Die glorreichen 10 – die ersten Besucher (2)

So, der heutige Artikel schließt nahtlos an den Artikel von gestern an, die Einleitung dessen gilt daher für beide. Beide Artikel zusammen findet ihr auch permanent und leichter zu Erreichen in der neuen Rubrik „Die Glorreichen 10“ auf der Website.

Merkur (3.11.1973)

Nach unseren beiden Nachbarplaneten dauerte es über ein Jahrzehnt, bis man sich an den nächst inneren Planeten wagte. Der Grund: ein direkter Kurs zu Merkur erfordert 2 km/s mehr als zur Venus, fast so viel, wie um zum Jupiter zu fliegen. Mittlerweile hatte man bei der NASA die Computerkapazität, um Swing-Bys zu berechnen und damit Venus so zu nutzen, damit sie Mariner 10 zum Merkur umlenkt. Auch hatte die Positionsbestimmung enorme Fortschritte gemacht, sodass man mit vertretbarem Treibstoffaufwand die Unsicherheit in der Ortsbestimmung bei der Vorbeiflugdistanz korrigieren konnte.

Der italienische Mathematiker Guiseppe „Bepi“ Colombo hatte errechnet, dass unter bestimmten Bedingungen die Venus die Sonde nicht nur zu Merkur entsenden konnte, sondern dabei auch eine Bahn mit einer Umlaufszeit von 176 Tagen herauskommen würde. Da der Merkur die Sonne in 88 Tagen umrundet, würde die Sonde ihn nach 176 Tagen erneut passieren. Eine Herausforderung war die thermische Abschirmung, da die Sonde mehr als die doppelte Sonneneinstrahlung wie bisherige Mariners zu Venus erhalten würde. Schon früh in der Mission von Mariner 10 führte ein Fehler bei einer Beobachtung des Kometen Kohoutek zu einem Verlust von 40 Prozent des Lagenregelungstreibstoffs. Am 5.2.21974 wurde die Venus passiert. Dank der erstmaligen Nutzung des X-Bandes sandte die Sonde 4.165 Aufnahmen in wenigen Tagen zur Erde, vorherige Vorbeiflugsonden hatten nur einige Hundert Aufnahmen übertragen. Weitere Probleme ließen den Verbrauch an Lagenregelungsgas weiter ansteigen. Nach der Merkurpassage am 29.3.1975 war daher fraglich, wie es weiter gehen würde. Für einen weiteren Vorbeiflug reichte das Gas sicher, aber ob ein dritter Vorbeiflug möglich war, war fraglich. Das JPL entschloss sich trotzdem Merkur beim zweiten Vorbeiflug nur in größerer Distanz (48.000 km) zu passieren, um die Bahn nicht zu stark zu beeinflussen. Die zweite Passage am 21.9.1974 sollte die Südpolregion besser fotografisch erfassen. Man sparte nun Lagekontrollgas ein ,wo es ging und so konnte Mariner 10 am 16.3.1975 den Merkur ein drittes Mal diesmal in geringer Distanz passieren. Acht Tage später war der Vorrat an Lagekontrollgas erschöpft und die Sonde wurde abgeschaltet. Trotz dreier Vorbeiflüge erfasste die Sonde nur 45 Prozent der Oberfläche Merkurs. Da die Umlaufdauer von Mariner 10 genau die dreifache Rotationsperiode Merkurs hatte, sah man immer die gleiche Szenerie, sogar unter demselben Winkel zur Sonne. Nach Bepi Colombo ist die aktuelle Mission der ESA zu Merkur benannt.

Uranus (20.8.1977)

Die beiden Voyagers sollten primär Jupiter und Saturn erforschen. Sie waren die Überbleibsel eines ambitionierten Programms zur Erforschung der äußeren Planeten, dass die NASA nie genehmigt bekam. Intern gab man die Parole aus, das sowohl beim Bau, wie auch der Operation alles getan werden sollte, um eine der Sonden weiter zu Uranus und wenn sie dann noch funktioniert, weiter zu Neptun zu schicken. Das war Voyager 2, die Jupiter und Saturn nach Voyager 1 erreichte. Bis Voyager 1 den Saturn passiert hatte, war sie ein Backup, deren Kurs man notfalls ändern konnte um wichtige Ziele von Voyager 1 wie Io und Titan doch noch zu beobachten.

Danach war der Weg frei zu Uranus. Doch die Voraussetzungen waren schlecht. Schon auf dem Weg zum Jupiter fiel der primäre Kommandoempfänger von Voyager 2 aus und der zweite Empfänger hatte einen Defekt. Bei der Passage von Saturn fiel der Antrieb für die Scanplattform aus. Danach dürfte er nicht mehr mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden. In den vier Jahren bis zu Uranus programmierte man die Bordrechner der Sonde regelrecht um, implementierte Algorithmen die Bilddaten komprimierten, die Bewegungsunschärfe kompensieren.

Die Bilder von Uranus, der am 24.1.1986 passiert wurde, waren trotzdem enttäuschend. Sie zeigten keinerlei Details ,weil eine Smogschicht über den Wolken lag. Dafür gab es viele Erkenntnisse über die dünnen Ringe, die Monde und das seltsame Magnetfeld des Planeten das veir Pole hat und stark zur Rotationsachse geneigt ist.

Neptun (20.8.1977)

Danach brauchte Voyager 2 weitere drei Jahre bis sie Neptun erreichte. Bis heute ist Voyager 2 die einzige Raumsonde die vier Planeten passierte. Die Techniken, die man bei Uranus eingeführt hatte, wurden weiter perfektioniert und so bekam man trotz geringerer Datenrate sogar noch mehr Bilder und Daten von Neptun als von Uranus. Diesmal gab es Erleichterung, als schon auf den ersten Testaufnahmen man einen dunklen Fleck entdeckte, also der Planet nicht so strukturlos war, wie Uranus. Der Fleck stellte sich als ein Wirbelsturm heraus, der so groß ist wie die Erde, im Verhältnis zum Planeten der größte im Sonnensystem. Anders als der bekannte große rote Fleck des Jupiters, ist er aber nicht permanent – als das Hubble Weltraumteleskop die ersten Neptunaufnahmen einige Jahre später machte, war er verschwunden. Am skurrilsten war der Neptunmond Triton, wie man heute weiß, ein eingefangenes Kuipergürtelobjekt. Seine Oberfläche war nahezu kraterfrei, dafür von seltsamen Strukturen überzogen. Triton ist trotz einer Oberflächentemperatur von nur 30 K geologisch aktiv! Bei der Auswertung von Aufnahmen entdeckte man aktive Geysire, Phänomene die man später auch bei Pluto und dem Saturnmond Enceladus entdeckte.

Mit der Passage war die Mission von Voyager 2 beendet, das Team wurde weitestgehend aufgelöst, jedoch nicht ohne vorher die Sonden so umzuprogrammieren, das sie weitestgehend autonom über Jahre oder Jahrzehnte arbeiten können. Die Schwestersonde Voyager 1 nahm im Februar 1990 noch ein letztes Fotomosaik des Sonnensystems auf, bevor die Kameras endgültig abgeschaltet wurden. Bis heute sind beide Sonden – nahezu 50 Jahre nach dem Start aktiv. Ihre Autonovität bewirkte, dass selbst ein Verlust der Funkverbindung durch fehlerhafte Kommandos über Monate oder ein Umbau der Empfangstation über ein Jahr nicht zum Verlust der Sonden geführt haben. Lediglich die Regierung des GTAZ (Größten Trottels aller Zeiten) könnte zum Abschalten der Sonden führen.

Kometen (2.7.1985)

Der bekannteste Komet ist der Halleysche Komet. Er ist der Komet der historisch am häufigsten beobachtet wurde, weil er eine Umlaufbahn mit einer Umlaufbahnzeit von 76 Jahren hat, welche nur gering von anderen Planeten beeinflusst wird. Die erste Beobachtung stammt 240 Jahre vor Christi Geburt. So war aber auch genau bekannt, wann er wo auftauchen würde und es machten sich fünf Sonden auf ihn zu beobachten. Ich habe Giotto gewählt, weil die beiden japanischen Sonden sich ihm nicht wirklich näherten und primär den interplanetaren Raum erforschten. Die beiden russischen Vega Sonden hatten als primäres Ziel die Venus und näherten sich dem Kometen immerhin bis auf 10.000 km.

Nur die europäische Giotto Mission war speziell für diese Mission konstruiert worden und man ging ein hohes Risiko ein: Halley rotiert retrograd, das heißt, die Relativgeschwindigkeit zum Planeten betrug rund 80 km/s, anstatt 20 km/s wie bei einer prograden Umrundung der Sonne. Trotzdem wollten die meisten Experimentatoren so nahe wie möglich herangehen, auch wenn ein Staubkorn bei dieser Geschwindigkeit die Raumsonde ernsthaft beschädigen konnte und Staub setzt ein Komet durch Verdampfen der Oberfläche bei Annäherung an die Sonne in großen Mengen frei – Giotto maß 18 t Materialverlust pro Sekunde!

Die Fotos der VeGa Sonden erlaubten es die Positionsunsicherheit des Kerns soweit abzusenken, das eine Passage unterhalb 1000 km Distanz möglich war. Da diese sowjetischen Sonden aber schon trotz der Passage in zehnmal größerer Entfernung stark beschädigt wurden, waren nicht alle Forscher damit einverstanden, darunter das Kamerateam. Sie wurden aber überstimmt. Beim Vorbeiflug verlief auch alles gut bis um 00:02:47, etwa 15 Sekunden vor der geringsten Distanz, Giotto begann zuerst nur leicht zu torkeln. Nur 7,6 Sekunden vor der Passage durchschlug ein Teilchen den Schutzschild und brachte die Sonde ins Taumeln: Die Rotationsachse verschob sich um 0,9 Grad, die Rotationsgeschwindigkeit stieg von 15 auf 16 Umdrehungen pro Minute. Die Daten kamen so mal bei der Erde an, wenn die Antenne Richtung Erde zeigte, mal nicht. 22 Sekunden lang wusste man nichts von der Sonde, danach gab es kurze Bruchstücke von Datenpaketen. Das automatische Nutationsdämpfungssystem wurde aktiv. Um 00:43 GMT, 42 Minuten nach dem Vorbeiflug, war die Nutation abgebaut worden und der Datenempfang wieder möglich. Dann war Giotto aber schon wieder 130.000 km vom Kern entfernt. In der Zwischenzeit zeigte der Schutzschild aber nicht zum Kometen, viele Instrumente waren beschädigt und ganze Teile der Sonde wurden abgeschlagen – Giotto warum 0,6 kg leichter geworden. Die ESA lenkte Giotto nach einem Erdvorbeiflug am 2.7.1990 – genau fünf Jahre nach dem Start – zum Kometen Grigg-Skjellerup um, der am 12.7.1992 passiert wurde. Die verbliebenen Experimente lieferten auch diesmal weitere Daten. Danach wurde Giotto abgeschaltet, weil sie kaum noch Treibstoff hatte. Bis heute ist Giotto die riskanteste Mission, die jemals gewagt wurde.

Planetenmonde (7.7.1988)

Eine eigene Rubrik sind Sonden zu Mond anderer Planeten, also nicht dem Erdmond. Ein Mond ist naturgemäß kleiner als der Planet und wenn er ein primäres Ziel ist, dann muss er etwas Besonderes sein. Bisher gibt es auch nur fünf Missionen, die einen Mond untersuchen – Huygens den Saturnmond Titan, Europa-Clipper den Jupitermond Europa, JUICE den größten Mond überhaupt Ganymed und Russland hat es der Marsmond Phobos angetan. Sie haben zu ihm drei Sonden geschickt, allerdings mit wenig Erfolg. Weitere sind geplant so DragonFly zum Titan und die NASA würde auch gerne eine Mission zu Enceladus auf den Weg bringen, hat unter der Regierung des GTAZ aber dafür keine Mittel.

Anders als die anderen Monde ist Phobos weder besonders groß noch geologisch aktiv oder sonst wie besonders interessant. Er hat nur einen Vorteil: er ist leicht erreichbar, da er als eingefangener Asteroid den Mars umrundet. Eine Mission passt so auch zu den Beschränkungen, die die Sowjetunion und heute Russland bei der Lebensdauer ihrer Sonden haben.

Phobos 1+2 waren die letzten Raumsonden der Sowjetunion. Sie basierten auf dem Bus der Venera 9-16, der aber bedeutend modifiziert wurde. Der Verfall der Ökonomie in den Achtzigern führte dazu, dass viel gespart wurde und viele Tests aber auch Absicherungen gegen Fehler nicht umgesetzt wurden. Als Folge verließen „Beta.-Raumschiffe“ die Erde, die bei einer kleinen Fehlbedienung komplett ausfallen konnten. Als Kontrast dazu waren sie enorm gut instrumentiert. Nicht nur wie bisherige sowjetische Raumsonden mit sowjetischen Instrumenten, sondern vielen Experimenten aus den Staaten des Warschauer Pakts und einigen ESA-Staaten. Diese Zusammenarbeit begann schon vor Glasnost und Perestrika bei den Vega-Sonden und da es dort so gut klappte, setzte man dies fort.

Zuerst sah auch alles gut aus. Doch Phobos 1 ging schon auf dem Weg zum Mars verloren. Ein Programmfehler in einer neuen Software deaktivierte die Steuertriebwerke anstatt, das er ein Instrument aktivierte. Die Antenne zeigte nicht mehr zur Erde und auch die Solarpaneele nicht mehr zu Sonne, so war die Sonde ohne Strom bald tot.

Phobos 2 schwenkte dagegen am 29.1.1989 erfolgreich in einen Marsorbit ein und erforschte zuerst den Mars aus einer ersten Umlaufbahn und glich dann die Bahn an die von Phobos an. Es folgten einige nahe Vorbeiflüge an Phobos, während die Sonde sich dem Mond immer mehr näherte. Beim letzten Vorbeiflug am 27.3.1989 vor der geplanten engen Passage am 4/5 April 1989, bei der auch zwei Landeapparate abgesetzt werden sollte,n drehte sich die Sonde für Aufnahmen und Untersuchungen zu Phobos, aber nicht mehr zurück, um Kontakt mit der Bodenstation aufzunehmen. Was genau passierte ist nicht geklärt. Ein Ausball des Bordcomputers gilt als wahrscheinlichste Ursache.

Der Fehlschlag wiederholte sich 2011 mit Phobos-Grunt. Die japanisch-deutsche MMX Mission wird als Nächstes zu Phobos aufbrechen.

Asteroiden (17.2.1996)

NEAR war die erste Raumsonde des Discoveryprogramms und anders als viele ihrer Nachfolger auch ein Vorzeigeprojekt. Sie wurde in nur drei Jahren gebaut, bedeutend kürzer als bei einer Raumsonde üblich, zu dem Bruchteil der kosten einer konventionellen Raumsonde. Ziel war der erdnahe Asteroid Eros. Zuerst ging auch alles gut, doch als NEAR (NEAR Earth Asteroid Rendezvous) in die Umlaufbahn um Eros einschwenken sollte, verlor sie die Orientierung. Anders als bei Phobos 2 war die Sonde dafür aber abgesichert und konnte nach einem Tag wieder kontaktiert werden, aber an das Einschwenken in die Umlaufbahn war nun nicht mehr zu denken. Das JPL erarbeitete einen Alternativplan, der nach 13 Monaten erneut zu Eros führte, diesmal klappte das Einschwenken in die Umlaufbahn. Von den Instrumenten fiel eines vorzeitig aus, die anderen kartierten dagegen den Planetoiden und seine Umgebung über ein Jahr aus unterschiedlich hohen Umlaufbahnen. Nach einem Jahr in der Umlaufbahn um Eros wurde die Sonde, die inzwischen nach dem verstorbenen Geologen Eugene Shoemaker in „NEAR Showmaker“ umgetauft wurde, gezielt auf dem Planetoiden abgesetzt. Ein Nachteil des Discoveryprogramms war der enge Finanzrahmen und durch die 13 Monate für eine Extrarunde vor Erreichen von Eros gab es nun keine weiteren Mittel mehr für eine reguläre Missionsverlängerung um ein weiteres Jahr.

NEAR zeigte aber das für kleine Körper solche begrenzten Missionen sehr sinnvoll sind und seitdem hat die NASA weitere Missionen zu Planetoiden und Kometen gestartet wie OSIRIS-Rex, DART, Deep Impact, Psyche oder Lucy.

Zwergplaneten (19.1.2006)

Pluto sollte eigentlich ein primäres Ziel für die NASA sein, denn es ist der einzige Planet, der von einem US-Amerikaner entdeckt wurde. Doch da er weit außen im Sonnensystem war und noch dazu klein. Nach mehreren Anläufen gab es um die Jahrtausendwende endlich ein beschlossenes Projekt: Pluto-Kuiper-Express. Die Sonde wurde mit zwei anderen Projekten für den Jupitermond Europa und die Sonne beschlossen, die viele Teile gemeinsam nutzen sollten, wie neue RTG mit höheren Wirkungsgraden. Doch die Projekte erweisen sich als zu teuer.

Die NASA machte einen neuen Anlauf, mit einer Raumsonde in der Art des Discoveryprogramms, aber aufgrund der Anforderungen deutlich teurer: New Horizons. Man verwandte aber so viel von anderen Discoverysonden wie es ging. Beschränkungen gab es bei dem verfügbaren Strom, der Leistung der Sender und der kleinen Hauptantenne. Wie bei anderen Discoverysonden gab es keine bewegliche Scanplattform, alle Instrumente konnten so nur auf dasselbe Ziel ausgerichtet werden und die Raumsonde wird dabei gedreht. Das erfolgte mit dem Treibstoff anstatt mit Schwungrädern wie sonst üblich. So gelang es die Sonde mit zwei Dritteln der Mittel für PKE umzusetzen.

Was man aber nicht ausgleichen konnte, war der Zeitverlust von einem Jahr zwischen Einstellung von PKE und Projektstart von New Horizons. Jupiter konnte so noch passiert werden, er dürfte die Sonde aber kaum ablenken, sodass er in größerer Entfernung (außerhalb des Orbits von Kallisto) passiert wurde und Nahaufnahmen der galileischen Monde entfallen mussten. Ebenso dauert die Reise zu Pluto nun neun anstatt acht Jahre.

Vor dem Start wurde es noch dramatisch. Durch ein Sicherheitsproblem beim Atomforschungszentrum Los Alamos wurden fünf Wochen lang nicht Pellets für das RTG hergestellt. Die Projektleitung unter Alan Stern hatte nun die Wahl die Sonde mit einem teilbestückten RTG zu starten oder ein Jahr später – dann aber ohne Jupiterpassage und mit einer Reisedauer von 13 Jahren. Sie entschlossen sich für das Erste. Auf dem Weg zu Jupiter wurde dann Pluto der Planetenstatus aberkannt: man hatte in dem letzten Jahrzehnt zahlreiche andere große und kleine Körper jenseits von Neptun entdeckt und Pluto erschien nun nur noch als ein besonders großes Kuipergürtelobjekt. Er wurde zu einem Zweigplaneten herabgestuft.

Die Jupiterpassage, ein Jahr nach dem Start, war eine gute Generalprobe für die Plutopassage. Wie bei Puto wurden die meisten Daten nicht direkt übertragen, sondern an Bord gespeichert. Danach wurde New Horizons in einen Tiefschlafmodus versetzt, aus dem sie nur alle sechs Monate für kurze Zeit geholt wurde, um die Systeme zu überprüfen. Das sparte viel Geld ein.

Kurz vor der Passage würde es nochmals spannend: 10 Tage vor der Begegnung stellte New Horizons die Beobachtungen ein und ging in einen Safe-Mode. Die Ursache war ein Zeit(überlappungsfehler). So ein Fehler kann vorkommen, wenn zwei Vorgaben sich widersprechen z.B. ein Instrument in die eine Richtung schauen soll, ein anderes aber noch aktiv ist und woanders hinschaut. Nach drei Tagen konnte die Sonde die Beobachtungen wieder aufnehmen.

Die letzte, heiße Phase vom 13 bis 15.7.2015 verlief völlig ohne Funkkontakt. Ohne bewegliche Scanpalltform kann New Horzons entweder Pluto/Charon beobachten oder Daten senden. So arbeitete sie zwei Tage lang autonom ihr Messprogramm ab, um sich danach zur Erde zu drehen. Es dauerte bis zum Oktober 2016, also über ein Jahr, um alle Daten zur Erde zu übertragen.

Direkt nach der Passage machte man eine Kurskorrektur die New Horizons zu einem kleinen Kuipergürtelobjekt führte. Als die Mission startete, meinte man es gäbe gute Chancen etliche Kandidaten vor der Plutopassage zu finden, doch schlussendlich waren es nur zwei. Man entschloss sich für den Kandidaten, für den man weniger Treibstoff brauchte und den man schneller erreichen konnte, auch wenn er kleiner war. Er wurde in der Neujahrsnacht von 2018/19 passiert.