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BepiColombo - Die Ursprünge und die Geschichte

Die Raumsonde BepiColombo ist die erste ESA Raumsonde zum Planeten Merkur und nach Rosetta die bisher kostspieligste des ESA Programmes. Um die Raumsonde und ihre wechselvolle Geschichte zu würdigen habe ich den Artikel in mehrere Teile aufgespalten. Dieser erste Teil informiert über die Projektgeschichte von den Anfängen bis zum Start. Der zweite Teil dann über die Raumsonde selbst und ihre Instrumente.

Die Erforschung von Merkur

Merkur führt als sonnennächster Planet ein Stiefmütterchendasein. Er ist sowohl mit Teleskopen schwer beobachtbar wie auch bisher kaum von Raumsonden erforscht. Es gab bisher nur zwei Missionen zu Merkur. 1974 - 1975 passierte die US-Raumsonde Mariner 10 dreimal den Planeten. Dies war die erste Vorbeiflugmission die den Swing-By Effekt ausnutzte. Aufgrund der Tatsache, dass die Umlaufsdauer der Sonde auf ihrer Bahn 176 Tage betrug und Merkur in 59 Tagen um seine eigene Achse rotiert. sah die Sonde aber den Planeten dreimal von derselben Seite, da die Rotationsperiode genau ein ein Drittel der Umlaufperiode betrug. Die Tatsache das Merkur in zwei Umläufen um die Sonne dreimal um die eigene Achse rotiert ist eine der Merkwürdigkeiten des Planeten. Eine zweite ist die Bahn. Sie ist stark exzentrisch, die exzentrischste Bahn aller Planeten. Merkur nähert sich bis auf 46,1 Millionen km an die Sonne und entfernt sich bis auf 69,8 Millionen km von ihr. Das Perihel dreht sich sogar langsam um die Sonne. Dies ist verschiedenen Einflüssen geschuldet. Der letzte Rest dieser Bewegung konnte erst durch Einsteins Relativitätstheorie geklärt werden.

Mariner 10 zeigte einen mit Kratern übersättigten Planeten, es wurden aber auch Anzeichen für Vulkanismus gefunden. Merkur hat die höchste Dichte  aller Planeten (wenn man die Kompression durch die oberen Gesteinsschichten berücksichtigt) und einen sehr großen Eisen-Nickelkern. Trotz der langsamen Rotation hat Merkur ein schwaches Magnetfeld, wie Mariner 10 feststellte.

Die Erforschung von Merkur ist nicht einfach. Neben dem hohen Energiebedarf (siehe nächster Absatz) um in eine Umlaufbahn einzuschwenken macht die sonnennahe Umlaufbahn die Erforschung schwer. Mariner 10 passierte Merkur nahe des Perihels ihrer Bahn. Näher als 67 Millionen km kam sie dem Planeten nicht. Ein Merkurorbiter würde aber Merkur auf seiner Bahn um die Sonne folgen und sich so bis auf 46,1 Millionen km nähern. Das ist weniger als ein Drittel des Erdabstandes und korrespondiert mit einer Sonneneinstrahlung von 14 kW/m². Auf dem Erdboden kommt unter guten Umständen etwa 1 kw/m² an und in einer Erdumlaufbahn sind es 1,36 kW/m². Doch 1975 / 1976 erreichten die deutschen Helios Sonden ein Perihel das bei 43,4 Millionen km Entfernung lag, also noch darunter. Die Technologie stand also bereit. Bei Helios ging dies aber nur dadurch dass die Sonde rasch rotierte.

Für eine Sonde die den Merkur umkreist gibt es aber noch ein anderes Problem. Da der Planet sich je nach Breitengrad auf bis zu 425 Grad Celsius aufheizt emittiert er selbst viel Wärmestrahlung. Man kann zwar eine Sonde durch einen Schutzschild vor zu starker Sonnenstrahlung schützen und die Solarpaneele schräg stellen, sodass die Sonne sie nur streifend passiert und sie sich so nicht überhitzen (sie würden dann keinen Strom mehr liefern) aber zwei Schilde für Sonne und Merkur gehen nicht, auch weil sich die Position von Merkur relativ zur Sonne dauernd ändert. Zudem sollen die Instrumente ja den Merkur beobachten. Die Lösung ist bei BepiColombo wie auch bei Messenger die gleiche: man schwenkt in einen elliptischen Orbit ein, bei dem der planetennächste Punkt auf der Nachtseite liegt die keine Strahlung abgibt. Auf der sonnenzugewandten Seite nimmt die Entfernung dagegen rasch zu.

2004, mehr als 30 Jahre nach Mariner 10 startete die US-Raumsonde Messenger die nach 6 Jahren in eine Umlaufbahn um Merkur einschwenkte. Sie kartierte den Planeten beim Vorbeiflug in Farbe, aus dem Orbit dann in höherer Auflösung allerdings nur monochrom. Die Mission wurde mehrfach verlängert bis Messenger nach vier Jahren (geplante Missionsdauer 1 Jahr) der Treibstoff ausging und sie am 30.4.2016 auf der Oberfläche zerschellte. Aufgrund der starken Nähe zur Sonne sind Umlaufbahnen um Merkur nicht stabil. Ohne dauernde Anhebungen des Periherm sinkt es laufend ab und schließlich zerschellt die Raumsonde auf Merkur. Den sonnennächsten Punkt einer Bahn um Merkur nennt man Periherm, den sonnenfernsten nennt man Apherm.

Wie kommt man zu Merkur?

Merkur ist der innerste Planet. Anders als die anderen beiden erdnahen Planeten wie Venus und Mars ist er aber nur mit hohem Energieaufwand zu erreichen. Man benötigt um Merkur zu erreichen fast dieselbe Energie um Jupiter zu erreichen. Die minimalen Startgeschwindigkeiten auf Hohmann-Transferbahnen betragen:

Transferbahn zu .. Perihel / Aphel Geschwindigkeit in der Transferbahn relativ zur Erdoberfläche   Geschwindigkeit relativ zum Planeten
Merkur 69,8 Mill. km 14.453 m/s   7823 m/s
Merkur 46,1 Mill. km 12.569 m/s   12.051 m/s
Venus, 108,2 Mill. km 11.308 m/s   2.706 m/s
Mars 206,1 Mill. km 11.268 m/s   3.290 m/s
Mars 249,2 Mill. km 11.575 m/s   1.989 m/s
Jupiter 778,4 Mill. km 14.106 m/s   5.648 m/s

Da die Geschwindigkeit von der genauen Bahn abhängig ist und Mars und Merkur elliptische Bahnen als Venus und Jupiter haben, habe ich für diese Planeten jeweils die Werte für eine Transferbahn mit einem Perihel/Aphel in dem sonnennächsten und sonnenfernsten Punkt des Planeten.

Da BepiColombo auch in eine Umlaufahn um Merkur einschwenken muss spielt auch die Geschwindigkeit relativ zu Merkur eine Rolle. Bei Venus und Mars beträgt die Relativgeschwindigkeit 2-3,3 km/s. Dies kann man wenn man die Gravitationskraft der Planeten nutzt leicht abbauen. Man braucht bei beiden Planeten rund 1 km/s um in eine Umlaufbahn einzuschwenken.

Bei Jupiter ist die Differenz deutlich größer, doch der Planet hat auch eine viel größere Gravitationskraft sodass auch hier etwa 1km/s benötigt werden um eine stabile Umlaufbahn zu erreichen. Bei Merkur kommen nun zwei ungünstige Faktoren zusammen: Merkur ist klein, hat also eine geringe Gravitationskraft reduziert also die Anfluggeschwindigkeit kaum. Gleichzeitig kommt man mit einer hohen Geschwindigkeit von 7-12 km/s bei Merkur an.

Schon die Startgeschwindigkeit ist hoch: Mindestens 1 km/s mehr als zu Mars und zu Venus und wenn man Merkur im Perihel abfangen will ist die Startgeschwindigkeit sogar größer als zu Jupiter. Das reduziert die Startmasse deutlich. Würde man rein chemisch die Bahn auf die von Merkur anpassen so müsste man rund 10 km/s über der Fluchtgeschwindigkeit aufwenden, rund 12,72 km/s beim Start und 8,8 km/s um danach in den 400 x 1.500 km Orbit einzuschwenken.

Die Vorgehensweise ist daher heute die, das man die Gravitationskraft der Planeten nutzt. zuerst gibt es Vorbeiflüge an der Venus. Sie verringern zum einen die Startgeschwindigkeit, sodass man nur eine Bahn zur Venus erreichen muss, anstatt Merkur. Dann senken die Vorbeiflüge sowohl das Perihel wie auch Aphel ab. Doch die Venus kann keine Bahn erzeugen deren Aphel unterhalb der Venusbahn liegt. Danach muss man an Merkur selbst vorbeifliegen. Aufgrund seiner kleinen Masse kann er pro Vorbeiflug aber nur unter 1 km/s Geschwindigkeit abbauen. Man benötigt also viele Vorbeiflüge und dies dauert. Messenger war die erste Raumsonde die in eine Umlaufbahn um Merkur einschwenkte. Dies dauerte sieben Jahre und es waren ein Erdvorbeiflug, zwei Venusvorbeiflüge und drei Merkurvorbeiflüge nötig.

Bei BepiColombo sind es noch mehr. Auch hier dauert die Reise sieben Jahre. Geplant sind ein Erdvorbeiflug, zwei Venusvorbeiflüge und fünf Merkurvorbeiflüge. Der Flug zu Merkur dauert also länger als ein Flug zum Saturn (auf einer Hohmann-Transferbahn ohne Fly-Bys 6 Jahre, Cassini brauchte mit Fly-Bys fast sieben Jahre).

Der Namensgeber

Die Sonde ist nach dem italienischen Mathematiker Giovanni Colombo benannt. Er beschäftigte sich auch mit Raumfahrt, entwickelte unter anderem die Theorie, das man mit einem Körper an einem Seil Strom gewinnen kann, was später bei einem Space Shuttle Experiment überprüft wurde. Die besondere Verbindung zu Merkur ergab sich da, er für die Raumsonde Mariner 10 die später gewählte Flugbahn vorschlug. Er hatte schon vorher die Erklärung für die 1965 bei Radarmessungen festgestellte Rotationsperiode von 59 Tagen gefunden. Vorher hatte man angenommen Merkur rotiert synchron zur Sonne, also einmal in 88 Tagen um seine eigene Achse. Er erkannte nicht nur das man mit einem Swing-By (Mariner 10 war die erste Raumsonde die einen Planeten nutzte, damit seine Gravitation die Bahn so umlenkte, das sie zu einem weiteren fliegen konnte) Merkur erreichen konnte, sondern bei genauer Wahl der Parameter eine Bahn resultierte die genau die doppelte Umlaufszeit von Merkur hat. Diese Bahn führt dann nach einem Umlauf erneut zu Merkur zurück und ermöglicht so weitere Begegnungen. Bei Mariner 10 waren so drei Passagen von Merkur möglich.

Vorgeschichte

BepiColombo hat eine sehr lange Projektgeschichte. Im Mai 1993 gab es den ersten Entwurf für eine Merkurmission. 1994 standen die Beratungen über die nächste Cornerstone Mission der ESA an. So hießen damals die teuersten ESA-Projekte im wissenschaftlichen Segment die die ESA alleine durchführte. Die Mission war eigentlich zu teuer für eine normale, kleinere Mission, doch man lies BepiColombo zu der Ausschreibung zu als das Horizont 2000 Programm nach 1999 fortgesetzt werden sollte und es weitere Missionen so geben würde. Im Oktober 2000 wählte die ESA Gaia und BepiColombo für die Cornerstone Missionen von 2008 bis 2013 aus. Damit war BepiColombo noch nicht endgültig genehmigt kam aber von der reinen Papierstudie eine Phase weiter wo das Design erarbeitet, die Technologie die zur Verfügung stehen muss geprüft wird und andere detaillierte Planungen durchgeführt werden. Im Oktober 2002 war das MSE schon  gestrichen. Der Start war zwischen 2011/12 geplant.

Im Februar 2007 wird BepiColombo nun endgültiger Bestandteil des neuen  Cosmic Vision Programmes. Nun ist die Sonde wirklich genehmigt und es kann an das detaillierte Design gehen. Im Laufe des Jahr 2008 stieg die Startmasse während des Designs so weit an, das man von dem Start mit einer Sojus auf eine Ariane 5 wechselte, was den Start um ungefähr 100 Millionen Euro verteuert, weil aufgrund der Fluchtbahn die Sonde als Einzelnutzlast gestartet werden muss und kein zweiter Passagier mitgeführt werden kann. Dieser kostenanstieg führte dazu das die ESA die Entscheidung über den bau nochmals treffen musste, da nun Ausstiegsklauseln greifen. Im November 2009 beschließt der Unterausschuss über wissenschaftliche Programm erneut die Mission.

Die Mission 2001

BepiColombo KonfigurationSchon im Mai 2000 berichtet das ESA Bulletin in der Nummer 103 über das Projekt. Damals bestand BepiColombo noch aus drei Sonden:

Die Masse im Merkurorbit sollte bei kombiniertem Start 1000 bis 1200 kg betragen. Das lief mit einem Ionenantriebsmodul um zu Merkur zu gelangen auf eine Startmasse von 2500 bis 2800 kg bei einem Einzelstart oder zwei Starts mit jeweils 1500 kg Masse heraus. (MPO und MMO/MSE jeweils separat gestartet).

Um die Flugdauer zu senken wurden Ionentriebwerke vorgeschlagen. Sie würden die Reisedauer von 6 Jahren auf 2,6 bis 3,6 Jahren je nach Triebwerk senke n. In den Merkurorbit sollte dann mit einem chemischen Antrieb eingebremst werden. Die Raumsonde wäre damals 5,1 m hoch gewesen mit einer Spannweite von 32,8 m. Die Ionentriebwerke würden 6-10 kW Strom verbrauchen. 3-5 Triebwerke waren vorgesehen.

Das diskusförmige MSE sollte in einer Breite von 85 Grad nahe des Terminators abgesetzt werden. Durch die hohe Breite sollte die thermische Belastung minimiert werden (am Äquator kann eine Temperatur von +425 °C erreicht werden). Trotzdem würde der Lander nur eine Woche lang Daten liefern. Er sollte durch ein Triebwerk und Airbags abgebremst werden, die den Landeschock auf unter 250 g begrenzen. Er sollte ohne Treibstoff 50-70 kg wiegen. Ein Penetrator im Zentrum sollte in den Boden gerammt werden, dazu käme ein kleines Raupenfahrzeug das an einer Leine sich einige Meter vom Lander entfernen sollte. Er trägt ein Röntgenspektrometer. Der Penetrator sollte die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche und den thermalen Flux bestimmen. Zwei Kameras machen Aufnahmen vor und eine Oberflächenkamera nach der Landung. Ein Seismometer sollte nach "Merkurbeben" suchen, auch wenn man nicht ernsthaft mit welchen in der kurzen Betriebszeit von einer Woche rechnete. Ein Magnetometer sollte zusammen mit dem MMO und MPO mehr Details über die Interaktion von Merkurs eigenem Magnetfeld und dem Sonnenwind liefern. Strom lieferte eine Batterie mit 1,7 kWh Kapazität, da am Terminator 40% des Geländes im Schatten liegen sollten. Die Daten würden über eine UHF-Diploantenne mit durchschnittlich 8,7 kb/s zu dem MMO und MPO übertragen werden wenn sie den Landeort passieren. Geplant sind 18 Kontakte in 7 Tagen mit einer Dauer von maximal 480 s. Das gesamte Datenvolumen beträgt dann 75 MBit.

Der MSE wird nach dem Abtrennen des MMO zuerst in einem Orbit abgesetzt dessen Perihem in 10 km Höhe liegt. Danach wird das Triebwerk gestartet. eS wird durch Beschleunigungsmesser, eine Inertailplattform und Entfernungsmesser gesteuert, sodass in 120 m Höhe die Geschwindigkeit vollständig abgebaut ist. Dann wird das Triebwerk abgeschaltet und der Antriebsteil abgetrennt. Airbags werden aufgeblasen und der Lander fällt auf die Oberfläche die er mit 30 m/s = 96 km/h erreicht.

Die beiden Orbiter würden bei einem Einzelstart von dem chemischen Antrieb mit einem Haupttriebwerk von 400 N Schub und acht 20 N Triebwerken in einen 400 x 12000 km Orbit einschwenken. In diesem Orbit wird der MMO abgesetzt. Der größere MPO senkt dann das Apherm auf 1500 km Höhe ab. Das Periherm liegt auf der sonnenabgewandten Seite. Die Umlaufsdauern haben ein Verhältnis von 4:1. Das ermöglicht im Apherm einen der beiden Orbiter als Kommunikationsrelay zu benutzen falls das Sendesystem des anderen ausfällt oder dieser andere Probleme hat. Aufgrund der sonnennahen Umlaufbahn von Merkur dürfte ein Ausfall des MPO wahrscheinlicher sein, weil er nicht nur der solaren Strahlung ausgesetzt ist, sondern auch der IR-Strahlung von Merkur, der auf der Sonnenseite im Mittel eine Oberflächentemperatur von über 300°C hat. Damit wirkt er wie eine Infrarotheizung,

Dazu gab es ein Solar Electric Propulsion Module (SEPM) das die beiden Orbiter zu Merkur bringen sollte. Es wog ohne Treibstoffe 365 kg und hatte Galliumarsenid Solarzellen mit einer Fläche von 33 m²  mit einer Leistung von 5,5 kW in Erdentfernung. Der Schub sollte 0,17 oder bei Annäherung an die Sonde mit mehr Leistung, 0,34 N betragen. Die Treibstoffzuladung würde bei 230 kg für den MTM und 238 kg für den MPO liegen. Dazu kam ein Chemical Propulsion Module (CPM) mit acht 20 N und einem 400 N Triebwerk. Dessen Trockenmasse betrug 71 kg mit einer Treibstoffzuladung von 156 kg für den MTM und 334 kg für den MPO. Es bringt die beiden Sonden aus einem GTO zum Mond und bremst in den Merkurorbit ein.

  MPO MMO MSE
Startmasse 1.229 kg 1.200 kg (mit MSE) 213 kg
Orbiter 357 kg 165 kg  
CPM mit Treibstoff 405 kg 227 kg 44 kg
CPM ohne Treibstoff 71 kg 71 kg  
SEPM mit Treibstoff 603 kg 587 kg  
SEPM ohne Treibstoff 357 kg 357 kg  

Startgelegenheiten gab es alle 1,6 Jahre, dem Intervall zwischen zwei Oppositionen der Venus. Man hatte nun durch eine neue Version der Sojus und Wegfall des MSE beide Orbiter mit einer neuen, nutzlaststärkeren Version der Sojus, der Sojus 2-1B zu starten, die ab 2011 auch vom CSG aus starten würde. Günstigerer Startplatz und Nutzlaststeigerung erhöhten die GTO Nutzlast von 1800 auf 3200 kg.

Der MPO sollte im Orbit 467 kg wiegen und Solarpanels sollten 420 W Leistung liefern. Eine Kamera sollte den ganzen Planeten global mit 200 m Auflösung kartieren. 5 % der Oberfläche mit einer Auflösung von 20 m. Ein abbildendes Spektrometer würden den Planeten mit einer Auflösung von 150 bis 1200 m erfassen. Ein UV-Spektrometer sollte am Horizont nach dem Leuchten einer dünnen Atmosphäre suchen und ein nicht näher charakterisiertes Geochemistry Package sollte die Konzentration von verschiedenen Elementen bestimmen und nach Wasser nahe den Polen suchen. Wahrscheinlich ein Röntgenstrahlenspektrometer und/oder Neutron-Spektrometer. Ein Radioexperiment, das die Dopplerverschiebung der Funkwellen nutzt sollte Informationen über die Lage des Gravitationszentrums von Merkur, Massekonzentrationen unter der Oberfläche und Einflüsse auf den Orbit der Sonde sowie Merkurs (sein Perihel dreht sich aufgrund verschiedener Einflüsse).

Optionale Experimente waren ein Laser-Höhenmesser der das topografische Profil mit einer Auflösung von 10 m erfassen. Ein weiteres kleines Teleskop mit 20 cm Öffnung könnte nach NEO, die Erdbahn kreuzenden Asteroiden suchen. Objekte mit einer Helligkeit von 20-21 könnten bis 20 Grad von der Sonne entfernt detektiert werden.

Der MMO sollte mit 15 U/Min rotieren, die Rotationsachse senkrecht zu Merkurs Äquator. Der zylindrische MMO wiegt 160 kg. Die Solarzellen an der Zylinderaußenseite liefern 160 Watt. Ein Set von Detektoren bestimmen geladene Teilchen in der Größenordnung von 100 keV. Eine 70 m lange Peitschenantenne sucht nach Plasmawellen. Um Gewicht zu sparen nutzen alle Experimente nur einen Prozessor. Als zusätzliche Experimente war eine Kamera als Backup zu der des MPO sie sollte Farbaufnahmen mit einer Auflösung von 20 bis 150 m liefern.

Diese Studie war deutlich ambitionierter als die spätere Sonde. So sollten drei Sonden gebaut werden, alle von der ESA und es gab noch die Suche nach NEO als zusätzlichen Programmpunkt.

Zu diesem Zeitpunkt war die Raumsonde MESSENGER schon beschlossen. Viele Experimente fanden sich in ähnlicher Form mit ähnlichen Fähigkeiten an Bord dieser US-Raumsonde. Den solarelektrischen Antrieb nutzte als erste ESA Raumsonde Smart-1 die am 28.9.1999 gestartet wurde. Die Kosten für das Programm wurden damals mit 650 Millionen Dollar angegeben.

Die Mission 2007

Mission 2007Aufgrund der Kosten wird sehr bald das MSE fallen gelassen. Es hätte nur eine Woche gearbeitet und dafür schienen die Kosten nicht gerechtfertigt. Die Entscheidung dafür fiel beim ESA Konzil im November 2003. Sehr bald fand man in der JAXA einen Partner. Die JAXA war bereit den kleineren MMO zu bauen. Damit blieb für die ESA nur noch der MPO und BepiColombo wurde auch preislich soweit günstig, das eine Verwirklichung denkbar war. Zur Zeit der Aufnahme in das Cosmic Vision Programm also dem formellen Start der Mission war MESSENGER schon gestartet und stand vor dem ersten Merkurvorbeiflug. Als BepiColombo genehmigt wurde ging man bei der ESA von Projektkosten in Höhe von 550 Millionen Euro inklusive Start für die ESA aus. Damit war die Mission auch deutlich günstiger als eine typische Cornerstonemission die in der Größenordnung 1 Milliarde Euro kostet.

Der Grundaufbau der Mission stand schon 2007 fest. Ein separater Start von MPO und MMO wurde nun nicht mehr erwogen. BepiColombo besteht aus mehreren Elementen:

Dem Mercury Transfer Module MTM, das mit Ionentriebwerken von 260 mN Schub arbeitet und die Sonde zu Merkur bringt.

Die Raumsonde sollte bei Projektbeginn 3.065 kg wiegen. Damit war sie noch mit einer Sojus startbar. Die Sojus ST 2B deren Start damals vom CSG vorbereitet wurde könnte von diesem geographisch günstigen Startort 3.290 kg in einen GTO bringen. Von dort aus würde sie mit dem chemischen Antrieb das Apogäum erweitert, bis es eine Entfernung von 420.000 km von der Erde erreicht. Ein Mondvorbeiflug am 31.10.2013 hätte dann BepiColombo auf eine Fluchtbahn gebracht. In dieser Sonnenumlauf verändert sie diese mit den Ionentriebwerken und passiert die Erde am 1.2.2015 erneut. Der Schwung lenkt sie auf eine Bahn zur Venus, die sie ein Jahr später erreicht. Der Venusvorbeiflug wiederum verkürzt die Umlaufbahn so dass die nächste Bahn nur noch eine Periode von 225 Tagen hat.  Dies ist die gleiche Umlaufsauer wie die Venus und so passiert BepiColombo die Venus erneut im September 2016. Sie lenkt die ESA-Sonde zu Merkur. Nun beginnt die Arbeit des solarelektrischen Antriebs im MTM. Er wird rund um das Perihel aktiv und senkt das Aphel laufend ab. Gegen Ende der interplanetaren Zeit finden im August und Oktober 2018 noch zwei nahe Vorbeiflüge an Merkur statt. Zwischen beiden Manövern liegen schon 88 Tage, die Umlaufszeit von Merkur, aber erst nach dem zweiten Vorbeiflug ist die Relativgeschwindigkeit so klein das Bei Colombo mit dem chemischen Antrieb in eine Umlaufbahn einschwenken kann. Das MTM wird vorher abgeworfen. Im März 2019 sollte die Sonde dann in einen Orbit einschwenken. Durch die langsame Annäherung mit den Ionentriebwerken geschieht dies durch gravitatives Einfangen. Dazu wird die Sonde in dem Lagrangepunkt L1 geparkt. Dieser liegt in der Verbindungslinie Sonne-Merkur, der Sonne zugewandt. Dann reichen schon kleine Schubmanöver (der MPO der dies für beide Orbiter durchführen sollte hat nur Triebwerke mit 20 N Schub) um sich von Merkur einfangen zu lassen. Klappt dies nicht so kann es wiederholt werden. Das ist anders als bei klassischen Einbremsmanövern bei denen dies auf den Punkt genau klappen muss. Dabei kann einiges schiefgehen. Beim Mars Climate Orbiter näherte man sich zu sehr dem Mars und verglühte. Bei der japanischen Raumsonde Akatsuki stellte das Haupttriebwerke seinen Betrieb vorzeitig ein und die Raumsonde konnte erst nach Jahren in einen Orbit einschwenken. Der MPO senkt den anfänglichen 400 x 180.000 km Orbit mit seinen 20 N Triebwerken langsam ab. Danach trennen sich MPO und MMO. Sie sind vorher durch den Schutzschild MOSIF verbunden. Während der MMO in der ersten 400 x 1200 km Umlaufbahn bleibt, sollte der MPO das Apherm durch seine Triebwerke auf 1508 km Höhe absenken. Eine einjährige Primärmission folgt.

Gegenüber den Planungen von 2001 ist also trotz Einsatz eines Ionenantriebs die Reisedauer von 2,6 bis 3,6 Jahren (je nach Startmöglichkeit) auf 6 Jahre angestiegen.

Parameter Missionsplanung 2007 Tatsächlich 2017
Startmasse: 3.065 kg 4.100 kg
MPO Masse 945 kg 1.150 kg
MMO Masse 250 kg 275 kg
MTM Masse 1.830 kg  
MOSIF 2,5 m x 1,7 m, 40 kg  
MPO: 1,2 m Parabolantenne, 3 m² Solarzellenfläche, 3 x 2 x 1,5 m Größe  
MMO 1,80 m Durchmesser, 0,9 m Höhe, 200 Watt Stromversorgung 1,90 m Durchmesser, 1,1 m Höhe, 350 Watt Stromversorgung
MTM 2,90 x 2,70 x 2,00 m Größe, 11 m² Solarzellen für 6 kW @ 1 AU, 8 x 20 N, 1 x 490 N, 2 x 0,26 N 2,4 x 2,2 x 1,7 m
Experimente MPO 11 im Gewicht von 52 kg 11 im Gewicht von 80 kg
Experimente MMO 5 5 im Gewicht von 45 kg
Orbit MPO 400 x 1508 km 480 x 1.508 km
Orbit MMO 400 x 12.300 km 590 x 11.640 km

Die Mission von 2008 bis 2017

Am 18.1.2008 wurde mit Astrium als Primärkontraktor der Vertrag für den Bau des MPO, MTM und MOSIF abgeschlossen. Damals ging man von einem Start im August 2013 auf. Sie sollte 2019 den Merkur erreichen. Damals war von Kosten von 350,9 Millionen Euro für den Vertrag mit Astrium die Rede. Die Entwicklung der Instrumente wird mit weiteren 200 Millionen Euro gefördert. Die Gesamtkosten inklusive Start mit einer Sojus 2-1B und Operation bis 2020 lagen bei 665 Millionen Euro.

Schon im ersten Jahr der Planung gab es Probleme. BepiColombo wurde laufend schwerer. Als die Sonde schließlich die Nutzlastkapazität der Sojus sprengte musste die ESA neu Planen. Theoretisch hätte man die Missionsplanung beibehalten können und BepiColombo in einem Doppelstart zusammen mit einem Kommunikationssatelliten transportieren können und vom GTO ausgehend wieder die Bahn erst auf spiralen können und dann mit einem Mondvorbeiflug die Fluchtbahn erreichen. Die ESA stufte die Wahrscheinlichkeit das man im knappen Startfenster einen passenden (auch vom Gewicht) Passagier fand aber zu gering ein und buchte einen Einzelstart. Die dadurch um 100 Millionen Euro angestiegenen Kosten machten nicht nur eine neue Genehmigung notwendig, sondern sie wurden auch als Argument für die Ariane 6 angeführt, weil man dann bei weiteren Planeten-Missionen die preiswertere Ariane 62 wählen könnte. Ein weiterer Vorteil der Ariane 6 für die ESA sieht man auch bei der Bahn: Der Erdvorbeiflug wurde beibehalten. Er war im ursprünglichen Szenario vorgesehen, weil die Sojus die Sonde nicht direkt zur Venus schicken konnte. Die Ariane 5 könnte dies bei einem Einzelstart durchaus, aber da die ESC-A Oberstufe nicht wiederzündbar ist und Bahnen so gelegt werden müssen, das die EPC nicht über Festland verglüht, kann die Rakete die Nutzlast nicht in dem richtigen Winkel zum Äquator absetzen der für eine Bahn zur Venus nötig ist. Daher ist der Erdvorbeiflug zur Veränderung des Bahnwinkels nötig. Hätte die ESA die Ariane 5 ME gebaut, die eine wiederzündbare Oberstufe gehabt hätte (ESC-B mit dem Vinci Triebwerk) so wäre dieser Umweg nicht nötig. Dasselbe Problem hat auch die Jupitersonde JUICE.

2009 wurde dann folgende Mission skizziert:Orbit 2009

Start sollte im Juli 2014 sein, als Backup-option gibt es die Möglichkeit eines Starts im August 2015. Die Bahn zuerst nach außen benötigt eine etwas geringere Startenergie und erweitert das Startfenster auf 30 Tage und wurde daher gewählt. Es schließen sich dann Vorbeiflüge an. Die Erde und Venus werden in 300 km Entfernung passiert, Merkur in 200 km. 30 Tage vor und 7 Tage nach einem Vorbeiflog gibt es keinen Betrieb von Ionentriebwerken um den Orbit präzise zu bestimmen. Das gleiche auch 60 Tage vor dem Einschwenken in den Merkurorbit. Die Betriebszyklen von Ionentriebwerken sind so gewählt das 90 % der Zeit ausreicht die gewünschte Bahnänderung zu erreichen. Die Ariane 5 bringt die Sonde auf eine Bahn mit einer Geschwindigkeit von 3,36 km/s relativ zur Erde im unendlichen. Die Bahn wird dann durch die Ionentriebwerke so verändert das man die Erde erneut passiert. Sie lenkt die Sonde nach Innen. 174 Tage nach Passage der erde wird die Venus passiert. Sie dreht die Bahn weiter sodass 225 Tage später erneut die Venus passiert wird. Sie bringt BepiColombo in den Bereich von Merkurs Orbit. Nun beginnen erneut die Ionentriebwerke mit ihrer Arbeit. Sie verändern die Bahn zuerst so dass eine 3:2 Resonanz mit Merkurs Bahn resultiert (Umlaufszeit: 132 Tage). Dann findet der erste Merkurvorbeiflug statt. Er und die folgenden reduzieren die Bahn auf eine 5:4 Resonanz (110 Tage). Schon 40 Tage später findet der nächste Vorbeiflug (3) statt, nur 180 Grad vom ersten entfernt. Diese beiden Vorbeiflügen passen die  Bahnebene an und reduzieren die Geschwindigkeit relativ zu Merkur um 1,9 km/s. Nun bremsen die Ionentriebwerke weiter ab sodass MPO und MMO am 13.11.2020 von Merkur eingefangen werden in einer schwach gravitativ  gebundenen Bahn 2.880 x 180.440 km, mit einer Geschwindigkeit von 3,881 km/s im Periherm. Es gibt nun während 5 Orbits Gelegenheiten im Perihem die Bahn zu verringern und in einen stabilen Orbit einzuschwenken. Das ist bei Orbit 1, 4 und 5 der Fall. Versäumt man alle drei so wird BepiColombo aufgrund Störungen der Sonne aus der Bahn getrieben. Zwischen diesen Orbits sind nur kleine Bahnanpassungen, ebenfalls aufgrund Störungen durch die Sonne, nötig. Die Geschwindigkeitsänderung liegt in der Größenordnung von 15 m/s. So hat man bis zu 64 Tage Zeit in den Orbit einzuschwenken.

Im Merkur Orbit angekommen wird vom MPO zuerst der MMO abgesetzt, dann verkürzt er die Umlaufdauer von 9,3 auf 2,3 Stunden durch eine weitere Zündung. Es schließt sich eine Komissionsphase von etwas über einem Monat im Orbit an in dem alle Systeme überprüft und die Instrumente in Betrieb genommen und kalibriert werden. Danach beginnt die wissenschaftliche Phase. Der Treibstoff reicht für mindestens die Primärmission, wahrscheinlich auch noch für die erweiterte Mission. Umlaufbahnen um Merkur durchlaufen Zyklen von 5-8 Jahren Dauer in denen das Perherm absinkt und ansteigt und die Exzentrizität ansteigt und sinkt. Theoretisch könnte BepiColombo weitaus länger im Orbit arbeiten wenn sie Merkur zu dem Zeitpunkt erreicht in dem das Periherm ansteigt. Die Wissenschaftler wollen aber möglichst nahe an den Planeten herankommen, damit die Daten höher aufgelöst sind, daher macht man das genaue Gegenteil. So muss der Orbit laufend angehoben werden was viel Treibstoff kostet. Auf die für den Autor naheliegende Lösung einfach größere Teleskope zu verwenden, ist man nicht gekommen. Bei der Startmasse von 4100 kg die weit unter der maximalen Nutzlast von rund 6000 kg für en Zielorbit liegt, hätte man diese Lösung auch ins Auge fassen können zumal man damals noch in der Planungsphase war.

Ebenfalls ein Relikt der ursprünglichen Planung sind die Ionentriebwerke. Sie waren ursprünglich vorgesehen, weil die Sojus nicht die Leistung für die Sonde hatte. Mit der Ariane 5 ist dies nicht mehr gegeben und man hätte sie weglassen können und mehr chemischen Treibstoff mitführen können. Der Betrieb der Ionentriebwerke kompliziert vor allem die Ausrichtung der Sonde, weil die Solarpaneele des MTM von der sonne beschienen werden müssen. gleichzeitig aber MPO und MMO vor der Sonne geschützt werden müssen. Aus diesem Grund ist auch ein betrieb 60 Tage vor Einschwenken in den Merkurorbit nicht geplant, Den Hauptvorteil den Ionentriebwerke haben, nämlich die Reisezeit zu verkürzen spielen sie hier nicht aus. Auch verringern sie nicht wesentlich die Startmasse wie dieser Vergleich von BepiColombo und MESSENGER zeigt:

  BepiColombo MESSENGER
Startmasse: 4.100 kg 1.107 kg
davon Treibstoff: 1.387 kg 599,4 kg
Treibstoffanteil: 33,8 % 54,2 %
Reisedauer 6,7 - 7,2 Jahre 4,6 Jahre
Vorbeiflüge an der Erde 1 1
Vorbeiflüge an der Venus 2 2
Vorbeiflüge an Merkur 4-6 3
Instrumente: 11 + 5 7
Gewicht der Instrumente 80 kg + 40-45 kg 42,5 kg

Bei gleichem Treibstoffanteil wie bei MESSENGER würde die Sonde 5.920 kg wiegen und immer noch mit einer Ariane 5 gestartet werden können. In der Realität weniger, da man dann das MTM einsparen könnte. Leider hat man als die Mission erst mal bewilligt wurde zwar noch die Mehrkosten für die Ariane 5 genehmigt, nicht aber aber die positiven Folgen für die Mission, nämlich etwa dreimal höhere Nutzlast ausgenutzt.

In diesem Szenario müssten die Ionentriebwerke die Bahn um 3,844 km/s ändern, was einem Gesamtimpuls von 14,8 MN entspricht. Die Startmasse wurde mit 4.040 kg angegeben.


  Datum Geschwindigkeit Distanz
Start August 2013 3,36 km/s  
Erdvorbeiflug 27.7.2015 4,26 km/s 3.510 km
Venusvorbeiflug 1 17.1.2016 9,16 km/s 1.351 km
Venusvorbeiflug 2 28.8.2016 9,21 km/s 300 km
Merkurvorbeiflug 1 5.9.2017 5,63 km/s 200 km
Merkurvorbeiflug 2 27.5.2018 5,34 km/s 200 km
Merkurvorbeiflug 3 17.8.2019 2,82 km/s 200 km
Merkurvorbeiflug 4 26.9.2019 1,89 km/s 200 km
Ankunft bei Merkur 13.11.2020   2880 km
Einschwenken in den Orbit 20.11.2020   400 x 11.640 km

Was BepiColombo auszeichnet ist das es zahlreiche Verzögerungen in dem Projekt gab. Ursprünglich sollte BepiColombo im August 2013 starten, während ich im April 2017 die erste Fassung dieses Artikels schreibe ist als Starttermin Oktober 2018 im Gespräch. Der Starttermin verzögerte sich laufend. Als am 15.9.2011 der Startvertrag mit Arianespace unterzeichnet wurde war noch von einem Start im Juli 2014 die Rede. Am 28.2.2012 verschob man den Start auf August 2015 da einige missionskritische Entwicklungen dem Zeitplan hinterherhinkten. Nun gab es folgenden Zeitplan:Orbit 2016

  Datum Geschwindigkeit relativ zum Planeten Distanz
Start   3,36 km/s  
Erdvorbeiflug 18.7.2018 4,33 km/s 3.521 km
Venusvorbeiflug 1 22.9.2019 9,30 km/s 1.500 km
Venusvorbeiflug 2 4.5.2020 9,29 km/s 307 km
Merkurvorbeiflug 1 23.7.2020 5,90 km/s 200 km
Merkurvorbeiflug 2 14.4.2021 5,52 km/s 200 km
Merkurvorbeiflug 3 6.7.2022 2,86 km/s 200 km
Merkurvorbeiflug 4 28.12.2022 2,61 km/s 40.000 km
Merkurvorbeiflug 5 4.2.2023 1,82 km/s 300 km
Einschwenken in den Orbit 20.11.2020   400 x 11.640 km

Bei dieser Planung hätten die Ionentriebwerke deutlich länger arbeiten müssen und die Geschwindigkeit um 6,4 km/s ändern müssen.

Ein Jahr später, BepiColombo war inzwischen fertiggestellt und durchlief die Tests im ESTEC verschob man den Starttermin von Juli 2017 auf 27.1.2017. Die Verschiebung von 2015 auf 2016 hatte man schon nicht mehr kommuniziert. BepiColombo sollte trotzdem im Januar 2024 ankommen. Der wichtigste Grund für die Verschiebungen ist das man sowohl beim industriellen Partner Astrium wie auch bei der ESA sicher gehen wollte, das die Raumsonde die hohen Temperaturen bei Merkur aushält. Auch wenn es dafür Maßnahmen gibt wie einen Hitzeschutzschild, Radiator oder Heatpipes so gibt es immer Lücken durch die Wärme nach innen dringen kann. bei einer Spitzenbelastung von 20 kW/m² (14 kW von der Sonne und 6 kW Infrarotstrahlung von Merkur) will man 100% sicher gehen, das die Wärme nicht hindurchgeht. So wird der MPO besonders lange im ESTEC in Vakuumkammern der zu erwartenden Strahlung ausgesetzt. Für BepiColombo musste die große Vakuumsimulationskammer des ESTEC umgerüstet werden, damit sie die 10-fache normale Sonnenstrahlung simulieren kann. Bisher war die ESA Sonde Venus Express mit der zweifachen Sonneneinstrahlung in Erdentfernung die Sonde mit den höchsten Anforderungen.

Beim Start im April 2018 wäre die Venus am 25.7.2019 in 12.891 km Entfernung in einer Geschwindigkeit von 7,3 km/s passiert worden. Der zweite Vorbeiflug hätte am 20.5.2020 in 1.000 km Entfernung und 7,54 km/s Relativgeschwindigkeit stattgefunden. Die Reisedauer betrug nun 6,5 Jahre.

Im November 2015 verschob man die Mission dann von April 2018 auf Oktober 2018. Auch hier hatte man die Verschiebung vom Dezember 2016 auf April 2018 nicht bekannt gegeben. Ursache war ein elektrisches Problem im MTM.

Der Plan derzeit (im April 2017) sieht eine 7,2 Jahre dauernde Cruise Phase vor, mit insgesamt neun Vorbeiflügen und eine Ankunft bei Merkur im Dezember 2025. Die Gesamtkosten werden mittlerweile mit 970 Millionen Euro angegeben. Anders als bei der ersten Angabe von 550 Millionen Euro sind in diesen Kosten aber auch die Startkosten und die Operationen enthalten.

Derzeitiger Zeitplan

Bepi colombo im EStecDie Daten sind durch die Ionentriebwerke stark variabel. So schwankt je nach veröffentlichtem Startdatum die Zahl der Merkurvorbeiflüge zwischen zwei und sechs. Die Dauer im Transferorbit zwischen 6 und 7 Jahren. Bewilligt ist eine Primärmission die nur ein Jahr dauert. In ihr sollen die Missionsziele erreicht werden, d.h. z.B. bei der Kartierung eine globale Karte mit der vorgegebenen Auflösung.  Das Design der Sonde und die verfügbaren Treibstoffvorräte lassen eine Verlängerung um mindestens ein weiteres Jahr zu. Je nach Treibstoffvorräten auch länger, aber gewiss nicht so lange wie bei Mars Express der zum Zeitpunkt des Artikels schon 13 Jahre im Orbit ist. Denn ohne dauernde Anhebung der Bahn wird der MPO bald auf dem Merkur aufschlagen.

Parameter Wert
Startdatum: Oktober 2018
Missionsende: 1 Jahr im Merkurorbit
Orbit: MPO polarer Orbit 480 × 1500 km, 2.3 h Umlaufszeit
MMO polarer Orbit 590 × 11 640 km, 9.3 h Umlaufszeit
Oktober 2018 Start
10 April 2020 Erdvorbeiflug
15 Oktober 2020 Erster Venusvorbeiflug
11 August 2021 Zweiter Venusvorbeiflug
2 Oktober 2021 Erster Merkurvorbeiflug
23 Juni 2022 Zweiter Merkurvorbeiflug
20 Juni 2023 Dritter Merkurvorbeiflug
5 September 2024 Vierter Merkurvorbeiflug
2 Dezember 2024 Fünfter Merkurvorbeiflug
9 Januar 2025 Sechster Merkurvorbeiflug
5 Dezember 2025 Ankunft bei Merkur
14 März 2026 MPO im endgültigen Orbit
1 May 2027 Ende der Primärmission
1 May 2028 Ende der erweiterten Mission

Es gibt die Möglichkeit eine Reihe von Instrumenten von BepiColombo bei den beiden Venusvorbeiflügen zu betreiben. Dies geht ohne Problem mit den Instrumenten die keine besondere Ausrichtung benötigen wie das Magnetometer, der Beschleunigungsmesser oder das Radio-Science Experiment. Bei den anderen hängt ein Betrieb davon ab wie die Vorbeiflugbedingungen sind, da viele Instrumente während des Vorbeiflugs vom Radiator abgeschattet sind. Der MMO ist durch den MOSIF komplett abgeschattet und kann keine Daten aufnehmen. Von BepiColombos Instrumenten können ISA, MPO-MAG, MERTIS, MGNS, MORE, PHEBUS, SERENA-PICAM,SIXS-S SERENA-MPIA und PHEBUS betrieben werden. Wesentliche Daten wird man nur von Phebus erwarten, so hat die Venus kein Magnetfeld, aufgrund von der Atmosphäre wird man keine Neutronen, Röntgen oder Gammastrahlen erwarten und ohne Magnetfeld gibt es auch nur wenige Ionen zu detektieren.

Beim Merkur angekommen wird 60 Tage vor Eintritt in den Orbit der Betrieb der Ionentriebwerke beendet. In dieser Phase wird auch das MTM abgetrennt. Am 2.1.2025 folgt die Abtrennung des MMO. Am 8.1.2025 die des MOSIF. Das Einschwenken in den Orbit um Merkur dauert Monate, das der MPO in der aktuellen Konfiguration nur Triebwerke mit 22 N Schub hat. Fünf Manöver werden gebraucht um den Orbit des MMO zu erreichen. Weitere 10 um den MPO Orbit zu erreichen. Die beiden Orbiter unterscheiden sich nicht nur im Apoherm. Der MPO wird einen polaren Orbit anstreben, da aus ihm der gesamte Planet beobachtbar ist. der MMO verbleibt in einem äquatorialen Orbit, da am Äquator das Magnetfeld des Planeten am stärksten ist. Da eine Oppositionsphase durchlaufen wird in der keine Kommunikation möglich ist dauert das gesamte MOI drei Monate mit einem dV von 963 m/s.

Links:

http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet103/grard103.pdf

http://www.esa.int/About_Us/Business_with_ESA/BepiColombo_industrial_contract_signed/(print)

https://www.researchgate.net/publication/236229891_BepiColombo-A_Mission_to_Mercury

http://www.lpi.usra.edu/vexag/resources/VeGASO/VEGASO_report.pdf

Sterne und Weltraum 7/2007

Artikel erstellt am 9.4.2017. Artikel zuletzt geändert am 27.12.2017


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