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Pioneer 10+11

Einleitung

Die Pioneer Sonden sind anders als das Mariner Programm kein homogenes Programm. Es handelt sich vielmehr um ein Sammelsurium von mindestens 7 Sondentypen:

In diesem Aufsatz geht es um die Sonden Pioneer 10+11, die zu Jupiter und Saturn flogen. Da diese Sonden einen ganz anderen Aufbau und eine andere Mission als die anderen Pioneers hatten, habe ich diesen Sonden einen eigenen Aufsatz gewidmet.

Pioneer 10+11Die Mission

Die Pioneer 10+11 hatten eine zweigeteilte Mission. Zum einen sollten Sie den Jupiter und das interplanetare Medium erforschen, zum anderen waren Sie wichtig für die Voyager 1+2 Mission, die 5 Jahre später starten sollte. Sie sollten klären, ob der Flug durch den Asteroidengürtel gefahrlos war. Man kannte damals zwar die großen Asteroiden. Dies waren Körper von einigen Kilometern Größe bis fast 1000 km Größe, doch man wusste nichts über die kleinen Asteroiden und Mikrometeore. Wie viele Körper gab es in einem Bereich, der einer Raumsonde gefährlich werden könnte, also alles was größer als einige Millimeter im Durchmesser ist? Manche Wissenschaftler meinten, dass sehr viele kleine Teilchen gäbe und der Asteroidengürtel daher nicht passiert werden könnte. Man sprach sich daher auch für eine Doppelmission aus, da Pessimisten von einer 50:50 Chance ausgingen, dass eine Sonde unbeschadet den Asteroidengürtel würde durchqueren können.

Das zweite Ziel war es die Bedingungen bei Jupiter zu sondieren und somit Hilfestellung für die Voyager Mission zu gaben, die dann schon wusste, was sie erwartet und was man sinnvollerweise beobachtet. Pioneer 10+11 waren in erster Linie erste Späher die einen ersten Blick auf Jupiter werfen sollten. Die Sonden wurden 1968 vom Space Science Board der National Academy of Sciences vorgeschlagen. Den Startschuss erhielt das Projekt im Februar 1969. Sie dienten als erste Erkundungen für dass damals noch propagierte Outer Planets Grand Tour Projekt (OPGTP). Dabei waren die Sonden preiswert. Sie kosteten weniger als 200 Millionen Dollar, in etwa pro Sonde genauso viel wie die Einzelmission Mariner 10 und weniger ein Drittel von Voyager, die bis zum Start 335 Millionen Dollar kosteten. (Die reinen Entwicklungskosten der Sonden betrugen 40 Millionen Dollar, dazu kamen dann noch die RTG, der Start und die Missionsüberwachung).

Die verschiedenen Namen für Pioneer 10/11

Innerhalb der NASA gab es im Mariner und Pioneer Programm für ein und dieselbe Sonde mehrere Namen. Das vereinfacht das Verständnis natürlich nicht. Zuerst einmal bekam die Sonden einen internen Namen unter dem die Sonden während der Entwicklung liefen. Nachdem die letzte Pioneer Sonde die Sonde Pioneer E war (Sie war die fünfte einer Serie von Sonden welchen den interplanetaren Raum erforschen sollten) heißen die Sonden nun intern Pioneer F+G. Nur haben die Sonden mit dieser früheren Serie nichts gemein. Als es zum Start kam, bekamen nun die Sonden den Namen Pioneer 10+11, da die letzte erfolgreich gestartete Pioneer Sonde die Nummer 9 trug (Pioneer E war ein Fehlstart). Diese Namen sind auch am gängigsten. Doch getreu dem Namenschaos, das es im Pioneer Programm schon immer gab, wurde nach dem Vorbeiflug von Pioneer 11 an Jupiter die Namensvergabe erneut geändert. Nun heiß Pioneer 10 Pioneer-Jupiter und Pioneer 11 hieß nun Pioneer Saturn. Da sich die alten Namen bei den Journalisten schon durchgesetzt hatten, wurde dies allerdings weitgehend ignoriert. Nach dem Vorbeiflug von Pioneer 11 an Saturn sprach auch die NASA nicht mehr von Pioneer-Saturn.

Die Pioneer 10+11 Sonden

Gebaut wurden Pioneer 10+11 von TRW, genauso wir ihre Vorgänger Pioneer 6-9. Gebaut wurden die Sonden von 1969-1972. Auftraggeber war das Ames Research Center der NASA, wie auch bei den anderen Pioneer Sonden und später bei der Eintauchsonde von Galileo. Primäres Ziel der Mission war eine Passage in 2 Jupiterradien Abstand. Als dieses mit Pioneer 10 erreicht wurde gab es für Pioneer 11 die Möglichkeit eine zweite Route einzuschlagen, die sie noch näher an Jupiter heranführte.Aufbau der Pioneer 10+11 Sonden

Bedingt durch das Reiseziel, den Jupiter, haben diese Sonden einen völlig anderen Aufbau als die früheren Pioneers. Die wichtigste Einschränkung für das Design war die Größe der Nutzlastverkleidung der Centaur, die einen maximalen Durchmesser von 3.05 m hatte. Der Durchmesser der parabolischen Hauptantenne beträgt 2.74 m, so dass links und rechts nur je 15 cm Abstand zur Nutzlastverkleidung blieben. Vor dem Start war die Sonde 2.9 m hoch und mit Adapter zur Oberstufe 270 kg schwer. (Ohne 260 kg). Die Trockenmasse ohne Treibstoff betrug 230 kg.

Unter der parabolischen Hochgewinnantenne von 2.74 m Durchmesser befand sich ein zentraler Ring der die Elektronik beinhaltete. Es war ein Sechseck von 25.5 cm Tiefe und 71 cm Seitenlänge. An einem dieser Seitenflächen ist auch eine Experimentbox angebracht, welche die meisten Experimente beinhaltete. Der maximale Durchmesser dieses Hexagons betrug 1.40 m. Die Struktur war aus einem Alumnium-Honigwabengerüst mit aufgesetzten Aluminiumplatten gefertigt.

Zur Kommunikation hat die Sonde 3 Antennen. Auf der aus einer Aluminiumlegierung in Sandwichbauweise hergestellten Antennenschüssel befand sich ein Sender und Empfänger. Dieser hatte auch Kontakt zu einer auf dem Empfänger angebrachten konischen Mittelgewinnantenne. So konnte die Sonde auch mit der Erde kommunizieren, wenn die Hochgewinnantenne nicht 100 % auf die Erde ausgerichtet war. Eine dritte Niedriggewinnantenne befand sich an einem 76 cm langen Ausleger an der Elektronikbox.

Sende / Empfangsfrequenzen waren 2110/2292 MHz im S-Band. Die beiden redundanten Sender hatte eine Leistung von lediglich 8 Watt. Siw wogen 1.75 kg. Im Asteroidengürtel wurde mit 2048 Bit/sec, bei Jupiter mit 1024 Bit/sec und bei Saturn mit 512 Bit/sec Daten zur Erde übermittelt. Die niedrigste Datenrate betrug 16 Bit/sec, die höchste 2048 Bit/sec mit 16 Zwischenstufen. Die Empfangsrate betrug in Jupiterentfernung nur 1 Bit/sec.

Die Antenne hat einen Öffnungswinkel von 3.3 Grad und einen Antennengewinn von 38 dB. Wenige Jahre später, erreichten die Voyager Raumsonden durch eine größere Antenne (48 dbi Gewinn), stärkere Sender und Verstärker im X-Band allerdings die 100 fache Datenrate. Die beiden Niedriggewinnantenne hatten einen 32 Grad breiten Antennentstrahl und damit nur einen Gewinn von 12 dbi.

Vom zentralen Elektronikteil gab es im 120 Grad Abstand drei Ausleger. Zwei davon hatten eine Länge von 3 m und an ihnen waren je zwei SNAP 19 Radioisotopenbatterien befestigt. Ein dritter hatte eine Länge von 6.6 m und an ihm war das Magnetometer angebracht. Die hohe Entfernung von den Radioisotopenbatterien erlaubte Messungen die nicht von dem Magnetfeld der Sonde und der Strahlung der Batterien gestört wurden. Das Eigenmagnetfeld der Sonde betrug 0.03 Gamma.

SNAP 19 RadioisotopenbatteriePioneer 10+11 waren die ersten Sonden die ihren Strom nur aus Radioisotopenbatterien bezogen. Dies war nötig, da beim Primärziel Jupiter nur noch ein 1/27 der Sonnenenergie der Erde ankommt. Bei einem Wirkungsgrad von 12 % hätte die Sonde sonst ein Solarpanel mit mehr als 23 m² Fläche benötigt, wodurch die Sonde zu schwer gewesen wäre. Die Radioisotopenbatterien basieren auf dem radioaktiven Zerfalls des radioaktiven Isotops Plutonium 238. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von 87.74 Jahren. Scheiben mit Plutoniumoxid sind von Thermoelementen umgeben und in Isolierung gepackt. Zum Schluss sind die Elemente gekapselt, damit sie den Wiedereintritt bei einem Fehlstart ohne Beschädigung überstehen. Auf diese Kapselung entfällt der Großteil der Masse der Radioisotopenbatterien. Außen transportieren Radiatoren überschüssige Wärme ab.

Der gesamte RTG bestand aus 4 Einzelelementen vom Typ SNAP-19, die auch in den Viking Landern verwendet wurden. Jede SNAP-19 Batterie hat Abmessungen von 58 × 38 cm und wiegt 15.4 kg. 90 Thermoelemente pro RTG wandeln die Wärmeabgabe in Strom um. Alle zusammen geben beim Start 155 Watt und bei Jupiter noch 140 Watt Leistung ab, die langsam abfällt. Die thermische Energie betrug im Jahre 2004 dagegen 2000 Watt bei einer geschätzten Stromabgabe von 65 Watt, der Wirkungsgrad ist also sehr schlecht. Der maximale Energieverbrauch der Sonde beträgt 106 W, davon entfallen 26 Watt für die Experimente. Nach 5 Jahren sollte die Leistung auf etwa 100 Watt gefallen sein. Selbst bei einem Unfall ist das Plutonium weitgehend ungefährlich, obgleich dieses Metall als sehr krebserregend gilt. Die Radioisotopenbatterien verwenden jedoch nicht das Metall sondern Plutoniumoxid. Dies ist ein keramisches Material, welches nicht wie das Metall eingeatmet werden kann. Die Bordspannung beträgt 28 V. Für Spitzenanforderungen gibt es noch eine Batterie an Bord.

Die räumliche Lage wurde kontrolliert von zwei Sensoren, welche die Sonne anpeilten und einem welcher den Stern Kanopus anpeilte. Bei Pioneer 11 wurde die Empfindlichkeit des Sonnensensors nach den Erfahrungen von Pioneer 10 angepasst. Die Lage wurde geändert durch zwölf Lageregelungsdüsen (jeweils 2 Stück an 6 Positionen) an der Antennenschüssel. Sie waren im Schub regelbar von 1.8 Newton - 6.2 Newton. Gespeist aus einem Kugeltank mit 42 cm Durchmesser der 27 kg Hydrazin enthält, können sie über 200 m/s an Korrekturen ausführen oder die Rotation der Sonde um 50 Umdrehungen/min ändern. Es zeigte sich, dass dies mehr als ausreichend ist, so das man bei Voyager als Nachfolgesonden, den Treibstoffvorrat verkleinerte.

Stabilisiert wird die Sonde auch durch die Eigenrotation von 4.8 Umdrehungen pro Minute durch eine Achse Sender - Antenne - Zentralring. Die Spinachse schaute auf die Erde. Diese hatte aber Auswirkungen auf die Experimente, da diese nur ein Ziel kurze Zeit im Blickfeld haben. Die Rotationsrate war jedoch synchronisiert mit der Abtastrate des Photopolarimeters. Nach den Vorbeiflügen beschleunigte man die Rotation, da nun das Photopolarimeter nicht mehr Bilder machen musste. Pioneer rotierte zuletzt mit 14.1 Umdrehungen pro Minute.

Pioneer 10 bei der MontageDie Temperatur wurde durch Isolation, Metallradiatoren und 12 kleinen Plutoniumelementen, (Radioisotopic Heater Units, RHU) die je 1 W Wärme abgaben konstant zwischen 23 und 38 Grad bei Jupiter gehalten. Bei größerer Entfernung von der Sonne ist diese Temperatur jedoch nicht mehr haltbar. Die Elektronik wurde aber auch bei -25 C getestet und arbeitete auch bei diesen Temperaturen. Bei Unterschreitung der Temperatur sprangen elektrische Heizelemente ein.

Gesteuert wurden beide Sonden durch Befehle vom Boden aus. Es gab 222 Befehle mit einer Breite von 22 Bit. Die Sonde empfing von der Erde aus Daten mit einem Bit/sec. So dauerte die Übermittlung eines Kommandos 22 Sekunden. Es sind 73 Befehle um die Experimente zu steuern und 149 für die Steuerung der Raumsonde. 5 Kommandos konnten in einem Speicher (Programmable Sequencer Unit PSU) zwischengespeichert werden. Dies wurde benutzt, wenn diese Befehle schneller ausgeführt werden mussten, als es die Übertragung von der Erde aus zuließ. Wie andere Pioneer Sonden waren Pioneer 10+11 Sonden die sehr viel "Aufmerksamkeit" von der Erde erforderten. Sie mussten laufend mit Kommandos versorgt werden was sie tun sollen. Es gab keinen Bordcomputer der automatisch Programme ausführen konnte.

Ein System namens CONSCAN konnte die Antenne automatisch zur Erde ausrichten. Es nutzte dazu das Schwanken des Signals, dass von der Erde kam, wenn die Sonde nicht richtig ausgerichtet war. Allerdings wurde es selten genutzt, da es mehr Treibstoff verbrauchte als das manuelle Ausrichten über Kommandos von der Erde aus.

Für Experimente gab es einen Speicher von 49.152 Bits. Gesendet konnte in 13 Datenformaten und 8 Datenraten von 16 - 2048 Bit/sec, abgestuft in Zweierpotenzen. Die Hardware auf der Erde zur Steuerung war eine PDP 11/44 von der Digital Equipment Corp. (DEC) aus dem Jahre 1970, ein 16 Bit Rechner mit maximal 256 KB Speicher. In einem großen File wurden alle Kommandos für 8 Stunden gespeichert und dann zeitgesteuert übertragen. Im Sommer 2000 fiel dieser Rechner immer wieder aus, aber auf ihm lief die einzige Software die Pioneer 10 steuern konnte. Die Lösung kam in Form einer Steckkarte für einen normalen Intel PC, die Osprey Karte, die eine PDP in programmierbaren Bausteinen enthielt. Damit konnte Pioneer 10 noch einige Zeit weiter betrieben werden.

Plakete von Pioneer 10+11Die Plakette

Obgleich es nur ein Detail am Rand ist, war die Plakette doch vor dem Start eines der wichtigsten Gesprächsthemen rund um die Sonde. Da beide Sonden als erste unser Sonnensystem verlassen gab man Ihnen eine Plakette mit, die etwas über uns sagt, für den unwahrscheinlichen Fall, das tatsächlich intelligente Zivilisationen die Sonde einmal finden sollten. Die Plakette von 1 mm Stärke und 15 × 23 cm Größe besteht aus goldeloxiertem Aluminium. Sie wurde von Carl Sagan und Francis Drake ersonnen. Die beiden Kugeln oben links symbolisieren ein Wasserstoffmolekül. Sie stellen eine Referenzgröße dar. Gemeint ist allerdings nicht der Bindungsabstand der beiden Wasserstoffatome, sondern die Wellenlänge, bei der neutraler Wasserstoff Radiowellen emittiert. Dies sind 21 cm. Diese Wellen sind in der ganzen Galaxis allgegenwärtig. Eine Zivilisation würde Sie also bald entdecken. Rechts erfahren die Außerirdischen, dass wir im Mittel 8 Wellenlängen, also 1.68 m groß sind. Damit man dies besser versteht, sind zwei Menschen auch neben dem Umriss der Sonde abgebildet. Eine Intelligenz kann also aus zwei Informationen unsere Größe ableiten. Versteht es die digitalen Codes nicht, so kann sie aus der Abbildung die Größe ermitteln und so das binäre System ableiten nach dem die "8" kodiert ist.

Wo aber sind wir? Darüber klärt uns die linke Abbildung auf. Man hat die Winkel zu vierzehn Pulsaren, Quellen scharf gebündelter Radiostrahlung eingezeichnet und binär kodiert, deren derzeitige Rotationsfrequenzen eingetragen. Da Pulsare ihre Rotation systematisch verlangsamen, kann man so sogar den Zeitpunkt ermitteln, zu dem die Sonde gestartet wurde. Allerdings nur, wenn man die Sonde innerhalb von einigen Millionen Jahren findet, denn durch die Verlangsamung der Rotation verstummen auch über die Zeit die Pulsare. Wenn es die Außerirdischen bis ins Sonnensystem geschafft haben, teilt ihnen die untere Abbildung den Weg zur Erde mit. Denn man erkennt die vier Riesenplaneten und den Weg der Sonde.

Experimente

Die Pioneer 10 Sonden trugen beide jeweils identische 11 Experimente. Pioneer 11 verfügte über ein zwölftes, das Fluxgate Magnetometer. Die Gesamtmasse der Experimente betrug lediglich 29.6 kg.

Experiment Hersteller Gewicht Stromverbrauch
Magnetometer JPL 2.6 kg 5.02 W
Plasmaanalysator Ames Space Center 5.5 kg 4.0 W
Partikelteleskop Univ. Chicago 3.0 kg 2.4 W
Messgerät für kosmische Strahlung Goddard Space Center 3.2 kg 2.2 W
Geigerzähler Univ. Iowa 1.6 kg 0.7 W
Strahlungsdetektor für Jupiterumgebung Univ. California 1.7 kg 2.9 W
Meteoritenteleskop General Electric 3.3 kg 2.7 W
Meteoritendetektor Langley Space Center 1.7 kg 0.7 W
UV Spektrometer Univ. California 0.7 kg 0.7 W
Polarimeter Univ. Arizona 4.3 kg 2.2 kg
IR Radiometer Caltech 2.0 kg 1.3 W
Summe 29.6 kg 24.3 W

Magnetometer (Helium Vector Magnetometer HVM)

Magnetometer Pioneer 10Das Magnetometer befand sich an einem 6.6 m langen Ausleger. Es war ein sensitives Heliummagnetometer. Das Helium wurde aufgeladen und die Sichtbarkeit durch einen Infrarotdetektor gemessen. Ein Magnetfeld änderte die Sichtbarkeit, so dass das Magnetfeld über die Intensität der Absorption bestimmt werden konnte. Der Messbereich war durch 8 Modi regelbar. Die minimale Empfindlichkeit lag zwischen 1 x 10-11 T und 4 × 10-9 Tesla und die höchsten Magnetfelder die gemessen werden konnten lagen bei 1.4 × 10-4 T, das entsprach der 3 fachen Intensität des Magnetfeldes am Erdboden. Die Modi konnten vom Boden aus umgeschaltet werden. Darüber hinaus konnte auch das Instrument bei Überschreiten eines Messbereichs diesen automatisch wechseln. Das Magnetometer von Pioneer 10 lieferte bis November 1975 Daten und wurde im Juni 1986 endgültig abgeschaltet.

Zusammensetzung der geladenen Teilchen (Charged Particle Composition CPI)

Detektr für geladene TeilchenDieses Experiment bestimmte die Zusammensetzung geladener Teilchen und erstellte Spektren durch 4 Detektoren. Zwei arbeiteten im interplanetaren Raum und zwei im Strahlungsgürtel von Jupiter.

Falle für geladene TeilchenFalle für geladene Teilchen (Trapped Radiation Detector TRD)

Dieses Experiment besteht aus 5 Detektoren um Elektronen mit einer Energie von 0.01 - 35 MeV und Protonen mit Energien von 0.15 - 80 MeV zu detektieren.

Das Instrument konnte in 8 Datenraten ausgelesen werden. Bei der höchsten, die beim Vorbeiflug an Jupiter genutzt wurde, dauerte das auslesen eines Kanals 1.5 Sekunden und ein vollständiger Zyklus durch alle Kanäle 108 Sekunden. Bei Pioneer 10 fiel ein Kanal des Cerenkov Zählers und die Szintillationszähler aus, da diese an einer gemeinsamen Elektronik befestigt waren, welche bald nicht mehr funktionierte. Am 1.12.1993 wurde das Instrument bei Pioneer 10 abgeschaltet, um Strom zu sparen.

Geladene Teilchen Jupiters (Geiger Tube Telescope GTT)

Geiger ZählrrohreDieses Experiment benutzte sieben miniaturisierte Geiger-Müller Zähler in 3 Feldern. Jede Tube ist mit Gas gefüllt, ein durchfliegendes Teilchen produziert geladene Teilchen, die auf eine Elektrode fliegen und dort einen Spannung erzeugen. 3 Detektoren sind parallel angeordnet. Drei andere orthogonal aufeinander (In x,y,z Achse). Dadurch ist es nicht nur möglich den Ort von dem ein Teilchen kommt festzustellen, sondern auch primäre von sekundären Ereignissen zu unterscheiden.

Die Röhren die in Reihe geschaltet waren, hatten unterschiedliche Empfindlichkeiten. Röhre C diente zur Messung des Hintergrundes. Durch Subtraktion der Signale von C von A oder B gab es zwei Messbereiche:

Die drei Röhren die rechtwinkelig aufeinander standen, hatten dieselbe Empfindlichkeit von >31 MeV für Elektronen und >77.5 MeV für Protonen.

Eine weitere, siebte Röhre war mit einer Goldfolie überzogen, die zwar Elektronen mit mehr als 60 keV passieren ließ, aber keine Protonen. Das Instrument, das von James van Allen stammte war das letzte, welches bei Pioneer 10 noch betrieben wurden.

Plasma Analysator (Quadrispherical Plasma Analyzer PA)

Das Instrument bestand aus zwei Plasma Analysatoren mit einem Eingangsfeld von je 90 Grad. Anders als bei den anderen Detektoren wurden hier sehr niedrigenergetische Teilchen detektiert, die durch eine Spannung beschleunigt werden. Protonen im Bereich von 0.1 - 18 keV und Elektronen im Bereich von 1 - 500 eV wurden erfasst. Beim Hochenergieanalysator beschleunigte eine ringförmige 9 kV Quelle die Ionen in 26 Channeltrondetektoren. Die in einem Halbkreis angeordnet wurden. Die Winkelauflösung jedes Channeltron liegt zwischen 3 und 8 Grad je nach Position. Das Gesichtsfeld aller zusammen betrug ± 51 Grad. Dieser Kanal erfasst nur Ionen, die nach dem Flug durch die Spannungsquelle eine Ladung entsprechend von Spannungen von 100-8000 V haben.

Der Mittelauflösende Kanal ist empfindlich für Elektronen und Protonen. Er hat eine Eingangsöffnung von 12 cm. Die Beschleunigungsstrecke beträgt nur 1 cm anstatt 9 cm und die 5 Detektoren sind größer und decken Einfallswinkel von 15 - 22.5 Grad ab. Die Teilchen hatten beim Auftreffen Energien von 100-18000 V bei Protonen und 1-500 bei Elektronen.

Das Plasmainstrument fiel im April 1975 bei Pioneer 11 aus. Danach versuchte man im Oktober und November 1978 es vor der Saturnbegegnung zu reaktivieren, was dann schließlich am 3.12.1978 gelang. Bei Pioneer 11 musste das Experiment am 17.9.1987 abgeschaltet werden, bei Pioneer 10 im September 1995.

Spektrometer für geladene Teilchen (Cosmic-Ray Spectra CRS)

Spektrometer für geladene TeilchenDieses Experiment bestand aus drei Teilchenteleskopen:

Das Instrument erfasste die Teilchen in 8 Sektoren von je 45 Grad während der Rotation der Sonde.

Asteroidendetektor (Asteroid/Meteoroid Astronomy)

Funktionsweise des Asteroidendetektors Dieses Experiment sollte die Verteilung von kleinen und großen Asteroiden messen. Es bestand aus 4 Ritchey-Chretien Teleskopen die um 45 ° zur Rotationsachse montiert waren. Die Spiegel waren mit 20 cm Durchmesser und 20 cm Fokuslänge wesentlich größer als das Photometer, welches als abbildendes Instrument genutzt wurde, Das Gesichtsfeld betrug durch die geringe Brennweite 7.5 Grad. Die Teleskope waren parallel zueinander angeordnet vorbei fliegende große und kleine Teilchen oder Asteroiden reflektierten Licht in die Teleskope, dieses wurde durch S20 Photokathoden and RCA 7151 Q Photomultiplier verstärkt. Wenn mindestens 3 Teleskope ein Objekt sahen, dann wurde ein Ereignis ausgelöst. Die Geschwindigkeit des vorbeiziehenden Himmelskörpers konnte durch Vergleichen der Zeit der Detektion ermittelt werden. Die Größe ging aus der Lichtmenge hervor.

Bei Pioneer 10 fiel dieses Experiment im Dezember 1973 aus. Schon bei 1.1 AE Entfernung fiel bei Pioneer 11 eines der vier Teleskope aus. Im Dezember 1974 fielen auch die anderen Teleskope aus. Beide Instrumente wurden durch die Jupiterpassage beschädigt. Da man aber jenseits von Jupiter keine Asteroiden mehr erwartete, war dies kein Verlust.

Meteoritendetektor (Meteoroid Detectors)

MikrometeoritendetektorIm Gegensatz zu dem Asteroidendetektor sollte dieses Instrument sehr kleine Teilchen von bis zu 1 × 10-8 g Masse detektieren. Es gab dazu 234 Zellen gefüllt mit einer Argon-Stickstoffmischung, versiegelt durch eine 0.05 mm dicke Folie. Ein Teilchen bewirkt eine Loch aus dem Gas ausströmte, proportional zu der Größe des Lochs. Dies wurde von einer Kathode, welches das Gas ionisierte detektiert. Ursprünglich hatten die Zellen einen Druck von 1.175 Bar bei 295 K. Nach einem Treffer war diese Zelle natürlich als Sensor ausgefallen. Die Gesamtfläche aller 234 Zellen betrug 2.45 × 10 -3 m². Das Experiment war an der Rückseite der Antenne angebracht. Im Oktober 1980 wurde das Experiment bei Pioneer 10 wegen zu tiefen Temperaturen abgeschaltet. Bei Pioneer 11 erfolgte dies schon am 16.8.1975, da dieser Daten absetzte, welche die Daten anderer Instrumente störten. Da Voyager 1+2 keine Staubdetektoren mitführten wird es der Raumsonde New Horizons überlassen bleiben erstmals den Staub jenseits von 18 AE Entfernung zu messen. Cassini und Galileo verfügten ebnfalls über Staubdetektoren, so dass die Region bis zum Saturn heute gut bekannt ist.

Ultraviolett Photometer (Ultraviolet Photometry UV)

UV PhotometerDieses Experiment bestand aus einem Breitband Photometer, empfindlich zwischen 20 und 180 nm und zwei Filtern im Bereich von 121.6 und 58.4 nm um die Emissionslinien von Wasserstoff (Lyman Alpha) und Helium zu detektieren. Der Öffnungswinkel betrug 20 Grad. Während des Flugs zu Jupiter wurde nach Emissionen gesucht die durch das Abbremsen von Wasserstoff auf Unterschallgeschwindigkeit und durch das geladenen Auftreffen von Teilchen auf Wasserstoffatome entstanden. Bei Jupiter sollte die Emission von Wasserstoff und Helium in der oberen Atmosphäre bestimmt werden. Helium konnte allerdings nicht detektiert werden.

Im Dezember 1990 wurde eine Abnahme der Ladungskapazität festgestellt, welche den Einsatz des Instruments auf Pioneer 10 auf max. 2 Tage pro Woche limitierte.

Abbildendes Photopolarimeter (Imaging Photopolarimeter IPP)

Funktionsweise IPPWährend heute Sonden Bilder des Planeten nicht nur im sichtbaren Licht machen, sondern auch im UV und IR hatten die Pioneer 10+11 Sonden nur ein sehr einfaches Instrument zur Verfügung. Es bestand aus einem 2.54 cm Maksutov Teleskop mit einer Brennweite von 8.6 cm. Dahinter waren zwei Detektoren geschaltet. Ein Calcit-Wolaston Polarisationsfilter spaltete den Strahl in zwei Einzelstrahlen, auf die orthogonal polarisiert waren. Zwei Spiegel mit Filtern von 390-490 nm (blau) und 580-700 nm (rot) lenkten das Licht auf Photomultiplier, die es verstärken. Dort wurde das Licht in elektrischen Strom umgewandelt.

Bei der Bestimmung von Polarisationen und Temperaturen wurde ein 0.46 Grad großes Feld abgetastet. Kalibriert wurde mittels einer Wolfram Lampe. Bei der Nutzung als Abbildendes Instrument wurde ein 0.5 mrad großer Ausschnitt mit den Photomultipliern gemessen. Dies entsprach einer Auflösung von 1 km in 2000 km Entfernung. Zum Vergleich: Voyager hatte eine Auflösung von 1 km aus 110.000 km Entfernung. Dieser Ausschnitt wurde schrittweise über eine Spalte bewegt, wobei alle 0.015 bzw. 0.03 Grad im niedrig auflösenden Modus eine Messung erfolgte. Dies geschah über einen Winkel von 14 beziehungsweise 28 Grad. Die Bewegung der Sonde um ihre Rotationsachse sorgte für den Vortrieb in der X Achse. Die Aufnahme eines 14 Grad Winkels dauerte 0.5 Sekunden. Während einer Umdrehung der Sonde wurde eine Zeile übertragen.

Jedes Pixel wurde in 6 Helligkeitsbits digitalisiert. Die Daten wurden in einem 6144 Byte großen Zwischenspeicher abgelegt. (Je 512 Pixels pro Zeile in Rot und Blau). Für das Auslesen standen 12 Sekunden zur Verfügung. So beanspruchte das Instrument eine Datenrate von 512 Bit/sec, also genau die Hälfte der Gesamtdatenrate bei Jupiter.

Die Höhe des Bildes war variabel. Verwendet wurden 128, 256 oder 512 Zeilen. Jedes Bild bestand so aus maximal 512 × 512 Pixel à 6 Helligkeitsbits in zwei Farbkanälen. Zusammen waren dies 3.145.728 Bits pro Bild. Für die Übertragung dieser Datenmenge brauchte die Sonde 6144 Sekunden, also 102.4 Minuten. Das machte auf dem Boden die Auswertung der Pixels nicht gerade einfach, denn in dieser Zeit hat sich der Jupiter durch seine Rotationsperiode von knapp unter 10 Stunden schon um mehr als 60 Grad weitergedreht. Hinzu kam bei der nächsten Annäherung an den Planeten durch die Veränderung der Distanz auch das Zeilen sich überlappen konnten oder es Lücken gab. Auf der Erde mussten die Bilder also um einen synthetischen grünen Farbkanal ergänzt werden, entzerrt und perspektivisch verschoben werden. Dies war mit der Computertechnik der siebziger Jahre eine langwierige Aufgabe. Die langsame Übertragung, zusammen mit der Optik (der Jupiter war durch den 14 Grad Ausschnitt erst 8 Stunden vor dem Vorbeiflug formatfüllend) limitierten die Anzahl der Bilder beim Vorbeiflug.

Neben der Photographie wurde mit dem Experiment auch der Versuch gemacht, das Zodiakallicht, das man auch auf der Erde in dunklen Nächten sehen kann zu detektieren. Dies wird verursacht durch Streuung von Staubteilchen entlang der Ekliptik. Dazu integrierte man über 64 Pixels und kumulierte mehrere Rotationen des IPP. So entstand ein Streifen von 360 × 141 Grad der zur Erde übertragen wurde,

Bei Pioneer 11 wurde das Instrument im Februar 1984 abgeschaltet, dann jedoch wieder periodisch in Betrieb genommen um Sternpositionen zu messen, als der Sonnensensoren durch die größere Entfernung die Orientierung verloren. Bei Pioneer 10 wurde das Instrument analog benutzt, bis im Oktober 1991 Fehler bei der Abbildung auftraten. Im Oktober 1993 wurde das Instrument bei Pioneer 10 endgültig abgeschaltet um Strom zu sparen.

InfrarotradiometerInfrarotradiometer (Infrared Radiometers)

Dieses Experiment war eine Weiterentwicklung des Infrarotradiometers von Mariner 6+7 aus dem Jahre 1969, jedoch mit einer höheren räumlichen Auflösung. Es bestimmte die Temperatur von Jupiter durch Messung der im Infrarotbereich emittierten Strahlung. Es bestand aus einem 7.62 cm Cassegrain Teleskop mit einem sichtbaren Feld von 1.0 × 0.3 Grad. Das Licht fiel auf zwei aus 88 Elementen bestehenden Bimetallthermophilsensor. Ein Detektor maß die Intensität zwischen 14 µn 25 µm, der zweite zwischen 19 und 56 µm. Bei Pioneer 10+11 war das Gesichtsfeld bei der größten Annäherung 725 × 2400 km groß. Damit waren grobe Temperaturkarten möglich und unterschiedlich warme Strukturen bei Jupiter konnten identifiziert werden. Bei Pioneer 10 fiel das Instrument im Januar 1974 aus und wurde deaktiviert. Bei Pioneer 11 wurde es nach dem Vorbeiflug an Saturn im Oktober 1979 abgeschaltet.

BedeckungsexperimentS-Band Experiment

Dieses Experiment benötigte keine zusätzliche Hardware an Bord. Es benutzte den S-Band Sender der Sonde als Experiment. Wenn die Sonde den Planeten passiert, durchläuft der Sender erst die innere Ionosphäre, dann die Atmosphäre, zuletzt kommt kein Signal mehr an. Die Abschwächung und Modulation des Signals lässt Rückschlüsse über das Medium zu: Dichte, Zusammensetzung und Temperatur der Atmosphäre. Im Falle der Ionosphäre auch Gehalt an elektrischen Teilchen.

Die Frequenz des Signals ändert sich auch durch Gravitationskräfte. So konnte man grobe Abschätzungen der Masse der großen Monde von Jupiter machen, und deren Dichte berechnen. Bei den beiden Riesenplaneten gibt es über Tage Messungen und diese erlauben dann auch Rückschlüsse über die Dichte in verschiedenen Tiefen, d.h. ab wann der Planet flüssig wird und ob er einen Kern hat.

Bei den Monden kann man immerhin deren Maße und damit deren Dichte bestimmen. Dies gelang sehr gut, obwohl man keinem der vier galileischen Monde sehr nahe kam. Hier eine Tabelle der Daten die Pioneer 10+11 für die vier großen Monde von Jupiter ermittelte :

Mond minimale Distanz erreicht von Dichte ermittelt Dichte tatsächlich
Io 756.000 km Pioneer 11 3.52 3.53
Europa 324.000 km Pioneer 10 3.28 3.03
Ganymed 739.000 km Pioneer 11 1.95 1.93
Kallisto 787.000 km Pioneer 11 1.63 1.79

Jupiters Magnetfeld (Fluxgate Magnetometer)

Das Fluxgate Magnetometer wurde bei Pioneer 11 hinzugenommen um Jupiters Magnetfeld von dem man annahm dass es sehr stark war besser zu untersuchen. Auf der Erde empfing man Radioemissionen aus einer Region die sich einige Millionen km vom Jupiter entfernte. Diese Radioemission kam von Elektronen die von ihrem geradlinigen Flug durch das Magnetfeld abgelenkt wurden und dabei Radiostrahlung abgaben. Jupiters Magnetfeld musste also enorm mächtig sein, wenn es von der Erde aus gesehen noch den 6 fachen Vollmonddurchmesser hatte. Das Magnetometer von Pioneer 10 war ausgelegt um einen weiten Bereich abzudecken, um auch das interplanetare schwache Magnetfeld zu messen. Das Fluxgate Magnetometer war weniger empfindlich, konnte dagegen höhere Feldstärken besser unterscheiden.

Es konnte Felder von 2.5 x 10-9 und 1 × 10-3 Tesla detektieren, mit 3 Sensoren in jeder Raumachse. Es gab 7 Bereiche die umgeschaltet werden konnten. Es war also 100 mal unempfindlicher als das HVM, konnte aber 10 mal stärkere Magnetfelder messen. Die Werte wurden mit 10 Bits digitalisiert. Die Fehlergrenze lag bei 600 nT bei weniger als 0.00024 T Feldstärke. Die Linearität betrug 0.1 % und die Empfindlichkeit 0.01 nT. Bedingt durch die Rotation der Sonde konnte dieses Magnetometer die Richtung (Vektor) des Magnetfeldes nach 3 Rotationen feststellen (alle 36 Sekunden). Die Daten wurden unverarbeitet zur Erde gesandt. Das Fluxgate Magnetometer wurde im Oktober 1979 nach der Saturnpassage abgeschaltet. Die Daten beider Magnetometer an Bord von Pioneer 11 lieferten bei den Planeten übereinstimmende Messungen.

Start einer Atlas CentaurDer Flug der Sonden

Start und Weg zum Jupiter

Um zum Jupiter zu starten braucht man erheblich mehr Geschwindigkeit als wie zum Mars oder Venus nötig ist. So wurde eine Atlas Centaur Rakete um eine zusätzliche Oberstufe des Typs TE-M-364-4 erweitert. Diese auch als Star 37E bekannte, 1127 kg schwere Stufe lieferte 66.7 kN Schub über 43 Sekunden und beschleunige die Pioneer 10 Sonde auf über 14356 m/s. Die Star 37E war die Standard Oberstufe der Delta 1914 und wurde auf einen Dralltisch montiert. Dieser wurde nach dem Ausbrennen der Centaur gezündet und brachte die Sonde mit Oberstufe auf 60 Umdrehungen pro Minute um ihren Flug zu stabilisieren. Danach entfernte sich die Centaur um 8 m durch Zünden ihrer Retroraketen und die Star 37E wurde gezündet. Dies war der erste Einsatz der Atlas-Centaur mit einer zusätzlichen Oberstufe. Diese Geschwindigkeit sollte erst mit dem Start von Ulysses im Jahre 1990 übertroffen werden. Die Mondumlaufbahn zu der Apollo über 3 Tage brauchte passierten die Sonden schon nach 11 Stunden.

Anders als viele anderen Planetenmissionen starteten die Sonden direkt zum Jupiter, ohne vorher in eine Parkbahn um die Erde einzutreten. Pioneer 10 startete am 2.3.1972. Ein Jahr später folgte Pioneer 11 am 5.4.1973. Es war gleichzeitig der Testflug der verbesserten Centaur D-1A. Ursprünglich sollte diese einen Intelsat Satelliten transportieren, doch COMSAT war es zu riskant ihren Satelliten mit dieser neuen Version zu starten.

Schon nach 11 Stunden passierten die Sonden die Bahn des Mondes. Die Atlas-Centaur mit TE-M-364-4 Oberstufe war fähig die Sonde auf eine Bahn zu schicken, die sie nach 600 Tagen zu Jupiter führen konnte. Die längste Reisezeit wäre je nach Entfernung bei 725-748 Tagen gelegen. Dadurch waren die Sonden sehr schnell bei Jupiter. Pioneer 11 erreichte den Jupiter schon nach 20 Monaten. Die Marsbahn, für die Marssonden 7-10 Monate brauchen, passierten Sie schon nach weniger als drei Monaten.

Auf dem Weg zum Jupiter gab es einige Beobachtungen durchzuführen. Das Zodiakallicht konnte nachgewiesen werden, erstmals auch der Gegenschein weit jenseits der Erde, Im August 1972 gab es einen Sonnensturm, den Pioneer 9+10 gleichzeitig aus verschiedenen Positionen beobachten konnten. Spannend wurde es als die Raumsonde im Februar 1973 den Asteroidengürtel erreichte. Würde es hier Zusammenstöße mit Staub oder Felsbrocken geben? Schon ein Partikel von 0.05 mm Durchmesser könnte die Sonde ernsthaft beschädigen. Im Vorfeld hatte man die Gefahr des Verlusts einer Sonde mit 1:10 eingeschätzt und deswegen zwei Sonden gestartet. Doch weder der Asteroidendetektor konnte größere Felsbrocken ausmachen, noch wurden vom Mikrodetektor viele Einschläge gemeldet. Es war also gefahrlos den Asteroidengürtel zu durchqueren. Die nächste Begegnung mit einem größeren, schon katalogisierten Objekt betrug 8.8 Millionen km zu den Planetoiden Palormar-Leyden am 2.8.1973, bei Pioneer 11 waren es 9 Millionen km zu dem Planetoiden Nike am 3.12.1973.

Bei Jupiter

Bild von JupiterPioneer überquerte am 8.11.1973 die Bahn des damals äußersten bekannten Jupitermondes Sinope, der 25 Millionen km von Jupiter entfernt war.. Am 26.11.1973 stößt Pioneer 10 auf den Bugschock des Magnetfelds von Jupiter, noch 7.8 Millionen km von Jupiter entfernt. Die Geschwindigkeit des Sonnenwindes sinkt von 451 auf 225 km/sec während sich seine Temperatur auf 500 000 Kelvin erhöhte. Am 27.11.1973 war diese Zwischenzone passiert und Pioneer 10 befand sich innerhalb der Magnetosphäre von Jupiter. Teilchen des Sonnenwindes konnten keine mehr detektiert werden, dafür ein Magnetfeld mit einer Stärke von 5 Gamma. Schon am 21.sten November registrierte Pioneer 11 einen Anstieg des Sonnenwindes um 160 km/s. Eine Eruption hatte Material von der Sonne weggeschleudert. Am 29.11.1973 erreichte sie Jupiter und drückte die Magnetosphäre wieder zusammen. Pioneer 10 war für 11 Stunden wieder im Bereich des Sonnenwindes. Erst als sich die Sonde am 1.12.1973 bis auf 3.5 Millionen km dem Jupiter nähert, ist sie innerhalb des Magnetfeldes.

Nun beginnt auch schon die Anfertigung der Fotos. Dies begann wegen des großen Blickfelds der Kamera bei Pioneer 10 erst 95 Stunden vor der nächsten Annäherung und endete 87 Stunden nach der Annäherung. Die entsprechenden Daten für Pioneer 11 sind 68 Stunden vor der Annäherung und 74 Stunden nach der Annäherung. Hier verzichtete man auf Bilder die nicht mehr Details zeigten, als man sie auch auf der Erde in den Teleskopen sieht. Erst 8 Stunden vor der größten Annäherung war der Jupiter formatfüllend. Die Gesamtausbeute betrug 121 Bilder bei Pioneer 11 und 180 Bilder bei Pioneer 10. Da die Sonden durch Kommandos vom Boden aus gesteuert wurden, gab es während der wenigen Tage der Begegnung 400-2000 Kommandos pro Tag zu den Sonden. Zum Vergleich: Die gesamte Mission von Pioneer 10 bis zum erreichen des Jupiters umfasste 16000 Kommandos.

Pioneer 10 Bild von JupiterDie Beobachtung des Mondes zeigte Strukturen die man auf erdgebundenen Aufnahmen nie so deutlich sah. Darunter ein kleines Gegenstück zum großen roten Fleck auf der Nordhalbkugel. Bis zur Passage von Pioneer 11 war dieser jedoch wieder verschwunden. Temperaturmessungen mit dem Radiometer ergaben, dass die hellen Bänden um 6 Grad kühler als die dunklen Zonen sind. Weiterhin wurde bestätigt was man aus erdgebundenen Beobachtungen schon vermutet hatte: Jupiter gibt 2.5 mal mehr Energie ab als er von der Sonne erhält. Bei der Passage von Io musste das Radiosignal Io nahe passieren und so suchte man nach einer Abschwächung durch eine Atmosphäre. Man fand diese und bestimmte den Bodendruck bei Io zu 0.05 Millibar. Sie reicht bis in 115 km Höhe. Zusätzlich konnte man eine ausgedehnte Ionosphäre um Io die an der Sonnenseite sich 700 km weit ausdehnt und bis zu 60000 Elektronen pro cm³ enthält. Auf der Nachtseite ist sie mit 9000 Elektronen/cm³ wesentlich dünner. Zuletzt wurde noch eine Wasserstoffwolke entdeckt die sich um ein Drittel der Mondbahn um Io erstreckt.

Beim Vorbeiflug am 3.12.1974 verlor Pioneer 10 einige Bilder, als die starke Strahlenbelastung einige Kommandos überschrieb und das Photopolarimeter seine Arbeit einstellte, darunter war das einzige Io Bild das gemacht wurde. Jeweils ein Bild von Europa, Ganymed und Kallisto gelangen. Sie zeigten erstmals einige Details dieser Monde. Aufgrund der niedrigen Auflösung und Vergrößerung des Photopolarimeter und weil das Senden eines Bildes lange dauerte gab es nur wenige Bilder der Monde. Pioneer 10 bekam beim Durchflug der Strahlungsgürtel von Jupiter die 1000 fache für den Menschen tödliche Strahlendosis ab. Es wurden bis zu 13 Millionen hochenergetische Elektronen und 4 Millionen Protonen pro cm² gemessen. Doch kurz vor der nächsten Annäherung normalisierte sich der Betrieb wieder und die Strahlung ging zurück. Nur die niedrigenergetischen Elektronen stiegen weiter an bis auf einen Maximalwert von 500 Millionen bei der Passage. Das war 5.000 mal heftiger als die Belastung im irdischen Van Allen Gürtel. Neben der Elektronik setzten auch einige Instrumente aus. Bis auf die fehlende Fotographie von Io konnte die Sonde alle Missionsziele erfüllen.

Jupiter aus 1.079 mill km Entfernung fotographiert von Pioneer 11Damit waren auch die Weichen für die Entscheidung gefallen, Pioneer 11 noch näher an den Jupiter heran zu führen Pioneer 10 flog bis auf 130.000 km an die Wolkenobergrenze von Jupiter heran. Ursprünglich wollte man Pioneer 11 bis auf 8000 km an Jupiter heranführen, doch nach den Erfahrungen bei Pioneer 10 ging man nun wieder auf etwas mehr Distanz. Pioneer 11 sollte am 2.12.1974 sich bis auf 41.600 km an Jupiter nähern. Pioneer 11 wurde dadurch bis auf 172.673 km/h relativ zum Jupiter bei der Passage beschleunigt. Am 19.4.1974 wurden die Bordtriebwerke von Pioneer gezündet und beschleunigten die Sonde um 63.7 m/s. Damit sollte sie den Jupiter so passieren, dass dieser sie zu Saturn umlenken konnte.

Die nahe Passage war nötig, damit Jupiter die Bahn extrem umlenken konnte. Pioneer 10 wurde auf eine hyperbolische Bahn beschleunigt und verlässt seitdem das Sonnensystem. Pioneer 11 sollte auf eine neue Ellipse umgelenkt werden, die im hohen Bogen über die Ekliptik zu Saturn führt. Dazu musste die Sonde Jupiter nahe passieren, wobei die größte Annäherung bei 50 Grad Süd lag. Dadurch gelangen einige eindrucksvolle Aufnahmen der polaren Wolkenbänder. Diese sind weder von der Erde aus so sichtbar, noch von einer anderen Sonde jemals wieder aus diesem Blickwinkel erfasst worden.

Lange nach dem Vorbeiflug an Jupiter, als Pioneer 10 im Februar 1976 die Bahn des Saturn kreuzte, holte Sie Jupiter erneut ein: Die Sonde konnte den Magnetschweif von Jupiter in 650-700 Millionen km Entfernung vom Jupiter noch nachweisen.

Die Ergebnisse

Pioneer 10+11 ergänzten unser Bild von Jupiter durch folgende Erkenntnisse:

Weiter zu Saturn

Bahn von Pioneer 11 zu Saturn

Nachdem die Raumsonde Mariner 10 im Februar 1974 die Venus zum ersten gezielten Swing-By genutzt hatte und so am 29.3.1974 Merkur erreichte, überlegte man ob man nicht auch die zweite Pioneersonde zu Saturn umlenken könnte.

Durch die Neigung der Anflugsbahn um 50° zu Jupiters Umlaufbahn und die nahe Passage wurde Pioneer 11 in eine Bahn umgelenkt, die sie wieder in die Richtung zurückkatapultierte, aus der Sie kam. Die Sonde flog dabei bis zu 100 Millionen km über die (maximal 17 Grad) Ekliptik. Sie näherte sich zuerst wieder der Sonne um dann schließlich nach 5 Jahren bei Saturn anzukommen. Hier konnte die Sonde erstmals den Sonnenwind jenseits der Ekliptik untersuchen und stellte fest, dass es hier ein nur nach Norden ausgerichtetes Magnetfeld gibt, während in der Ekliptik die Feldrichtung zwischen Nord und Süd wechselt.

Himmelsmechanisch war die Bahn allerdings langsam, so dass Pioneer 11 erst ein Jahr vor Voyager 1 bei Saturn am 1.9.1979 ankam. Voyager 1 war aber 4 Jahre nach Pioneer 11 gestartet, so das es sich um einen Umweg von drei Jahren handelte. Zwei Manöver 1975 und 1976 legten den Kurs zu Saturn fest.

Bild von Saturn von Pioneer 11

Ende 1977 musste man daran gehen die Distanz festzulegen in der die Sonde Saturn passieren würde. Es gab zwei Optionen "inside option" mit einer Passage zwischen dem C und D Ring, die man als nahezu materiefrei ansah und "outer option" in sicheren 2.9 Saturnradien Entfernung, derselben Entfernung die auch Voyager 2 haben würde. Da man nur ungenaue Vorstellungen über die Dichte der Ringe hatte differierten die Schätzungen ob die Raumsonde die innere Passage überleben würde zwischen 1 und 99 Prozent. So überlies man es den Verantwortlichen für die Experimente die Entfernung festzulegen und 11 von 12 waren für die innere Option, da man hier auf direkte Messungen des Staubs der Ringe hoffte. Andererseits würde eine zerstörte Sonde nicht Titan beobachten können, denn sie erst nach Saturn passieren würde und die Wissenschaftler vom Voyager Projekt verwiesen auf die Bedeutung dieser Beobachtungen für Voyager. Würde Pioneer zerstört werden, so gingen nicht nur Messungen verloren, man wüsste auch nicht ob Voyager sicher den Saturn in größerer Distanz würde passieren können. So entschied Tom Young, Leiter des Projektes im Mai 1978 das Pioneer die äußere Route nehmen sollte und im Juli 1978 wurden die Kurskorrekturdüsen gezündet um die Sonde auf korrekten Kurs zu bringen.

Die äußere Route bedeutete eine Passage außerhalb des A-Rings, danach wurden die Ringe in einem sicheren Abstand von 2000 bis 10.000 km unterflogen während sich die Sonde weiter Saturn näherte, den sie in 21400 km über den Wolken passierte. Dort erreichte sie eine Geschwindigkeit von 114.100 km/h (31,7 km/s) - von dieser Geschwindigkeit blieb dann nach Verlassen von Saturn noch etwa 9 km/s übrig.

Höchstauflösendes Bild von Saturn

Die Datenrate bei Saturn sank nun wegen der größeren Entfernung auf 256 Bit/s ab (andere Quellen 512 Bit/s). Diese Einschränkung betraf vor allem das Photopolarimeter. Es machte jetzt Bilder eines kleineren Sektors, der nur noch halb so groß wie bei Jupiter war. Ein Bild deckte also nur noch 7 Grad ab mit 256 × 256 Bildpunkten. Die Beobachtungen begannen 10 Tage vor der Begegnung in 8,4 Millionen km. Als die Sonde 5,5 Millionen km Entfernung erreicht hatte, erreichten ihre Bilder die Auflösung die man mit erdgebundenen Teleskopen erreichte. Dies war 6 Tage vor dem Vorbeiflug. Schon 1.5 Millionen km vor Saturn passierte die Sonde den Bugschock des Magnetfeldes am 31.8.1979.

Wie schon Jupiter sah die Sonde auch Saturn aus einer besonderen Perspektive. Die Sonde näherte sich Saturn von "unten", der Seite der Ringe die nicht von der Sonne beleuchtet wird. Dadurch erschienen die Ringe im Gegenlicht. Sonst helle Partien sind dunkel und dunkle Partien hell. Man lenkte die Sonde nahe der Außenkante des Ringsystems an den Ringen vorbei. Die Temperaturen von Saturn wurden zu 100 K ermittelt - er sollte zweieinhalbmal mehr Energie abgeben als er von der sonne erhält. Die Ringe waren ohne diese Heizung kälter und nur 60 bis 75 K "warm". 5 Mikrometeoriteneinschläge von 10 µm Durchmesser wurden nachgewiesen. Da das Instrument eine maximale Zeitauflösung von 77 Minuten hatte, konnte nicht nachgewiesen werden ob sie von den Ringen oder einer weiter draußen liegenden Staubwolke stammten. Nachgewiesen wurden Radioemissionen von Saturn, ein Leuchten im UV-Bereich und eine Wasserstoffwolke mit bis zu 2500 K Temperatur. Eine zweite Wasserstoffwolke konnte rund um die Titanbahn nachgewiesen werden.

Wie Pioneer 11 später entdeckte, endete das Ringsystem aber nicht an der Außenkante des A Ringes. Glücklicherweise war die Sonde durch eine Lücke welche den A Ring vom F Ring trennt geflogen. Die Sonde hatte noch mehr Glück. Als die Sonde nach dem Vorbeiflug von Saturn in 21.000 km Höhe über den Wolken, die Äquatorebene passierte, blieben für 12 Sekunden die Teilchen aus und die Teilchenexperimente maßen einen Rückgang auf 0. Die Sonde musste ganz nah einen Himmelskörper passiert haben, der die Teilchen abgefangen hatte. Es zeigte sich das dies der erst vor 17 Stunden auf einem Foto entdeckte neue Satellit "1979 S1" war (der später den Namen "Janus" erhielt). Dieser hatte den Daten nach inzwischen den Saturn einmal umrundet und Pioneer 11 muss ihn in ziemlich nahem Abstand passiert haben. Spätere Berechnungen ergaben eine Passagedistanz von nur 2500 km. Die Größe von Janus wurde auf 100 bis 300 km geschätzt. (Abmessung in Wirklichkeit unregelmäßig zwischen 173 und 193 km Durchmesser)

Trotz Reduktion der Datenrate bei Saturn machte die Sonde 220 Aufnahmen von Saturn und eine von Titan, dem einzigen großen Mond von Saturn. Die Distanz zu den anderen Monden war zu groß und diese zu klein, als das es sinnvoll erschien von Ihnen Bilder anzufertigen. Sie zeigte jedoch keine Struktur mit Abmessungen von mehr als 500 km, das entsprach dem Auflösungsvermögen des Photopolarimeters. Allerdings waren auch die Aufnahmen von Voyager 1 nicht viel besser, die den Mond 13 Monate später in 4000 km Distanz passierte, denn eine mehrere hundert Kilometer dicke Smogschicht umhüllt den Trabanten. Erst Cassini kann im Infraroten und mit Radar auf seine Oberfläche blicken. Die Sonde hätte auch einzigartige Bilder der Saturnringe im Gegenlicht machen können - leider bewegte sich die Sonde in 10.000 km Entfernung mit 114.000 km/h an diesen vorbei. Zu schnell, um vernünftige Bilder mit dem trägen Photopolarimeter zu erhalten. Diese werden Cassini vorbehalten bleiben. Von den Ringen konnte die Sonde die den dünnen D Ring auf den Fotos nicht nach weisen ebenso wenig den in der Kantenstellung beobachtete E-Ring. Dafür konnte die Sonde auf den Fotos einen neuen Ring, den F-Ring abbilden. Indirekt wurde 600.000 km vom Saturn entfernt ein weiterer Ring nachgewiesen, als die Einschläge von Elektronen und Ionen drastisch zurück gingen, weil diese schon von den Ringteilchen aufgesammelt wurden.

Saturn lenkte die Sonde nun wieder in die Ekliptik um und gab ihr einen kleinen Schubs, allerdings entfernt sich Pioneer 11 langsamer als Pioneer 10 und auch die beiden Voyagersonden von der Sonne. Vier Tage nach der Begegnung wurde das letzte Bild übermittelt. Etwa 10.000 Kommandos wurden in den rund zwei Wochen zu Pioneer 11 gesendet und ausgeführt.

Objekt Distanz
Saturn Wolkenobergrenze 20.200 km
Außenrand A-Ring 36.000 km
Mimas 103.000 km
Enceladus 225.000 km
Dione 291.000 km
Tethys 332.000 km
Rhea 342.000 km
Titan 500.000 km
Hyperion 674.000 km
Iapetus 1 Mill. km
Phoebe 9.5 Mill. km

TitanbildDie Ergebnisse

Da man von Saturn noch weniger als vom Jupiter wusste, lieferte die Sonde hier sehr viele neue Ergebnisse, die auch die Planung der Voyagervorbeiflüge erleichterten. Das Folgende ist nur eine kurze Aufzählung der wichtigsten Ergebnisse:

Die Ringe mit EpimetheusDie Mission nach den Vorbeiflügen

Beide Sonden waren nicht für Missionen weit außerhalb von Jupiter gebaut worden. Doch mit ihren Teilchenexperimenten waren sie ideal, um die Zusammensetzung des interplanetaren Raumes zu untersuchen. Besonders interessant wäre die Untersuchung der Heliopause gewesen, der Grenze an der Sonnenwind auf das intergalaktische Plasma trifft und dabei abgebremst wird. Bei Pioneer 10 musste man den Asteroid/ Detektor schon im Dezember 1973 abschalten. Es folgte das Infrarot Radiometer im Januar 1974 und das Helium Vector Magnetometer (HVM) im November 1975. Der Detektor musste im Oktober 1980 wegen zu geringer Detektor Temperaturen abgeschaltet werden.

Unglücklicherweise ist die Heliopause wie ein Magnetfeld in der Bewegungsrichtung der Sonne auseinander gezogen und genau in diese Richtung flog Pioneer 10. Diese Sonde hatte keine Chance die Grenze zu erreichen. Pioneer 11 fliegt genau in die andere Richtung, ähnlich wie Voyager 1+2. Diese Sonden haben jedoch höhere Geschwindigkeiten und haben diese Sonde schon 1988/89 überholt. Da man bei beiden Sonden sehr früh viele Experimente aus Strommangel abschalten musste, war die Wissenschaftliche Bedeutung der Pioneers nach dem Vorbeiflügen geringer als die von Voyager, die man bis 2025, also fast 50 Jahre lang betreiben kann. Pioneer 10 kam am 13.6.1983 nochmals in die Schlagzeilen, als sie im März die Bahn des Neptuns kreuzte. Bei Pioneer 11 war dies erst am 23.2.1990 der Fall. Damals hatten Sie schon die Raumsonden Voyager 1+2 überholt.

Bei Pioneer 10 wurde ab 1979 eine Abweichung der Bahn von der Sollbahn festgestellt. Pioneer 10 war damals schon über 10 AE von der Sonne entfernt. Der Effekt ist winzig und so ist die Bedeutung umstritten. Einige Wissenschaftler vermuten, dass die Abweichung durch die Anziehung eines weiteren bislang unbekannten Planeten herrührt. Andere halten die Beeinflussung durch den Sonnenwind und Strahlungsdruck der Sonne (der im Jahre 1999 zum Verglühen des Mars Climate Orbiters führte, nachdem man die Kurskorrekturen falsch berechnet hatte) für die Ursache. Auch die thermische Strahlung der RTG könnte die Ursache sein. Am 1.10.1997 fiel ein Schalter für das Radiosystem bei Pioneer 10 aus, seitdem bekommt man keine kohärenten Dopplerinformationen mehr aus denen man die Geschwindigkeit der Sonde mit der nötigen Genauigkeit bestimmen könnte. Pioneer 11, welche in die andere Richtung flog zeigte keine Veränderung in der Geschwindigkeit, bei Voyager 1+2 sind entsprechende Messungen nicht möglich, da sich deren Geschwindigkeit durch die Kalibrierungen des Magnetometers alle 6 Monate ändert. Im Jahre 2005 sammelt die Planetary Society Gelder um die Daten von Pioneer 10 auf 7 und 9 Spur Magnetbändern auswerten zu können und mehr über den Effekt zu erfahren.

Die JuipitermondeBei Pioneer 11 musste man schon im Februar 1985 dazu übergehen die Teilchenexperimente (die anderen Experimente zu betreiben machte keinen Sinn mehr) nacheinander anstatt gleichzeitig zu betrieben, da die Sonde zu wenig Strom für alle Experimente hatte.

Die Sonde hatte mehr Treibstoff als Pioneer 10 durch die Begegnung mit Saturn verbraucht. Am 30.9.1995 stellte man den wissenschaftlichen Betrieb ein, da der Treibstoff an Bord von Pioneer 11 nicht mehr ausreichte die Antenne zur Erde auszurichten.

Zu diesem Zeitpunkt waren noch zwei Experimente aktiv. Am 24.11.1995 flog die Erde nochmals kurz durch die Zone auf, welche die Antenne von Pioneer 11 ausgerichtet war und man bekam für einige Minuten Telemetrie von der Sonde. Danach zeigte die Antenne endgültig von der Erde weg. Die Sonde entfernte sich zu diesem Zeitpunkt mit 2.5 AE / Jahr von der Sonne und war 44.7 AE von der Sonne entfernt. (Eine AE ist die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne oder 149.597.500 km). Pioneer 11 fliegt nun Richtung Sternbild Schütze - zum Zentrum unserer Galaxie.

Pioneer 10 hielt länger durch. Aber auch hier sank die Stromleistung der Radioisotopenbatterien langsam aber sicher ab. Im Jahre 1986 konnten die Sonnensensoren die Sonne nicht mehr finden, weil sie inzwischen zu schwach war. Danach wurde das Photopolarimeter bis 1993 zur Gewinnung von Rollinformationen durch Abbildung von Sternen genutzt. Danach reichte der verbleibende Strom nicht mehr für den Betrieb dieses Instrumentes. Nach dem Ausfall des Asteroidendetektor bei der Passage 1973 und des Mikrodetektors im Oktober 1980 mussten im November 1993 die Ionenfalle und im September 1995 der Plasma Analysator abgeschaltet werden. Im Jahre 1976 fiel der primäre Sender aus und es wurde auf die Reserve umgeschaltet der Programmspeicher des Bordcomputers wurde im September abgeschaltet um Strom zu sparen. Danach wurde die Sonde durch Direkte Kommandos vom Boden aus gesteuert. Mitte 1992 gab es Probleme mit den Empfängern und man konnte nur noch mit den 70 m Antennen die Sonde steuern. Die Datenrate ging zu diesem Zeitpunkt auf 16 Bit/sec zurück. Das Backup Heizelement fiel im März 1993 aus. Die Schutzvorrichtung für Unterspannung musste im Dezember 1993 deaktiviert werden. Von nun an konnte eine Unterspannung zum völligen Ausfall lebenswichtiger Systeme führen. Der Unterspannungsschutz wurde nur noch zeitweise aktiviert wenn die Raumsonde Korrekturmanöver durchführte und dazu auch auf die Batterien zurückgriff.

Im Januar 1996 waren nur noch das UV Photometer und die restlichen 3 Teilchenexperimente aktiv. Am 31.3.1997 wurde der wissenschaftliche Betrieb eingestellt um Geld zu sparen. Es gab aber immer wieder Möglichkeiten aus Budgets anderer Programme Mittel abzuziehen und die Sonde kurz zu kontaktieren, zuletzt im Projekt Lunar Prospector. Pioneer 10 wurde genutzt um an einer ausgedienten Sonde Bodenkontroller für andere Missionen einzuweisen. Dass man dabei noch die Daten von Pioneer 10 empfing war ein angenehmer Nebeneffekt. Trotzdem mussten wegen des sinkenden Stromes immer mehr Instrumente abgeschaltet werden.

Am 17.2.1998 hatte Voyager 1 Pioneer 10 überholt und war nun die entfernteste Sonde. Im Januar 2001 waren nur noch die Geigerzähler (GTT) von James van Allen aktiv. Das letzte Kommando der Erde, das Pioneer 10 noch empfing wurde am 10.2.2000 gesandt. Danach übermittelte Pioneer 10 noch Daten, konnte aber Kommandos der Erde nicht mehr empfangen. Am 27.4.2002 gab es den letzten regulären Empfang von verwertbaren Daten. Danach war das Signal zu schwach um Telemetrie aus ihm zu extrahieren. Das letzte Signal das empfangen wurde, sendete Pioneer 10 am 22.1.2003. Beim nächsten Kontakt am 7.2.2003 war Pioneer 10 stumm. Damit endete nach fast 31 Jahren die Geschichte einer Sonde, die für eine 21 Monate dauernde Mission gebaut worden war. Zu diesem Zeitpunkt war Pioneer 10 etwa 82 AE von der Sonne entfernt und entfernte sich mit 2.6 AE pro Jahr von der Sonne.

Die Bedeutung für Voyager

Voyager RaumsondeMan rechnete schon vor dem Vorbeiflug von Pioneer 10+11 bei Jupiter mit einem ausgedehnten Strahlungsgürtel, da Jupiter eine starke Radioquelle war. Radiostrahlen kommen jedoch nicht nur von Jupiter selbst sondern auch seiner Umgebung - Es sind beschleunigte Elektronen, die Radiowellen aussenden. Doch Pioneer 10+11 zeigten wie stark die Strahlungsgürtel sind. Sie waren stärker als man bis dahin gemeinhin annahm. Die relativ robusten Sonden hatten dies überstanden, genauso die meisten Messinstrumente. Die Pioneers verfügten über keine hochgezüchtete Elektronik und wurden vom Boden aus "kommandiert". Selbst der Speicher bestand aus Magnetkernen, denen Elektronen und Protonen fast nichts anhaben konnten.

Doch Voyager verfügten über Bordrechner aus hunderten von Halbleiterbausteinen, empfindlichere Sensoren. "Wären wir ohne die Pioneers mit den Voyagersonden zu Jupiter geflogen, dann wäre das garantiert schief gegangen", sagte ein Projektmitarbeiter von Voyager später. Als die Ergebnisse der Teilcheninstrumente im Dezember 1973 eintrudelten, war man schon beim Zusammenbau der Sonden, die Experimente und Elektronik waren ausgewählt worden. Daran konnte man nichts mehr ändern. Doch konnte man die Bahnen so legen, dass die Sonden möglichst wenig Strahlung abbekamen, vor allem aber wichtige Teile wie die Elektronik, Computer oder Detektoren von abbildenden Systemen durch Schilde vor Teilchen schützen. So passierte Voyager 1 den Jupiter in 278.000 km Entfernung und Voyager 2 in 650.000 km Entfernung.

Zusammenfassung

Die Pioneer Sonden waren einfache Späher mit beschränkten Möglichkeiten, doch sie machten die Voyager Mission erst möglich. Wie andere Pioneer Sonden waren sie äußert langlebig und arbeiteten im Falle von Pioneer 10 insgesamt 17 mal länger als vom JPL gefordert. Sie waren eben echte "Pioniere". Die folgende Tabelle informiert über wesentliche Details der Mission von Pioneer 10 + 11. Die Gesamtkosten von Pioneer 10 beziffert die NASA bis Ende 1997 auf 350 Millionen $. Davon 200 Millionen für Entwicklung, Bau und Start und 150 Millionen für die Bahnverfolgung und Datenanalyse.

Pioneer 10+11 Daten
Pioneer 10 Pioneer 11
Start 3.3.1972, 1:49 GMT 6.4.1973, 2:11 GMT
Experimente 11 12
Startmasse 270 kg 270 kg
Ankunft an Jupiter 3.12.1973 2.12.1974
minimale Distanz 130.254 km 42.760 km
Bilder von Jupiter 180 121
Ankunft an Saturn - 1.9.1979
minimale Distanz - 20.900 km
Bilder von Saturn - 220
Ende der Mission 22.1.2003 30.9.1995
In einer Entfernung von 82 AE 44.7 AE

Online Quellen

NSSDC Query: NASAs Katalog der Raumsonden und Satelliten

NASA SP-349 The Pioneer Odyssey

Encyklopädia Astronautica


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