dies alle 10 Jahre erfolgen würde. Galileo war 1995!

MFG S

Na ja wenn man gewollt hätte dann hätte man diese Frage spätestens in den 1990ern klären können...

Aber prinzipiell ist es jedenfalls so das ich bezogen auf Uranus/Neptun davon ausgehen würde das es nach dem Start einer Sonde A mindestens 10 Jahre dauern würde bis eine Sonde B deren Auslegung auf den Erkenntnissen der Sonde A aufbaut starten kann. In der Praxis dauert es natürlich tendenziell wesentlich länger vor allem auch weil es in absehbarer Zukunft wohl andere Prioritäten bei allen relevanten Akteuren gibt.

Ein grundsätzliches Problem eines Venus-Landers ist allerdings auch das die Atmospähre die Verwendung von Spezialhardware erfordert die man nicht auch für andere Missionen sinnvoll verwenden kann. Die Technik muss in weiten Teilen extra entwickelt werden und es gibt dann kaum andere Anwendungen dafür, das macht die Sache sehr teuer.

Na was ist denn mit Vega 1 & 2. Die Dinger haben es doch schon vor gemacht. Also müsste man sich doch nur an deren Konstruktion orientieren und nicht völlig neu entwickeln, oder?

Zitat

Ein grundsätzliches Problem eines Venus-Landers ist allerdings auch das die Atmospähre die Verwendung von Spezialhardware erfordert die man nicht auch für andere Missionen sinnvoll verwenden kann. Die Technik muss in weiten Teilen extra entwickelt werden und es gibt dann kaum andere Anwendungen dafür, das macht die Sache sehr teuer.

Na was ist denn mit Vega 1 & 2. Die Dinger haben es doch schon vor gemacht. Also müsste man sich doch nur an deren Konstruktion orientieren und nicht völlig neu entwickeln, oder?

Wie schon beschrieben hatten die Lander dieser Sonden ein Kühlsystem an Board welches die Schmelzwärme eines Salzes mit niedrigem Schmelzpunkt nutzte. So konnte der Innenraum der Lander eine Zeit lang kühl gehalten werden und man konnte daher konventionelle Elektronik nutzen. Aber eben nur eine Zeit lang. Für einen Lander der mehr als ein paar Stunden auf der Oberfläche überleben soll braucht man andere Technik.

Auf der IAC gabs wieder Neuigkeiten zur geplante gemeinsame Venera D Mission zwischen NASA und Roskosmos.
Das Design soll stark auf dem der VEGA Missionen aufbauen, da es erfolgreich war. Der Lander soll dabei 3 Stunden überleben und dabei eine von NASA gebaute Wetterstation abwerfen. Diese Wetterstation soll äußerst widerstandsfähig sein und bis zu 60 Tage überleben können. Der Start soll frühestens 2028 auf einer Angara 5 + DM-03 + Fregat erfolgen. (Ich kenn mich leider nicht aus mit den möglichen Kombinationen russischer Oberstufen, aber auf Wikipedia kommt die Kombination nicht vor. Daher die Frage an Experten: Macht das Sinn?)
Der Orbiter soll einen 24h elliptischen Orbit haben. Außerdem soll VAMP, ein steuerbarer Atmosphären-Ballon abgesetzt werden.
Insgesamt gab es nichts wirklich Neues zu der Mission, aber es wurde betont, dass aktuell aktiv zusammen mit NASA daran gearbeitet wird, was wohl eine nicht zu unterschätzende Tatsache ist, wenn man die Probleme der aktuellen Kooperationen betrachtet. Außerdem seinen ESA und JAXA herzlich eingeladen, sich ebenfalls zu beteiligen.