Übrigens: es gäbe meiner Meinung nach schon zumindest ein lohnenswertes Ziel dort draussen: Sedna. Deren Perihel befindet sich bei 76 AU, da sollten wir hinkommen. Das beste wäre, wie oben angetönt, eine nuklear-elektrische Sonde zu schicken, die auf der Hälfte des Weges beschleunigt, und auf der zweiten Hälfte wieder bremst, so dass sie sogar in einen Orbit einschwenken könnte.
Nehmen wir mal einen NEXT-Thruster (state-of-the-art unter den demnächst einsetzbaren und gut getesteten Ionenantrieben), der nimmt eine Leistung von 7 kW auf und produziert damit eine Beschleunigungskraft von etwa 200 mN. Wenn wir den mit einigen
ASRGs anfüttern, bräuchten wir also 5 davon (140 Watt, je), insgesamt 4 kg Pu-238. Wie schnell können wir damit beschleunigen? Um das zu wissen, müssen wir erst die Gesammtmasse der Sonde (inklusive Xenon-Treibstoff) ermitteln. Nehmen wir an, wir wollen die Sonde so bauen, dass sie total 100 km/s Geschwindigkeitsveränderung durchführen kann (wir können dann eine baugleiche Sonde zum Gravitationsfokus schicken). Dafür brauchen wir die Raketengleichung. Demnach ist die totale gewünschte Geschwindigkeitsänderung, delta-V, gleich der Ausströmungsgeschwindigkeit mal dem natürlichen Logarithmus des Produktes von Leermasse und Vollmasse (Leermasse + Treibstoff). Die Formel lässt sich dann umschreiben als Treibstoffmassenanteil = 1 - e^-(delta-V/Ausströmungsgeschwindigkeit) = 1 - e^-(100/42) = 1 - 0.092 = dh, über 90% der Vollmasse ist Treibstoff. Bei einem Instrumentenpackage von 500 kg (wie New Horizons; hier allerdings inkl. 100 kg für die 5 ASRGs) wäre die ganze Sonde also rund 5 Tonnen schwer - durchaus machbar! Welche Geschwindigkeiten können wir damit erreichen?
Fall 1) Gravitationsfokus. Hier ist die Sach einfach: die Sonde hat das Potential zur Geschwindigkeitsveränderung von 100 km/s, also ist das die Endgeschwindigkeit (= ca. 3 Promille c, oder 21 AU/Jahr = ca. 13'000 Jahre nach Alpha Centauri). Wir können die Beschleunigungsphase - angesichts der zu überwindenden Distanz von 550 AU - getrost ignorieren und einfach sagen, dass die Sonde etwa 30 Jahre braucht, um ihr Ziel zu erreichen.
Fall 2) Sedna. Hier wollen wir, näherungsweise, die Hälfte des Weges zum Aphel (der erst 2076 stattfindet, aber das ignorieren wir hier mal) beschleunigen, und die andere Hälfte des Weges bremsen. Tatsächlich liegt der Umkehrpunkt nicht in der Mitte, denn die Sonde verliert ja laufend Xenon, das heisst, wenn sie wieder bremst, ist das weniger Masse übrig, die gebremst werden müsste. Trotzdem muss der Umkehrpunkt bei einer Endgeschwindigkeit von 50 km/s liegen. Das heisst, wir können die Raketengleichung nochmals so anwenden, dass wir die für die Abbremsung gedachte Treibstoffmenge einfach zur Nutzlast rechnen und die Endgeschwindigkeit von 50 km/s vorgeben. Dann erhalten wir mit der oberen Gleichung: Treibstoffmassenanteil = 1 - e^-(50/42) = knapp 70% der Startmasse geht für die Beschleunigungsphase drauf, 70/90 = knapp 80% des Xenons. Die Überprüfung für den zweiten Teil der Reise lautet dann, dass nochmals 70% der Restmasse Treibstoff sein muss, also 0.3 * 5000 = 1500 (Sonde + restliches Xenon), davon 30% = 450 kg = Nutzlast -> stimmt etwa (inkl. Rundungsfehler?). Die genaue Strecke auszurechnen, habe ich bisher nicht hinbekommen (weiss jemand genaueres?), aber dafür dieses Applet hier gefunden:
http://lexikon.astronomie.info/java/raketengleichung/function.html Die oben genannten Parameter der Sonde führen dazu, dass 50 km/s nach gerade etwa 1000 Tagen erreicht sind (3 Jahre), wobei die Abbremsung nurmehr 300 Tage in Anspruch nimmt. Allerdings liegt jetzt eine lange "coasting"-Strecke dazwischen, denn 50 km/s sind bereits nach ca. 1.7 Mrd km erreicht, und die Abbremsung dauert etwa 500 Mio km. Wir hätten also 11.3 AU (bis hinter den Saturnorbit!) Beschleunigung, 3.3 AU Abbremsung und 76-(11.3+3.3) = 61.4 AU freier Flug dazwischen, für die die Sonde 63.4/10.5 = 6 Jahre braucht. Insgesamt hätten wir also 3 Jahre Beschleunigung, 6 Jahre Coasting, 1 Jahr Abbremsung - eine solche Sonde könnte also innerhalb von nur 10 Jahren eine Nutzlast von 500 kg in einen Orbit um Sedna bringen. Ganz schön cool.
(natürlich müsste man noch einige Details ausarbeiten, so etwa den Umstand das die Sonde aus dem Schwerefeld der Sonne hinausfliegt, dh, von ihr abgebremst wird, aber 50 km/s sind weit mehr als die Sonnensystem Flucht-Geschwindigkeit bei 12 AU, das wird vermutlich nicht einen so grossen Effekt haben)
