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Giottos Mission

Einleitung

Begenung mit HalleyAnfang des neuen Jahrtausends sind Kometensonden "in". Rosetta wird zum Kometen Churyumov-Gerasimenko geschickt. Stardust passierte den Kometen Wild/2. Deep Space 1 machte einen Vorbeiflug beim Kometen Borelly. Die Raumsonde CONTOUR, die zu zwei Kometen fliegen sollte ging dagegen beim Start verloren. Sie alle basieren auf den Ergebnissen die man mit der Raumsonde Giotto gewonnen hat.

Den Aufsatz über Giotto habe ich weil er sonst sehr lang geworden wäre in zwei Teile unterteilt. In diesem Teil finden sie alles über die Mission von Giotto und ihre Geschichte. In einem zweiten Teil finden Sie eine Beschreibung der Raumsonde und der Experimente von Giotto.

Die Ursprünge von Giotto

Die Ursprünge einer europäischen Kometenmission gehen zurück bis ins Jahr 1964. Bei der ersten Studie der ESRO kam man jedoch zu dem Schluss, dass eine ESRO Kometenmission finanziell und technisch zu diesem Zeitpunkt nicht durchführbar war. Dasselbe Ergebnis ergab eine zweite Studie im Jahre 1969.

Doch die Verfechter einer europäischen Kometensonde ließen nicht locker. 1973 gab die "Solar System Working Group" der ESRO eine Empfehlung für die Missionen der achtziger Jahre ab und dabei war auch eine Mission zum Kometen Encke im Jahre 1980. Als Ausweichmöglichkeit, wenn man das Startfenster zu Encke verpasste, empfahl man einen Flug zu Halley. Zur gleichen Zeit (1972-1973) gab es in Deutschland Überlegungen eine dritte Helios Sonde zu Encke zu schicken. In den USA empfahl man eine Mission die an Grigg-Skjellerup und Giacobini-Zinner 1977 respektive 1979 vorbeifliegen sollte. Im April 1974 gab es dann deutschen Vorschlag eine ESRO Mission zu Encke im Jahre 1980 durchzuführen. Doch noch immer war man der Meinung, die Kosten ständen in keinem Verhältnis zu den wissenschaftlichen Ergebnissen. Eines wurde aber erreicht: Die Kometenmission blieb im Gespräch bei den Langzeitplanungen. Schließlich kam man bei der Tagung vom 17-19.4.1978 zu einer Empfehlung:

Ende der siebziger Jahre planten die NASA und die ESA eine Reihe von Projekten bei denen beide Agenturen zusammenarbeiten wollten. So sollten beide Agenturen je eine Raumsonde zu Jupiter (als Sprungbrett für eine polare Umlaufbahn um die Sonne) und zum Kometen Halley senden. Die NASA Mission war sehr anspruchsvoll. Sie sollte zumindest einen Kometen auf seinem Weg um die Sonne begleiten (wie dies 30 Jahre später Rosetta tun wird) und eventuell einen zweiten im Vorbeiflug passieren. Für die dafür enorm hohen Geschwindigkeitsänderungen die dazu nötig waren plante man die Entwicklung von Elektrischen Triebwerken, angetrieben von Hochleistungssolarzellen (SEPS : Solar-Electric Propulsion System). Die Raumsonde hätte eine Masse von 3.355 kg gehabt. Die Mission hätte Tempel 2 im Jahre 1988 von seinem Aphel aus begleitet und Ende 1985 Halley in 1.53 AE Entfernung von der Sonne passiert. Der provisorische Arbeitstitel lautete "International Comet Mission".

Die ESA Beteiligung sollte aus einer kleinen Raumsonde bestehen, welche 15 Tage vor dem Rendezvous abgetrennt wird und dann sehr nahe den Kern passieren sollte. Die Raumsonde, basierend auf dem ESA Satelliten ISEE-B sollte nur über 4 Stunden Daten liefern und war daher sehr einfach gebaut. Bei einer Masse von 143 kg entfielen 48 kg auf die Instrumente. Es gab keine Solarzellen sondern nur Batterien als Stromversorgung. Die Stabilisierung erfolgte durch Rotation mit 12 Umdrehungen pro Minute um die eigene Achse.

Im Januar 1980 enthielt das vom Präsident genehmigte NASA Budget keine Finanzierung der SEPS Technologie. Damit war die Sonde und auch die ESA Beteiligung gestorben. Kleine Randbemerkung: Die NASA plante 1986 einen Shuttleflug, die Mission Astro-1 um den Kometen Halley aus der Umlaufbahn heraus zu beobachten. Bei den Kosten die ein Shuttleflug verursachte, wäre eine eigene Kometensonde, gestartet auf einer Delta Rakete, sicher preiswerter geworden. Doch auch dazu kam es wegen der Explosion der Challenger am 28.1.1986 nicht. Geplant war die Mission für die zweite Märzwoche, parallel zu dem Vorbeiflug von Vega 2 (9.3.1986) und Giotto (13.3.1986). Es sollten vor allem Untersuchungen im ultravioletten Spektralbereich mit einem 90 cm Teleskop als Hauptinstrument gemacht werden.

Nun ging man daran die "Backup" Mission umzusetzen: Die Idee für Giotto wurde von 19 Wissenschaftlern im Januar 1980 der ESA vorgeschlagen. Sie sah zwei Sonden basierend auf dem schon im Orbit befindlichen Geos 2 Satelliten vor, die mit einer Ariane in einem Doppelstart gestartet werden sollten. Eine Sonde "Geos 3" sollte in einer Erdumlaufbahn bleiben und den Geotail untersuchen. Eine zweite Halley passieren.

Giotto 1980In der ersten Hälfte des Jahres 1980 wurde die Mission studiert und im Juli 1980 genehmigt. Allerdings unter 3 Randbedingungen um die Kosten zu begrenzen:

Gleichzeitig erging an die USA ein Aufruf sich an der Mission zu beteiligen und die Trägerrakete und das DSN zur Verfügung zu stellen im Austausch gegen die Mitnahme von US Experimenten (wie es bei Ulysses erfolgte). Durch die kurze Zeit zwischen März 1980 als der Aufruf erging und der Genehmigung am 8/9.7.1980 gab es zur Zeit der Festlegung der Rahmenbedingungen der Mission noch keine Antwort der NASA. Als diese im Oktober 1980 positiv erfolgte, war die Sonde schon Bestandteil des ESA Wissenschaftsprogramms und die Rahmenbedingungen festgelegt. Eine US Beteiligung war nun nicht mehr möglich. Zum gleichen Zeitpunkt (15.10.1980) war die Deadline für Vorschläge für Experimente. So kam es zu keiner US Beteiligung. Es gab trotzdem Versuche US-Instrumente einzubringen. So versuchte das JPL die Kamera zu stellen, indem sie einen europäischen Wissenschaftler als PI präsentierten. Doch dagegen gab es Widerstand bei der wissenschaftlichen Gemeinde, obwohl das JPL schon damals einen legendären Ruf bei Kameras hatte.

Insgesamt traute man den Europäern nicht viel zu und vergab die Chancen beteiligt zu sein. Möglichkeiten gab genügend. Die ESA hatte keine Bodenstationen auf der Südhalbkugel wo die Passage stattfinden würde. Die NASA verlangte 10 Millionen Dollar für die Benutzung ihres Deep Space Networks - die ESA fand mit der Radioastronomieantenne von Perkes eine preiswertere Alternative. Sie erhielt von der ESA bessere Mikrowellenempfänger und das kostete nur 200.000 Dollar. Auch war die ESA interessiert Giotto mit einer Delta zu starten, weil die Raumsonde zu klein für eine Ariane 1 war und so der Start unnötig teuer war. Doch auch diese Chance vergab die NASA. Damals traute man der ESA nicht zu, dass sie eine eigene Raumsonde bauen könnte, erst recht keine die eine so anspruchsvolle Mission durchführen konnte. Es kam erst Bewegung als Ende 1980 klar war, dass die NASA auch nicht eine kleinere Encountermission oder eine Mission zum Sammeln des Staubs genehmigt bekommen würde. Die Argumentation, dass eine sinnvolle Kometenmission eigentlich die Begleitung eines Kometen wäre, die man vorher für die anspruchsvolle Mission angeführt hatte, wurde nun gegen das JPL verwendet. Warum also sollten Politiker denn nun plötzlich eine Encountermission genehmigen die vorher als wissenschaftlich wenig ergiebig bezeichnet wurde? So waren die USA die einzige der damaligen Weltraumnationen die keine Mission zu Halley schickten.

Die Abbildung rechts zeigt wie man sich 1980 Giotto vorstellte. Es war noch eine weitgehende Adaption des Geos Satelliten mit einem kleineren Durchmesser (der Schild überragt den Zylinderdurchmesser) und einem einfachen Antennenmast anstatt einem Dreibein. Diese Sonde war mit 840 kg Gewicht auch deutlich leichter.

Im Januar 1981 wurden 11 Experimente für die Sonde ausgewählt. Der Name Giotto wurde gewählt, da der italienische Maler Giotto di Bondone (1267-1304) im Jahre 1304 den Halleyschen Kometen in einem Fresko in Padua als Stern von Bethlehem darstellte. Dies war nicht eine der frühesten Darstellungen von Halley (es gibt eine die ihn im Jahre 1066 zeigt, als Wilhelm der Eroberer England angriff und der Komet als böses Omen von den Engländern gedeutet wurde), aber es war eine der bekanntesten und frühesten Darstellungen in der Kunst. Der Name wurde sehr schnell akzeptiert, weil er einen sehr guten Klang hatte. Projektverantwortliche meinten, er klänge nach einem Blick aufs Meer oder einem Glas italienischen Rotweins. Das dürfte auch der Grund sein, warum man Jahrzehnte später schokoladenüberzogene Gebäckkugeln ebenfalls Giotto taufte.

Das Ziel

Man hatte im Jahre 1981 überlegt, welche Kometen man anfliegen könnte. Dabei gab es verschiedene Kriterien zu beachten.

  1. Zum einen musste die Bahn genau bekannt sein, um den Kern nah zu passieren.
  2. Der Komet musste auch mit einem vertretbaren Energieaufwand erreichbar sein.
  3. Der Komet musste so leuchtkräftig sein, dass man ihn mindestens 100 Tage vor der Passage entdecken konnte.
  4. Zum Passagezeitpunkt sollte der Komet von der Erde aus beobachtbar sein, um durch erdgebundene Beobachtungen die Raumsonde zu unterstützen.
  5. Zuletzt sollte die Relativgeschwindigkeit zwischen Sonde und Komet möglichst gering sein.

Man kam so auf 19 Begegnungen zwischen 1984 und 2000 von 10 Kometen. Bis auf das letzte Kriterium (die Relativgeschwindigkeit) war Halley bei allen Kriterien der beste Kandidat. Beim Durchsehen der Tabelle sieht man auch andere Bekannte die späteren Kometenmissionen als Ziele dienten. Zwei weitere (Giacobini-Zinner und Borelly) bekamen Besuch und zwei weitere (Tempel-2 und Encke) waren für andere Missionen als Ziele vorgesehen.

Halley ist nicht nur der bekannteste Komet, er ist auch einer der aktivsten. Durch seine lange Umlaufszeit von 76.08 Jahren hat er wenig Material verloren. Er nähert sich aber auch der Sonne bis auf 88 Millionen km und ist dadurch sehr aktiv. Gleichzeitig ist seine Bahn sehr gut bekannt und er wurde daher als Ziel für Giotto gewählt. Die Bahn kann sich durch Einflüsse der Gravitation der Planeten (vor allem Jupiter) ändern, weshalb man nicht durch Abziehen von 76.08 Jahren zu den angegebenen Sichtungen kommt. Die Veränderung der Bahn wurde aber berücksichtigt, so dass man weiß, dass bei unten angegebenen Sichtungen immer der Halleysche Komet gemeint ist.

Komet Halley 1986Die erste schriftliche Erwähnung von Halley findet sich im Jahre 1058/59 v. Chr. bei den Chinesen. Ein Text aus dem Jahr 2467 vor Christus. über einen Kometen kann sich auch auf den Halleyschen Kometen beziehen.

Im Jahre 834 nach Christus. muss der Halleysche Komet den prächtigsten Anblick geboten haben, als er sich der Erde auf nur 6 Millionen km näherte. 1986, als ihn Giotto passieren sollte war er dagegen mit 63 Millionen km mehr als 10 mal weiter entfernt. Halley war immer ein Komet der als Omen von schlimmen Ereignissen galt. Im Jahre 12 v. Chr. erschien er kurz bevor Agrippa in Rom ermordet wurde. Das nächste Erscheinen im Jahre 66 vor Christus kündigte die Zerstörung Jerusalems an. 451 war er sichtbar als Attila starb und 1456 als die Türken Belgrad belagerten. Zu dieser Zeit verfluchte Papst Kalixt der III den Kometen als "Agenten des Teufels". Damit hatten Kometen ihr Brandzeichen weg und waren von nun an Überbringer oder Ankündiger von Unheil. Da dauernd auf der Erde Krieg geführt wird oder Leute ermordet werden, trafen solche Ohmen auch immer zu.

Eine Wende ergab sich erst in der Renaissance, als man begann Kometen als Himmelskörper zu sehen. Benannt ist der Komet nach dem Astronomen Sir Edmund Halley, der ihn 1682 entdeckte. Beim Durchsuchen von alten Quellen stellte er fest, das im Jahre 1607 und 1531 ein Komet erschienen war, der dieselbe Bahn wie sein neuer Komet hatte. Er prognostizierte die Wiederkehr des Kometen für 1759. Als dieser auch wieder entdeckt wurde, benannte man Ihn nach seinem Entdecker Halley. Halley konnte dies nicht mehr erleben, er war 1742 im Alter von 86 Jahren gestorben. Damit war auch klar das viele Kometen wiederkehrende Himmelskörper sind und nicht Unglücksboten.

Trotzdem kam bei der vorletzten Passage im Jahre 1910 Panik auf. Man hatte im Spektrum des Kometen Blausäure entdeckt und die Erde sollte durch dessen Schweif wandern. Zahlreiche Propheten kündigten das Ende der Welt an. Da Blausäure nur ein Spurengas ist, und der Schweif aus extrem dünnen Gasen besteht, hat die Welt dies jedoch überlebt.

Die Bahn von Komet Halley verläuft zwischen 0.587 und 35.295-facher Entfernung der Erde von der Sonne. Sie verläuft also einerseits innerhalb der Venus Bahn, reicht aber auch über die Neptunbahn hinaus. Die Bahn ist zu 162.2° zur Ekliptik der Erde geneigt. Dies bedeutet, dass sich die Bahn zwar nur um maximal 17.8° über die Bahnebene der Erde erhebt, aber der Komet die Sonne nicht in der Richtung umrundet wie die Planeten. Sieht man von oben auf das Sonnensystem, so rotieren alle Planeten und auch Raumsonden im Gegenuhrzeigersinn um die Sonne. Halley dagegen im Uhrzeigersinn.

Das machte die Mission von Giotto nicht leicht. Denn dadurch begegneten sich beide Himmelskörper mit hoher Geschwindigkeit. Man kann sich das so vorstellen. Wenn eine Sonde sich sonst einem Planeten näherte so überholte sie diesen oder der Planet die Sonde, je nach Relativ Geschwindigkeit. Diese waren aber klein und betrugen bei den Venus und Mars Flügen z.B. etwa 3-5 km/sec. Giotto dagegen näherte sich Halley mit 68.3 km/sec.

Machen wie einen Vergleich mit Autos. Bisherige Sonden hatten die Aufgabe auf der Überholspur ein Auto mit 110 km/h überholen, welches 100 km/h schnell fährt und dabei Aufnahmen zu machen. Der Besuch von Halley entspricht dem Fotografieren eines Autos auf der Gegenspur der Autobahn, das ebenfalls mit 100 km/h fährt. Man hat 20 mal weniger Zeit und das Objekt bewegt sich 20 mal schneller aus dem Blickfeld.

Die 1986 er Wiederkehr

Halley war nicht nur der erste entdeckte Komet, sondern auch der bekannteste. Als man sich entschlossen hatte Raumsonden zu Halley zu schicken ging man auch daran ein Beobachtungsprogramm für Halley ins Leben zu rufen um diese Missionen zu unterstützen und die Daten der Raumsonden durch erdgebundene Beobachten zu vervollständigen. Dies war die International Halley Watch. Sie begann schon 1977, als man versuchte den Kometen zum ersten mal ausfindig zu machen.

Am 17.11.1977 machte man mit dem damals leistungsfähigsten Teleskop dem 5 m Spiegel von Mount Palomar ein erstes Foto. Mit etwas Glück wäre der Komet gerade noch als Stern 25.sten Größe sichtbar gewesen. Doch man fand ihn nicht auf der Aufnahme. Halley war zu diesem Zeitpunkt noch 19 mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde. Etwas größer wurde die Beunruhigung, als er im Dezember 1981 immer noch nicht auf den Bildern erschien. Inzwischen sollte er sich bis auf die 13 fache Entfernung der Erde von der Sonne genähert haben und nachweisbar sein. Erst am 16.10.1982, als man das 5 m Teleskop mit einem Prototyp der Kamera des Hubble Weltraum Teleskops ausrüstete, konnte man einen Erfolg vermelden. Doch Halley war mit 24.2 mag um eine Größenklasse schwächer als erwartet. Was bedeutete dies? War der Kern kleiner als angenommen (damals wurden 5-6 km Durchmesser angenommen) oder ist sein Reflexionsvermögen kleiner (20 anstatt 50 Prozent) ?

Warum suchte man so frühzeitig nach dem Kometen ? Nun Kometen unterliegen Störungen durch die Planeten und sie verlieren Staub und Gas, wobei dieses einen Impuls auf den Kern ausübt. Die Störungen durch die Planeten sind gravierend. In den 20 gesicherten Beobachtungen von Halley zwischen dem 25.5.240 vor Christus. und den letzten am 24.5.1911 schwankte der Zeitraum zwischen zwei Periheldurchgängen zwischen 75 und 77 Jahren. Doch diese sind recht gut zu berechnen, da man die Positionen der Planeten kennt. Schwieriger ist die Prognose wie der Verlust an Materie die Bahn verändert. Im Jahre 1910 ergab sich so eine Differenz von 3 Tagen zwischen Vorhersage des Periheldurchgangs und des tatsächlichen Durchgangs. 3 Tage bedeuteten bei einer Vorbeifluggeschwindigkeit von 70 km/s bei Giotto eine Abweichung von 17 Millionen km. Donald K. Yeoman vom JPL berechnete die Bahn von Halley genauer als man es vorher konnte. Er berücksichtige die Einflüsse von Planeten und die bekannten Einflüsse von Staub und Gas. Schließlich rechnete man Ende der siebziger Jahre noch mit einer US Raumsonde zu Halley, die genauso wie Giotto auf genaue Bahndaten angewiesen war. Je früher man Halley wieder finden würde, desto mehr Zeit hatte man um Fehler in den Berechnungen zu korrigieren, bis die prognostizierte Bahn der wahren Bahn entspricht. Daher suchte man so früh nach Halley. Die Vermessung des Entdeckungsbildes ergab eine Abweichung von 9 Bogensekunden - Wenig, doch genug, damit die Sonde ohne Korrektur um 500.000-700.000 km verpasst hätte.

Die 4000 weiteren Beobachtungen von der Erde aus führten dazu, dass man Giotto bis auf etwa 10.000 km an den Kometenkern würde heranführen können. Mehr war nicht möglich, weil der Kern selbst von einer dicken Gaswolke, der Koma umgeben ist. Innerhalb derer ist seine Position nur schätzungsweise bekannt. Den sowjetischen Sonden, die sich vorher Halley nähern kam daher die Aufgabe zu die Position des Kerns genau zu ermitteln, damit Giotto letzte Kurskorrekturen durchführen konnte.

Die Bahn

Die retrograde Bahn von Halley ist um 18 Grad zur Ekliptik geneigt, das bedeutet, dass eine Sonde mit vertretbarem Energieaufwand ihn nur passieren kann wenn er die Ekliptik kreuzt. So verwundert es nicht, dass 5 Raumsonden die über 8 Monate verteilt starteten, den Kometen innerhalb einer Woche passierten - Alle rund um den Zeitpunkt an dem Halley die Ekliptik kreuzte. Für Giotto gab es zwei mögliche Punkte wo sie den Kometen passieren konnte. Einmal wenn er zur Sonne fliegt etwa um den 20. Dezember 1984 in 1.2-1.5 AE Entfernung von der Sonne und nach Passieren der Sonne um den 13 März 1986 in 0.8-0.9 AE Entfernung von der Sonne. Auch hier galt es abzuwägen:

  1. Die Passage vor Erreichen des Perihel brauchte eine höhere Startgeschwindigkeit von 11.9 km/s anstatt 11.4 km/s.
  2. Sie findet in kleinere Entfernung von der Erde statt (höhere Datenrate)
  3. Die Solarpanels liefern weniger als die Hälfte des Stroms, wegen der größeren Entfernung
  4. Es gibt nur wenig Zeit die Experimente und Raumsonde zu überprüfen bei einer Passage vor Erreichen des Perihel
  5. Auch gibt es weniger Zeit den Kometen vorher zu beobachten und seine Position und seine Helligkeitsentwicklung zu untersuchen.
  6. Die Staubemission ist nach dem Passieren des Perihel größer
  7. Der Komet ist wegen der größeren Entfernung von der Sonne bei der frühen Passage inaktiver.
  8. Die Relativgeschwindigkeit ist geringer (50 anstatt 70 km/s).

In der Summe sprachen die meisten Punkte für eine Passage nach dem Perihel. Auch die Raumsonden der UdSSR und von Japan passierten Halley nach dem Perihel. Es gab zwei Startfenster : Anfang Februar 1985 für eine Passage um den 25.12.1985 und Ende Juni bis Mitte Juli sowohl für den Start vor dem Erreichen des Perihel (Passage um den 5.12.1985) und nach dem Durchlaufen des Perihel (Passage um den 13.3.1986).

Die Entwicklung und der Start

Schon bald nach dem Entwicklungsbeginn, als im März 1981 British Aerospace ihren Entwurf für Giotto auf Basis von Geos der ESA unterbreiteten gab es Probleme. Eine Untersuchung des ESTEC war, dass es Mängel im Konzept gab. so war die Abschattung von Solarzellen durch die Instrumente berücksichtigt war, noch die Temperaturkontrolle  ausreichend dimensioniert war. Es schlossen sich weitere Monate an in denen das ESTEC untersuchte ob sie an dem Konzept festhalten sollten. Ein Neustart war wegen des festen Startfensters in lediglich 4 Jahren kaum möglich. Die ESA verwarf schließlich die Option eine italienische Firma mit dem Bau zu beauftragen oder sie selbst zu bauen und verbesserte innerhalb der nächsten 6 Monaten zusammen mit Britisch Aerospace den Entwurf. Da inzwischen die Startmasse von 840 auf 960 angehoben wurde, war es nun auch möglich den ursprünglichen Entwurf substanzielle zu verändern.

Wie püblich gab es dadurch aber auch neue Diskussionen unter den Wissenschaftlern, die in der nun schwereren Sonde  mehr Instrumente unterbringen wollten, besonders als bekannt wurde, dass 69 kg Treibstoff mitgeführt werden würde. Die PI beschwerten sich, dass die Masse des Treibstoffs nun höher als die der Experimente waren. Es gab nach zähen Diskussionen 3 kg mehr für die Instrumente, die es erlaubten drei anstatt einem TeilchenTeleskop mitzuführen.

Start von GiottoUrsprünglich war Giotto als eine normale Ariane 2 Nutzlast geplant. Giotto wäre wie ein Kommunikationssatellit mit einer zweiten Nutzlast in den geostationären Orbit gelangt. Das würde die Startkosten halbieren. Schon Mitte 1981, zum Ende der Phase A wurde dies auf einen Doppelstart mit einer Ariane 3 geändert. Das gab zum einen mehr Spielraum bei der Suche einer passenden zweiten Nutzlast, da eine Ariane 3 eine um 200 kg höhere Nutzlast hatte (nach den damaligen Planungen. Tatsächlich war sie sogar um 350 kg höher). Es nahm aber auch Druck von den Teams, denn Giotto sollte zu diesem Zeitpunkt 890 kg wiegen und dies war schwer für einen Ariane 2 Doppelstart. Während der Entwicklung stieg das maximal erlaubte Gewicht in zwei Stufen weiter über 915 und 950 kg auf 960 kg. Die startfertige Sonde wog schließlich 958 kg.

Das unflexible und kurze Startfenster vom 2. bis 18 Juli 1985 führten aber dazu, dass man keinen geeigneten Partner fand. Die ESA entschloss sich daher Giotto auf die Ariane 1 umzubuchen, die für den Start des relativ kleinen Satelliten Exosat vorgesehen war und diesen mit einer Delta zu starten. Der Start als Einzelnutzlast ergab die zusätzliche Möglichkeit die Sonde direkt ohne den Mage 1S Antrieb zu Halley zu transportieren. Doch die Tests mit dem Flugmodell hatten zu diesem Zeitpunkt schon begonnen, so dass man eine so weitgehende Konfigurationsänderung durch Entfernen von über 400 kg Masse als zu riskant ansah.

Am 29.4.1985 kam die Sonde in Kourou an und es begann die zweimonatige Startkampagne mit einer Woche als Margin. Zu diesem Zeitpunkt war die Sonde noch nicht startfertig. Die HMC war durch Verzögerungen bei der Entwicklungen noch nicht montiert und musste erst eingeflogen werden. Die Montage erfolgte am 17.5.1985, doch auch dann gab es noch Probleme mit dem Rotationsmechanismus der Verkleidung und einem anderen Experiment. Es zeigte sich dass die Woche Margin recht knapp war. Zuletzt machte eine Ventilsteuerung bei der Befüllung der dritten Stufe Probleme. Dies konnte durch eine manuelle Steuerung der Befüllung behoben werden,

Am 2.7.1985 dem ersten Tag des Startfensters (das bis zum 18.7.1985 dauerte) startete Giotto zu ihrem Ziel. Eine Ariane 1 hob um 11:23:16 GMZ von der Startrampe ELA-1 im Raumfahrtzentrum CSG (Centre Spatial Guyana) bei Kourou in Französisch Guyana ab. Es war der 14.te Start einer Ariane Trägerrakete und der letzte einer Ariane 1.

Giotto hatte den wohl merkwürdigsten Planetensondenstart, denn es je gab. Normalerweise wird eine Planetensonde in eine nahe kreisförmige Umlaufbahn um die Erde eingeschossen, welche die Erde in etwa 150-200 km Höhe umläuft. Dann wird die Sonde auf ihr Ziel ausgerichtet und die letzte Stufe erneut gezündet. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass man flexibler im Startfenster ist. Nach dem Start kann man die Bahn um die Erde vermessen und die Parameter der Zündung der Oberstufe werden genau bestimmt. Sie kann daher sehr präzise erfolgen, wodurch man spätere Kurskorrekturen minimieren kann.

Giotto wurde von der Ariane 1 zuerst in eine 198.5 × 36000 km Bahn mit einer Neigung von 7 Grad zum Äquator eingeschossen - genauso wie ein Kommunikationssatellit, der den geostationären Orbit erreichen sollte. Einen Tag später zündete beim dritten Umlauf der vom GEOS übernommene Mage 1S Antrieb und beschleunigte die Sonde um 1400 m/s, wodurch sie in eine Sonnenumlaufbahn mit einer Distanz von 120.000 km zu Halley gelangte. Dazu erhöhte der Despunmechanismus der Sonde die Rotation von 10 auf 90 Umdrehungen pro Sekunde um die Sonde zu stabilisieren, Nach Ausbrennen des Mage Antriebes und verschließen der Triebwerksöffnung wurde die Rotationsrate auf 15 Umdrehungen pro Sekunde erniedrigt. Diese wurde dann über die Mission beibehalten.

Nach dem Ausbrennen des Mage Motors hatte Giotto noch eine Masse von 587 kg. Sie gelangte in eine Bahn von 0.723 × 1.037 AU mit einer Neigung von 2.1 Grad und einer Umlaufszeit von 310.28 Tagen. (1 AU = Astronomic Unit, mittlere Entfernung der Erde von der Sonne).

Bahn von GiottoDer Flug zu Halley

Drei Tage nach dem Start ist die Sonde weit genug von der Erde entfernt, dass sie die HGA benutzen konnte. Nun wurde der "Despun" Mechanismus eingeschaltet, der die HGA genau entgegengesetzte zur Sonde rotiert, so dass diese immer auf einen Punkt ausgerichtet ist. Es zeigte sich dass dieser Motor äußerst zuverlässig war. Eine Sorge war, dass er die gegenläufige Rotation von Giotto beeinflussen könnte, was vor allem für die Kamera mit ihrem kleinen Gesichtsfeld sehr problematisch gewesen wäre. Sie könnte dann leicht den Kometen aus dem Gesichtsfeld verlieren. Dafür wurde eine aufwendige Software programmiert, die schließlich größer als die des Hauptcomputers war. doch erwiesen sich die Abweichungen von der Rotationsachse hundertmal kleiner als erwartet.

Nach Überprüfung der Sonde wurde am 10.8.1985 die HMC Kamera aktiviert und ihr Objektivschutz pyrotechnisch abgesprengt. Dem folgte am 22.8.1985 das Magnetometer. Diese Experimente blieben von nun an bis zum Vorbeiflug an, da ihr interner Speicher als Puffer diente, wenn man den Kontakt zur Sonde verlieren sollte.

Die restlichen Experimente wurden nach und nach zwischen dem 6.9.1985 und 13.10.1985 aktiviert und durchgecheckt. Ursprünglich war geplant nur eine Prüfung durchzuführen und sie erst vor der Begegnung erneut zu aktivieren. Doch die Wissenschaftler protestierten und wollten mit ihnen den Sonnenwind untersuchen. Seitens der Projektplanung hielt man dies für wenig sinnvoll, da die Raumsonde ja nicht primär für die erforschung des interplanetaren Raums ausgelegt war und es dafür andere, besser instrumentierte sonden gab. Doch sie gab nach, was dem kleinen Team der Missionskontrolle Arbeitstage von bis zu 15 stunden bescherte.

Es gab einige kleinere Probleme während des Fluges zu Halley. Zuerst hatte der Starmapper im "Earth Pointing" Mode einige Probleme und die Ausrichtung schwankte um 0.1-0.2 Grad. Das legte sich als man die Sensitivität heraufsetzte. Eine wissenschaftliche Entdeckung gab es als am 8.2.1986 ein Sonnensturm beobachtet wurde der auch auf der Erde deutlich spürbar war und die Teilchendetektoren fast verrückt spielten. Die HMC nahm zuerst Vega auf, dann aus 20 Millionen km Entfernung die Erde, die dann nur 17 Pixel groß war, aber doch als Simulation von Halleys Kern aus 20.000 km Entfernung dienen konnte.

Später gab es drei unvorhergesehene Umschaltungen auf redundante Systeme, das letzte nur wenige Tage vor der Begegnung mit Halley. Dieses war auch das einzige dessen Ursache ungeklärt blieb. Die beiden anderen beruhten auf äußeren Einflüssen. Die Sicherheit der Sonde und die Mission waren in keinem Fall gefährdet. Nur einmal verlor man im Januar 1986 den Funkkontakt als man nicht rechtzeitig genug die Befehle für den nächsten Tag übertragen hatte und die Raumsonde daraufhin in einen Safe-Mode ging. Die NASA leistete aber Schützenhilfe, obwohl ihr DSN nun 24 Stunden am Tag die Daten von Voyager 2 (im Endanflug auf Uranus) empfing - aber als Voyager 2 von Canberra übernommen werden konnte stand Giotto für einige Stunden noch bei Goldstone über dem Horizont und die 70 m Antenne von Goldstone mit ihrem leistungsfähigen Sender sandte die Kommandos der ESA zu Giotto, die sie empfing, gehorchte und neu ausrichtete. Das hätte die Sonde auch so nach einigen Tagen getan, so war sie programmiert, doch wollte man nicht solange warten und zudem war der Kontakt gerade abgerissen als ein Upload lief, sodass man nicht wusste was der Mix aus alten und neuen Befehlen sonst anrichten würde.

 Bis zum 1.12.1985 wurde die Sonde nur einmal am Tag kontaktiert. Bis dahin war die Arbeit der Missionsspezialisten ruhig. In 5 Monaten hatte sich Giotto nur 20 Millionen km von der Erde entfernt und es gab kaum Bedarf zur Korrektur der Lage. Nun wuchs der Abstand zur Erde und der Winkel rasch an um bis zum 13.3.1986 auf 144 Millionen km anzusteigen und die Ausrichtung der HGA musste laufend kontrolliert und angepasst werden.

Das Pathfinder Konzept

Giotto sollte den Kometen Halley in weniger als 1000 km Entfernung passieren. Über die Distanz gab es kontroverse Diskussionen. Das HMC Team wollte mindestens 1000 km Abstand, aber nicht weniger als 500 km. Dies ergab sich aus dem Blickwinkel der Kamera und der Relativgeschwindigkeit der Sonde. Aus 1000 km Entfernung wäre der Kern mehr als bildfüllend, ab 500 km Entfernung wäre es unmöglich die Kamera dem Kometen nachzuführen. Daher war eine größere Entfernung bevorzugt, weil es nur wenige bessere Bilder geben würde, aber die Gefahr der Beschädigung der Sonde stark ansteigen würde. Keller wollte Fiotto intakt lassen, um den Kern auch nach der Passage aufnehmen zu können.

Die PI der Experimente OPE, MAG, NMS, IMS und GRE wollten dagegen so nahe wie möglich an den Kometen, auch wenn die Raumsonde dabei zerstört wird. Sie versprachen sich unveränderte, nicht ionisierte Teilchen nur in nächster Nähe des Kometen. Dann wären die Ergebnisse am aussagekräftigsten. Die restlichen Experimentatoren (PIA, DID, EPA, RPA und JPA) wollten so nahe wie möglich an Halley, aber nicht um den Preis einer beschädigten Sonde. Man einigte sich daher auf eine Minimaldistanz nicht kleiner als 500 km. Die Diskussion kam mehrmals auf und wurde erst endgültig geklärt, als nach der Auswertung der Vega Aufnahmen die Zieldistanz endgültig am 12.3.1986 festgelegt wurde.

Dazu musste man aber wissen wo sich der Kern des Kometen überhaupt befindet. Von der Erde aus kann man nur die Koma des Kometen sehen. Eine 100.000 km große Staubwolke. Wie sollte Giotto den Kern also so nahe kommen können, wenn man nicht einmal wusste wo er war? Der Kern musste in der Mitte der Wolke sein, da diese aber durch den Sonnenwind unsymmetrisch war gab dies eine Unsicherheit von 1000 km in der genauen Position des Kerns. Doch auch die Bahn des Kometen war nicht genau genug bekannt und man rechnete für den März mit einer 1 σ Unsicherheit von 100 x 370 km. (Das bedeutet mit einer Wahrscheinlichkeit von 68 % befindet sich der Kern irgendwo in einer Ellipse von 100 x 370 km Größe).

Pathfinder KonzeptDas ist nun ziemlich dumm, wenn man einen 6 km großen Kern aus 500 km Entfernung fotografieren möchte und der sich irgendwo in einem Umkreis von 100 x 370 km befindet. Man musste sich also etwas einfallen lassen. Dies war das Pathfinder Konzept. Erste Vorschläge dafür gab es schon im September 1981 bei einem IACG Treffen in Padua. Sie führten zu einer gemeinsamen Arbeitsgruppe von europäischen und russischen Wissenschaftlern und einem Abkommen, das am 19.12.1983 formell unterzeichnet wurde.

Giotto bekam Schützenhilfe von den beiden sowjetischen Sonden Vega 1+2. Sie passierten den Kometen am 6.3.1986 und 9.3.1986. Dies war 7 beziehungsweise 4 Tage vor der Begegnung von Giotto. Vega 1 passierte den Kometen in 8990 km Entfernung und Vega 2 in 8000 km Entfernung. Beide Sonden machten Aufnahmen des Kometenkerns. Sie konnten so die genaue Position feststellen und damit wusste man, wohin man Giotto steuern musste.

Die Position der Vega Sonden wurde mit amerikanischer Schützenhilfe präzisiert. Alleine mit den russischen Empfangantennen war die Position der Raumsonden nur auf mehrere Hundert Kilometer genau feststellbar. So hätten die Vega Sonden die Position des Kerns nur auf 350 km (nach dem Vorbeiflug von Vega-1) beziehungsweise 200 km (nach dem Vorbeiflug von Vega-2) genau ergeben. Parallele VLBI Messungen mit zwei Antennen des DSN (Very Long Baseline Interferometrie) der Signale der Sonden ließen eine Reduktion der Positionsgenauigkeit auf 30-50 km zu, so war die Position des Kerns nach dem Vorbeiflug von Vega 1 auf 150 km genau bekannt und nach dem Vorbeiflug von Vega 2 auf 80 km genau.

Man nahm vor dem Start an, die Position von Giotto wäre ohne VLBI auf 80-100 km genau bekannt, was in der gleichen Größenordnung lag. So verzichtete man auf einer Vermessung von Giottos Position mittels VLBI, da diese die Zielgenauigkeit nicht mehr wesentlich steigern konnte. Es zeigte sich sogar dass die Genauigkeit von Giottos Position besser war, als vorgesagt und auch bei 30-50 km lag. Die Sonde konnte so am 13.3.1986 den Kern in nur 610 ± 40 km Entfernung passieren. Vega 1+2 verbesserten die Vorhersage der genauen Position des Kerns von 1500 km (aus den Daten von Teleskopen von der Erde aus) auf 40 km. Die Auswertung der Kameraaufnahmen ergaben später eine Passagedistanz von 605 ± 8 km.

Die Passage von Halley

Begenung mit HalleyAm 10.3.1986 um 19:30 GMT begann die Preecncounter Phase und damit die letzte Phase vor der eigentlichen Begegnung. Die Vega Daten zeigten, dass Giotto den Kern in einer Distanz von unter 1000 km passieren würde. Nun galt es zu entscheiden, ob dies ausreicht oder man sich noch näher heranwagen sollte. Am 11.3. trafen sich die PI's und diskutierten dies aus. Man einigte sich auf eine Passagedistanz von 540 km über 20 Grad Südlicher Breite des Kerns. Das waren 500 km Minimaldistanz + 40 km für die Unsicherheit der Sondenposition und Kernposition. Am 12.3.186 um 00:53, weniger als zwei Tage vor dem Vorbeiflug kam es so zu der letzten Kurskorrektur. 32 Minuten lang zündeten die Triebwerke und änderten die Geschwindigkeit um 2.5 m/s. Es war das dritte Korrekturmanöver nach einem im Juli nach dem Start und einem am 10.2.1986. Sorgen gab es nach wie vor, vor allem als Sakigake bei einer Passage in über 151.000 km Entfernung schon von zwei Staubteilchen getroffen wurde, welche die Rotationsachse um 0,7 Grad verschoben - Giotto würde 300 mal näher herankommen und schon eine Abweichung der Rotationsachse um 1 Grad würde die Funkverbindung abreisen lassen.

Um 19:30 am 11.3.1986 wurden die 64 m Antennen des DSN dem Antennenverbund zugeschaltet und Giotto erhielt bis zum 15.3.1986 nun eine dauernde Funkverbindung zum ESOC. Die NASA Antenne von Canberra würde einspringen, wenn Perth aufgrund schlechten Wetters nicht empfangen könnte und würde Giotto den Vorbeiflug überleben so würden weitere Daten über die DSN Antennen bei Madrid und Goldstone empfangen werden. Schon am 12.3.1986 um 21:00 gab es in 7.8 Millionen km Entfernung vom Kometen das erste Signal. Der JPA detektierte Wasserstoff aus der Koma des Kometen. In den frühen Morgenstunden des 13.3.1986 wurde die Sonde so orientiert, dass der Schutzschild auf Halley zeigte und die Experimente aktiviert. Die HMC begann in einem "Observing Mode" nach dem genauen Ort des Kerns zu suchen. Um 18:34 begannen die letzten Vorbereitungen für die Begegnung, die um 0:03 am 14.3.1986 erfolgen sollte. Am 13.3.1986 um 19:40 passierte Giotto den Bugschock des Kometen. Noch war Giotto mehr als 4 Stunden und 1064.000 km vom Kern entfernt.

Wegen des Ereignisses gab es im ZDF sogar "die große Nacht des Kometen", die mit einer Life-Berichterstattung aus dem ESOC Kontrollcenter endete. Die Sonde sollte um 0.03 MEZ am 14.3.1986 den Kometen passieren. Der schon damals beim ZDF in Diensten stehende Joachim Bublath, gab mit seinen seichten und manchmal einfältigen Fragen, und Unfähigkeit die eintreffenden Falschfarbenbilder zu erläutern, aber keine gute Figur ab. Die Falschfarbenbilder auf denen Bublath bestand hatten praktisch keinen Aussagewert. Nur wenige Wissenschaftler sahen die originalen Schwarz/Weissbilder weil es nur einen Kanal für die Präsentation gab. Im ESOC tummelten sich zu diesem Zeitpunkt 2500 Besucher, Journalisten, Fernsehtechniker und Wissenschaftler. Die Bilder der HMC und auch das entsetzte Gesicht des ESOC Leiters als wenige Sekunden vor der nächsten Begegnung der Kontakt abriss, wurde von 56 Fernsehstationen aus 37 Ländern übertragen.

Um 20:15 begann die heiße Phase des Vorbeifluges. Jetzt wurden alle Experimente aktiviert. Ab 21:00 gab es keine Kommandos zur Sonde mehr. Das erste von über 12.000 Teilchen schlug um 23:01 ein. Noch war Giotto 287.000 km von Halley entfernt.

Kern von HalleyDie ersten Bilder wurden drei Stunden von der Annäherung gemacht in 750.000 km Entfernung bei einer Auflösung von 17 km/Pixel. Sie zeigten noch einen Staubjet. Bei einer Entfernung von 124.000 km konnte der Kern ausgemacht werden. Um 23:51 sandte die Bodenkontrolle die Kommandos zur Reorientierung der Kamera nach dem Vorbeiflug zur Sonde.

Um 23:58, 5 Minuten vor der Annäherung in 20.100 km Entfernung vom Kern schaltete die Kamera die schon 2043 Bilder von der Koma gemacht hatte, auf den Nahbereich um. Die HMC machte dann noch 70 weitere Aufnahmen, die letzte aus 1.372 km Entfernung, 9,2 Sekunden vor der nächsten Annäherung. Danach fiel sie durch eine Entladung aus. Leider war das hellste Objekt (auf dass sich die Kamera automatisch einstellte) nicht der Kern sondern ein Gasjet. Der Kern selbst war sehr dunkel (er reflektierte nur 2-4 % des Lichts). So war auf den Bildern aus größter Nähe nicht der Kern zu sehen. Man sieht aus dem Bild oben, wie durch diese Dejustage der Kern langsam aus dem Bildfeld wandert. Das beste Bild des ganzen Kerns (rechts) stammt daher noch aus der großen Entfernung von 10.000 km.

Um 00:00.05 berichtete das DID Team von ersten Einschlägen auf dem hinteren Schild, das bedeutete, dass der vordere Schild schon weitgehend perforiert war. Giotto war nun rund 14.000 km vom Kern entfernt. Die Massenspektrometer maßen nun auch Bestandteile die nicht durch den Sonnenwind verfälscht waren, wie Wasser. In größerer Entfernung konnten sie nur OH* Radikale und Wasserstoffmoleküle nachweisen. Das Magnetfeld ging auf 0 zurück und die Temperatur der Teilchen sank von 2.000 auf -100°C: Giotto war in der Cavity, dem innersten Bereich, der nicht von der Sonne beeinflusst wurde..

Um 00:10:47, etwa 15 Sekunden vor der kleinsten Annäherung begann die Raumsonde leicht zu nutieren (torkeln). Um 7.5 Sekunden vor der Passage wurde von einer Radioverstärkerröhre auf die Ersatzröhre umgeschaltet. Kurz danach ging das Trägersignal verloren ("Black-out''), konnte aber 22 Sekunden nach dem Vorbeiflug wieder empfangen werden, allerdings mit sehr großen Schwankungen aufgrund einer Nutation, die einen Datenempfang auf dem Boden nicht erlaubten. Nur 7.6 Sekunden vor der nächsten Annäherung durchschlug ein Teilchen den Schutzschild und brachte die Sonde ins Taumeln: Sie rotierte mit 0.9° innerhalb von 16 Sekunden um die Achse. Die Daten kamen so mal bei der Erde an wenn die Antenne zur Erde zeigte, mal nicht. 22 Sekunden lang wusste man nichts von der Sonde, danach gab es kurze Bruchstücke von Datenpaketen. Das automatische Nutationsdämpfungssystem, das für diesen Zweck eingebaut war, wurde nun aktiv. 22 Minuten nach dem Vorbeiflug war die Nutation abgebaut worden und Datenempfang wieder möglich um 00:43 GMT. (Siehe Bild unten). Giotto war dann aber schon 130.000 km vom Kern entfernt. Doch Staubjets von Halley hatten während dieser unkontrollierten Phase etwa die Hälfte der Instrumente schwer und andere Instrumente leicht beschädigt. Große Staubteilchen haben Material von der Raumsonde abgeschlagen, darunter den Tubus der Kamera, was zu einem Ungleichgewicht in der Massenverteilung der Raumsonde führte. Eine elektrische Entladung zirka 9 Sekunden vor der nächsten Annäherung beschädigte oder zerstörte alle Hochspannungsexperimente. Das Kontrollsystem für den Antennenmotor wurde ebenfalls beeinträchtigt mit der Folge, dass eine falsche Drehrate an den Motor übermittelt wurde und damit die Antenne von der Erdrichtung wegdrehte und das Trägersignal verloren ging. Die Kamera war defekt, ebenso RPA, IMS und NMS. Von JPL und DID war je einer der beiden Sensoren ausgefallen. Andere Instrumente lieferten Daten bis die Sonde wieder die Koma verlassen hatte. Insgesamt wurde die Sonde von lediglich 2 g Staub getroffen während ihres Vorbeiflugs an Halley. Trotzdem reichten diese 2 g aus um die Sonde um 23 cm/s abzubremsen, obwohl die Sonde 300.000 mal schwerer war.

Einschalg !Zwischen 00:14 und 5:50 GMT sandte das Kontrollzentrum 383 Kommandos zur Sonde um sie unter Kontrolle zu bringen und den Betrieb wieder aufzunehmen. Der wissenschaftliche Betrieb wurde wieder aufgenommen und noch bis zum 15.3.1986 um 2:40 fortgeführt. Während dieser Zeit gewannen Experimentatoren auch Daten die zeigten in wie weit ihre Experimente noch funktionierten. So wurde die HMC auf Jupiter ausgerichtet, doch auf dem Bild war nichts zu sehen. Der Vorbeiflug erfolgte, wie die Auswertung ergab, um 00:03:00.4 Bordzeit oder 00:11:00.5 auf der Erde am 14.3.1986 in etwa 605 km Entfernung.

Erst 1990 veröffentlichten die Wissenschaftler die die Radio Science Daten auswerteten eine zweiter Erklärungsmöglichkeit, die zusammen mit der Missionskontrolle erarbeitet wurde, aber nicht offiziell von der ESA kommentiert wurde. Demnach prasselten zahlreiche Teilchen auf die Sonde ein. Die hohe Geschwindigkeit der Staubteilchen führte dazu dass dabei auch Ionisationsprozesse stattfanden. Giotto war von einer Wolke aus Ionen umhüllt und dies führte zu einer Entladung, einem Kurzschluss. Dafür gab es folgende Fakten:

  1. Das Umschalten auf die Reservesenderröhre, nach einem Hochspannungsimpuls erfolgte vor dem 7,6 s Ereignis.
  2. Fast gleichzeitig gab es in vielen Systemen der Sonde Spannungsimpulse und Kurzschlüsse
  3. Die Nutation wurde durch eine elektrische Entladung auf den Entdrallungsmotor bewirkt der nun mit dem Rhythmus durcheinander kam.

Davon unbenommen war dass es eine Beschädigung der Sonde durch Staubteilchen gab. Nur eben nicht durch ein großes. So wurde die Verkleidung der HMC Kamera schon 1,6 s vor dem Kommunikationsverlust umgebogen, als ein Staubjet passiert wurde und sie machte keine Bilder mehr. Besonders bedauert hat dies Uwe Keller, der PI der Kamera, der immer für eine Passage in mehr als 1.000 km Entfernung eintrat. Es gab übrigens nicht die Daten vn unveränderter Materie direkt vom Kometen die sich die Wissenschaftler erhofften die für eine besonders nahe Passage waren. Das lag auch daran, dass in PIA ein Verstärker ausgefallen war und es so nur Teilchen bis zu einer Atommasse von 70 bestimmen konnte, anstatt auch höhermolekulare Teilchen mit einer Atommasse von 210, die man nur direkt am Kern sich erhoffte, weil sie selten sind und dann leicht durch Strahlung gespalten werden. Die Entladungen begannen in etwa 1.100 km Entfernung zum Kern. Eine um 600 km höhere Passagedistanz und die Sonde hätte alles heil überstanden.

Die Ergebnisse bei Halley

Die Experimente die Staub detektieren sollten hatten mit kleineren Problemen zu kämpfen. Der Detektor von PIA konnte wegen eines Ausfalls eines Verstärkers keine höhermolekularen Stoffe nachweisen und beim Staubdetektor war einer der beiden Detektoren noch durch die Hülle geschützt die ihn beim Start bedecken sollte. Sie wurde erst im laufe der Zeit durch Staub durchlöchert und er so aktiv geschaltet. Die besten Messungen des Staubs gab es daher nicht von Giotto, sondern von Vega 1, (bei Vega 2 legte ein elektrischer Defekt ebenfalls das Massenspektrometer PUMA lahm). Eine neue Erkenntnis war, dass noch zehnmal kleinere Staubteilchen gefunden wurden, also vorher bekannt waren. Staub von Kometen kannte man schon vorher durch Sammelaktionen in der Stratosphäre mit Flugzeugen wie umgebauten U-2. Der Staub den ein Komet verliert wird vom Sonnenwind abgebremst und verbleibt in der Bahn. Die erde kreuzt mehrmals pro Jahr die Bahnen einiger Kometen und die größeren Teile verglühen als Sternschnuppen und die kleineren wrden von der Atmosphäre sanft abgebremst und können eingesammelt werden. Die kleinsten Staubteilchen hatten nur noch einen Durchmesser von 10 nm und bestenden vorwiegend aus organischen Elementen und wurden wegen der Zusammensetzung "COHNS" getauft. Erst bei größeren Staubteilchen überwogen Silikate. Die meisten Staubteilchen die detektiert wurden hatten Massen von 10-16-10-10 g. Leben konnte es auf dem Kern nicht geben. Neben der tiefen Temperatur (Vega maß -125°C auf der sonnenabgewandten Seite) fehlten vor allem die Elemente Kalium, Natrium, Phosphor und Schwefel auf dem detektierten Staub.

Das Gas bestand zu 80% aus Wasser, 10% Kohlenmonoxid, 2% Methan, 2% Formaldehyd, 1.5% Kohlendioxid und 1% Stickstoff. Spurengase waren Schwefelwasserstoff, Methanol und Blausäure. Der Gehalt an Ammoniak und Methan war geringer als erwartet. Überhaupt war der Komet ärmer an kohlenstoffhaltigen und stickstoffhaltigen Molekülen als erwartet. Die Auswertung der Massenspektren gestaltete sich sehr aufwendig, da viele Moleküle durch Interaktion mit dem Sonnenwind ein Proton aufnahmen und so die Atommasse nicht mehr zum originalen Molekül passte. Waren die Moleküle im Kometen praktisch eingefroren gab es Veränderungen sobald sie durch die Wärme freigesetzt wurden. Vor allem das Wasser reagierte mit anderen Molekülen, die UV-Strahlung die bis in 14.000 km Entfernung zum Kern vordrang, spaltete die Moleküle in Radikale auf, die dann zusätzliche Signale erzeugten. Es mussten Computermodelle geschrieben werden, welche die Chemie in der Koma simulierten und es wurden Beobachtungen von der Erde und dem Astronomiesatelliten IUE hinzugenommen, welche die chemische Zusammensetzung der Koma ermittelten.

Gefunden wurden eine Reihe von Molekülen die man so nicht erwartet hatte wie Acetonitril, Acetaldehyd und Pyridin. Viele dieser Moleküle sind oxidationsempfindlich oder werden durch Strahlung gespalten, doch im Kern von Halley wurden sie seit Anbeginn des Sonnensystems wie in einer Tiefkühltruhe konserviert.

Auch die Auswertung der Bilder dauerte über 4 Jahre. Unbearbeitet zeigten sie nur wenige Details. Sie mussten erst digital verarbeitet werden. Zuerst mussten elektronische Störungen der Chips heraus gerechnet werden. Sie äußerten sich in Störungen sie wir Flimmern auf alten Fernsehern zu sehen waren. Danach gab es durch einschlag von Ionen auf dem CCD helle Pixels die von ihnen verursacht wurden. Indem man drei unmittelbar hintereinander gemachte Aufnahmen verglich, indem der Kern seine Position kaum veränderte konnten diese ebenfalls detektiert und abgezogen werden. Zuletzt waren die einzelnen Pixel unterschiedlich empfindlich, wiesen einen unterschiedlichen Dunkelstrom aus und auch die Ausleuchtung war im Zentrum stärker als an den Ecken. Diese Effekte konnte man quantifizieren indem man sie in Sternaufnahmen der Vega und des Altairs bestimmte, die vor dem Vorbeiflug für Tests angefertigt wurden. Jede der 2.300 Aufnahmen wurde so bearbeitet und die besten dann zu einem Bild zusammengefasst, das mehr Details zeigte als jedes Einzelbild.

Hale BobbDie HMC konnte die Größe des Kerns zu 8 × 8 × 15 km ermitteln und durch Vergleich mit den Vega Aufnahmen ermitteln, dass er in 52 Stunden eine Rotation vollführt. Letzteres war schon vorher aus irdischen Beobachtungen abgeleitet worden und Sakigake konnte Variationen der Wasserstoffkomma mit einer Periode von 52 Stunden bestimmen. Es gab allerdings in anderen Beobachtungen Hinweise für eine Periode mit 7,4 Tagen. Dies wird bis 2061 ungeklärt bleiben. Der Kern hat nur eine Dichte von 0.2-0.5 g/cm³, weist also große Hohlräume auf. Dieser Wert ist jedoch unsicher. Radio Science sollte hier genauere Daten liefern, doch gerade beim Kern fiel die Funkverbindung aus. Die genaue Untersuchung der Bilder führte zu einer Revision des Kometenmodells. Das bisher am besten zu den Beobachtungen passende Modell war das von Fred Whipple in den frühen fünfziger Jahren aufgestellt wurde. Demnach bestand der Komet vor allem aus Eis mit darin gelösten Gasen und Staub. Es gab zwei Schweife, einen stark begrenzten Gasschweif, der vom Sonnenwind weggetragen wird und einen diffusen Staubschweif, der der gekrümmten Bahn des Kometen folgt. Diese sind links auf dieser Aufnahme von Hale Bobb zu sehen. Der Kern wies zu viele markante geographische Eigenschaften wie Täler, Hügel und Krater auf, als dass dies zu einem Schnellball passte, der ja bei jeder Sonnenpassage einige Meter Eisschicht verliert. Weiterhin war der Kern überall sehr dunkel. Die dunkelsten Gebiete absorbierten 95-97% des Lichtes, doch auch die aktiven, helleren Regionen absorbierten noch 93% - Eis wäre viel heller, würde nur 10-20% des Lichts absorbieren. Das passt eher zu Gestein. Das danach revidierte Modell (zumindest für Halleys Kern) ist das "rubble piles" Modell, das eines von Eis zusammengehaltenen Schutthaufens aus kleineren Gesteinsbrocken von vermutet 400-500 m Größe. Verdampft das Eis, dann zerfällt der Kern in diese Bruchteile, die dann als Asteroiden ihre Bahnen ziehen. Das passt zu den Beobachtungen erdnaher Asteroiden und einiger ehemaligen Kometen die schon zerfallen sind.

Der Kern war jedoch deutlich größer als die vorher angenommenen 6 km. Pro Sekunde verlor Halley 18.6 t Material während des Vorbeiflugs. (15.5 t festes Material und 3.1 t Gase). Halley hat ein Magnetfeld mit 60 nT Größe, welches ab 100.000 km Entfernung nachweisbar ist. In 47.000 km wurde der Sonnenwind durch die Ionopause abgebremst. Die Gase die der Komet emittierte, bestanden zu 80% aus Wasser,

Weiter geht es mit der Giotto Extended Mission im zweiten Teil.

An dieser Stelle vielen Dank an Mats Rosengren vom ESOC in Darmstadt für viele Informationen und Originalmaterialen zu Giotto.


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

Copyright der Bilder : ESA, Max Planck Institut für Aeronomie.

Zum Nachlesen: Jenseits von Halley

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