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Raumsonden zu den äußeren Planeten

Einleitung

Zu den Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind bisher nur wenige Raumsonden geflogen. Anders als bei meinem Aufsätzen über die Missionen zum Mond, Mars und Venus werden diese daher hier gemeinsam besprochen.

Die Erforschung der äußeren Planeten geschah mehr erst ein Jahrzehnt nach den ersten Missionen zu den inneren Planeten, als die Mondmissionen schon abgeschlossen waren und die ersten Raumstationen die Erde umkreisten. Der Grund ist relativ einfach: Um nur Jupiter zu erreichen benötigt man für einen Direktflug etwa 2.5-3 km/s mehr an Geschwindigkeit als zu den inneren Planeten. Das verringert die Nutzlastmasse auf ein Viertel, oder es ist eben eine Trägerrakete nötig die viermal mehr Nutzlast transportieren kann.

Zum anderen dauert ein Flug zum Jupiter etwa 18-27 Monate, dies bedeutet auch, das die Technik an Bord einer Planetensonde entsprechend ausgereift sein muss um diese lange Reisezeit zu überstehen. Flüge zu den noch weiter außen liegenden Planeten dauern noch länger.

Pioneer 10 (3.3.1972)

Pioneer 10+11 Die erste Raumsonde zu einem der äußeren Planeten war nicht eine aus dem Mariner Programm der USA sondern aus dem Pioneer Programm. Die Pioniers waren einfachere Raumsonden als die Mariners und ihre Aufgabe lag weniger auf der Planetenerkundung als vielmehr auf der Grundlagenforschung. Die meisten Pioneers waren nicht zu einem Planeten gestartet sondern haben den Raum zwischen Sonne und Erde auf Teilchen und Strahlung untersucht.

So war eine Aufgabe der beiden Pioneers auch nicht nur die Erforschung des Jupiters, sondern auch die des Asteroidengürtels, denn beide auf dem Weg zum Jupiter durchqueren mussten. Da man nur von der Erde aus die großen Körper erkennen konnte, war eine offene Frage, ob sich dort viel Staub befindet, der einer Raumsonde gefährlich werden könnte. Die Sonde führte dazu Staubdetektoren mit.

Dies dürfte auch der Grund sein, das man die Schwestersonde Pioneer 11 nicht kurz darauf sondern erst beim nächsten Startfenster, 13 Monate später startete. Pioneer 10 war eine spinstabilisierte Raumsonde, d.h. sie drehte sich langsam um ihre eigene Achse. Eine Atlas-Centaur mit zusätzlicher Oberstufe startete die Sonde am 3.3.1972 zum Jupiter. Trotz der Oberstufe war die Sonde nur 258 kg schwer, wobei 31 kg auf die Experimente entfielen.

Die Sonde verwendete als erste Radionuklidgeneratoren als einzige Stromquelle. Dabei wird die Abwärme von Plutoniumoxid zur Stromgewinnung genutzt. 140 Watt Strom standen beim Start zur Verfügung. Die Mission verlief bis zur Annäherung an den Jupiter am 3.12.1973 glatt. Obgleich der Jupiter sehr groß ist konnte die Sonde nur 180 Bilder machen, zum einen weil die Datenrate im S-Band gering war (1024 Baud), zum anderen weil nur ein einfacher Scanner zur Verfügung stand der die Rotation der Sonde zum Bildausbau nutzte. Das "Teleskop" hatte nur 2.54 cm Öffnung (Ein Sechstel dessen von Voyagers) und so war Jupiter erst in den letzten 2 Tagen beim Anflug Format füllend.

In dieser Phase zeigte sich auch das Jupiter ein Planet anderer Kategorie als die bisher bekannten war. Schon weit vor Jupiter wurde sein großes Magnetfeld detektiert. Nun nahmen bei der Annäherung die Ausschläge der Teilcheninstrumente zu. Pioneer 10 wurde bei der Annäherung mit der 1000 fachen tödlichen Dosis eines Menschen mit Teilchen bombardiert, besonders hohe Werte gab es bei der Passage der Io Bahn, was schon auf eine Verknüpfung des Mondes mit dem Magnetfeld des Jupiters hindeutete. Die Sonde machte einige grobe Bilder der vier größten Monde und verlies dann das Jupitersystem. Noch in Saturnentfernung konnte sie den Magnetschweif von Jupiter nachweisen. Die Sonder verlies das Sonnensystem - beschleunigt durch die Gravitation Jupiters und sandte bis November 1997 Daten. Danach wurde das Programm formell beendet, doch Pioneer 10 wird unregelmäßig weiter kontaktiert. Da der Strom immer weiter abnimmt war allerdings abzusehen, dass die Sonde bald verstummen würde. Am 7.2.2003, nahezu 31 Jahre nach dem Start teilte die NASA mit, dass man endgültig den Kontakt zu Pioneer 10 verloren hat.

Pioneer 10 war für den Bau der Voyager existentiell. Sie beeinflusste nicht nur Experimente und Ziele, sondern stellte auch fest, das der Asteroidengürtel ohne Gefahr passiert werden konnte und vor allem Voyagers Elektronik von der Strahlung bei Jupiter geschützt werden musste. Dies geschah in aller Eile da 1973/74 der Bau schon begonnen hatte. Zusätzlich wurden Bahnen gewählt die möglichst entfernt vom Jupiter sein sollten.

Pioneer 11 (6.4.1973)

Pioneer 10Die Schwestersonde von Pioneer 10 startete ein Jahr später. Sie verfügte über ein zweites Magnetometer für starke Felder. Die Sonde wurde auf einer etwas schnellere Bahn befördert und erreichte schon nach 606 Tagen am 4.12.1974 den Jupiter. Sie sandte 120 Bilder zur Erde.

Pioneer 11 konnte von den Erfahrungen von Pioneer 10 profitieren. Man konnte die Sonde zwar nicht mehr von einem jupiternahen Punkt ablenken, um die Belastung mit Teilchen zu minimieren, aber man konnte sie noch näher an Jupiter bringen, was zur Folge hatte, das die Sonde den Strahlungsgürtel schneller durchflog. Gleichzeitig ergab sich dadurch die Möglichkeit die Bahn von Pioneer 11 durch den Jupiter zu verändern. Da man das erste Swing-By Manöver mit Mariner 10 schon erfolgreich durchgeführt hatte, wählte man die Bahn bei Pioneer 11 so, das Jupiter sie in einem Bogen zuerst wieder Richtung Sonne schleuderte, bis sie am 1.9.1979 Saturn erreichte und diesen passierte. Dabei entdeckte Sie einen neuen Mond nahe der Ringe und machte insgesamt 220 Aufnahmen. Die Datenrate betrug bei Saturn nur noch 512 Baud.

Wie Pioneer 10 hat Pioneer 11 die aktive Lebensdauer weit überschritten. Am 30.9.1995 war der Treibstoffvorrat an Bord erschöpft, die Antenne verlor langsam den Kontakt zur Erde ohne Korrektur. Sie wurde am 31.9.1995 abgeschaltet als die Signale immer schwächer wurden um Kosten zu sparen. Pioneer 11 entfernt sich langsamer als die Voyagers von der Sonne und wurde inzwischen von beiden Voyagers überholt. Mehr über die Pioneer Sonden auf einer eigenen Seite.

Voyager 1 (5.9.1977)

Swing-.BY Prinzip Über die Voyager Mission gibt es einen eigenen Artikel. Hier nur das kürzeste. Voyager begann als Projekt Ende der sechziger Jahre Gestalt zu nehmen. Man entdeckte, das eine zwischen 1977 und 1979 gestartete Sonde zu Jupiter in relativ kurzer Zeit nacheinander die Planeten Jupiter-Uranus-Neptun, Jupiter-Saturn-Pluto oder sogar Jupiter-Saturn-Uranus-Neptun passieren könnte. Diese Gelegenheit würde sich erst in 176 Jahren (Einem Neptun Umlauf) wieder ergeben.

Zuerst wollte man dies optimal ausnutzen und bei jedem Planeten einen Orbiter aussetzen. Als Trägerrakete wäre dann nur eine Saturn 5 in Frage gekommen. Doch schon bald nach der Apollo 11 Landung zeichnete sich ab, das auch für unbemannte Großprojekte kein Geld vorhanden sein würde. Das Projekt "Grand Tour" wurde immer mehr verkleinert und umfasste schließlich nur noch zwei Raumsonden mit 825 kg Gewicht, die mit einer Titan mit zusätzlicher Centaur Oberstufe gestartet werden sollten.

Man erwartete eine aktive Lebensdauer von 4 Jahren und plante nur eine Mission bis zum Saturn. Schon das war angesichts des damaligen technischen Standes vor allem der empfindlichen Mikroelektronik sehr optimistisch. Sollte die Sonden in technisch einwandfreiem Zustand sein, so behielt man sich für eine der beiden Sonden eine Verlängerung bis zum Uranus oder sogar Neptun vor.

Gegenüber den Pioneer Sonden waren die Voyager sehr viel weiterentwickelt. Sie hatten strahlungsresistente Elektronik bekommen. Trotzdem wollte man sich Jupiter weitaus weniger stark nähern. Sie waren dreiachsenstabilisiert, was erhebliche Verbesserungen für abbildende Experimente war. So verfügten Sie über kleine Teleskope, die Jupiter schon einen Monat vor der Ankunft bildfüllend zeigten. Die wesentlichste Neuerung war aber eine Hochleistungsantenne die im X Band operierte. Sie konnte aus Jupiterentfernung noch 115.200 Baud übertragen. Dadurch waren sehr viele Bilder möglich, zusätzlich konnten noch 100 Bilder auf Magnetband gespeichert werden.

Teil der Missionen waren auch erstmals die Monde der Planeten. Bei Jupiter und Saturn plante man die Bahnen so, das jeweils eine Sonde jeweils bestimmte Monde nahe passierte und die zweite Sonde andere erkundete. Vor Voyager hatte man lediglich 3 Monde im Sonnensystem in Detail fotografiert, Voyager fügten diesen 20 weitere hinzu. Darüber hinaus entdeckten sie bei jedem Planeten neue Monde.

Beide Voyager Raumsonden waren identisch aufgebaut und beim Start 825 kg schwer. Die Kommunikation zur Erde geschah über eine 3.7 m Antenne im X Band. 12 Experimente von 105 kg Gewicht trugen die Sonden an Bord. Die Stromversorgung geschah über 3 Radioisotopenbatterien mit anfangs 480 Watt Leistung. Mehr über die Technik der Sonden und ihrer Experimente in einem eigenen Aufsatz.

Bei der Ankunft am Jupiter am 5.3.1979 lag die Aufgabe von Voyager 1 bei der Erkundigung von Kallisto und vor allem Io. Die Sonde entdeckte auf dem Mond aktive Vulkane. Ganymed und Europa wurden aus größerer Entfernung aufgenommen. Die Entdeckung geologisch aktiver Monde war völlig überraschend. Man hatte dies vor Voyager in solcher Entfernung von der Sonne nicht erwartet. Doch Monde sollten auch bei der nächsten Begegnung bei Saturn eine wichtige Rolle spielen. Das Kamerasystem erlaubte es Jupiter schon 80 Tage vor der Ankunft aufzunehmen. Die Beobachtungen wurden bis zum Eintreffen von Voyager 2 fortgesetzt und insgesamt über 15.500 Bilder zur Erde gesandt. Durch die nähere Passage an Jupiter stieg der Vorsprung bei Saturn von 4 Monaten auf 9 an. Die Sonde erreichte den Saturn am 12.11.1980, konnte aber schon drei Monate vorher mit den Erkundigungen beginnen. Die Sonde entdeckte zahlreiche neue Monde, und vor allem das die Saturnringe aus mindestens 100 Einzelringen bestehen. Die Sonde hatte die Aufgabe die Monde Mimas, Dione, Rhea und vor allem Titan zu untersuchen, von dem man schon wusste, das er eine Atmosphäre hatte und daher lenkte man die Sonde bis auf 5650 km an Titan heran. Visuell war Titan eine Enttäuschung. Er war vollkommen von Wolken bedeckt, jedoch konnten die Instrumente die Zusammensetzung der Atmosphäre vermessen. Die Passage an Titan hatte aber eine Flugbahn unter dem Südpol von Saturn zur Folge, die bewirkte, das die Sonde aus der Ekliptik herausgeschleudert wurde und nicht weitere Planeten besuchen konnte.

Voyager ist heute noch aktiv, auch wenn mangels Strom verschiedene Instrumente abgeschaltet worden sind. Mit fortschreitendem Strommangel wird dies auch noch eine Weile weitergehen. Nach und nach müssen mehr Instrumente abgeschaltet werden oder in einen Timesharing Betrieb übergehen. Bis etwa ab dem Jahre 2020 nicht mehr genug Strom für den Betrieb der Sonde zur Verfügung steht. Dann muss die Sonde nach über 43 Jahren Dauerbetrieb abgeschaltet werden. Bis zu diesem Zeitpunkt wird die Sonde 22.5 Mrd. Kilometer Entfernung zur Erde erreicht haben. Ein Funksignal benötigt für diese Strecke ca. 21 Stunden. Man hofft, das vorher die Sonden noch die Heliopause, das ist die Zone an der Partikelstrom der Sonne endet und das interstellare Medium beginnt erreichen und Messungen von diesem machen.

Voyager 2 (20.8.1977)

Voyager 1+2 Voyager 2 startete vor ihrer Schwestersonde, erreichte ihr Ziel Jupiter aber später, so das es hier angebracht ist ihre Mission als zweites zu beschreiben. Die Abstände zwischen Voyager 1+2 gaben den Wissenschaftlern die Möglichkeiten das Forschungsprogramm zu ändern. Die Sonde erreichte den Jupiter 4 Monate später am 9.7.1979. So suchte Voyager 2 gezielt nach dem neu entdeckten Ring von Voyager 1 und nahm auch weitere Bilder von Io auf, obgleich er in ungünstiger Entfernung war. Die Sonde passierte die beiden Monde an denen Voyager 1 nur in großer Entfernung vorüberflog: Europa und Ganymed. Noch besser war die Zusammenarbeit bei Saturn, den die Sonde am 25.8.1981 erreichte. 9 Monate Ankunftsunterschied ließen es zu, das man das Messprogramm der Sonde so abänderte, das sie alle unverstandenen oder neuen Phänomene noch einmal in Detail untersuchte. Die Sonde konnte die Zahl der Saturnringe auf mehrere Tausend erweitern, und gezielt nach neuen Monden suchen bzw. die neu entdeckten aus der Nähe aufnehmen. Bei der Passage der Ringebene geschah jedoch ein Unglück, aus dem Kameraarm war Schmiermittel ausgetreten, und er lies sich fast einen Tag nicht bewegen. Die Bilder von Enceladus, Titan und Tethys gingen dadurch verloren. Gewonnen wurden Aufnahmen aus größerer Entfernung und Bilder von Hyperion, Iapetus und Phoebe.

Schon vor der Begegnung mit Saturn bekam die NASA grünes Licht für die Weiterführung der Mission bis zu Uranus. Diesen erreichte die Sonde erst nach 5 Jahren am 24.1.1986. In der Zwischenzeit war die Sonde umprogrammiert worden um mehr Daten zu gewinnen, denn sowohl Datenrate, wie auch die Größe der Objekte die man aufnehmen wollte nahmen ab. Die Begegnung mit Uranus war jedoch weitaus weniger spektakulär als die vorangegangenen. Uranus wies keinerlei Details auf und die Bahnen der Monde lagen im 90° Winkel zur Sonde, so, das Voyager 2 sie nicht nacheinander in kleiner Entfernung passieren konnte. Jedoch gelangen wiederum 6000 Aufnahmen, es wurden 10 neue Monde und weitere Ringe um Uranus entdeckt.

Die letzte Mission war die Passage an Neptun, die annähernd 12 Jahre nach dem Start und auf den Tag genau 8 Jahre nach der Saturn Begegnung stattfand. Die Sonde hatte hier ein wesentlich attraktiveres Ziel als bei Uranus. Schon aus großer Entfernung waren Stürme zu erkennen. Neptun hatte damals nur einen großen Mond Triton, den Voyager aus nächster Nähe erkundete. Dazu wurde die Sonde bis auf 5000 km an Neptun herangeführt. Wie bei Io wurde geologische Aktivität in Form von Geysiren und sogar einer Atmosphäre gefunden. Nebenher entdeckte Voyager neue Monde und fotografierte die Ringe Neptuns.

Wie Voyager 1 ist Voyager 2 auch heute noch - 25 Jahre nach dem Start - aktiv. Die Sonde wird wahrscheinlich ab dem Jahr 2020 abgeschaltet werden müssen. Sie wird dann eine Distanz von 18 Mrd. Kilometern von der Erde erreicht haben. Voyager haben für die Planetenforschung wohl die Rolle gespielt die Kolumbus, Magellan und Cook auf der Erde einnahmen: Sie eröffneten erste Blicke in neue Welten. Dazu gehören nach Voyager nicht nur die 4 Planeten sondern auch ihre Monde von denen Voyager über 30 neu entdeckt haben. Das es im äußeren Sonnensystem, sogar in der Entfernung von Neptun noch geologisch aktive Himmelskörper gibt war vorher unvorstellbar.

Galileo (18.10.1989)

GalileoGalileo entwickelte sich zu einer tragischen Sonde. Ursprünglich als Jupiter Orbiter Probe (JOP) aufgelegt nach den Voyager Raumflügen, machte die Sonde viele Schicksalsschläge durch. Geplant war eine Raumsonde welche die galileischen Monde genauer untersuchen sollte, deren Bilder von Voyager 1+2 so Aufsehen erregend waren. Hinzu kam eine Kapsel die in die Jupiteratmosphäre einrauchen und ca. 60 min lang Daten senden sollte. Um die Sonde zu finanzieren suchte man nach Partnern und fand einen in der Bundesrepublik, die einige Experimente an Bord der Kapsel und das Antriebssystem stellte. 1977, als gerade Voyager in die Startphase ging wurde das Projekt gestartet. Es profitierte von Voyager, da die dort beteiligten hier die nächste Generation weiter entwickelter Instrumenten einsetzen konnte.

Der Start war für 1982 vorgesehen, wodurch ein naher Marsvorbeiflug möglich wäre. Als Ronald Reagan Präsident wurde, wollte er die Sonde streichen, obgleich sie zu 90 % fertig gestellt wurde. Proteste aus Amerika und Deutschland konnten dies jedoch verhindern. Deutschland ist auch zu 10 % an Galileo beteiligt. Es baut das Antriebssystem (von den Symphonie Satelliten übernommen) sowie 3 Instrumente für die Landekapsel und eines für den Orbiter. Doch bald zeigte sich das dies nicht möglich war. Die Sonde mit 2.3 t drei mal schwerer als Voyager wäre als erste von dem Space Shuttle gestartet worden, wobei eine besondere Version der Centaur Oberstufe die hohe Geschwindigkeit aufgebracht hätte. Doch der Start des Shuttles verschob sich von 1979 auf 1981 und auch danach konnte die hohe Startfrequenz nicht erreicht werden. So rutschte der Start von Galileo zuerst auf 1985, dann auf 1986. Man erwog zeitweise die Sonde mit einer Titan 34C zu starten, wobei man aber Orbiter und Atmosphärensonde hätte trennen müssen. So wurde die Sonde mehrfach eingelagert.

Als 1986 der Start endlich absehbar war, kam die Challenger Katastrophe. Nicht nur, das sie eine Verzögerung von weiteren 3 Jahren zur Folge hatte, nein auch eine Centaur Oberstufe dürfte nun nicht mehr an Bord. Mit der leistungsschwächeren IUS konnte die Sonde aber niemals zum Jupiter gelangen. So entschloss man sich die Sonde zuerst zur Venus, dann zweimal zur Erde zu senden. Nach zwei Sonnenumläufen hätte die Sonde dann durch die Swing-Bys die nötige Geschwindigkeit erhalten. Die Reisedauer stieg allerdings von 2 auf 6 Jahre. Als Nebeneffekt konnte man auch die faltbare Hauptantenne erst nach der Venuspassage entfalten, weil diese nicht für eine so nahe Sonnenentfernung ausgelegt war. Sie war von den TDRS Nachrichtensatelliten übernommen worden.  Am 18.10.1990 startete der Space Shuttle mit einer IUS Oberstufe Galileo, zuerst zur Venus. Die Projektkosten hatten sich vor allem durch die Verzögerungen bedingt durch den nicht verfügbaren Space Shuttle und mehrfaches Umplanen fast verdoppelt auf 1354 Millionen USD.

Dies sollte sich noch rächen, so konnte man die Hauptantenne nicht vor dem Start zur Venus prüfen (und bei Defekt die Sonde wieder zur Erde zurückbringen oder reparieren). Als man dann die Hauptantenne nach der ersten Erdpassage entfalten wollte, klappte es nicht. Wie man später bei Versuchen auf der Erde feststellte war aus 3 Streben das Schmiermittel ausgelaufen, wahrscheinlich durch den mehrmaligen Transport auf Trucks, kreuz und quer durch die USA vom JPL in Kalifornien zum Startplatz in Cape Canaveral.

Damit aber ging die Datenrate bei der Ankunft bei Jupiter am 7.12.1995 von 134000 auf 40-160 Baud zurück. Unmöglich schien es damit Bilder zu machen, eines hätte einen ganzen Tag zur Übermittlung gebraucht. Man implementierte an Bord die JPG Komprimierung um die Datenrate wieder etwas zu steigern, vor allem aber mussten alle Instrumente in ihren Daten zurückstecken. Auf der Strecke blieben die vollständige Vermessung des Radiogürtels, die Bilder von Jupiter und die globalen Bilder der Monde. Die Nahaufnahmen bei den Vorbeiflügen blieben. Am 7.12.1995 übermittelte die Atmosphärensonde Daten an den Orbiter, der sie dann zur Erde weiterleitete. Sie arbeitete 58.6 Minuten bis zu einem Druck von 24 Bar und Temperaturen von 150°C. Der Orbiter hatte erneute Probleme am 11.10.1995 hatte er 3 Aufnahmen des Jupiters auf den Bandrekorder geschrieben, doch als diese abgerufen werden sollten drehte der Bandrekorder durch: 15 Stunden lang scheuerte er auf derselben Bandstelle. Die Bandführung war verklebt. Damit schien die Mission am Ende, denn ohne Bandrekorder war es aussichtslos Daten zu gewinnen. Galileo hatte nicht genug Arbeitsspeicher um auch nur ein Bild zwischenzuspeichern. Am 20.10 konnte man das Band mit verringerte Geschwindigkeit spulen, man entschloss sich dann, den Bandanfang nicht zu nutzen. Doch mit den 150-300 Aufnahmen von Io dem die Sonde nur beim Eintritt in die Umlaufbahn bis auf 900 km nah kam, war es nun zu Ende. Die Daten der Atmosphärenkapsel hatten absolute Priorität.

Nach der Primärmission vom Dezember 1995 bis Dezember 1997 schloss sich die Galileo Europa Mission bis Dezember 1999 an, von der man sich 1000 weitere Bilder erhoffte, die jedoch schon durch Ausfälle der Elektronik litt. Wie der Name besagt ging es nun vordinglich um nahe Vorbeiflüge an Europa. Ein noch weiter reduziertes Programm schloss sich danach von 2000-2001 an, die Galileo Millennium Mission. Hier sollte der nahe Io Vorbeiflug nachgeholt werden und auch Bilder des Mondes Amalthea entstehen, doch durch die nochmalige Absenkung des planetennächsten Punktes fiel sehr oft die Elektronik aus, just dann wenn die Sonde sich nahe ihren Zielen Io und Amalthea befand. Seit Ende 2001 übermittelte Galileo keine wissenschaftlichen Daten mehr. Danach wurde die Sonde in eine Bahn umgelenkt, die sie am 21.9.2003 in der Jupiteratmosphäre verglühen ließ. Die Treibstoffvorräte waren nahezu erschöpft und wenn die Sonde im Jupitersystem geblieben wäre, so wäre sie mit Sicherheit in absehbarer Zukunft auf einen der 4 großen Monde aufgeschlagen. Da man aber auf Europa zumindest die Chance dass sich dort Leben bildet nicht ausschließen kann wollte man dieses Risiko nicht eingehen. Die Sonde lieferte bis zu einer Höhe von 9820 km über Jupiters Atmosphäre, 6 Minuten vor dem Eintritt Daten. Diese ließen Rückschlüsse über den innersten Strahlungsgürtel des Jupiters.

Insgesamt hat Galileo - auch durch die zweimalige Verlängerung der Mission - zwar einen Teil der Missionsziele erfüllt. Jedoch vergleicht man die Ergebnisse mit den Erwartungen, oder dem was Cassini bei Jupiter and Daten lieferte, dann muss man die Mission als teilweise gescheitert ansehen. Galileo weckte aber auch das Interesse an den kleinen Himmelskörpern durch zwei nahe Passagen an den Asteroiden Gaspra und Ida. Mehr über Galileo in einem eigenen Aufsatz.

Cassini (15.10.1997)

Cassini Cassini ist nicht nur die schwerste jemals gebaute Raumsonde, es ist mit Sicherheit das letzte Großprojekt seiner Art. Cassini hat als Aufgabe den Saturn, seine Ringe und seine Monde zu erkundigen. Besondere Aufmerksamkeit schenkt man dabei Titan, denn die Sonde zu Bahnänderungen sehr oft passieren muss. Die neuen Kameras von Cassini sind auch fähig einen Teil des Dunstes zu durchdringen, eventuell bis zur Oberfläche. Aber auch Radaraufnahmen mit der Hauptantenne sind geplant.

Wie Galileo ist auch Cassini nicht in der Lage direkt zu Saturn zu fliegen. Bach dem Start mit einer Titan IVB Centaur (der leistungsfähigsten US Rakete) flog Cassini zuerst zweimal an der Venus (21.4.1998 / 20.6.1999) und dann am 16.8.1999 an der Erde vorbei. Anders als bei Galileo nutzte man die Venus Begegnungen nicht zu wissenschaftlichen Erkundigungen des Planeten, obgleich diesmal die Sonde voll funktionsfähig war (man verwendet nun eine Metallschüssel für die Antenne anstatt der Streben von Galileo). Es fehlte dazu das Geld. Bei der Begegnung mit Jupiter am 30.12.2000 machte die Sonde aber über 5 Monate über 26000 Bilder. Allerdings nähert sich Cassini Jupiter nur bis auf 9.8 Millionen km, gerade genug um die Bahn zu Saturn umzulenken, aber nicht zuviel Geschwindigkeit aufzunehmen - diese muss mit dem Treibstoff bei Saturn abgebaut werden. Dies reicht nicht für Aufnahmen der Monde, aber Jupiter ist durch seine Größe auch aus dieser Entfernung gut untersuchbar.

Von der 5655 kg schweren Sonde entfallen alleine 3132 kg auf den Treibstoff um in den Orbit einzubremsen. 416 kg entfallen auf die 18 Experimente an Bord von Cassini und Huygens. 343 kg wiegt die europäische Sonde Huygens die am 14.2.2005 auf Titan abgesetzt werden soll. Letztere ist nur für eine Lebenszeit von max. 3 Stunden ausgelegt, soll aber beim Abstieg und eventuell von der Oberfläche Bilder zur Erde senden. Ansonsten gelten die wichtigsten Untersuchungen von Huygens - einer rein europäischen Sonde - der Atmosphäre des Titan. Allerdings gibt es Probleme mit dem Drift des Senders von Huygens der eine Änderung der Mission nötig machte.

Die Sonde selbst kam am 1.7.2004 bei Saturn an und soll diesen über mindestens 4 Jahren erkundigen. Ab Februar 2004 beginnt die Erkundung. Die Dauer der Orbits wird dabei durch die Titan Vorbeiflüge (40 sind geplant) langsam von 146 auf 8 Tage gesenkt. Mindestens 7 dichte Vorbeiflüge (<10.000 km) an Enceladus, Dione, Rhea und Iapetus sowie 30-40 weitere dichte Vorbeiflüge im Abstand von 100.000 km (einem Abstand der typisch für Voyager Begegnungen war). und weniger wird es geben. Besonderes Augenmerk gilt neben Saturn auch Titan, man hofft mit den Instrumenten erstmals bis zur Oberfläche vordringen zu können. Mehr über Cassini, ihre Instrumente, die Titan Landesonde Huygens und die Problematik der Radioisotopengeneratoren auf weiteren Seiten in dieser Website.

Die Mission wurde inzwischen verlängert und wird bis mindestens 2012 aktiv sein. Huygens gelang nicht nur der Abstieg zum Titan, sondern die Sonde war auch noch aktiv, als sie den Funkkontakt zu Cassini verlor. Sie funkte zahlreiche Meßwerte und Fotos vom Abstieg und der Oberfläche des Titans zur Erde.

New Horizons (19.1.2006)

New HorizonsNach fast 10 Jahren Pause startete wieder eine Raumsonde zu einem äußeren Planet. New Horizons soll erstmals den Pluto erkunden und passierte durch die bisher höchste Startgeschwindigkeit schon im Februar 2006 den Jupiter. Es ist die erste Sonde zum Pluto die umgesetzt wurde. Zahlreiche Projekte wurden seit Beginn der neunziger Jahre vorgeschlagen und abgelehnt oder wie die Raumsonde Pluto Kuiper Express während der Entwicklung gestrichen.

New Horizons konnte umgesetzt werden, weil die Raumsonde durch Verwendung von Teilen von schon gebauten Sonden und bewährter Technologie finanziell überschaubar war und sich Öffentlichkeit und US Kongress gegen die Bush Administration und NASA Führungsetage für die Mission aussprachen. New Horizons ist eine einfache Raumsonde mit fest angebrachten Experimenten. Sechs Experimente haben die Aufgabe Teilchen und Staub zu messen sowie mit Fernerkundungsinstrumenten Pluto und Charons Atmosphären und Oberflächenzusammensetzung zu messen und Fotos anzufertigen. Erstmals wird eine Raumsonde den Staub jenseits der Saturnbahn bestimmen.

Den größten Teil der Reise von 9 Jahren wird die Sonde inaktiv ("Schlafmodus") sein und nur einige Wochen pro Jahr durchgecheckt. Aufgrund der schwachen Sender und kleinen Sendeantenne wird die Sonde die meisten Daten auf einem 16 GByte großen internem Speicher ablegen und nach dem Vorbeiflug an Pluto über Monate zur Erde übertragen.

New Horizons wiegt lediglich 478 kg und brauchte um direkt zu Pluto zu fliegen trotzdem die größte US Trägerrakete, eine Atlas 551 für den Start. Die Sonde führt 6 Experimente mit. Der Vorbeiflug am Jupiter ist am 28.2.2007 in 2.3 Millionen km Entfernung vorgesehen. Er wird auch für eine Beobachtung genutzt. Danach wird die Sonde inaktiviert bis etwa 5 Monate vor dem Vorbeiflug an Pluto am 14.7.2015.

Aufgrund der großen  Treibstoffvorräte ist es möglich danach einen kleinen Planetoiden des Kuiper Gürtels zu besuchen. Rein statistisch müsste einer von 20-50 km Größe im Flugpfad liegen. Doch dieser muss erst noch entdeckt werden. Die letzte Entscheidung muss etwa 1 Jahr vor dem Pluto Vorbeiflug fallen. 

New Horizons kostet rund 723 Millionen Dollar.

Juno (5.8.2011)

JunoDie nach New Horizons zweite New Frontiermission Juno ist nach Galileo die erste die Jupiter wieder umkreist. Anders als Galileo wird Juno nach dem Einschwenken in einen Übergangsorbit 33 Umläufe von 1 Tage Dauer ohne Veränderung der Bahn durch die Monde absolvieren. Damit dies geht bewegt sich Juno auf einer polaren Bahn. Die Raumsonde hat die Aufgabe die Atmosphäre, das Magnetfeld und die Strahlengürtel Jupiters zu beobachten sowie seinen inneren Aufbau festzustellen. Daher verfügt sie vor allem über Spektrometer für die Untersuchung der Atmosphäre im UV und IR, Strahlungs- und Magnetfelddetektoren, Plasmaantennen und ein Mikrowellenradiometer. Mit einem X- und Ka-Band wird die Sonde genau verfolgt und damit das Gravitationsfeld von Jupiter bestimmt. Die einzige Kamera an Bord, die Junocam ist für Öffentlichkeitsarbeit ausgerichtet, nicht jedoch als wissenschaftliches Instrument.

Juno wiegt beim Start 3625 kg, doch davon sind über 2000 kg nur Treibstoff. Die schwere Sonde kann Jupiter trotz der leistungsstarken Atlas 551 Trägerrakete nicht direkt erreichen und wurde zuerst auf eine zwejährige Sonnenumlaufbahn geschickt. Ein Vorbeiflug an der Erde am 9.10.2013 beschleunigte sie soweit, das sie den Jupiter im Juli 2016 erreichen wird. Nach dem Durchlaufen eines ersten Einfangsorbits zündet die Sonde im Oktober 2016 ihr Triebwerk erneut und erreicht den endgültigen Orbit mit einer Umlaufdauer von 11 Tagen.

Nach 33 Umläufen, weniger als einem Jahr wird die Sonde gezielt deorbitiert um eine Verseuchung von Europa zu vermeiden. Juno setzt als erste Sonde im äußeren Sonnensystem nur Solarzellen als Energiequelle ein. Spezielle Zellen für niedrige Temperaturen und niedrige Lichtmenge wurden getestet und auch ihre Strahlungsresistenz untersucht. Anstatt besonders strahlungsresistente Elektronik zu entwickeln wurde die gesamte Elektronik von einem Kasten mit bis zu 1 cm starken Titanwänden umgeben.

Juno kostet inklusive Start 1,1 Milliarden Dollar.

Fazit

Was den Erfolg betrifft, so waren die bisherigen Missionen zu den äußeren Planeten erheblich erfolgreicher als die zum Mond, Mars oder zur Venus. Allerdings sind es bislang nur 6 Missionen mit nur zwei Orbitern. Mit weiteren ist nur begrenzt zu rechnen. Eine Sonde zum Jupitermond Europa wurde seit den Galileo Ergebnissen, dass Europa einen Ozean unter dem Eis besitzt 3 mal geplant und 3 mal eingestellt. Im Jahre 2006 ist als einzige Sonde Juno (Jupiter Polar Orbiter) geplant. Dies ist ein polarer Orbiter zur Untersuchung der Atmosphäre und des Magnetfelds von Jupiter.

Grundsätzliche Probleme bei Missionen ins äußere Sonnensystem ergeben sich aus den langen Reisezeiten = höhere Missionskosten und den schwereren Raumfahrtgeräten. Dadurch wird eine größere Trägerrakete benötigt. Selbst bei Swing-Bys wiegen Sonden ins äußere Sonnensystem durch große Antennen und die schweren Radionuklidgeneratoren deutlich mehr als Missionen zum Mars. Die Radionuklidgeneratoren welche Plutonium 238 enthalten, stehen zudem in der Kritik der Öffentlichkeit die eine radioaktive Verseuchung bei einem Unfall befürchtet. Für Jupiter gibt es nun leichtgewichtige und trotzdem ausreichend leistungsfähige Solarzellen als alternative Stromversorgung.


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