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Der Rosetta Lander Philae

Die europäische Rosetta Mission ist eine der umfangreichsten und komplexesten in der Raumfahrt. Daher habe ich den Artikel über Rosetta zweigeteilt. In diesem Teil geht es nur um den Lander Philae. Sie finden hier eine Beschreibung des Landers, seiner Experimente und wissenschaftlichen Ziele. Im anderen Teil dagegen um den Orbiter Rosetta und die Rosetta Mission. Von den 1,4 Milliarden Euro welche die Rosettamission bis zur Landung von Philae kostete, entfallen nur 220 Millionen auf den Kometenlander.

Der Lander

Philae Der 100 kg schwere Lander von Rosetta, der kurz vor dem Start als "Philae" benannte wurde, befindet sich auf der Seite von Rosetta, welcher der HGA entgegengesetzt ist. Der Rosetta Lander geht zurück auf eine gemeinsame Initiative des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG). Es gab auch einen Vorschlag der CNES und NASA unter der Bezeichnung "Champollion", während der Deutsche Vorschlag unter der Bezeichnung "Roland" lief. Beide Vorschläge waren in ihren Zielsetzungen komplementär: Der NASA/CNES-Lander ("Champollion") war für eine Kurzzeitmission optimiert, der unter deutscher Leitung konzipierte "RoLand" für Langzeitmessungen ausgelegt. Diese Vorschläge wurden 1995 veröffentlicht, als die Rosetta Mission definiert wurde. Im Jahre 1996 zog die NASA die Beteiligung an Champollion zurück, nachdem sie ihre eigene Mission schon 1992 einstellen musste. Der CNES fehlte nun ein Partner zur Finanzierung ihres Konzepts. Daher wurden beide Teams zusammengeführt und die unterschiedlichen Konzepte im heutigen Rosetta Lander vereinigt. Im Jahre 1997 wurde der Lander genehmigt, und zu Rosetta hinzugenommen.

Der Lander wurde im Jahre 2003 als Philae benannt. Auch dies hat mit der Entschlüsselung der ägyptischen Schrift zu tun. Auf dem Philae-Obelisken, benannt nach dem Fundort, einer Nilinsel südlich von Luxor, wurden die Königskartuschen von Ptolemäus und Kleopatra entdeckt. Mit deren Hilfe fand Champollion heraus, dass die Hieroglyphen nicht wie vermutet, eine mystische Bildersprache, sondern eine phonetische Schrift sind.

Der 70 Millionen € teure Lander wurde von Wissenschaftlern unter Führung der DLR entwickelt und gebaut. Es ist das erste Raumfahrtzeug in Europa welches nicht von der Industrie gebaut wurde. Der Lander hat vor allem mit zwei Problemen zu kämpfen: Der Landung und den Bedingungen an der Oberfläche des Kometen. Die Landung scheint relativ einfach zu sein, war doch das primäre Ziel Wirtanen ein Komet mit einem Kern von etwa 1.4 km Durchmesser. Die Geschwindigkeit mit der Philae dort gelandet wäre, entspräche etwa 3 km/h. Doch mit dieser Geschwindigkeit wäre er auch dort wieder abgeprallt, denn die Gravitation ist dort so schwach, dass der Lander auf dem Kometen nicht wiegt mehr als ein Bogen Papier auf der Erde.

Damit dies nicht passiert, wird der Lander sobald ein Bein den Boden berührt, eine Harpune ausstoßen die sich in den Borden bohrt und den Lander festzurrt. Eine Kaltgasdüse bremst gleichzeitig die Restbewegung ab. Auf der Oberfläche muss der Lander Temperaturen von -130° bis +50° C aushalten.

PhilaeDie Masse des Kometenlanders beträgt nur 100 kg. Er hat die Maße eines Würfels von etwa 80 × 80 × 100 cm Kantenlänge. (Je nach Vergelich so groß wie ein Kühlschrank oder eine Waschmaschine). Die Struktur des Landers besteht - anders als die des Orbiters - aus extrem leichten, aber festen Kohlefaser verstärkten Verbundwerkstoffen. Vom Beginn der Mission bei 3.2 AE Entfernung von der Sonne bis in 2 AE Entfernung muss geheizt werden, danach ist Überhitzung ein Problem, dafür steht dann aber auch wesentlich mehr elektrische Energie zur Verfügung.

Die Stromversorgung erfolgt durch zwei Systeme. Für die kurze Primärmission von 65 h durch eine 1000 Wattstunden Batterie und ergänzt dazu für die Langzeitmission durch einen Solargenerator mit einer Gesamtfläche von 2.2 m² und eine 140 Wattstunden Sekundärbatterie die wieder aufgeladen werden kann. Die Primärbatterie ist für eine Versorgung ohne den Solargenerator ausgelegt. Der Solargenerator liefert bei 3 AE Abstand 9-11 Watt. Damit dies bei dem kleinen Lander und dem großen Abstand möglich ist, sind 5 der 6 Flächen des Würfels mit Solarzellen bedeckt. Der nominale Stromverbrauch bei Operation beträgt 30 Watt, mit Spitzenwerten von 50 Watt. Während des Fluges wird Philae vom Rosetta Orbiter mit Strom versorgt (15 Watt zur Erwärmung) und auch die Temperatur des Landers vom Orbiter geregelt.

Das Antriebssystem hat die Aufgabe den Lander abzubremsen. Dies geschieht zum einen beim Abtrennen vom Orbiter (um 0.2-1 m/s), zum anderen bei der Landung. Hier produziert das Triebwerk über 5 Sekunden einen Schub von 30 Ns. Das Triebwerk arbeitet mit Stickstoff aus einem Druckgastank von 3,12 l Inhalt und einem Druck von 70 bar. Der Schub hängt vom Druck ab und beträgt anfangs 17.6 N und fällt dann mit Entleerung der Flasche.

Während des Abstiegs wird der Lander durch ein auf 8000 Umdrehungen/min beschleunigtes Drallrad stabilisiert. Dieses stabilisiert ihn so, das die Z-Achse immer auf den Kometen zeigt. Es versetzt ihn auch in eine langsame Rotation (1 Umdrehung pro Minute). Dies soll die Auswirkungen von ungleichmäßigen Kräften durch ausströmendes Kometenmaterial begrenzen. Das Drallrad hat ein Gesamtmoment von 5 Nm und wiegt 3 kg bei 200 mm Durchmesser und 95 mm Höhe.

Die Harpunen sind voll redundant ausgelegt. Es gibt zwei, jede mit einem eigenen Kabel und Rückzugsmechanismus und eigener Elektronik. Die Auslösung erfolgt durch Kontakt eines der Landebeine, ist unabhängig von der Steuerung des Bordcomputers. Innerhalb jeder Harpune ist ein Temperatur- und ein Beschleunigungssensor welcher mit dem MUPUS Experiment verbunden ist.

Instrumente an Bord von PhilaeJedes der drei Landebeine verfügt über Dämpfer, welche die kinetische Energie abfangen und Eisschrauben, die ein Hüpfen des Landers verhindern sollen. Sie krallen sich im Boden bei Kontakt fest. Nachdem man die Rosetta Mission von dem Kometen Wirtanen auf den Kometen 67P Churyumov-Gerasimenko musste man den Lander demontieren und eine zusätzliche Sicherung einbauen um ein Umkippen des Landers bei der Landung zu verhindern. Dies war durch die höhere Landegeschwindigkeit (1.2 - 1.5 m/s anstatt 0.2-0.7 m/s) notwendig.

Philae hat nur einen Computer der nicht redundant ist. Er basiert auf dem 16 Bit Mikrocontroller HS-RTX2010RH von Intersil. Dies ist ein stackorientiert Prozessor. Er wird in der Programmiersprache FORTH programmiert. Die Taktfrequenz beträgt 8 MHz, zahlreiche Befehle können in einem Taktzyklus durchgeführt werden. Als Massespeicher dienen 2 × 27 MBit FLASH RAM. Zur Kommunikation mit dem Orbiter dienen zwei S-Band Antennen. Eine auf dem Kopf und eine unter den Füssen des Landers jeweils verbunden mit einem Transmitter und Empfänger. Der Sender im S-Band hat eine Sendeleistung von 1 Watt. Die Datenrate beträgt 16 KBit zwischen Orbiter und Lander. Der Lander wird über den Orbiter angesprochen. Es gibt keinen direkten Kontakt zur Erde. Der Lander sollte nach den Planungen in den ersten 15 Minuten 13 Megabits zum Orbiter senden.

Nach dem Verlust des Landers Beagle 2 wird natürlich oft gefragt, ob die Landung klappen wird. Feststehen wird dies wohl erst 2014, doch sind die Wissenschaftler zuversichtlich das dies klappen wird. Prinzipiell ist eine Landung einfacher als auf dem Mars. Die Geschwindigkeit ist gering, es gibt keine Notwendigkeiten für Hitzschutzschilde, Fallschirme und Aerobags. Das Problem ist das der Lander sofort zum Stehen kommen muss. Wenn er abprallt verschwindet er auf Nimmerwiedersehen in den Weltraum. Dazu gibt es redundante Systeme: Die Füße die den Schock absorbieren und sich einkrallen, die Harpune und das Abbremstriebwerk. Beagle hatte keinerlei redundante Systeme.

Ein Unterschied dürfte zumindest in den Augen des Autors auch sein, dass der Lander von der DLR und Wissenschaftlern gebaut wurde, die alle schon einmal bei Planetenmissionen beteiligt waren. Beagle 2 wurde von einem Konsortium von Universitäten und Firmen gebaut, die weder die nötige Erfahrung für eine solche Mission mitbrachten, noch den Lander selbst finanzieren konnten (Durch ihren Publicitydruck musste die ESA nicht nur Beagle 2 umsonst mitführen, sondern auch noch die Entwicklung eines Landers finanzieren, denn sie nicht wollte).

Die Instrumente

IOnstrumenteTrotz seiner geringen Masse und kleinen Abmessungen hat der Lander Philae zehn Experimente im Gesamtgewicht von 21 kg (rechnet man SD2 als Experiment, sind es sogar 27 kg) an Bord. Die Experiment gliedern sich in drei Gruppen:

Um Gewicht zu sparen verwenden die Instrumente eine gemeinsame Elektronik, die bei der DLR entwickelte Common DPU. (Data Processing Unit, so werden die Computer genannt die Daten von Instrumenten verarbeiten und an den Bordcomputer übergeben). Die Rosetta Lander Common-DPU ist ein für Philae entwickeltes universelles Prozessormodul, das von fünf wissenschaftlichen Instrumenten genutzt wird: CIVA/ROLIS, COSAC, MUPUS, SESAME und SD2. Sie basiert auf dem Strahlungsharten Prozessor RTX2010 von Harris/Intersil, der bereits erfolgreich in verschiedenen Weltraummissionen verwendet wurde. Die Common-DPU ist speziell dafür entworfen, die strengen Anforderungen des Rosetta Lander Projekts bezüglich Masse, Größe, Leistungsverbrauch und Kosten zu erfüllen.

Der Stromverbrauch beträgt nur 900 mW und das Modul wiegt nur 90 g. Der mit 10 MHz getaktetse  Harris RTX-2010RH Prozessor wird von einem Actel 1280 RH FPGA unterstützt welches die Logik für zusätzliche Funktionen enthält. Die DPU verfügt über 16 KByte PROM mit dem BIOS und 64 KByte EEPROM mit dem Programm. Für Daten gibt es zwei RAM Bereiche mit 256 bzw. 512 KByte SRAM.

Die Instrumente werden über 14 Bit A/D Wandler angeschlossen. Der Bus wird in 16 Zeitscheiben zwischen den Instrumenten aufgeteilt. Zum Bordcomputer von Philase gibt es eine 32 KBit/sec Leitung und zur zweiten DPU einen 156 KBit/sec Datenbus.

ROLIS (ROsetta Lander Imaging System)

ROLISDiese Kamera befindet sich am Boden des Landers. Sie wird beim Abstieg Bilder liefern und auch nach der Landung den Boden aufnehmen. Dazu beleuchten vier Leuchtdioden (blau, grün, rot infrarot) die Oberfläche. Nach der Landung beträgt die Auflösung 0.4 mm / Pixel aus einem Abstand von 310 mm. Dies entspricht der des menschlichen Auges, wenn es einen Gegenstand aus 70 cm Entfernung ansieht.

ROLIS wiegt nur 0.944 kg bei Abmessungen von 90 × 63 × 86 mm. Der Stromverbrauch liegt bei maximal 4.0 Watt. Die Kamera hat ein Weitwinkelobjektiv mit einem Gesichtsfeld von 75° und verwendet einen CCD Chip mit 1024 × 1024 Pixeln und 14 Bit für die Graustufen. Die Auflösung beträgt 0.0013 rad. Die Kamera wurde von der DLR entwickelt. Der breite Dynamikbereich von 16384 Graustufen erlaubt auch Bilder unter ungünstigsten Lichtverhältnissen.

Um den Boden unter dem Lander zu fotografieren wird er von 4  x 36 LEDs im Spektralbereich um 470 nm (Blau), 530 nm (Grün), 640 nm (Rod) und 870 nm (Nahes Infrarot) mit einer Halbwertsbreite von 100 nm beleuchtet. Durch Kombination mehrerer Bilder mit unterschiedlicher Beleuchtung kann man ein Farbbild erstellen. Die Kamera befindet sich in Philae und ist so etwas geschützt. Qualifiziert ist die Kamera aber auch für einen Betrieb bei -150 Grad Celsius. Die Belichtungszeiten für die Kamera können zwischen 1 ms und 60 Sekunden gewählt werden. Die Sensordaten des Frame-Transfer CCD werden mit 10 MBit/sec ausgelesen.

ROLIS hat eine eigene DPU die auf der Common-DPU basiert. Sie wurde um ein 10 MBit/sec Dateninterface ergänzt und verfügt über 16.25 anstatt 0.25 MByte RAM für die Kameradaten. Sie speichert auch die Daten von CIVA zwischen und die Kommandos für beide Instrumente. Wegen der relativ geringen Bandbreite für Daten nutzt ROLIS eine moderne Bilddatenkompression. Sie basiert auf einer Wavelet(3,5) Transformation, gefolgt von Zerotree-Kodierung (embedded bitstream), die speziell für den 16-bit Prozessor RTX-2010RH angepasst wurde. Der Kompressionsalgorithmus erlaubt eine variable Steuerung der Datenrate von verlustfrei, nahezu verlustfrei 1:1,8 (7.9 Bits pro Pixel) bis zu einem theoretischen Maximum von 1:85 (0.16 Bits pro Pixel). Digitalkameras haben üblicherweise bei hoher Qualität eines Kompression von 4 Bits/Pixel bei Farbaufnahmen.

Eine Region-Of-Interest (ROI) Kodierung erlaubt es, interessante Bildteile mit besserer Auflösung zu übertragen, als den Rest des Bildes und somit sehr flexibel zu reagieren. Die komprimierten Daten werden in Blöcken von 64 x 64 Waveletkoeffizienten übertragen, um ROLIS robust gegenüber möglichen Übertragungsfehlern und Datenverlust zu machen.

Man hat für diese Kamera schon eine irdische Anwendung gefunden: Seit 1999 kontrollieren 3 dieser Kameras auf einem Beobachtungsturm bei Cottbus ein Waldgebiet und melden automatisch Brände. Feuer, das eine Rauchwolke von mind. 10 m Durchmesser erzeugt, kann in einem Radius von 10 km erkannt werden. Spätestens 10 min nach Ausbruch des Feuers ist es erkannt. Bewährt sich das System, so soll es auf vielen der 133 Türme in Sachsen und Brandenburg eingesetzt werden. Dann wird ROLIS 1.1 Millionen Hektar Wald auf Feuer überwachen.

CIVA (Comet IR & Visible Analyser)

CIVA Kamerapositionen CIVA ist das zweite Kamerasystem an Bord. Es teilt sich die Elektronik mit ROLIS. Es besteht aus sechs identischen Weitwinkelkameras, welche den Landeplatz rund um den Lander aufnehmen. Die Auflösung beträgt 1 mm direkt unter dem Lander. Alle Kameras zusammen decken den vollen 360° Kreis um den Lander ab. Jede Kamera wiegt nur 90 g. Eine siebte Kamera wird Stereoraufnahmen ermöglichen. Die Kameras schauen durch kleine Löcher in den Solarpanels. Die meisten anderen Experimente arbeiten durch die Bodenplatte oder an der Bodenplatte.

Jeder der 7 Kameras hat ein Gesichtsfeld von 70 × 70°. Jede hat einen CCD Sensor mit 1024 × 1024 Bildpunkten. Jede Kamera ist unabhängig steuerbar. Die Gesamtmasse beträgt 1000 g bei Abmessungen von je 63x36x41 mm pro Kamera. Die Kameras sind optimiert für einen Betrieb bei -120°C. Die Belichtungszeit wird von der Elektronik selbst bestimmt.

Das zweite Teilexperiment von CIVA ist ein IR Spektrometer, empfindlich im Bereich von 1-4 µm. Es wird die Zusammensetzung, Textur und Albedo von Proben, welche das Experiment SD2 gewinnt untersuchen. Die Auflösung liegt bei 40 µm im räumlichen Bereich und bei 1-4 µm im spektralen Bereich.

In diesem Bereich absorbieren zahlreiche organische Bindungen so -CH3, =CH2 und -CH2- Bindungen in Aliphaten und Aromaten. Dazu dient ein 128 × 128 HgCdTe Detektor der das durch ein Gitter aufgebrochene Spektrum detektiert. Durch Abtasten der Oberfläche entsteht so ein Dreidimensionales Bild der Probe (XY Achse: Bildinformationen, z Achse Spektralinformationen). Über 700 dieser "Bilder" sollen gewonnen werden. Karussell

Zuletzt gibt es ein Mikroskop mit 7 µm Auflösung, welches auf die Proben von SD2 angesetzt wird. Es wird auch farbige Aufnahmen gewinnen. Das Mikroskop verwendet ebenfalls einen Detektor mit 1024 × 1024 Pixels. Er wird auf das Probenkarussel von SD2 angesetzt. Durch 3 LEDs die Licht von 525 nm, 640 und 880 nm aussenden, sind Falschfarbenaufnahmen möglich. CIVA-M wiegt 250 g und hat Abmessungen von 70x50x100 mm.

CIVA wiegt insgesamt 4 kg und wird von Frankreich gestellt.

APXS (Alpha X-Ray Spectrometer)

APXS Dieses Instrument ist eine weiterentwickelte Version des APXS, welches schon bei der Pathfinder Mission zum Einsatz kam. Wie das bei Pathfinder eingesetzte, stammt es vom Max-Planck-Institut für Chemie aus Mainz.

Das Instrument besteht aus einem beweglichen Sensorkopf von 52 mm Durchmesser, der eine Curium-244 Quelle enthält. Diese emittiert Alpha Strahlen mit einer Energie von 6 MeV. Der Kopf wird bis auf 40 mm Distanz an eine Probe abgesenkt. Dort bombardiert er diese mit den Alpha Strahlen. Diese werden von Atomen gestreut oder Treffen auf Atome, wodurch diese Röntgenstrahlen aussenden. Ein Detektor der vor den direkten Strahlen der Quelle geschützt ist, empfängt die Röntgen- und Alpha Strahlen und misst deren Energie. Eine Messung dauert bis zu 10 Stunden.

Gegenüber dem Instrument an dem Sojourner Rover sind Alphastrahlendetektoren verbessert. Ihre Auflösung beträgt nur 160 eV bei 6.4 keV. Bei Sojourner waren es noch 260 eV/6.4 keV. Die Röntgenstrahlendetektoren können das Vorkommen von Elementen von Natrium bis etwa zur Atommasse von Nickel / Zink mit 0.1-1 % Genauigkeit messen. Die Alphastrahlendetektoren dagegen die Elemente mit niedrigerer Atommasse wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Helium und Wasserstoff können Prinzip bedingt nicht bestimmt werden, so dass eine Untersuchung der Oberfläche auf Wasser vorher nötig ist, da vor allem der Wasserstoff die Menge auf 100 % ergänzt.

Das APXS wiegt lediglich 1.3 kg und verbraucht 1 Watt bei der Messung und 3 Watt beim Ausfahren an Strom. Eine typische Messung ergibt eine Datenmenge von 3 KByte.

COSAC (Cometary Sampling & Composition Experiment)

COSAC COSAC ist ein Gaschromatograph (GC), welcher die Proben des Instrumentes SD2 untersuchen soll. Am Eingang ist ein Ofen befestigt der in 64 Stufen von -100 bis 600°C beheizt werden kann. Bis 180° C werden die Gase analysiert. Die höheren Temperaturen dienen dem pyrolisieren der Probe, so dass mehrmals Messungen möglich sind.

Der Gaschromatograph hat die Aufgabe die vom Ofen freigesetzten Gase aufzutrennen. Sie durchlaufen dabei gespült von einem Trägergas (Helium) eine Säule, bei der sie abhängig von ihrer chemischen Natur unterschiedlich lange zum passieren brauchen. Im allgemeinen sind kleine und unpolare Moleküle schneller unterwegs als große, polare Moleküle. So kommen die Moleküle aus denen die Probe besteht nacheinander am Detektor an und können getrennt untersucht werden. Da nur Gase untersucht werden können, wird im Ofen die Probe stufenweise erhitzt um nacheinander flüchtige Substanzen freizusetzen.

COSACDer Gaschromatograph besteht aus 8 identischen Kapillarsäulen jede mit 10-15 m Länge. Er ist nur mit einem einfachen TCD (Thermal Conductivity Detector) ausgerüstet, da ein Massenspektrometer genauere Daten über die Probe liefert. Der TCD hat den Vorteil gegenüber anderen empfindlicheren Detektoren wie dem ECD, dass er die Probe nicht verändert, und so zusätzlich zum Massenspektrometer betrieben werden kann. Der GC arbeitet bei 30° C. Ein typischer Lauf dauert 17 Minuten. Das Bild links vermittelt einen Eindruck wie klein die Säulen bei dem GC sind. Bei den Gaschromatographen mit denen der Autor während seines Chemiestudiums arbeitete, war der Durchmesser einer aufgerollten Säule törichterweise 20-30 cm.

Das Massenspektrometer (MS) ionisiert die Proben und beschleunigt sie durch ein elektrisches Feld. Die Beschleunigung ist abhängig von der Molekülmasse und der Ionisierung die wiederum von der chemischen Natur der Probe abhängig ist. Die Proben prallen auf einen Detektor wo ihre Masse bestimmt wird. Weiterhin wird die Flugzeit bestimmt (Dazu gibt es eine Uhr mit 33 MHz Takt). Das MS ist also ein Flugzeitmassenspektrometer. Auf dem Orbiter gibt es auch ein Flugzeitmassenspektrometer, darüber hinaus aber auch ein Magnetmassenspektrometer. Bei diesem gibt es mehr Detektoren in einem Kreisbogen und ein Magnet lenkt die Ionen durch ein Magnetfeld aus ihrer geraden Bahn ab. Dieses Massenspektrometer ist aufwendiger, erlaubt aber bessere Trennung von Molekülen ähnlicher Massen.

Detektiert werden können Atommassen von 12 bis 1500 bei einer Auflösung m/m von 350. Es werden pro Minute 65536 Massenspektren gewonnen. Pro Probe etwa 3-6 MByte. Diese werden in einem 6 MByte großen Speicher untergebracht. Kontrolliert wird das Instrument von einem RTX 2010 Prozessor der in FORTH programmiert ist.

Das Trägergas Helium ist einem 330 cm³ großen Tank unter 30 Bar Druck untergebracht. Daneben gibt es einen zweiten Gastank mit 25 cm³ Volumen bei 1 Bar Druck. Er enthält eine Mischung aus Helium, Neon, Argon und Krypton zur Eichung der Detektoren. COSAC wiegt 4.85 Kilogramm und verbraucht zwischen 8 und 16 Watt an Strom. COSAC wurde entwickelt am Max-Planck-Institut für Aeronomie in Lindau.

Ptolemy

Ptolemy ist ein zweiter Gaschromatograph / Massenspektrometer. Anders als bei COSAC liegt aber der Fokus hier auf die Bestimmung der leichten Elemente. Wie bei COSAC nutzt Ptolemy die Proben des Instruments SD2. Wie bei COSAC kann die Probe stufenweise bis auf 600°C erhitzt werden. Nach Trennung über einen Gaschromatographen werden die Elemente über ein Trap-Massenspektrometer detektiert. Hier werden die Isotope von Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff bestimmt. Es geht hier vor allem um das Bestimmen der Verhältnis der Isotope zueinander. So bauen Lebewesen die Sauerstoff Isotope O18 und O16 in unterschiedlicher Menge ein. Untersucht man eine anorganische Probe so ist das Verhältnis von O18 und O16 ein anderes als in organischen Proben. Da O18 in der Natur aber nur 0.2 % des Sauerstoffs ausmacht, ist eine sehr hohe Präzision des Instrumentes nötig. Die Genauigkeit der Isotopenbestimmung beträgt: 0,5% für das Verhältnis O18/ O16 und C13/ C12. Bei Wasserstoff beträgt es 5% für D/H. Bei Stickstoff 1% für N15/ N14 und 20% für O17/ O16. Die Masseauflösung beträgt 100 m/m.

Das Instrument wiegt nur 4.3 kg, es verbraucht 5 Watt und wird von England gestellt. Die große Herausforderung bei COSAC und Ptolemy war die Verkleinerung: Auf der Erde sind übliche Gaschromatographen mit Massenspektrometer etwa 50-100 kg schwer und ist so groß wie ein Schreibtisch.

SESAM (Surface Electrical, Seismic and Acoustic Monitoring Experiments)

SESAM ist ein Packet von Sensoren welche die Eigenschaften der Kometenoberfläche und des Untergrundes bis in 2 m Tiefe messen: SESAM wurde von der DLR in Köln entwickelt und wiegt 1.9 kg.

MUPUS (Multi-Purpose Sensors for Surface & Subsurface Science)

MUPUS MUPUS soll die physikalischen Eigenschaften des Kometenkernes bis in 23 bis 25 cm Tiefe messen. Bestimmt werden: Wärmefluss, Wärmeleitfähigkeit, Oberflächentemperatur, Härte des Oberflächenmateriales. MUPUS besteht wiederum aus vier Einzelinstrumenten.

Die Veränderungen der Parameter über die Zeit lassen Rückschlüsse über den Materialfluss des Kometen zu, den Energiefluss zwischen Oberfläche und Kern und geben die Möglichkeit die Temperaturmessungen des Orbiters zu eichen. MUPUS wurde von dem Institut für Planetologie an der Uni Münster entwickelt. Es wiegt 2.0 kg, verbraucht 1.3 Watt an Strom (Durchschnitt, aber bis zu 176 W beim Hämmern) und liefert 3 MByte an Daten während der 65- Stunden lange dauernden Primärmission, 20 KB pro Messung.

SD2 (Sampling & Distribution Device).

Bei SD2 handelt es sich um einen Bohrer der Proben aus bis zu 23 cm Tiefe holt. Der Bohrer kann um seine eigene Achse rotiereren. Er ist an der Grundplatte angebracht. Der Bohrer hat auch Sensoren, welche die Kraft und den Druck messen, der beim Bohren vom Material ausgeübt wird. Nach dem Bohren holt ein Sampler eine Probe aus dem Boden. Diese wird in ein Karussell mit 7 Probenbehältern gebracht. Von dort erfolgt die Untersuchung mit den Instrumenten des Landers. Hier erfolgt eine Untersuchung mit CIVA-M, COSAC, PTOLEMY.

Die Bohrstelle kann mit ROLIS vorausgewählt werden. SD2 bohrt nicht neben den Lander, sondern durch eine Öffnung in der Bodenplatte. Nach Untersuchung kann die Probe durch eine Reinigungsstation wieder vom Probenbehälter entfernt werden. So können die 7 Behälter erneut verwendet werden. SD2 wiegt 3.1 kg und verbraucht 5 Watt an Strom. Es wird von Italien gestellt.

CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission)

Dies ist der Empfänger und Sender auf dem Lander des CONSERT Experimentes des Orbiters. Er sendet die empfangenen 90 MHz Wellen zum Orbiter zurück. CONSERT wiegt 1.9 kg und verbraucht 2.5 Watt an Strom. Die Datenrate beträgt 1.5 MBit/Orbit. Dabei wird alle 200 ms ein Signal vom Orbiter gesandt und vom Lander empfangen und zurückgesandt. Dies dauert 25.5 Mikrosekunden. In dieser kurzen Zeit sendet der Orbiter 255 kurze Impulse von 100 ns Dauer aus. Die Zeitdauer wird beim Lander gestoppt. Das Signal wird digitalisiert, verarbeitet und mit einem Zeitstempel zurückgesandt. Dabei wird die Position verwendet, aus der das stärkste Signal kam. Die räumliche Auflösung durch das Zeitsignal beträgt 100 ns. Dies entspricht 20 m auf dem Kometen. Typischerweise dauert eine Messphase 1 Sekunde. Während eines Orbits werden 6000 Zyklen absolviert. Durch Rotation des Kometenkerns und durch die Bewegung des Orbiters wird nach und nach der ganze Kern durchleuchtet und es entsteht ein dreidimensionales Modell des Kometenkerns.

Die Antenne ist eine Dipol Stabantenne mit einer Länge von 1.5 m (Halbe Wellenlänge von 90 MHz). Sie besteht aus 2 Masten und 8 ausklappbaren Segmenten. Auf dem Kometen wird die Antenne die im Lander nur 15 cm lang ist erst entfaltet und auf den Boden abgesenkt. Die Antenne hat einen Gewinn von 30 dB. Das Zeitsignal wird von einem Oszillator mit einer Genauigkeit von 10 ns geliefert. CONSERT wurde entwickelt am Max-Planck-Institut für Aeronomie in Lindau. Es wiegt nur 70 g.

ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer & Plasma Monitor)

ROMAP ROMAP ist ebenfalls ein Instrument aus mehreren Subinstrumenten.

Alle Instrumente befinden sich an einem Mast der von dem Lander weggeschwenkt wird. Die Elektronik befindet sich im inneren. Das gesamte Instrument wiegt nur 0.7 kg und verbraucht 0.9 Watt Strom. Die Datenrate beträgt 4.4 KBit/sec. ROMAP stammt aus Deutschland und wird auch bei Venus Express eingesetzt werden.

Die Mission des Landers

Landung von Philae Der Lander ist lange Zeit passiv. Während des Fluges versorgt der Orbiter den Lander Philae mit Strom, übernimmt die Kühlung und Erwärmung. Der Lander kann auch während des Fluges mit neuer Software versehen werden. Auch wenn Rosetta den Kometen erreicht bleibt der Lander noch auf dem Orbiter. Zuerst erstellt der Orbiter ein globale Karte des Kometen aus 7-25 km Höhe. Danach werden 5 Landeplätze von je 500 × 500 m Größe ausgewählt. Die Telekamera von OSIRIS wird diese Plätze mit einer Genauigkeit von einigen bis max. 10 cm erfassen. Danach wird aus einer niedrigen Bahn in 1 km Höhe über dem Landegebiete abgetrennt. Damit der Abstieg schnell geht, wird der Lander um 1 m/s durch sein Triebwerk abgebremst, dann in langsame Rotation versetzt. Er fällt nun wie ein Stein auf die Oberfläche. Allerdings erreicht er diese auch nur mit ca. 1-1.5 m/s. Das ist das Tempo eines langsamen Fußgängers. Der auf der Erde 100 kg schwere Lander wiegt auf dem Kometen nur noch so viel wie auf der Erde 10 g, das ist das Gewicht von einem Bogen Papier. Entsprechend können kleinste Kräfte ihn zum Umkippen bringen. (Die Masse ist natürlich immer noch die gleiche, aber nicht die Gravitationskraft).

Sobald ein Bein den Boden berührt wird die Harpune abgeschossen. Sie zurrt den Lander fest an den Boden. Gleichzeitig wird die Düse auf der dem Boden abgewandten Seite 5 Sekunden lang aktiviert. Sie presst den Lander an den Boden. Die Schrauben an den Beinen sollten dann den Lander fest im Boden verankern. Nun sendet der Lander sofort die ersten Analysen über den Orbiter an die Erde. 60-65 Stunden lang kann die primäre Batterie ohne Beleuchtung der Solarpanels des Landers die Operation erlauben. Sind die Solarpanels beleuchtet so verlängert sich die Zeit. Allerdings liefern sie auch im Durchschnitt nur die halbe Energiemenge der Batterie und dies nur während des Tages. Wie eine Operation über die 3 Tage hinaus aussieht, ist leider auf den ESA Seiten nicht zu finden. Mit Sicherheit hat der Lander mit mehr Problemen als der Orbiter zu kämpfen, denn der Boden auf dem er steht wird bei Annäherung an die Sonne langsam sublimieren und damit kann der Lander beschädigt werden oder sich sogar vom Boden ablösen.

Churya-masovNachdem die Mission verschoben wurde und das Ziel neu bestimmt wurde, musste der Lander modifiziert werden. Der Komet 67P Churyumov-Gerasimenko ist mit 3-5 km größer als der Komet 46P Wirtanen mit 1-1.5 km Größe. Dies bedeutet eine 40 fach höhere Gravitation. Es wurden die Landebeine modifiziert um einen größere Landegeschwindigkeit aufzufangen und ein Umkippen zu verhindern.

Man hoffte vor dem Start von Rosetta im Jahre 2004, das der Lander mindestens eine Woche, eventuell mehrere Wochen und mit viel Glück sogar über Monate arbeiten kann.

Während der Riese zu Churymasov-Geramisenko war Philae weitgehend inaktiv. Er machte nur einmal kurz von sich reden, als er beim Marsvorbeiflug eine Aufnahme machte, die Teile Rosettas vor dem Mars zeigten. Zu diesem Zeitpunkt war Rosetta so orientiert das ihr eigenes Kamerasystem OSIRIS keine Aufnahmen machen konnte. Spätere Aufnahmen die nach dem Vorbeiflug entstanden wurden durch einen Computerausfall nicht im Hauptspeicher aufgezeichnet. So war die Aufnahme von CIVA die einzige vom Marsvorbeiflug.

Die dramatischen Stunden von Philae

Nachdem die ESA Anfang Oktober aus fünf Landestellen zuerst eine auswählt, ("Region J") dann doch auf eine zweite schwenkte ("Region B") wurde Philae am 12.11.2014 von Rosetta abgetrennt. Kurz nach dem Abtrennen machte Rosetta mit der hochauflösenden Kamera ein Foto von Philae. Sie zeigte, dass die Landebeine ausgefahren sind. Danach brachte die Sonde sich selbst auf sicheren Abstand, denn sie hatte zum Absetzen einen Kollisionskurs eingeschlagen. Schon vor der Landung gab es Sorgen, denn es lies sich nicht feststellen, ob die Düse auf der Oberseite, die bei der Landung zünden sollte funktionierte. Das kann ein defekter Sensor sein, es kann aber auch ein Ausfall sein. Es wurde daher deaktiviert. Das Kaltgassystem sollte zeitglich zünden wenn die Sensoren an den Landebeinen Bodenkontakt melden.

Die Abtrennung erfolgt um 9:35 CET am 12.11.2014. Der Abstieg dauert über acht Stunden für eine Strecke von 22,5 km, das bedeutet der Kometenlander ist nicht schneller als ein langsamer Fußgänger. Die Landung war für 18:02 CET geplant, mit einer Unsicherheit von einer Stunde um diesen Zeitpunkt. Zuerst sah auch alles gut aus, ROLIS, die Abstiegskamera machte in 3km Entfernung eine Aufnahme die über Rosetta übertragen wurde und die zeigte dass sich Philae genau auf Kurs befand. (Bild links) Als die Landebeine dann Bodenkontakt signalisierten war im deutschen Weltraumzentrum in Darmstadt der Jubel größ, denn die Landung ist nicht so einfach wie man sich denkt. Churymasov-Geramisenko, kurz Chury genannt rotiert in 12 Stunden, Rosetta ist auch in einem Orbit um den Kometen und der Abstieg dauert Stunden. So muss Rosetta bei der Abtrennung genau ausgerichtet sein und in der richtigen Position, damit die Landung klappt.

Rolis AufnahmeDarüber hinaus erweis sich Chury als schwieriger Kandidaten für eine Landung, als man ursprünglich dachte. Zum einen ist er kleiner als von den Beobachtungen von der Erde aus gedacht und scheint große Hohlräume aufzuweisen. Das senkt seine Masse und damit Gravitationskraft. Vor allem aber ist seine Form überhaupt nicht kugelförmig. Churymasov-Geramisenko ist das bisher unregelmäßigste Objekt das man je untersucht hat. Er besteht aus zwei Teilstücken die in der Mitte miteinander verbunden sind. Das erschwert eine Landung noch mehr als sie eh schon ist. Schon vor der Landung hatte man bei der ESA die Erwartungen heruntergeschraubt: Es war nur von einer 2,5 Tage dauernden Primärmission die Rede. Das spiegelt die Abtrennung in etwas größerer Entfernung als noch 2003 angegeben wurde (3,34 anstatt 3,2 AE) und die ungünstige Form von Chury, sowie die nun erst bekannte Rotationsperiode und damit wahrscheinlich auch die geringere Sonneneinstrahlung wieder. Man setzte nun wohl vollständig auf die Batterie und würde ein vorgegebenes Primärprogramm abspulen.

Die Landung erfolgte am unteren Ende des Zeitfensters um 17:03, also knapp eine Stunde bevor man sie erwartete. Doch bald bekam die Missionsleitung einen Dämpfer. Die Telemetrie zeigte, dass die Harpunen zum Fixieren an dem Kometen nicht gefeuert hatten. Sie waren nach Abschalten der Kaltgasdüse der einzige Mechanismus, der den Lander auf der Oberfläche fixieren konnte. Die Missionsleitung löste sie manuell aus, doch da die Laufzeit der Signale jeweils 29 Minuten betrug erreichte dieses Signal den Lander erst knapp eine Stunde nach dem Bodenkontakt. Wie sich später zeigte, war Philae zu diesem Zeitpunkt schon wieder im Weltraum. Er machte nach der ersten Landung einen Sprung über 1 Stunde 50 Minuten, da er mit 38 cm/s von der Oberfläche abprallte (die Landung sollte mit 100 cm/s erfolgen). Auch das zweite Aufsetzen brachte ihn nicht zum Stehen. Er prallte zwar nur mit 3 cm/s ab (das sind 100 m pro Stunde!), aber das reichte auch noch für einen 7 Minuten langen Hüpfer. Zum Stehen kam Philae nun durch die Rotation von Chury nicht im Zentrum der Landeellipse, wo er anfangs niederkam (das zeigten spätere Aufnahmen von Rosetta) sondern am Rande einer Klippe, schräg geneigt und ein Bein wegstreckend. Das zeigte auch das erste Panorama von CIVA. Philae war einen Kilometer von der 500 m großen Landeeliipse entfernt gelandet. Später konnte die ESA auf Aufnahmen von Rosetta den Lander ausmachen und zwar nicht nur beim ersten Sprung, sondern auch bei seiner Bewegung zur späteren Landestelle.

In dieser Lage bekamen die Solarzellen kaum Strom. Philae war fehlorientiert und wurde von der Klippe beschattet. Über die weitere Vorgehensweise wurde dann kurz diskutiert. Es gab die Idee nochmals einen kurzen Sprung zu machen und erneut zu landen, diesmal in einer besseren Position. Das schien dann vielen doch zu riskant, auch weil Philae sich am Rande einer Klippe befand. Die zweite Option war es das wissenschaftliche Programm zu stoppen oder herabzufahren und so Zeit zu gewinnen, weil die Batterie so länger durchhält. Zeit die man braucht um über ungefährliche Manöver nachzudenken und sie auszuarbeiten. Was siegte war schließlich die Vernunft - Philae war gelandet, zwar nicht in idealer Position, aber er konnte sein Beiprogramm durchführen. Man startete das vorgegebene Programm. Zuerst wurden MUMPUS und AXPS ausgefahren, welche durch ihre Bewegung den Lander mehr in eine sichere Position drehen konnten. Klar war nun aber auch dass die Meßzeit begrenzt war, denn in dieser Position bekam Philae nur 1,5 Stunden pro Churymasov-Tag (der 12 Stunden Dauer) Strom, anstatt 6-7 Stunden. Das riecht nicht aus die Sekundärbatterie soweit aufzuladen, dass ein wissenschaftlicher Betrieb möglich ist oder auch nur ein Betrieb der wichtigsten Subsysteme über eine Zeitdauer die eine stabile Kommunikationssession mit der Erde erlauben würden (man darf nicht vergessen dass durch die Signallaufzeit von 59 Minuten hin und zurück selbst eine sofortige Reaktion auf Telemetriedaten den Lander erst nach 59 Minuten erreicht und wenn dieser bis dahin wieder in den Schlafmodus fällt bekommt er sie gar nicht mehr. Die Fehlorientierung zeigt auch das CIVA Panorama, das bei einem "korrekt" ausgerichteten Lander auf allen sechs Aufnahmen unten den Boden und oben das All zeigen sollte. Stattdessen ist auf zwei Aufnahmen nur all zu sehen und zwei Aufnahmen zeigen nur Boden. Der Lander steht nicht gerade. Vor allem war nun auch offen, ob man den Bohrer MUMPUS, ein wichtiges Kernexperiment in Betrieb nehmen kann, denn der sollte schon in den Boden bohren.

CIVA PanoramaAm 15.11.2014 um 1:15 war der Energiezustand der Batterie so niedrig, dass Philae in den Schlafmodus ging. Bis dahin hatte er 56 Stunden lang den Kometen untersucht und 80% des fest programmierten Messprogrammes absolviert. Es gelang eine Bohrung, Messung der Oberflächeneigenschaften, mehrere Panoramen und Bodenaufnahmen. Die wissenschaftlichen Daten der letzten Session wurden komplett übertragen. Zuletzt sandte man Kommandos um Philae um 4 cm anzuheben und um 35 Grad zu drehen, damit er besser auf die Sonne ausgerichtet ist. Eine Bestätigung ob dies gelang, gab es nicht. Die vage Hoffnung ist, dass er bei stärkerer Annäherung an die Sonne wieder aktiv werden könnte. In nächster Zukunft, so lange wie er noch so weit von der Sonne entfernt ist, ist dies aber ausgeschlossen. Es wird jedoch dauern: im Frühjahr 2015 sollte die Sonne die Sekundärbatterie soweit erwärmen, dass Philae aufwacht und sich selbstständig wieder meldet. Bis der Strom aus den Solarzellen ausreicht, dass man damit auch die Instrumente betrieben kann wird es Sommer 2015 werden. Rosetta hat ja eine fast dreijährige Hibernationsphase gut überstanden. Man kann gespannt sein ob Philae dies wiederholen kann. Rosetta wird auf jeden Fall bei jedem Orbit den Empfänger für Philae aktivieren.

Auf der anderen Seite kann es sein dass bis dahin Philae gar nicht mehr arbeiten kann, selbst bei mehr Sonneneinstrahlung. Der Aufenthalt auf einem Kometen ist etwas anderes als auf einem Asteroiden. Seine Oberfläche verdampft bei Annäherung an die Sonne. Bei bisher untersuchten Kometen hat man Verlustraten von 20 bis 70 cm pro Umlauf ermittelt. Die obersten 20 bis 70 cm der Oberfläche gehen also verloren und das ist der Boden auf der Philae sitzt. Er könnte damit wieder ins All geschleudert werden, aber es wird auch ausreichen wenn sich Staub oder Wasserdampf, dass wieder zu Eis kondensiert sich auf der Oberfläche ablagert und zu verhindern, dass er noch genügend Strom bekommt. zudem können Instrumente geschädigt oder durch Ablagerungen "blind" werden. Die Zukunft wird zeigen ob Philae jemals wieder aktiv sein wird.

Die ESA feiert die nur kurze Mission dennoch als vollen Erfolg - und kann dies auch mit Recht tun. Es ist die erste Landung auf einem so kleinen Himmelskörper und sie ist trotz einiger Pannen geglückt - ganz anders als dies bei der Asteroidenmission Hayabusa der Fall war, die bei dem Asteroiden Itokawa Gesteinsproben sammeln sollte. Man hatte zwar auf eine längere Missionsdauer gehofft, doch die Auslegung war schon immer eine kurze Primärmission nur auf Batterien gestützt. Ein verlängerter durch Solarzellen ermöglichter Betrieb galt als "Goodie". Wir sind heute durch viele Missionen gewohnt, dass sie weitaus länger als ihre Primärmission durchhalten - so der Marsrover Opportunity, der mehr als 10 Jahre aktiv ist, auch wenn seine Primärmission nur 3 Monate betrug. Doch es ist nicht immer so. Auch Phoenix fiel kurz nach deren Ende aus, als die Solarzellen an Leistung verloren und zwei Jahre später als die Sonne wieder in der richtigen Position stand konnte man ihn nicht erneut aktivieren.

In einem aber hat sich die Mission des kleinen Landers, der ja eine "Piggyback" Nutzlast ist und nicht das Hauptziel der Rosetta-Mission voll gelohnt. Sie war extrem öffentlichkeitswirksam. Es gab im deutschen Fernsehen zahlreiche Sondersendungen zur Landung und sie überstrahlte die zwei Tage vorher erfolgte Landung des deutschen Astronauten Alexander Gerst bei Weitem - das ist nicht selten so, dass unbemannte Raumfahrt der bemannten die Show stielt. Sie vermittelte auch ein neues Bild von der ESA die bei der Rosettamission in die Kritik kam, weil von dieser fast keine Ergebnisse veröffentlicht wurden, vor allem kaum Bilder an denen wohl die Öffentlichkeit am meisten interessiert ist.

Die ersten Ergebnisse von Philae waren folgende:

Links:

Rosetta Blog
DLR Presss Relase vom 17.11.2014

Artikel verfasst: 2004, Artikel zuletzt aktualisiert: 16.11.2014


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