Die Unglückssonde Galileo

Zeit, dass ich mal von dem Voyager-Nachfolgeprojekt berichte. Galileo startete als ambitioniertes Projekt und scheiterte dann doch ziemlich, wenn auch nicht vollständig. Den meisten Bloglesern wird das „Antennenproblem“ noch im Gedächtnis haften geblieben sein. Doch es war nur eine, wenn auch das Schwerwiegendste in einer langen Serie von Pannen.

Voyager vernachlässigt – mit Folgen

Doch fangen wir mal chronologisch an. Die erste Panne betraf nicht mal Galileo, sondern Voyager 2. Galileo bekam am 14.4.1977 das inoffizielle NASA-Okay als Voyager-Nachfolgeprojekt. Im Oktober folgte die Freigabe durch den US-Kongress, sodass auch die Finanzierung gesichert war. Wie oft bei solchen Projekten wandern Verantwortliche von einem Projekt zum anderen. So waren viele, die eigentlich an Voyager arbeiteten nun damit beschäftigt am Design von Galileo zu arbeiten. Sie konnten schließlich so nahtlos an die Arbeit bei Voyager anknüpfen und sie hatten ja Zeit – mit dem Bau und Start der Sonden hatten sie nichts zu tun. Bis die erste Jupiter erreichen sollte, würden auch eineinhalb Jahre vergehen – dachte man. Man bedachte aber nicht das man nun eine viel autonome Raumsonde hatte.. Man vergaß im Frühjahr 1978 einfach Voyager 2, die sowieso nach Voyager 1 Jupiter erreichen sollte für eine Woche zu kontaktieren. Nun schlugen die sorgsam implementierten Algorithmen zu, die Voyager ein langes Leben garantieren sollten. Der Computer überwachte auch den Empfänger. Sollte dieser eine Woche lang kein Signal liefern so schaltete er automatisch auf den Reservesender um. Das tat Voyager 2 im April 1978. Dummerweise war im Reservesender aber ein Bauteil defekt, dass die Empfangsfrequenz auf das stärkste Signal festlegte. Das kennt der eine oder andere vielleicht noch von seinem UKW-Radio wo die Technik PLL heißt.

Nun erst bemerkte man den Vorfall und versuchte eine Kommunikation zu etablieren. Aufgrund eines defekten 75 µF Kondensators klappte das aber nicht. Die Frequenz bei der Voyager empfing, und die Sendefrequenz waren zwar identisch, aber die Sonde konnte bei dieser Frequenz kein Signal empfangen. Durch den Dopplereffekt – die Erde bewegt sich mit rund 30 km/s und die Sonde mit etwa 15 km/s, war das Signal verschoben und nicht im Bereich der Zentralfrequenz. Für TOPS, den Vorgänger von Voyager rechnete man mit einem Dopplereffekt von bis zu 3 MHz, das ist schon eine ziemliche Abweichung. Immerhin: derselbe Algorithmus, der auf den Reserveempfänger umschaltete sollte auch nach 12 Stunden zurückschalten, wenn auch auf dem Reserveempfänger es keinen Empfang gab. Das klappte auch und man konnte erste Kommandos zu Voyager 2 senden, darunter das Rücksetzen des Timers. Doch nur kurz: Nach 30 Sekunden verstummte der primäre Empfänger für immer. Wahrscheinlich sind die Sicherungen durch einen zu hohen Stromverbrauch durchgebrannt. Nun hieß es eine weitere Woche warten. Und nun bekam Voyager 2 auch den Support, den es vorher nicht mehr gegeben hatte. 24/7 wurde sie von den 64 m Antennen getrackt. Am 13.4.1978 sandte man Kommandos über einen breiten Frequenzbereich und konnte wieder Kommunikation herstellen. Im Laufe der Zeit verstand man das Problem und passte die Sendefrequenz an. Problematisch blieb es aber, denn selbst kleine Temperaturerhöhungen, wenn z.B. der stärkere Sender angeschaltet wurden, beeinflussten die Empfangsfrequenz, die man auf 30 Hz genau treffen musste. Seitdem klappt die Kommunikation mit Voyager 2 – und sie wurde seitdem immer mindestens einmal in der Woche kontaktiert …

Trägerraketenkarussel

Galileo sollte nach den Planungen zuerst mit einer Shuttle/IUS Kombination 1982 starten. Bei dieser Oberstufe dürfte der Orbiter maximal 1.500 kg wiegen, trotzdem war noch ein Vorbeiflug an Mars nötig um Jupiter zu erreichen. Doch das Sondengewicht stieg an. Erreichte sehr bald das spätere Endgewicht von über 2.500 kg, woran der Orbiter schuld ist, der ursprünglich ohne Antriebsmodul und Instrumente 400 kg wiegen sollte, aber dann fast 1.000 kg wog.

In den nächsten Jahren gab es dann etliche Planungen wie man die Kombination starten könnte. Man erwog eine Trennung von Orbiter und Probe und zwei getrennte Starts auf Titan-Raketen. Doch die Standard-Titan waren bald auch zu klein für den Orbiter. Dann ein getrennter Start auf dem Space Shuttle mit einer weiteren Oberstufe auf der IUS. Schließlich wurde die Entwicklung der Centaur G Prime beschlossen, einer Centaur mit vergrößerten Tanks die auf dem Space Shuttle eingesetzt werden sollte. Sie konnte Galileo zu Jupiter befördern war aber an der Nutzlastgrenze des Space Shuttle nur die beiden letzten Shuttles – Discovery und Atlantis hatten die erforderliche Nutzlast dafür. So stand einem Start im Mai 1986 endlich nichts mehr im Wege, bis am 28.1.1986 die Challenger explodierte. Die Centaur G Prime bekam wegen der über 20 t kryogene Treibstoffe nun Startverbot und man suchte nach neuen Lösungen. Diese bestanden in einem Gravity Assist. Gravity Assists wurden schon vorher untersucht, als Alternative zu einem direkten Start um mit schwächeren Trägern auszukommen. Mit der IUS, die nun wieder gewählt wurde, war aber nur die Geschwindigkeit erreichbar die zu Venus oder Mars führt. Es fehlten über 5 km/s um zu Jupiter zu kommen. Diese Geschwindigkeit sollten nun drei Vorbeiflüge an Venus und Erde liefern. Das verlängerte aber die Reise um fünf Jahre. Die meisten Aufnahmen, die Galileo machte, stammen aber von diesen Vorbeiflügen. Das konnte damals aber noch keiner voraussehen.

Dauerproblem: Die Finanzen

Als Galileo genehmigt wurde, ging man von einem Finanzbedarf von 285 Millionen Dollar aus. Voyager war kurz vorher gestartet worden und kostete über vier Jahre 487 Millionen Dollar, ähnlich lange sollte die Mission von Galileo dauern. Das war also schon optimistisch, denn zum einen war der Bau einer zweiten Sonde relativ billig. Zum anderen gab es in den frühen Siebzigern aufgrund der Ölkrise eine sehr hohe Inflation, wie jetzt gerade wieder. Die 487 Millionen waren also 1978 weitaus mehr wert. Sehr bald blieb es nicht dabei. Sowohl die IUS wie auch Centaurentwicklung waren kostenintensiv und Galileo hatte die IUS mitzufinanzieren, die Centaurentwicklung sogar komplett zu finanzieren.

Alles ging relativ gut, bis unter der Reagan Regierung man das Budget für Forschung bei der NASA zusammenstrich. Zahlreiche Projekte wurden damals eingestellt wie eine Sonde zum Kometen Encke, darunter auch zwei Prestigeprojekte die man mit der ESA zusammen entwickelte – eine Mission zu Halley und eine Sonde welche die Sonnenpole erforschen sollte. Die ESA Sonden sollten so Einzelgänger bleiben. Auch Galileo stand auf der Kippe. Proteste von Wissenschaftlern und Appelle an die Öffentlichkeit von Carl Sagan sorgten für Druck, das wichtigste Argument dürfte aber gewesen sein, das man bis 1981 schon 230 Millionen Dollar für das Projekt ausgegeben hatte. Damals ging man für 700 Millionen Dollar nur für die Sonde aus, was nun schon mehr als doppelt so viel war wie 1978.

Das waren denn auch die Kosten 1986. Nun kam die Startverschiebung auf 1989 und die kosten explodierten regelrecht: Die Kosten für die Raumsonde durch Einlagern, Demontage und erneute Startvorbereitung von 700 auf 892 Millionen Dollar, die für die Missionsüberwachung durch eine um vier Jahre längere Mission von 200 auf 462 Millionen Dollar. Zusammen also 1.354 Millionen Dollar oder knapp 50 Prozent mehr. Richtig preiswert wurde Galileo erst als nach der Primärmission die Mission zweimal verlängert wurde und man dann die Kosten drastisch reduzierte.

Das Antennenproblem

Galileo war die erste und blieb auch einzige Raumsonde, die eine entfaltbare Antenne einsetzte. Sie waren nicht neu, 1974 hatte man mit dem Satelliten ATS-6 schon eine entfaltbare Antenne von über 9 m Durchmesser getestet, die erste Generation der TDRS Satelliten die ab 1982 starteten, setzten sie routinemäßig ein. Von ihren Antennen stammte auch die von Galileo ab, sie müsste aber für das X-Band modifiziert werden, um die geforderte Oberflächengenauigkeit einzuhalten. Doch damit hatte das Problem, das später auftrat nichts zu tun.

Beim Start ist die Antenne wie ein Regenschirm zusammengefaltet und danach sollte sie entfaltet werden. Da Galileo aber zuerst zur Venus fliegen sollte, verschob man dies, um die thermische Belastung der dünnen Folie, die den Reflektor bildete, zu reduzieren. Als man die Antenne dann entfaltete, klappte das bei einigen Rippen nicht. Die Antenne öffnete sich nur um 35 bis 43 Grad. Man analysierte das Problem und befand schließlich das, das Schmiermittel nicht mehr vorhanden war. Ohne das war im Vakuum aber eine feste Verbindung „Kaltschweißen“ genannt, möglich. Doch wie konnte das Schmiermittel, ein Molybdänsulfid, verloren gehen? Die Antenne wurde von Harris in Florida gefertigt und fuhr in zusammengefaltetem Zustande viermal durch die ganze USA:

• 1982 vom Hersteller Harris ins JPL nach Kalifornien
• 1985 vom JPL in Kalifornien zum Kennedy Space Center für die Startvorbereitungen
• 1986 wegen des verschobenen Starts zurück ins JPL
• 1989 zur erneuten Startvorbereitung zurück nach Florida

Das waren viermal rund 5.000 km Luftlinie, die aber nicht mit dem Flugzeug, sondern mit einem Truck zurückgelegt wurden. Die vielen Erschütterungen über die Fahrt auf Straßen hatten wohl irgendwann in mindestens drei Rippen das Schmiermittel auslaufen lassen. Eingefüllt wurde es einmal bei der Herstellung, danach wurde es nie wieder kontrolliert oder die Antenne erneut entfaltet. Das galt schließlich als das wahrscheinlichste Szenario für das Problem.

Mit der Mittelgewinnantenne waren aber nur kleine Datenraten möglich. Trotz verschiedener Maßnahmen wie JPEG-Kompression, Hinzunahme weiterer Antennen. Die NASA versprach für die Primärmission 2.000 bis 3.000 (pessimistische Annahme, optimistisch 4.000 bis 6.000) Aufnahmen anstatt geplanter 50.000. Tatsächlich waren es 1.645 Aufnahmen während der Primärmission, davon viele mit auf ein Viertel reduzierter Auflösung. Bis zum Ende der Mission waren es (inklusive Navigationsaufnahmen und unbrauchbarer Aufnahmen) 4.041, dabei dauerte die Mission dann insgesamt fast acht anstatt zwei Jahre.

Daterekorderkrise

Die letzte Panne betraf den Datenrekorder. Ursprünglich war der Rekorder gedacht als Backup für die HGA. Er wäre eingesetzt worden, wenn es keine Funkverbindung gab. In Jupiters Schatten oder wenn die Sonde ihre Bildausbeute erhöhen wollte rund um den nächsten Punkt bei einem Mondvorbeiflug da er Daten mit etwa der fünffachen Geschwindigkeit der HGA speichern konnte. Nun war er aber ohne HGA missionskritisch. Alle Bilder mussten zuerst auf den Rekorder geschrieben werden und dann langsam mit einer Rate von zwei bis drei Bildern pro Tag wieder ausgelesen werden.

Am 11.10.1995 machte Galileo ein globales Mosaik von Jupiter inklusive der Region wo die Probe eintreffen würde und speicherte es auf Band. Dann wurde es zurückgespult um die Bilder zu übertragen. Das Rückspulen klappte, aber es hörte nicht mehr auf. Seltsamerweise passierte das auch einem Reserveexemplar dies Rekorder als man das Problem untersuchte. Er bemerkte nicht das Bandende, der Sensor war ausgefallen und ließ das Band abrollen, wo es dann sich von der Spule löste. Wäre dies Galileo Rekorder passiert, die Mission wäre gescheitert gewesen, denn neu aufspulen konnte man es nicht. Am 20.10.1995 sandte man den ersten Befehl Daten zu senden zum Rekorder und es gab auch Daten! Was geschehen war, ist bis heute unklar. Die gängigste These war, da man schon einen Tag vorher das Band nahezu auf Anfang gespult hatte und die Reibung nahe des Endes größer ist. Eventuell hatte der Rekorder auch Schmiermittel verloren. Die Lösung war, dass man die Stelle die nun stundenlang gezogen und gescheuert hatte, aufwickelte und 25 Extrawicklungen danach machte. So verlor man 16 Prozent des Bandes, aber rette die Mission.

Trotzdem hatte dies ein Nachspiel. Man traute sich nun nicht mehr den Rekorder zu betreiben außer für das Sichern der Probenwerte. Ohne sie wäre auch die Probenmission gescheitert gewesen. Bevor Galileo aber in einen Orbit eintreten würde, passierte sie Europa in 32.500 km Distanz und Io in nur 800 km Distanz. Der Ankunftszeitpunkt war extra so gelegt worden, das sie Io passieren konnte, denn das war die einzige Gelegenheit, während der normalen Tour. Da die Strahlenbelastung nach Innen rasch zunimmt, blieb danach Galileo immer in größere Distanz, maximal bis Europas Orbit. Europa wurde noch mehrmals nahe passiert sogar in geringerer Distanz, die wegfallenden Aufnahmen waren also zu verschmerzen, die bei Io nicht. Denn danach trat Galileo in den ersten Orbit ein, der sehr lange dauerte – 6 Monate, kein Orbit später würde länger als 2 Monate dauern. Es gäbe also genug Zeit die geschätzt 150 Aufnahmen, die man noch auf dem Rekorder speichern konnte, zu übertragen. Das ist besonders tragisch, weil aus dem gleichen Grund auch die nachfolgenden Sonden Io nicht nahe passieren werden. Es gab dann noch fünf Iovorbeiflüge in der letzten Missionsphase. Aber von einem gibt es keine Bilder – die Elektronik war schon so stark strahlengeschädigt das nur Mist aufzeichnet. Bei den anderen Passagen sind es wenige Bilder, weil nun die Umlaufszeit schon deutlich reduziert war und zudem der Mission Support heruntergefahren wurde, damit auch die Verfügbarkeit der großen 70 m Antennen. Während Europa Clipper zahlreiche weitere Aufnahmen, von Europa machen wird, JUICE auch welche von Europa, vor allem aber Kallisto und Ganymed und so „nachholt“ werden kann was Galileo nicht leistete, schmerzt der Verlust der Io Aufnahmen sehr.

Also meiner Meinung nach kann man wirklich von einer Pannensonde sprechen.