Home

Raumfahrt

Raumsonden

Japanische Raumsonden

Site Map

AKATSUKI

Einleitung

Akatsuki ("Morgendämmerung") ist die dritte Planetensonde von Japan und hatte ursprünglich die Projektbezeichnung "Planet C". wie bei allen japanischen Satelliten und Raumsonden ist es üblich diese vor dem Start mit einem poetischen Namen zu benennen, während es vorher eine technische Projektbezeichnung gab. Zeitweise war auch eine Umschreibung geplant wie bei den USA: Venus Climate Orbiter (VCO) geplant, in Analogie zu dem HTV das auch keinen prosaischen Namen bekam. Am 23.10.2009 wurde Planet.-C jedoch wie alle vorherigen Raumsonden auf den Namen "Akatsuki" getauft. Die Raumsonde wird seit 2004 entwickelt.

Ziel der Raumsonde ist es die Untersuchung der Atmosphäre der Venus, vor allem durch Kameras. Als Sekundärnutzlast wird ein Sonnensegeldemonstrator mitgeführt. Die Missionskosten von Akatsuki bezifferte die Jaxa auf 275 Millionen Dollar.

Die Raumsonde

der Venus Spähroboter ist eine relativ kleine Raumsonde. Er hat die Abmessungen 1,04 x 1,40 x 1,45 m und wiegt beim Start 500 kg. Trocken (ohne Treibstoffvorräte) sind es noch 320 kg. Zwei Solarpanels sollen an der Venus noch 500 W zu Missionsende liefern. Die Kommunikation erfolgt durch eine fest montierte Hochgewinnantenne und zwei Mittelgewinnantennen. Die Datenrate beträgt zwischen 4 KBit/s (in 1,5 AU Entfernung) und 32 kBit/s (in 0,5 AU Entfernung von der Erde). Im Normfallfall werden die Bilder verlustfrei komprimiert. Bei der größten Entfernung zur Erde ist dies aber nicht ausreichend um die Datenmenge zu übertragen, so dass dann verlustbehaftete Kompression zum Einsatz kommt.

Die Raumsonde ist dreiachsenstabilisiert mittels Reaktionsschwungrädern. Kameras und Antennen sind fest montiert. Die Raumsonde muss daher jeweils zum Senden und Beobachten gedreht werden. Die Ausrichtungsgenauigkeit beträgt 0,1 Grad. Die Stabilität über längere Zeiträume 0,01 Grad.

Das Haupttriebwerk mit 500 N Schub setzt erstmals eine Düse aus Keramik ein, nämlich dem Material Siliziumnitrit (Si₃Ni₄).

Die Experimente

Akatsuki ergänzt sehr gut Venus Express, welcher seit 2005 die Venus umkreist. Bei Venus Express liegt der Schwerpunkt auf die Untersuchung der Venus mit Spektrometern - die Raumsonde hat drei an Bord, wobei allerdings eines ausgefallen ist. Venus Express hat nur eine Kamera an Bord, die aus einer Ingenieurskamera entwickelt wurde und nur eine geringe räumliche Auflösung aufweist. Akatsuki soll mit fünf Kameras mit mehreren Filtern die Venus in einem breiten Wellenlängenbereich vom UV bis zum mittleren Infrarot bei 12 µm Wellenlänge beobachten. Einziges Nicht Kamera Experiment ist die Vermessung des Radiosignals wenn es die Venusatmosphäre passiert. Dadurch das die Mission von Venus Express mehrmals verlängert wurde (derzeit bis zum 31.12.2012) ergeben sich sehr gute Möglichkeiten die wissenschaftliche Ausbeute zu ergänzen. Akatsuki kann mit seinen Kameras Auffälligkeiten viel besser feststellen als Venus Express mit seiner kleinen Überwachungskamera mit nur wenigen Filtern. Venus Express hat die Möglichkeiten Phänomene viel besser durch seine Spektrometer zu untersuchen.

Die Gesamtmasse aller Experimente beträgt 34 kg. Um die Datenrate zu reduzieren sollen Bilder an Bord nicht nur komprimiert, sondern auch kalibriert werden, indem z.B. Dunkelstrombilder angefertigt und automatisch vom Bild abgezogen werden.

IR1 ist die 1 Mikrometer Kamera. Sie soll Wolken verfolgen und von ihr wird der tiefste Blick bis nahe an die Oberfläche erwartet. IR1 setzt eine Kamera mit einer Brennweite von 84,2 mm und einem Öffnungsverhältnis von 4 (21 mm Optikdurchmesser) ein. Das CCD hat 1040 x 1040 Pixel, wovon 1024 x 1024 Pixel aktiv genutzt werden. Die Pixelgröße beträgt 17 µm. Die Kamera hat wie die anderen vier en Öffnungsverhältnis von 12 Grad. Das entspricht eine Auflösung von 16 km aus dem venusfernsten Punkt. In 59.000 km Entfernung ist die Venus bildfüllend. Das CCD wird auf 260 K gekühlt und erreicht ein Signal/Rauchverhältnis von 300 auf der Tagseite und 100 auf der Nachtseite.  Die Kamera wiegt 2,3 kg. Weitere 3,7 kg wiegt die Elektronik. Der Stromverbrauch beträgt 9,4 Watt.

IR2 blickt bis in die mittlere Atmosphäre, insbesondere auf der Nachtseite soll bei 2,26 und 2,32 µm Wellenlänge die Kamera durch "Fenster" in der Atmosphäre sehen und Winde und Wolkenformationen in dieser Schicht  zwischen 35 und 50 km Höhe verfolgen. Die Kamera verwendet die gleiche Optik und Elektronik wie IR1, jedoch ein anderes CCD, das durch einen Stirling Kühler bis auf 65 K gekühlt wird. Er kühlt auch das Gehäuse der Elektronik und des Tubus der Kamera auf 170 K. Durch diese Kühlmaßnahmen ist IR2 mit 9 kg Gewicht die schwerste Kamera an Bord der Venussonde. Der Spitzenstromverbrauch beträgt durch den Kühler 50 Watt. Die Oberfläche soll durch Differenzbilder zwischen 2,3 und 1,7 µm abgebildet werden.

UV1 macht Aufnahmen im Absorptionsmaximum von Schwefeldioxid und eines bislang unbekannten Absorbers. Er bildet damit nur die Formationen an der Wolkenobergrenze ab. Sie setzt ein CCD mit 13 µm Pixelgröße ein.  Es wurde spezielle behandelt um die UV Empfindlichkeit zu erhöhen. Die Bilder werden mit 12 Bits/Pixel digitalisiert. Sie wiegt 3,4 kg und hat einen Stromverbrauch von 9,4 Watt.

Die LIR Kamera hat die Aufgabe Temperaturen an der Wolkenobergrenze zu messen. Die Temperatur wird auf 3 K absolut gemessen (beobachtet wird das 230 K Niveau), wobei die relative Genauigkeit bei 0,3 K liegt, wodurch Wolkenschichten von mehreren Hundert Meter Ausdehnung unterschieden werden sollen. Von dem 320 x 240 Pixels des CCD werden 240 x 240 Pixel benutzt. Die Pixelgröße beträgt 37 µm. Die Bildrate beträgt 60 Hz. Dabei werden intern zahlreiche Bilder addiert um das Signal/Rauschverhältnis zu erhöhen. Die Kamera hat eine Optik mit einer Blende von 1,4. Die Auflösung beträgt 60 km in dem entferntesten Punkt der Bahn. Der Sensor wird auf 313 K gekühlt.

Die LAC Kamera wird dagegen die Schichten der Thermosphäre, über den Wolken beobachten wo Sauerstoffatome durch solare Strahlung angeregt Energie in Form von Leuchten abgeben. Das ist nur auf der Nachtseite möglich. Aufgrund der benötigten Empfindlichkeit wird hier keine CCD Kamera eingesetzt sondern ein Array von Einzelsensoren mit hoher Empfindlichkeit (Bolometern - im Prinzip hochempfindliche Thermometer). Das Instrument besteht aus einem Array von 2 mm großen Bolometern. Es macht Messungen mit einer hohen Frequenz von bis zu 50 KHz (da die Emissionen sehr kurzzeitig sind) über eine Dauer von maximal 20 Sekunden. Zum Abziehen des Hintergrundes gibt es einen 1 x 8 Pixel Summationsmodus. Typischerweise werden 30.000 Messungen pro Sekunde gemacht. Es ist nur nahe der Venus aktiv. Die Auflösung beträgt 35 km in 1000 km Entfernung und 850 km in 3 Venusradien Entfernung. Die LAC wiegt 1,5 kg.

Angeschlossen an die vier CCD Kameras ist eine gemeinsame Elektronik. Sie wiegt 4,6 kg und hat einen Stromverbrauch von 20 Watt. Sie hat einen Speicher von 512 MByte für die Daten. Sie komprimiert auch die Daten nach den JPEG2000 Standard. In der Regel wird die diskrete Wavelett Transformation benutzt.

Das letzte Experiment ist die bei fast allen Raumsonden benutzte Möglichkeit das Funksignal selbst zum Durchleuchten der Atmosphäre zu nutzen.  Dieses schwächt das Signal ab, bewirkt aber auch eine Dopplerverschiebung. Das wird genutzt um bei der Bedeckung der Raumsonde durch die Venus Höhenprofile durch die Atmosphäre anzufertigen. Dazu gibt es einen ultrastabilen Oszillator, der eine Frequenz mit einer Genauigkeit von 10^-13 halten kann. Auf der Erde wird dann die veränderte Frequenz vermessen und nach Abzug von Veränderungen durch Bewegungen der Sonde und der Empfangsstation sind Dopplerverschiebungen durch die Venusatmosphäre bestimmbar. Bestimmt wird der Brechungsindex der Atmosphäre im 8,4 GHz Band. Dies wird konvertiert in Dichteprofile unterhalb 90 km Höhe und Elektronendichteprofile über 90 km Höhe. Die Auflösung beträgt 1 km in der Höhe.

Sonnensegeldemonstrator "Ikaros"

Die Sekundärnutzlast ist ein Sonnensegel, das diese Technologie erstmals im Interplanetaren Raum erproben soll. Es sitzt in einem zylindrischen Behälter unterhalb der Raumsonde auf der letzten Stufe der Trägerrakete. Diese bringt vor Abtrennung sich selbst in eine Rotation von 20 U/min. Danach wird der Behälter geöffnet und diese Rotation wird die vier Längsstreben des Sonnensegels entfalten. Danach ziehen Motoren die Segelfläche aus dem Zentralteil. Ikaros ist die Abkürzung für "Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun"

Das Sonnensegel besteht aus einem 7,5 µm dicken Polyimidfilm. In der Mitte ist eine Zone mit 25 µm dicken Dünnfilmsolarzellen belegt, die Strom liefern. 5 % der Fläche sind so belegt. Das sind knapp 10 m². Am Ende bewirken vier Gewicht von jeweils 0,5 kg Gewicht das volle entfalten der Membran durch ihre Fliehkraft. Das Segel selbst von 14 x 14 m Größe wiegt nur 15 kg. Ein Gewicht von 0,5 kg Gewicht hilft es zu entfalten. Das Gewicht erzeugt die dazu nötige Fliehkraft.

Da die Gesamtmasse von Ikaros 315 kg beträgt kann dieses kleine Segel aber den Kurs nicht groß verändern. Es geht daher mehr um die Demonstration von Technologien. Die beiden primären Punkte sind die Erprobung der Entfaltungsmethode und das Generieren von Strom durch die Dünnflimsolarzellen. Beschleunigung durch das Sonnensegel und Veränderung des Kurses durch wechselnde Neigung zum Sonnenwind sind sekundäre Ziele, die wünschenswert sind.

Eine Nutzlast ist nicht vorgesehen. der mittlere Zylinder von 1,60 m Durchmesser und 50 mm Höhe trägt eigene Solarzellen um die Stromversorgung zu gewährleisten, selbst wenn die Dünnfilmzellen auf dem Segel ausfallen sollten. Seine Struktur wiegt 55 kg. Dazu kommt noch der Adapter zur Trägerrakete insgesamt ist vor dem Start Ikarus 0,845 m hoch und hat 1,60 m Durchmesser.

Aber das Segel soll aktiv seinen Kurs ändern. Geplant ist ein Betrieb bis zum Erreichen der Venus betrieben werden. Im einem zweiten Demonstrationsprojekt sollen die Dünnfilm Solarzellen genutzt werden um Ionenantriebe mit Strom zu versorgen. Dadurch soll sowohl die Steuerbarkeit erhöht werden wie auch die Geschwindigkeit schneller ansteigen.

Die JAXA gab 1,5 Milliarden Yen (16 Millionen Dollar) für die Entwicklung von Ikaros aus.

Die geplante Mission

Akatsuki wird mit einer H-IIA starten. Diese Trägerrakete ist für die Nutzlast deutlich zu groß, sie könnte selbst in der kleinsten Version etwa 2 t zur Venus transportieren. Der Venusorbiter wiegt nur ein Viertel der Maximalnutzlast. Nachdem die JAXA aber die Produktion der alternativ vorgesehenen My-V eingestellt hatte, weil deren Startpreis durch nur wenige Nutzlasten stark anstieg, gibt es zur H-IIA keine Alternative. Immerhin erlaubt der Träger die Mitführung des Sonnensegels Ikaros. Für neue Raumsonden (geplant ist Hayabusa-2 als Ersatz für die nur teilweise erfolgreiche Hayabusa Mission) sucht die JAXA  nun nach internationalen Partnern um die Startkosten zu senken. So soll Italien eine Vega zur Verfügung stellen im Austausch für die Mitführung von Experimenten. Konsultationen mit der ASI werden derzeit geführt. Die Vega ist ebenfalls fähig etwa 500 kg auf eine interplanetare Bahn zu befördern.

Der geplante Starttermin ist der 18.5.2010. Das Startfenster erstreckt sich von 17.5 bis zum 3.6.2010. Die Sonde wird dann im Dezember 2010 bei der Venus ankommen. Dort wird sie in eine elliptische 30 Stunden Umlaufbahn einschwenken. Sie verläuft über den Venus Äquator. Die Bahnneigung beträgt 18 Grad. Die Raumsonde nähert sich bis auf 300 km an die Venus und entfernt sich bis auf 80.000 km von ihr. Diese Periode ist synchronisiert mit der "Superrotation" - UV Licht beobachtbare Wolken rotieren innerhalb von 4 Tagen um die Venus. Von der Erde aus gesehen rotiert auch der Venus Orbiter in 4 Tagen um die Venus.

Bei jedem Umlauf gibt es nahe der venusnächsten Punktes 30 Minuten lang Aufnahmen des Venushorizontes. Während 24 Stunden des Orbits entstehen dann weitere Aufnahme der Venus aus unterschiedlicher Distanz. Alle 2 Stunden wird eine Bildsequenz angefertigt. Danach dreht die Sonde sich zur Erde und sendet 6 Stunden lang die gesammelten Daten zur Erde. Die Mission soll 4,5 Jahre dauern, davon vier Jahre im Venusorbit. Zwei Jahre sind für die Primärmission vorgesehen. Die Ressourcen an Bord lassen einer Verlängerung um mindestens weitere zwei Jahre zu.

Die Aktuelle Mission

Nach mehreren Verzögerungen startete Akatsuki am 21.5.2010 erfolgreich zur Venus. Mit an Bord waren neben dem Satelliten und Sonnensegeldemonstrator  auch vier kleinere Sekundärnutzlasten von japanischen Universitäten. Sie wurden schon in der Erdumlaufbahn abgetrennt. Die letzte Stufe der H-IIA ist wiederzündbar. So erreichte sie zuerst einen niedrigen Erdorbit. Dort wurden die Sekundärnutzlasten abgetrennt und nach einer Freiflugphase beförderte eine weitere Zündung Ikaros und Akatsuki zur Venus. Die Bahn führt dabei zuerst von der Erde weg nach Außen und erst später dreht die Sonde zur Venus. Eine ähnliche Bahn hatte auch der Pioneer Venus Orbiter als er 1978 zur Venus aufbrach. Diese Bahn minimiert den Treibstoffverbrauch zum Erreichen der Umlaufbahn, macht aber eine etwas höhere Startgeschwindigkeit von der Erde aus notwendig. Da Akatsuki eine sehr kleine Nutzlast ist, spielt dieser Punkt aber keine Rolle.

Während die Raumsonde aktiviert wurde nutzten die Wissenschaftler die Gelegenheit noch Aufnahmen der Erde zu machen, bevor die Sonde zu weit entfernt ist. Diese Aufnahmen haben nicht nur einen ästhetischen Wert, sie können auch genutzt werden um das optische System zu beurteilen und zu kalibrieren. Bei einer Entfernung von 250.000 km gelang eine Aufnahmeserie der UV-Kamera, der 1 µm IR und der Langwellen-IR Kamera.

Auch Ikarus wurde in einem zweistufigen Prozess entfaltet. Danach wurden zwei Kameras abgelöst. Diese als DCAM1 und DCAM2 bezeichneten Kameras haben nur 6 cm Durchmesser. Sie funken die Bilder zu Ikaros, während sie durch einen Anfangsimpuls (durch Federn ausgelöst) sich langsam von Ikaros entfernen. Diese Bilder erlauben es den äußeren Zustand und die Entfaltung des Segels visuell zu überwachen.

Die erste Kamera wurde am 16.6.2010 abgetrennt, die zweite am 28.6.2010. Sie zeigten die erfolgreiche Entfaltung des Segels, das am 11.6.2010 seine endgültige Größe erreichte. Am 28.6.2010 wurde das Haupttriebwerk für 13 s gezündet und Akatsuki veränderte seine Geschwindigkeit um 12 m/s.

Am 6.12.2010 zündete Akatsuki seine Triebwerke. Nach 12 Minuten sollte die Raumsonde einen ersten Orbit erreicht haben, der zwischen 550 und 189.000 km von der Erde entfernt ist. Der Großteil der Brennperiode und auch deren Ende lagen auf der Nachtseite der Venus und es gab keine Kommunikation. Akatsuki sollte sich etwa eine Stunde später sich über die Niedriggewinnantenne melden und dann eine Stunde später auf die Hochgewinnantenne umschwenken. Doch dazu kam es nicht. Die Raumsonde meldete sich erst um eineinhalb Stunden verspätet und es konnten nur wenige Daten gewonnen werden.

Die JAXA muss nun noch den Orbit genau ermitteln, was schon unter normalen Umständen 12 Stunden dauert. Die für die nächsten Tage angesetzten Zündungen zur Veränderung des Orbits um die endgültige Umlaufbahn zu erreichen dürften sich so verschieben. Das waren die ersten Meldungen. Einen Tag später stand fest: Akatsuki hat nicht den Orbit erreicht. Die JAXA will in sieben Jahren einen neuen Versuch starten.

Eine Untersuchung ergab, dass die Sonde ihr Triebwerk nur 2,5 anstatt 12 Minuten lang betrieb und daher nicht genug Geschwindigkeit abbauen konnte um in eine Umlaufbahn einzuschwenken. Die Ursache war ein Druckverlust in einer Treibstoffleitung. Noch ungeklärt ist aber warum dieser Druckverlust zum kompletten Abschalten des Triebwerks führte, anstatt zu einer verringerten Leitung. Woher er kommt ist noch ungeklärt doch ein Einschlag und ein dadurch erzeugtes Leck, gaben die Ingenieure an, wäre äußerst unwahrscheinlich.

Mindestens bis Februar wird die Fehlfunktion untersucht. Geplant ist dann im April eine Korrektur des Orbits. Sie soll Akatsuki in sechs Jahren (zwischen dem November 2016 und Januar 2017) erneut zur Venus bringen, wo die Sonde (sofern sie dann noch voll funktionsfähig ist) erneut einen Versuch starten kann eine Umlaufbahn zu erreichen. Entgegen den ersten Verlautbarungen sollen nun auch die weiteren Planetaren Raumfahrtprogramme sorgfältiger angegangen werden, nachdem beide Planetensonden Japans (die zweite war Nozomi) vor Erreichen des Ziels ausfielen. Besonderes Augenmerk gilt der Lebensdauer der Batterie und der Thermalisolation. Da nur wenig Treibstoff verbraucht wurde ist die JAXA optimistisch, dass die Sonde bei einem zweiten Rendezvous noch über genügend Treibstoff verfügt um eine Umlaufbahn einzuschwenken.

© der Bilder : Jaxa / ISAS

Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

Sitemap

Kontakt

Neues

Bücher vom Autor

Buchempfehlungen