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Das Ende von Cassinis Mission

Einleitung

In den vorherigen Berichten über Cassinis Mission habe ich die Primärmission bis Ende 2008 begleitet. Da es immer wenige richtige "Erstleistungen" gab und auch die Informationsmenge auf den Cassini-Webseiten weniger wurde habe ich damals die Berichterstattung eingestellt. Nun kommt noch ein weiterer Teil mit der Begleitung von Cassini auf ihrem letzten Finale.

Cassinis Mission bisher

MissionCassini absolvierte eine Primärmission von 4 Jahren Dauer, die dann noch mehrmals um jeweils 2 Jahre verlängert wurde. Die erste Verlängerung von 2008 bis 2010 war die Cassini Equinox Mission - während dieser Zeit ist auf Saturn gerade Tag und Nachtgleiche (englisch: Equinox). Auf der Erde ist dies um den 21.3 und 23.9 der Fall. Das bedeutet, Saturns Rotationsachse steht kurzzeitig senkrecht zur Bahnebene und die Ringe dann in der Bahnebene.. Dann werden die Ringe nur noch flach von der Sonne beleuchtet und entstehen die Speichern, die Voyager 1+2 genau ein Saturnjahr (29,5 Erdjahre) vorher beobachteten. Schließlich werden die Ringe von der Erde aus gesehen zu einem Strich. Das war im August 2009 der Fall.

Die folgende Verlängerung ist dann die Cassini Solstice Mission. Solstiche steht für Sonnenwende. Auf der Erde um den 21.6 und 21.12. Dann gibt es jeweils auf einer Halbkugel den längsten und kürzesten Tag und die ringe sind maximal zur Bahnebene gedreht. Die folgende Abbildung zeigt die Phase bei dem Umlauf von Saturn. trotz 13 Jahren bei Saturn hat Cassini nicht einmal einen halben Umlauf lang Saturn begleitet. Saturn hat eine Umlaufszeit von 29,5 Jahren, ein halber Umlauf in dem er einmal den maximalen und minimalen Winkel der Achse zur Bahnebene einnimmt dauert also 14,75 Jahre. Am 25.5.2017 beginnt auf der Nordhalbkugel der Sommer. Der Saturn hat eine ähnliche Achsenneigung wie die erde (27 Grad, bei der Erde sind es 23,5 Grad) und zeigt so dieselben Jahreszeiten wie die Erde, nur dauert eine Jahreszeit wegen der langen Umlaufszeit eben fast 7,5 Jahre.

Warum Cassinis Mission zu Ende geht

Jede Raumsonde hat erschöpfliche Ressourcen. Bei Cassini sind zwei Ressourcen begrenzt: Der Treibstoff und die Stromversorgung. Cassini bezieht ihren Strom aus drei Radionukleid-Generatoren die Zerfallswärme von Plutonium 238 über thermoelektrische Elemente in Strom umwandeln. Beim Start hatte Cassini 888 Watt, nun noch 605 Watt. Das ist zwar weniger um alle Instrumente simultan zu betrieben, doch es schränkt den betrieb nicht zu stark ein. Dann werden eben einige Instrumente nicht parallel betrieben. Der Abfall war deutlich geringer als geplant, so sollte das Level von 630 Watt schon am Ende der Primärmission erreicht werden. Damals hatte aber Cassini noch 670 Watt zur Verfügung. Geht es nur nach den RTG, so kann man Cassini noch viel länger betrieben. Die beiden Voyagers starteten 1977 und ihre RTG lassen einen Betrieb bei dem noch Instrumente aktiv sind bis 2025 zu, also fast 50 Jahre.

Alle OrbitsWie bei den meisten Raumsonden ist der Treibstoffvorrat die erschöpfliche Ressource. Cassini benötigt Treibstoff für mehrere Dinge. So für kleine Kurskorrekturen um bei den wichtigen Titanvorbeiflügen die korrekte Annäherungsdistanz und Winkel zu erreichen aber auch zum Entsättigen der Drallräder die für Drehungen der Sonde genutzt werden und die regelmäßig ihr Drehmoment abgeben (entsättigen) müssen. Zudem kann Cassini mit ihren Triebwerken sich schneller drehen als mit den Drallrädern was ab und an auch benötigt wird. Insgesamt hat der Treibstoff eine relativ lange Mission ermöglich, bedenkt man dass nach dem Einschwenken in den Orbit von 3.120 auf 810 kg sank. Davon sollte die Sonde während der Primärmission 540 kg verbrauchen, sodass die restlichen 270 kg dann bei gleichem Verbrauch nur noch für zwei Jahre vorgehalten hätten. Man hat den Vorrat also wesentlich besser genutzt, denn die Mission geht nun erst nach 13 Jahren zu Ende. Dabei gab es durchaus einen Mehrverbrauch, so hat man Huygens noch ein halbes Jahr lang mitgeschleppt (340 kg höhere Masse) und man hat den ersten Iapetusvorbeiflug aus Sicherheitsgründen von 55.300 auf 123.400 km Distanz angehoben, was auch Treibstoff kostete.

Nach dreizehn Jahren ist nun der Treibstoffvorrat zu Ende und man entschloss sich Cassini am Schluss der Mission auf den Saturn stürzen zu lassen. Es sind vor allem von dem Treibstoff für das größere Triebwerk, der für Bahnkorrekturen vorgesehen ist nur noch 1% der ursprünglichen Menge vorhanden. Bei den kleineren Triebwerken die zur Lageänderung verwendet werden, ist es noch ein Drittel. Der Treibstoff für die Lageregelung würde noch für eine Missionsveränderung ausreichen. Man kann die Bahn auch mit den kleinen Triebwerken verändern. Doch das Ende wurde schon lange Zeit so geplant unabhängig von den noch vorhandenen Reserven an Treibstoff.

Dieses Missionsende war schon immer geplant. Auf gleiche Weise hat man Galileo am Ende ihrer Mission "entsorgt". In den letzten Jahren hat man durch die Ergebnisse von Cassini aber noch die Möglichkeit gefunden die Mission mit neuen Untersuchungen zu verbinden. Würde man Cassini nicht auf Saturn neidergehen lasen so würde die Sonde früher oder Später auf einen der vielen Eismonde aufschlagen. Sie stören die Bahn und es gibt genügend davon im Saturnsystem die als Zeile im Weg sind. Ein Grund dies zu vermeiden ist die "Planetary Procection", also man möchte nicht die Körper mit Bakterien impfen. Das Argument erscheint dem Autor aber relativ fadenscheinig, denn Huygens die ja weich auf Titan landete absolvierte niemals ein solches Sterilisierungsprogramm wie Marslandesonden. Wenn man also Bakterien auf Titan getragen hat, dann schon mit Huygens. Vor allem aber ist es bei den dort existierenden Temperaturen bei denen Methan zur Flüssigkeit wird die Entstehung von Leben ausgeschlossen.

Die "Grand Tour"

AtlasDie Grand Tour wurde ist November 2016 vorbereitet. Damals begann man sukzessive den saturnnächsten Punkt auf eine Entfernung von 150.000 km vom Saturnmittelpunkt (rund 90.000 km von der Planetenoberfläche) abgesenkt. Das ist 15.000 km außerhalb der Ringkante der großen Ringe und 10.000 außerhalb des F-Rings und seiner Ringmonde. Während dieser Phase ist der saturnnächste Punkt etwas südlich der Ringebene bei 12 Uhr lokaler Uhrzeit. Das hat den Vorteil das man nun sehr gut Bedeckungsexperimente durchführen kann. Bei einem Bedeckungsexperiment sind die Ringe zwischen der Erde, der Sonne oder einem Stern. Sind sie in der Linie Cassini-Erde so kann man mit der Hochgewinnantenne das reine Trägersignal zur Erde senden und seine Abschwächung aber auch Polarisation messen. Das liefert Daten über die Masse die zwischen Cassini und erde befindet und die Größe der Teilchen, vor allem wenn man den Effekt bei mehreren Frequenzen vergleicht. Cassini hat Sender im S, X und Ka-Band an Bord. Liegen die Ringe zwischen einem Stern oder der Sonne so wird deren Licht abgeschwächt, gestreut und durch Absorption und Emission verändert. Diese Effekte kann man mit dem Photopolarimeter und den Spektrometern untersuchen.

Da sich Cassini nun schon näher der Außenkante der Ringe befindet als jemals zuvor, wurden nun auch weitere Aufnahmen der äußeren Schäfermonde, die den F-Ring begrenzen gewonnen, die besser waren als alle bisher gewonnenen. Dabei gab es Überraschungen. Der kleine Saturnmond Atlas hat einen ausgeprägten Äquatorwulst. er sieht ein bisschen wie ein überdimensionaler Cheeseburger aus. Atlas hat einen maximalen Durchmesser von 46 km. 22 dieser Umläufe gibt es bis zu großen Finale. Sie heißen "F-Ring/Proximal Orbits". Bei ihnen liegt der saturnfernste Punkt in 1,2 Millionen km Entfernung und die Umlaufdauer bei 7 Tagen. Während dieser Zeit ist geplant das bisher hochauflösendste Mosaik der Ringe aus rund 60 Bildern im Gegenlicht mit einer Auflösung unter 1 km/Bildpunkt anzufertigen. Ebenso nutzt am die Zeit in der man nun am nächsten an der Außenkante der Ringe ist, um bisher nur vermutete (durch ihre Störungen der Ringe) Minimonde mit Größen unter einem Kilometer fotografisch zu "finden".

Auch die größeren Monde werden noch weiter beobachtet. 13-mal wird Enceladus im Gegenlicht beobachtet, das erlaubt es Eruptionen leicht zu erkennen. Enceladus hat aktive Geysire die Eis ausstoßen. Es gibt einen nahen Vorbeiflug an Atlas (12.000 km Minimalentfernung) und einen an Epimetheus,

Nach Cassinis Untersuchungen ist die Region zwischen der sichtbaren Wolkenobergrenze bis in 2.400 km Höhe frei von Ringteilchen. Staub sinkt zwar immer näher zum Saturn, aber diese Region wird durch die dünne auch oberhalb der Wolken noch vorhandene Restatmosphäre und gravitative Störungen frei gehalten. Die gleichen Kräfte sorgen auch dafür, dass sobald Cassini ihren Saturnnächsten Punkt in diese Zone gelegt hat sie relativ bald weiter absinken wird und so verglüht.

Die Bahn ist aber einzigartig, weil sie während der ganzen Tour (mit Ausnahme des Orbit Insertion Manövers mit dem man den ersten Orbit erreichte) die einzige Bahn ist bei der der saturnnächste Punkt innerhalb der Ringe liegt. Das bedeutet Cassini hielt immer Abstand zu den Ringmonden (sowohl den schon vor Cassinis Ankunft bekannten an den äußeren Ringen, wie auch den inzwischen neu entdeckten Monden in den Ringen) und man kommt auch den inneren Ringen näher als je zuvor. Zudem kann man sie aus ungewohnter Perspektive sehen, nicht aus der Ferne von oben, sondern aus der Nähe von unten.

Die Mission beginnt am 22.4.2017 mit dem letzten (126-sten) Titanvorbeiflug. Er senkt den Saturnnächsten Punkt soweit ab, dass er unterhalb 2.400 km Entfernung vom Saturn liegt. Danach ist keine Rückkehr mehr möglich und die Störungen sorgen auch dafür das man nun nicht mehr Titan nahe kommt, der die Bahn wieder anheben könnte. Jeder der folgenden 22 Orbits hat nun eine Umlaufszeit von 6 1/2 Tagen. Der Titan Vorbeiflug, der letzte von 160 gezielten Vorbeiflügen an den Saturnmonden bremst die Sonde um 790 m/s ab. Der saturnfernste Punkt liegt nun 2.000 km über der Wolkenobergrenze. Beim Titan-Vorbeiflug setzte man ein letztes Mal das Radargerät ein um erneut eine Nordpolregion zu überfliegen auf der man schon Methanseen ausmachte. Man interessiert sich hier vor allem ob sich diese verändert haben.

Während der ersten beiden hat man aus Sicherheitsgründen die Hauptantenne in die Bewegungsrichtung, also Richtung Saturn gedreht. Da man keine signifikanten Einschläge oder gar größere Ereignisse wie ein Taumeln, Druckabfall oder eine Beschädigung bemerkte, wurde nach dem zweiten Orbit diese Vorsichtsmaßnahme eingestellt. Dadurch kann man die Instrumente auch bei der Saturnpassage auf Ziele ausrichten. Das war vorher nicht möglich.

Untersuchungen

Letzte 22 OrbitsDie wichtigsten Untersuchungen gelten den Ringen. Noch immer sind sie rätselhaft. So ist die Dicke unterschiedlich. An einigen Stellen nur 10 m, an anderen 100 m. Ebenso ist die Größe der Teilchen unterschiedlich. Manchmal nur staubkorngroß, manchmal erreichen die größten Brocken die Abmessungen eines Hauses. So ist die Masse derzeit nur abschätzbar. Man setzt sie zwischen 0,4 und 2,5 Mimasmassen an. Mimas ist ein 385 km hoher Mond mit einer Masse von 3,8 x 1019 kg. Auf einen Quadratmeter bezogen entspricht dies einer Masse von 10 bis 50 kg. Cassini soll die Unsicherheit in der Grand Tour auf 0,03 Mimasmassen absenken. Der Wert hat praktische Bedeutung. Da es keine großen Monde mehr gibt die Saturn auseinanderreißen könnte (nähert sich ein makroskopischer Körper zu stark einem Planeten dann sind die Gravitationskräfte höher als die molekularen Kräfte und er wird zu kleineren Körpern zerfallen. Diese stoßen dann aufeinander und reiben sich und werden so beständig kleiner und es entsteht ein Ring) müssen die Ringe um so älter sein je mehr Masse sie enthalten, denn ständig rieselt Material auf den Saturn herab. So liegen die Schätzungen je nach Masse zwischen weniger als 100 Millionen und mehreren Milliarden Jahren.

Eine zweite Untersuchung betrifft die Rotationsdauer von Saturn. Die ist nicht so einfach zu ermitteln. Die Atmosphäre liefert nur einen Anhaltspunkt. Schon sie rotiert je nach geographischer Breite unterschiedlich schnell. Derzeit nimmt man 10 Stunden 39 Minuten an, allerdings mit einer Meßunsicherheit von 8 Minuten. Gewonnen wird sie durch die Veränderung von Strahlung aus dem Inneren von Saturn. Die Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von mehreren Kilometern geht von höheren Breiten aus und hier kommt Cassini dem Saturn so nah wie nie zuvor und kann so die Messungen präzisieren. Damit einher geht auch eine bessere Erfassung des Magnetfeldes, das ebenfalls schwankt. Man könnte damit klären ob - was manche Forscher annehmen - ständig Helium auf Saturns Kern ausregnet.

Wenn Cassini sich über der Wolkenobergrenze befindet können ihre beiden Massenspektrometer - eines für ionisierte und eines für neutrale Teilchen die Atome und Moleküle der Atmosphäre direkt bestimmen. Die Dichte ist zwar extrem gering doch es gibt auch hier noch genügend Teilchen die man detektieren könnte. Dasselbe gilt für den Staubeinschlagsanalysator. Er kann erstmals Staubteilchen der inneren Ringe direkt bestimmen, ihre Masse, Geschwindigkeit wie auch chemische Zusammensetzung. Auch diese Daten liefern Anhaltspunkte über das Alter der Ringe und ihre erosionsrate.  Die Felder und Teilcheninstrumente profizieren davon das Magnetfelder aber auch eingefangene Ionen des Sonnenwindes nicht durch die Ringe verfälscht werden. Nur in dieser Zone kann sich ein Strahlengürtel ausbilden. Zuletzt gibt es noch die schon erwähnten Bedeckungsexperimente vor allem von Sternen mit denen die Ringe quasi durchleuchtet werden.

Das Missionsende

Es gibt auch Aufnahmen von Saturn. Ende April die besten Aufnahmen der Telekamera, im Juni dann einen Schwenk der Weitwinkelkamera über den gesamten Planeten. Am 8+9 August und am 20 September gibt es dreimal die Gelegenheit beim Passieren des saturnnächsten Punktes die Ringe von innen nach außen zu fotografieren. Bisher sieht man sie nur von außen nach innen - allerdings nicht ganz: die abgewandte Seite sieht man immer von innen nach außen, nur eben nicht aus dieser Perspektive.

Bei den letzten beiden Orbits besteht die Möglichkeit das man Cassini noch etwas näher an Saturn heranführt. Das hängt von den bisherigen Daten über die Atmosphäre ab. Schon in 2000 km Entfernung könnte die so dicht sein, das die Lagekontrolltriebwerke Cassini nicht stabilisieren können, dann wird man kurzzeitig die Bahn nochmals anheben.

Der letzte Orbit beginnt normal: Mit Beobachtungen von Titan, Einem Panorama der Ringe, Beobachtungen von Enceladus, des Polarlichtes von Saturn und erneut Titan. Dann fotografiert man erneut propellartige Strukturen in dem A-Ring. 14 Stunden 30 Minuten vor dem erwarteten Missionsende werden die letzten Bilder zur Erde gesendet. In der finalen Phase gibt es keine Bilder sondern einen Echtzeitstrom der Felder und Teilcheninstrumente die auch wesentlich kleinere Datenraten haben. Dreieinhalb Stunden vor dem Eintritt in 90.000 km Entfernung findet nun eine Echtzeitübertragung statt. Vorher verfolgte Cassini eine Strategie in der man mit den Instrumenten beobachtete, alle Daten abspeicherte und dann die Sonde drehte und sie zur Erde sandte.  Das war abei allen Instrumenten die ausgerichtet werden müssen (Kameras, Spektrometer) auch technisch nicht anders möglich.

Das Ende der Sonde kommt dann wenn die Kräfte der Atmosphäre sie so drehen, das die Hauptantenne nicht mehr zur Erde weist. Das ist zumindest für uns auf der Erde das Missionsende, denn nun ist Cassini stumm. Es dauert aber noch eine Weile bis sie sich auch soweit aufgeheizt hat, dass sie desintegriert. Sie löst sich dann einfach auf und wird zum Teil von Saturn. Das soll am 15.9.2017 erfolgen, nach 294 Umläufen und 160 Passagen der Monde.

Es gibt eine kleine Chance, dass die Mission vorher schon beendet ist. es könnte der Bahnkorrekturtreibstoff vorher ausgehen oder ein Staubteilchen könnte die Sonde so treffen dass sie sich alleine nicht mehr stabilisieren kann und auch die Erde keine Hilfe leisten kann. Das erscheint aber unwahrscheinlich vor allem nachdem man nach zwei Passagen die Hauptantenne nicht wie vorher als Schutzschild bei der Passage der Zone mit der nächsten Annäherung an den D-Ring nutzte, weil man zu wenige Einschläge auf dem Staubdetektor registrierte.

Laufende Berichterstattung

Am 10.5.2017 veröffentlichte die NASA eine Aufnahme der Propeller-Strukturen im Gegenlicht in bisher noch nie erreichter Auflösung. Details von nur noch 385 m Größe waren sichtbar. Bisher wurden 385.000 Bilder aufgenommen. Bis zur Missionsende könnten es über 400.000 sein. Weitere Bilder der nahen Ringmonde in hoher Auflösung folgten. Sie waren vorher nie nahe passiert worden, weil Cassini außerhalb der Ringe bleiben musste.

Weiter spektakuläre Bilder blieben schließlich dann aber doch aus. Am15.9.2017 verglühte schließlich Cassini in der Saturnatmosphäre.
Parameter Wert
Umläufe: 294
Gezielte Vorbeiflüge: 162
davon an Titan 126
davon an Enceladus 23
Datenmenge: 635 GB
Bilder: 453.048
veröffentlichte Fachartikel 3.948
Personen am Programm beteiligt 5.000
Triebwerkszündungen: 360
Neu entdeckte Monde: 6
Ausgeführte Kommandos: 2,5 Millionen
Gesamtkosten: 3,9 Milliarden Dollar, davon 2,5 Milliarden bis zum Start,
1,4 Milliarden für Operationen und Datenauswertung seit 1997

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Links

Planetary.org : Viele Hintergrundinfos zu Cassini und Saturn

DLR Cassini Seiten (Deutsche Übersetzung der NASA Seiten)

NASA Cassini Website

Cassini RAW Images

https://saturn.jpl.nasa.gov/system/internal_resources/details/original/693_CHARM_GFChallenges_RevG.pdf

Details zu den letzten 22 Umlaufbahnen.

https://saturn.jpl.nasa.gov/mission/grand-finale/cassini-quick-facts/

 

SuW 4/2017 Tillmann Denk: Cassinis großes Finale

Alle Bilder: Copyright Courtesy NASA/JPL-Caltech.

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