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Lunar Prospector

Einführung

Nach dem Ende des Apollo Programms war der Mond für die Amerikaner erledigt. Während immer komplexere Raumsonden zum Mars und anderen Planeten flogen, gab es seit der Landung von Surveyor 7 am 7.1.1968 keine neue Mondmission. Dies bedeutete auch, dass es auf der Erde zwar sehr viele Mondgesteine gab, aber unsere Kenntnis der Mineralogie und Geologie des Mondes im großen noch auf den Kartierungsmissionen von Lunar Orbiter aus dem Jahre 1966/67 basierte.

Erst Anfang der neunziger Jahre kam wieder Bewegung in die Mondforschung. Die Sonde Clementine kartierte den Mond in 11 Wellenlängen zwischen dem UV und nahen Infrarot. Sie entdeckte auch Anzeichen für Wasser. Dies war auch der Startschuss für Lunar Prospector. Die Sonde basierte auf Ideen, die bis ins Jahre 1988 zurückgingen. Ziel war nicht die visuelle Kartierung des Mondes, sondern die mineralogische Untersuchung durch Untersuchung der vom Mond emittierten Gammastrahlen, Neutronen und Alphastrahlen. Diese Methoden konnten Wasser finden, das man in Kratern vermutete, in die nie ein Lichtstrahl gelangt und die dadurch visuellen Methoden verborgen bleiben.

Lunar Prospector ist Bestandteil des Discovery Programms. Sonden dieses Programms müssen sich an einige Leitlinien halten. Die Kosten dürften 150 Millionen USD (Preisbasis 1992) nicht überschreiten. Sie sollen schnell gebaut werden und viel Wissenschaft zum kleinen Preis versprechen, getreu dem Motto "Faster, Better Cheaper". Innerhalb dieses Programms war Lunar Prospector die kleinste und kostengünstigste Sonde. Ihr Bau und Start kostete nur 63 Millionen USD. Startschuss für den Bau von Lunar Prospector war der 28.21995, weniger als 3 Jahre nach Bewilligung des Projektes startete die Sonde. Sie wurde in lediglich 22 Monaten entwickelt und gebaut.

Die Raumsonde

Lunar PropektorLunar Prospector ist eine zylindrische Raumsonde, die ein bisschen an die alten Pioneers und Wettersatelliten wie Meteosat erinnert. Der Grundkörper ist ein Zylinder aus Kohlenfaserverbundwerkstoffen von 1.37 m Durchmesser und 1.22 m Höhe. Teile der Struktur der Sonde wurden aus anderen Projekten wie Iridium und Galileo übernommen. Die Oberfläche ist mit 2640 Solarzellen von 2 × 6 und 3 × 6 cm Größe belegt, die eine Leistung von 200 W abgeben. Davon werden maximal 176 W benötigt. (90 W zum Betrieb, 77 W zum Aufladen der Batterie). Zum Abpuffern von Zeiten im Mondschatten gibt es eine 5 Ah Nickelcadmium Batterie. Am Zylinder befinden sich im 120 Grad Abstand 3 Ausleger. Sie enthalten die 6 wissenschaftlichen Instrumente. Jeder Ausleger ist 2.5 m lang. Ein Ausleger ist um 1.1 m verlängert um das Magnetometer aufzunehmen.

Die Gesamthöhe der Sonde mit Antenne beträgt 4.10 m, der Durchmesser maximal 7.5 m von Ausleger zu Ausleger. Sie wiegt beim Start mit Treibstoff 296.4 kg, leer wiegt die Sonde lediglich 158.7 kg.

Die Sonde ist relativ einfach aufgebaut. Sie rotiert zur Stabilisierung und Temperaturkontrolle mit 12 Umdrehungen pro Minute um die eigene Achse, welche senkrecht zur Ekliptik liegt. Alle Instrumente benötigen keine besondere Ausrichtung. Die Lage wird durch einen Sonnensensor (übernommen von INTELSAT V) und einen Horizontsensor festgestellt. 6 kleine Düsen von je 22 N Schub sind für Lageänderungen aber auch Kurskorrekturen verantwortlich. Angetrieben werden diese von Hydrazin, welches katalytisch zersetzt wird. Von den 296.4 kg Startmasse entfallen 137.7 kg auf das Hydrazin. Dieses wird mit Helium auf 31 Bar Druck gesetzt. Es kann den Kurs der Sonde um maximal 1430 m/s ändern. Die Lage ist auf 0.5 Grad genau bekannt, die Mittelgewinnantennen muss auf 5 Grad genau ausgerichtet werden. Durch die Rotation der Sonde ist die Lageregelung relativ einfach, da die Sonde relativ stabil ist (quasi ein großer Kreisel). Zum Verhindern der Nutation gibt es 0.59 kg Quecksilber in einem Ring an der Außenwand. Einer Änderung der Rotationsachse widersetzt sich das Quecksilber indem es in die entgegengerichtete Richtung strömt.

Datenverbindung zur Erde gibt es über eine Konusförmige Mittelgewinn und Niedriggewinnantenne von 1.6 m Höhe, die auf dem Zylinder angebracht ist. Zur Erde wird mit 3.6 KBit/sec (Mittelgewinnantenne, MGA) bzw. 300 Bit/sec (Niedriggewinnantenne, LGA) bei 2277 MHz gesandt. Der Uplink von der Erde erfolgt mit 0.25 KBit/sec bei 2.093 MHz. Beide Frequenzen liegen im S-Band. Das bei Raumsonden sonst übliche X-Band wird von der Sonde nicht genutzt. Die MGA hat einen Sende / Empfangsbereich von 10 × 360 Grad, während die LGA einen Sende / Empfangsbereich von 100 × 360 Grad hat. Die Sendeleistung beträgt lediglich 5 W.

Die Sonde verfügt über keinen eigenen Bordcomputer und wird völlig vom Boden aus gesteuert. Es gibt auch keinen Bandrekorder für die Zwischenspeicherung von Daten die auf der Mondrückseite gewonnen werden. Wie früher die Raumsonden vor Viking 1 gibt es einen Sequenzer der Kommandos zwischenspeichert. Dieser kann auch die Daten von der Mondrückseite (max. 53.3 Minuten ohne Funkverbindung) zwischenspeichern. Vielleicht war dies auch eine Lehre aus dem Verlust der Mondsonde Clementine durch Versagen des Computers. Man wollte das System nicht unnötig kompliziert machen. So steuert ein Timer die Ausführung von Kommandos die vom Boden aus an die Sonde gesendet werden. Es gibt 61 einfache Ein- / Ausschaltkommandos für Experimente und Equipment.

Die Instrumente

Die Sonde hat 6 Instrumente im Gesamtgewicht von 24 kg an Bord.

Lunar Prospector Alpha Particle Spectrometer (APS)

APSDas Alphateilchenspektrometer bestimmt Alphateilchen, die von der Oberfläche austreten. Ursache ist der radioaktive Zerfall von Radon und seinem Zerfallsprodukt Polonium. Die Menge der bestimmten Alphateilchen lässt Rückschlüsse auf die tektonische Aktivität des Mondes zu, da beide Elemente kurze Halbwertszeiten haben, d.h. nur frisches Material aus dem Kern kann diese Emission verursachen.

Das Instrument wurde aus einem bei Apollo 15+16 eingesetzten weiterentwickelt. Es besteht aus einem Würfel. An fünf Seiten ist eine Siliziumscheibe zwischen eine Gold und Aluminiumscheibe eingebracht. Diese wird unter Spannung gesetzt. Einschlagende Alphateilchen erzeugen Ladungsträger die durch die Spannung weitere Elektronen frei schlagen. Dieser Lawineneffekt führt zu einem messbaren Strom, der detektiert wird.

Die Auflösung des Instrumentes beträgt 150 km auf der Oberfläche. Der Fluss von Alphateilchen kann auf 10 % genau festgestellt werden. APS wiegt 4 kg und verbraucht 7 W an Strom.

MagnetometerLunar Prospector Magnetometer (MAG)

Das Magnetometer bildet zusammen mit dem ER Instrument ein Kombiinstrument. Es misst das Vorkommen von Magnetfeldern. Man wusste schon, dass der Mond kein globales Magnetfeld hat. Das Magnetometer sollte aber lokale Magnetfelder aufspüren können. (Restmagnetisierungen von Teilen der Oberfläche). Es war basierend auf dem Magnetometer, welches bei der Raumsonde Mars Global Surveyor eingesetzt wurde, konzipiert worden.

Lunar Prospector Electron Reflectometer (ER)

ElectronreflexometerDas ER soll das Vorkommen von eingefrorenen Magnetfeldern aus der Frühzeit des Mondes bestimmen. Heute hat der Mond kein globales Magnetfeld, doch man vermutete lokale Magnetfelder an der Oberfläche, welche aus der Frühzeit der Geschichte des Mondes stammen. Ein Magnetfeld lenkt aber Elektronen aus ihren Bahnen ab, so dass man durch den Vermessung des Einfallswinkels auf lokale Magnetfelder schließen kann.

Das Instrument befindet sich zusammen mit dem Magnetometer an einer 1.1 m langen Verlängerung eines Auslegers. Es misst den Winkel einfallender Elektronen und bestimmt den Ort eines Magnetfeldes so auf 3 km genau. Magnetfelder können mit einer Genauigkeit von 0.01 nT bestimmt werden. Magnetometer und Elektronenreflektometer wiegen zusammen 5 kg und verbrauchen 4.5 W an Strom.

Lunar Prospector Gamma Ray Spectrometer (GRS)

Dies war das wichtigste Experiment an Bord. Es produziert eine globale Karte der Elementverteilung des Mondes. Es nutzt dazu Gammastrahlen. Die radioaktiven Elemente Kalium, Thorium und Uran produzieren von sich aus Gammastrahlen und können so direkt detektiert werden. Kosmische Strahlen regen andere Elemente ebenfalls zur Aussendung von Gammastrahlen an.

Das Experiment ermittelte die Häufigkeiten der radioaktiven (radiogenen) Elemente Kalium, Uran und Thorium sowie die der Mineralbildenden Elemente Eisen, Titan, Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Calcium und Magnesium.GRS Karte

Das Experiment bestand aus einem Kristall aus Bismutgermanat in einem Zylinder umgeben von boriertem Kunststoff. Gammastrahlen erzeugen in dem Kristall einen Lichtblitz der proportional zur Energie der Strahlung ist. Das Experiment ist eine verbesserte Version des Gammastrahlenspektrometers an Bord einiger Apollo Missionen. Wegen des schlechten Signal / Rauschverhältnisses muss ein Gebiet mehrmals überflogen werden. Bei 9 Überflügen pro Monat dauert es drei Monate um die radiogenen Elemente zu bestimmen und 12 Monate um die nicht radiogenen Elemente zu erfassen.

Radiogene Elemente werden mit einer Genauigkeit von 7-15 % gemessen. Eisen mit 45 % Genauigkeit und Titan mit 20 % Genauigkeit. Die Verteilung eines besonderen Minerals namens KREEP kann mit 15-30 % Genauigkeit ermittelt werden. Über die Mission erhält man so eine Karte der Verteilung der Elemente mit einer Auflösung von 150 km. Das borierte Kunststoff dient zur Erfassung schneller Neutronen für welche das NS Instrument nicht empfindlich ist. Neutronen werden durch die C und H Atome des Kunststoffs abgebremst und werden schließlich von einem Atomkern des Bors eingefangen, der unter Abgabe eines Lichtblitzes in einen Lithiumkern zerfällt. Dieser Lichtblitz wird detektiert.

GRS ist das schwerste Experiment an Bord der Sonde. Es wiegt 6.6 kg.

Lunar Prospector Neutron Spectrometer (NS)

Neutron SpectrometerDas Neutronenspektrometer hat die Aufgabe kleinste Wasserspuren zu finden. Alle Apollomissionen haben kein Wasser im Mondgestein gefunden. Das ist erstaunlich. Ab und an sollte der Mond von einem Kometen getroffen werden. Verliert er dabei alles Wasser und nichts bleibt auf dem Mond zurück? Die Raumsonde Clementine lieferte mit einem bistatischen Radar Hinweise darauf, dass in polaren Kratern, welche nie von der Sonne beschienen werden, sich doch Wasser halten könnte. Das NS Instrument sollte diese Wasserspuren aufspüren.

Das Instrument bestand aus zwei Kanistern gefüllt mit dem Isotop Helium-3 (3He). Trifft energiereiche Strahlung auf Gestein so schlägt sie dort Neutronen heraus. Wasser mildert diesen Neutronenstrom ab, da es die Neutronen abbremst. Das Instrument nutzt die Reaktion ³He(n, p) ³H + 0,768 MeV aus, indem um eine Helium-3 Quelle ein Detektor gebaut wurde. Die Empfindlichkeit wurde gesteigert, indem man einen Detektor von einer Cadmiumfolie und den anderen mit Blech umgeben hat. Cadmium absorbiert langsame, thermische Neutronen. Blech tut dies nicht. Jeder Kanister ist mit einem Energiezähler verbunden, so dass man zwischen thermalen und anderen Neutronen unterscheiden kann.

Oberhalb von 80 Grad Breite sollte das Experiment 0.01 % Wasser detektieren können, das ist eine Tasse Wasser vermischt mit einem Kubikmeter Mondstaub. Unterhalb von 80 Grad Breite geht die Auflösung auf 0.05 % zurück. Allerdings kann das Instrument nur Wasser in den obersten 50 cm der Oberfläche detektieren. Das Neutronenspektrometer ist mit dem Alphateilchenspektrometer an einem Mast angebracht. Es wiegt 3.9 kg und verbraucht 95 W an Strom.

Lunar Prospector Doppler Gravity Experiment (DGE)

Dieses Experiment benutzt den Sender der Raumsonde als Experiment. Die Frequenz ändert sich, wenn die Sonde in Richtung auf die Erde beschleunigt oder abgebremst wird. Neben der Unterschiedlichen Geschwindigkeit in der Bahn um den Mond, beschleunigen aber auch Massekonzentrationen die Sonde. Diese kann man mit dem Experiment, welches den Dopplereffekt misst bestimmen. Die Genauigkeit Geschwindigkeitsermittlung beträgt 0.1 mm/s. Im ersten Orbit konnte daraus eine Gravitationskarte mit einer Auflösung von 200 km erstellt werden. Der niedrigere Orbit in der erweiterten Mission reduzierte die Auflösung auf 20 km. Alle 10 Sekunden wurde der Dopplereffekt der Raumsonde gemessen, so, dass man über die Missionszeit eine sehr genaue Karte erzeugen konnte.

Der Start

Athena 2Lunar Prospector ist die erste und wahrscheinlich auch einzige Raumsonde, welche von einer Athena II Trägerrakete gestartet wurde. Wie die Sonde wurde diese von Lockheed Martin gebaut. Um 5 Millionen USD billiger wäre wohl eine Taurus Rakete gewesen, doch stammte die vom Konkurrenten OSC. Die Athena II Trägerrakete war im Verhältnis zu ihrer Nutzlast mit 25 Millionen USD relativ teuer. Sie beförderte nur 4 Nutzlasten in den Orbit, seit 1999 erfolgte kein Start mehr.

Die Athena II kann die Sonde nicht direkt zum Mond befördern, so dass diese mit einer zusätzlichen Oberstufe ausgerüstet wurde. Es handelte sich um den schon bei der Raumsonde Clementine verwendeten Star 37FM Motor. Dieser Feststoffantrieb hat 1.092 kg Masse, davon sind 1.010 kg Treibstoff. Er beschleunigt die Sonde um 3143 m/s auf eine Bahn deren Apogäum beim Mond liegt. Gleichzeitig spinnt er die Sonde auf 60 Umdrehungen pro Sekunde auf und stabilisiert diese so.

Der Start fand von Cape Canaveral aus am 7.1.1998 statt. Nach 13 Minuten hatte die Sonde einen 186 km hohen temporären Orbit erreicht. Nach 42 Minuten zündete der Star 37FM Motor und beschleunigte die Sonde um 3143 m/s zum Mond. Nun befand sich die Sonde auf einer Transferbahn zum Mond mit einer Reisezeit von 105 Stunden.

Schon bald nach dem Start gab es aber Ärger. Einen Tag vor dem Start wurde bekannt, dass sich in einer 4.4 cm langen und 1.8 mm durchmessenden Kapsel 7 g der Asche des im Juli 1997 bei einem Autounfall im australischen Outback verstorbenen Planetologen Eugen Shoemaker befand. Navaho Indianer aus dem Süden der USA betrachten den Mond als heiligen Ort, der durch die "Beerdigung" von Eugen Shoemaker entweiht würde!

Das ganze gab einigen Wirbel bei der NASA, bei der man die Problematik nicht kannte. Das Pikante dabei: Eugen Shoemaker war der wohl engagierteste Forscher für den Mond seit Beginn des Raumfahrtzeitalter. Er wandte sich als erster gegen die noch in den sechziger Jahren favorisierte Vulkanhypothese, nach der die Krater auf dem Mond erloschene Vulkane seien. (Er tat dies übrigens nach einem Besuch im Nördlinger Ries, einem Einschlagskrater nahe Steinheim in Baden Württemberg. Die dort gefundenen Gesteinsformationen bestätigten seine Vorstellungen). Eugen Shoemaker war Projektleiter bei Surveyor und für den wissenschaftlichen Teil von Apollo, er setzte sich bei Voyager für die Beobachtung der Monde der Gasplaneten ein, und war zuletzt Projektleiter bei der Mondsonde Clementine. Während seines ganzen Lebens spielte also der Mond die Hauptrolle in seiner Forschung. Daher stimmten auch Projektverantwortliche für die Mitnahme der Asche des verstorbenen Planetenforschers.

Die Mission

Einschlag Lunar ProspektorNach drei kleinen Kurskorrekturen erreichte die Sonde am 11.1.1998 den Mond. Eine Zündung der Düsen führte zu einer Reduktion der Geschwindigkeit um 364 m/s und beförderte die Sonde in einen 4.276 x 8.469 km hohen Mondorbit, fast polaren (89,70 geneigten) mit einer Umlaufsdauer von 11.63 Stunden. Eine zweite Zündung, 24 Stunden später reduzierte die Geschwindigkeit um weitere 274 m/s. Die Sonde befand sich nun in einem 974 × 1861 km hohen polaren Mondorbit. Eine dritte Zündung, bei der die Geschwindigkeit um 264 m/s geändert wurde, ergab dann den finalen Orbit von 122 × 153 km Höhe. Dieser wurde nur noch durch eine Feinjustage in einen 99 × 100 km hohen Orbit am 15.1.1998 umgewandelt.

Die Ungleichmäßigkeit der Mondgravitation ist auch der limitierende Faktor für die Missionszeit. Der Treibstoff sollte für eine Mission von einem Jahr reichen und bei gutem Umgang mit den Reserven für eine erweiterte Mission von einem weiteren halben Jahr. Massekonzentrationen unter den Maren des Mondes verzerren aber die Bahn zu einer Ellipse. Sobald diese die Werte 80 / 120 km (Für minimalen / maximalen Abstand zur Oberfläche überschreiten muss man die Bahn korrigieren. Das war schon am 21.1.1998 der Fall.

Bis zum 19.12.1998 korrigierte man so die Bahn, danach stellte man dies ein, um Treibstoff zu sparen. Der nächste Punkt der Umlaufbahn (Periselen) wurde für bessere Observationen der Oberfläche abgesenkt. Bis zum 28.1.1999 war dann Lunar Prospector auf einer 17 × 43 km hohen Bahn angekommen, die man wieder stabilisierte um einen Aufschlag auf der Oberfläche zu vermeiden. Nun begann die erweiterte Mission von Lunar Prospector. In der niedrigeren Bahn konnte vor allem das Dopplerexperiment erheblich bessere Daten liefern aber auch die Auflösung der anderen Experimente stieg, da diese näher der Oberfläche waren und das Gesichtsfeld abnahm. Als die Treibstoffvorräte fast am Ende waren und auch die Finanzierung der erweiterten Mission auslief, entschloss man sich den Mondsatelliten gezielt in einem Gebiet niedergehen zu lassen, in dem man Eis vermutete. Dazu wurde ein Krater beim Nordpol gewählt. Am 31.7.1999 schlug dort Lunar Prospector auf. 20 Observationen auf der Erde sowie die Großteleskope HST und Keck konnten aber keine Freisetzung von Wasser oder Emissionsbanden des Zerfallsproduktes Hydroxyl feststellen.

Lunar Prospector kostete nur 62.8 Millionen Dollar, davon 34 Millionen für die Raumsonde und 25 Millionen für die Trägerrakete Athena II. Der Rest entfiel auf die eigentliche Missionsüberwachung und Aufbereitung der Messergebnisse.

Die Ergebnisse

Lunar ProspektorSchon am 5.3.1998, weniger als zwei Monate nach Erreichen des Orbits, konnten die ersten Ergebnisse präsentiert werden. Die Sonde hatte Wasser in den Polgebieten gefunden, von mindestens 12-300 Millionen Tonnen war die Rede. Das entspricht der Menge von Wasser, die in einem 4 km breiten und 20 m tiefen See vorhanden ist. Der Neutronenstrom ging an den Polen durch Wasser um 3.4 % zurück und am Südpol um 2.2 %. Die Daten zeigen auch, dass das Wasser in fein verteilter Form (0.3- 1% der Masse) über einem großen Gebiet (5000-20.000 km² beim Südpol und 10.000-50.000 km² beim Nordpol) verteilt ist.

Später wurde diese Zahl präzisiert und man sprach nun von 60 Millionen Tonnen Wasser am Nordpol. Das man mehr Wasser am Nordpol als am Südpol fand war die eigentliche Überraschung. Am Südpol gibt es durch das Aitken Becken bessere Bedingungen für eine Kondensation. Das DGE Experiment produzierte durch die niedrige Bahn der Sonde die bisher beste Karte lokaler Gravitationsfelder (siehe links).

thorium KarteNeben der Erforschung des Mondes war die Sonde auch 21 mal in den Schatten des Erdfeldes beim Mond getreten. Dabei verbog sich das Magnetfeld der Erde leicht und dies ließ Rückschlüsse auf die Größe des Eisenkerns des Mondes zu. Dieser hat eine Größe von 220-450 km und nur 1-3 % der Masse des Mondes, während der Erdkern 33 % der Erdmasse ausmacht.

Es gibt nun auch die erste vollständige Karte der Verteilung bestimmter Elemente und Mineralien des Mondes. Die Karte rechts zeigt die Verteilung von Thorium auf dem Mond. Das Magnetometer konnte das eingefrorene Magnetfeld auf dem Mond mit einer Auflösung von 5 × 15 km bestimmen. Es gaben sich dabei zwischen den Maren sehr große Unterschiede. Am geringsten war die Magnetisierung über dem Mare Imbrium und am höchsten über dem Mare Tranquillitatis.

Die Mission selbst war weitgehend unspektakulär, mit Ausnahme des Aufschlages am 31.7.1999. Lunar Prospector produzierte keine Bilder und Videos und auch die Daten sagten nur nach Aufbereitung den Wissenschaftlern etwas. Derzeit (April 2004) gibt es zwar eine Ankündigung wieder zum Mond zu fliegen (bemannt), aber es sind keine konkreten Missionen geplant. Auch unbemannte Sonden sind nicht geplant.

Online Quellen:

Lunar Prospector Homepage

NSSC Masterkatalog

Artikel erstellt am 1.4.2004



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