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Die Magellan Raumsonde

Einleitung

Magellan vor dem StartDie Raumsonde Magellan kann auf eine lange Geschichte zurückblicken. Die ersten Ideen für eine Kartierung der Venus dazu gab es schon 1970. Sie führten zur Aufnahme eines sehr einfachen Radarhöhenmessers in die Nutzlast von Pioneer Venus 1 (Pioneer Venus Orbiter). Schon als die Pioneer Venus Sonden auf dem Weg zur Venus waren, kam der Gedanke auf die Venus mit einem abbildenden RADAR zu erkunden. Diese Technik abgekürzt als SAR war damals noch ganz neu und wurde auf dem Satelliten Seasat erforscht. Der dahinter liegende Gedanke ist die begrenzte Auflösung des Radars zu kompensieren, indem man nicht direkt nach unten schaut, sondern schräg nach vorne. So erhält man von einem Objekt viele Echos aus verschiedenen Winkeln, wenn es überflogen wird. Die größere Datenmenge lässt eine Rekonstruktion des Objektes zu. Dabei ist die Auflösung wesentlich größer als es die Antennengröße normalerweise zulassen würde.

Pioneer Venus lieferte 1979 die erste Radarkarte der Venus. Sein nicht abbildendes Radar hatte nur eine grobe Auflösung die bei 10 bis 20 km lag (schwankend aufgrund der elliptischen Umlaufbahn). Selbst erdgebundene Aufnahmen waren höher auflösend, konnten aber nur die Äquatatorregion erfassen und da die Venus bei einer Opposition uns immer dieselbe Seite zuwendet, war so nicht der ganze Planet erfassbar.

Schon 1979 gab es einen Vorschlag für eine neue Venussonde, deren Hauptaufgabe die Radarkartierung der Venus war. Diese Sonde VOIR (Venus Orbit Imaging Radar aber auch das französische Wort für "Sehen") hätte aus einem 300 km hohen kreisförmigen Orbit die Venus erfasst. Zuerst wäre die Sonde in einen elliptischen Orbit von 300 × 19000 km eingeschwenkt und hätte diesen dann in einen 300 km hohen polaren Orbit zirkularisiert. Die Vorgaben waren ähnlich wie bei Magellan: 100% der Oberfläche mit einer Auflösung von 750-1000 m erfassen, 35% der Venusoberfläche mit einer Auflösung von 250 m und 2.5% mit einer Auflösung von 100 m erfassen. Da man aber in einen kreisförmigen Orbit eingeschwenkt wäre, hätte die Sonde erheblich mehr Treibstoff als Magellan gebraucht. 3/4 der Startmasse wären auf die dazu nötige Raketenstufe entfallen.

Doch in der Regierungszeit von Präsident Reagan gab es wenig Geld für die Planetenforschung. Hätte man VOIR anfliegende Sprengköpfe von Raketen orten können, so wäre Geld da gewesen, damals floss mehr Mittel in die sinnlose Forschung eines Raketenabwehrsystems im Weltraum namens SDI, als die gesamte NASA erhielt. So wurde VOIR 1982 gestrichen.

En neuer Anfang

Von unerwarteter Seite bekamen nun die Forscher, welche die Venus erkunden wollten Schützenhilfe. Als 1983 die sowjetischen Raumsonden Venera 15+16 in den Orbit einschwenkten machten die Sowjets die Radardaten auch amerikanischen Forschern zugänglich. Venera 15+16 konnten nur eine Hälfte der Hemisphäre erfassen. Obgleich die Daten nur 35% der Oberfläche mit 1-2 km Auflösung abdeckten, waren Sie doch eine Sensation. Sie waren um den Faktor 50 schärfer als die Daten der Pioneer Venus 1 Sonde. Nun konnte man erstmals Strukturen untersuchen die nicht gleich so große wie Gebirge oder Einschlagsbecken waren.

Damit kam auch wieder der Druck auf, doch VOIR zu bauen. Doch da das Geld noch immer fehlte, musste die Mission bedeutend einfacher werden. Das erste was wegfiel waren Experimente: Aus VOIR wurde im Oktober 1983 der Venus Radar Mapper (VRM). Er wurde zu einem der vier Kernprojekte der Planetenforschung. Der VOIR war eine Raumsonde, die zwar die Hauptaufgabe hatte die Venus zu kartieren, darüber hinaus aber auch mit anderen Instrumenten die Atmosphäre sondierte. Diese Experimente fielen nun komplett weg: Magellan war die einzige US Raumsonde welche nur ein einziges Experiment mitführte: Das Radar. Das nächste war es die Sonde billiger zu machen, indem man Teile von schon entwickelten Planetensonden verwendete. Eine weitere Einschränkung war, dass man anders als bei VOIR in einer elliptischen Bahn verblieb, anstatt eine etwa 1000 km hohe kreisförmige Bahn wie sie für VOIR vorgesehen war.

Mit diesen Tricks gelang es doch noch Magellan zu verwirklichen. Primäres Ziel war die Erstellung einer RADAR Karte der Venusoberfläche mit einer Auflösung von 100 m und Höhenmessungen mit einer räumlichen Auflösung von 1-2 km.

Magellan - Die Sonde

MagellanMagellan war neben dem Mars Observer die einzige Sonde, welche während der Regierungszeit von Präsident Reagan verwirklicht wurde. Den Namen erhielt sie von dem Weltumsegler Ferdinand Magellan, der als erster in 3 Jahren die ganze Welt umrundete. (Genauer gesagt, schaffte es ein Teil der Mannschaft, Magellan selbst starb auf der Reise bei den Philippinen). Wie dieser dabei neue Regionen entdeckte, so sollte Magellan auf der Venus Entdeckungen machen. Die Namensvergabe von Raumsonden wurde sehr bald wieder geändert. Magellan war neben der Jupitersonde Galileo und der Saturnsonde Cassini die einzige NASA Sonde die einen Namen bekam. Zwar wussten Wissenschaftler beim JPL, wer Magellan war, doch Kongressabgeordneten, Senatoren und Präsidenten war nicht klar zu machen, warum amerikanische Sonden nach komischen Europäern benannt werden sollten, die nicht mal englische Namen hatten und alle schon tot waren. Heute haben die Sonden Namen, welche die Mission beschreiben ("Mars Exploration Rovers") oder phantasievolle Namen die auch aus einer Science Fiction Fernsehserie stammen könnten ("Deep Space 1", "Genesis", "Deep Impact").

Auffälligstes Teil der Sonde war die 3.70 m durchmessende Hauptantenne. Sie diente zum einen als Sende- und Empfangantenne für das SAR. Darüber hinaus aber wickelte man auch über diese Antenne die Kommunikation mit der Erde ab. Die Antenne stammte noch aus dem Voyager Programm. Sie war so befestigt, dass sie bei der Venus um 25 Grad nach vorne schaute. Der SAR Sender hatte eine Leistung von 325 W im S-Band bei 2.385 GHz (12.6 cm Wellenlänge).

Dahinter befand sich ein rechteckförmiger Kasten von 176 × 130 × 100 cm Große, an dem die beiden Solarpanels mit Größe von je 2.5 × 3.5 m angebracht sind. Sie liefern bei der Venus 1200 W an Strom. Die Sonde brauchte davon maximal 1029 Watt. Er enthält auch die Radarelektronik, Batterien, Sender und Empfänger zur Erde und einen Teil der Lageregelung. Er ist durch Jalousien an der Seite auch für die Temperaturregelung verantwortlich. Die seitlich angebrachten Solarpanels geben der Sonde eine Spannweite von 9.2 m. Dahinter befindet sich der zentrale Elektronikring. Auch er stammt noch von Voyager. Der zehneckige Elektronikteil (Abmessungen je Bucht 42.4 × 47 × 18 cm, Durchmesser gesamt 2.0 m und Höhe 42.4 cm) beinhaltete nun aber nicht die Elektronik von Voyager, sondern die von Galileo. In der Mitte befand sich der Hydrazintank für die Lageregelung.

Der Sender von Magellan verwendete konnte im X-Band mit 20 Watt Sendeleistung zwischen 115.2 und 268.8 KBit/sec je nach Entfernung zur Erde übermitteln. Die Datenrate von 268.8 KBit/sec war auf die Auslesegeschwindigkeit des Bandrekorders abgestimmt. Niedrigere Datenraten waren für Notfallprogramme vorgesehen. Dazu gibt es einen zweiten Sender im S-Band mit 5 Watt Sendeleistung und mit 1.2 KBit/sec Datenrate. Dieser diente der simultanen Übermittlung von Telemetrie. Die Hochgewinnantenne (HGA) hat einen Öffnungswinkel von 0.6 Grad im X-Band und einen von 2.2 Grad im S-Band. Neben der Hochgewinnantenne gibt es noch eine Mittelgewinnantenne (18 Grad Öffnung) und eine Niedriggewinnantenne (90 Grad Öffnung). Die Mittelgewinnantenne war das älteste Stück an der Sonde, sie wurde für die 1971 gestarteten Mariner 8+9 Sonden entwickelt. Diese Antennen schauen in die gleiche Richtung wie die HGA, jedoch kann über sie auch eine Verbindung erfolgen, wenn die Sonde nicht ganz genau auf die Erde ausgerichtet ist. Der Empfang von Kommandos von der Erde geschah nur im S-Band mit (je nach Abstand zur Erde) maximal 62.5 Bit/sec. Die Datenrate für Telemetrie zur Erde beträgt maximal 1200 Bit/sec.

Leer wiegt die Sonde nur 1035 kg. Den größten Teil der Startmasse von 3.440 kg macht also der Treibstoff aus. Dies ist zum einen der Star 48B Feststoffantrieb, der auch in der PAM-D Oberstufe verwendet wurde. Er wiegt alleine 2.146 kg, davon sind 2.046 kg Treibstoff. Er bringt Magellan in seinen Venusorbit. Der Schub beträgt 66.7 kN und die Brennzeit 83 Sekunden. Es ist der erste (und bislang letzte) Einsatz einer festen Stufe zum Einbremsen in einen Orbit. Vorher machten dies alle Raumsonden der USA und UdSSR mit flüssigen Treibstoffen. Lediglich die Surveyor Mondlandesonden benutzten auch eine feste Stufe um auf dem Mond zu landen. Allerdings wurde diese durch einen Antrieb mit flüssigen Treibstoffen zur Reduktion der Restgeschwindigkeit ergänzt. Von der Spitze der Antenne bis zur Düse des Star 48B Motors ist die Sonde 6.4 m hoch. Das zweite System sind 132.2 kg Hydrazin in einem einzigen, kugelförmigen Tank (übernommen vom Space Shuttle). Dieser Treibstoff dient für die Kurskorrekturen auf dem weg zur Venus, für feine Orbitkontrollen und Veränderung der Lage. Dazu gibt es zwei große Triebwerke mit 445 N Schub, eines mit 22.5 N und 16 kleine Düsen mit 0.9 N Schub. Die letzten stammen von Voyager, die anderen von anderen Systemen.

Damit man mit dem kleinen Vorrat an Hydrazin auskommt, gibt es für die räumliche Orientierung noch 8 Schwungräder von je 36 cm Durchmesser. Diese werden durch Elektromotoren beschleunigt und führen durch ihren Impuls zu einer Rotation der Sonde in die entgegengesetzte Richtung. Das Hydrazin wird so vor allem für Kurskorrekturen und Veränderungen des Orbits benötigt.

Ein Sternenscanner nimmt zur Feststellung der Lage periodisch Sterne in einem Feld von 80-100 Grad Breite auf. Der Bordcomputer ermittelt die Positionen der Sterne im Feld und korrigiert falls nötig die räumliche Ausrichtung der Sonde. Dazu dienen pro Feld jeweils zwei Referenzsterne. Ein zweites System zur Feststellung der räumlichen Lage sind Gyroskope, die allerdings ohne die Korrektur durch den Sternenscanner einen Fehler von 1 Grad pro Tag aufweisen.

Die wesentlichen Computersysteme stammen von Galileo und entsprechen somit dem technischen Stand Ende der siebziger Jahre. Lediglich bei dem Massenspeicher hat man einen neueren 1.8 GBit fassenden Bandrekorder in redundanter Ausführung verwendet. Dieser speichert neben den Radardaten mit 268.8 KBit/sec auch 5 KBit/sec an Telemetrie. Die Computerhardware besteht aus zwei ATAC 16 Bit Computern für die Lageregelung (Geschwindigkeit 143.000 Instruktionen / sec) und das CDS für die Datenübertragung und Empfang von Kommandos. Dieser wurde von Galileo übernommen und besteht aus 4 Prozessoren des Typs RCA-1802. Die Software für die Lageregelung besteht aus 6000 Zeilen, die des CDS aus 18.000 Zeilen Code. Etwa 50% davon konnten von Galileo übernommen werden. Alle wesentlichen Systeme der Sonde wie Sender, Bordcomputer und Bandrekorder sind redundant ausgelegt.

Magellan: Die "Patchworksonde"

VenusDie folgende Tabelle gibt Auskunft über die von anderen Sondenprogrammen verwendeten Teile:

Teil verwendet von
3.70 m HGA Antenne Voyager
Niedriggewinnantenne Voyager
Kleine Korrekturdüsen Voyager
Equipmentmodul Voyager
Lageregelungscomputer Galileo
Command und Datencomputer Galileo
Pyrotechnik Galileo
Elektrische Kabel Galileo
Mittelgewinnantenne Mariner 8+9
Starscanner IUS Oberstufe
S Band Sender Ulysses
Energiekontrolle P-80 Satellit
Feststoffbooster PAM-D Oberstufe für Shuttle / Delta
Treibstofftanks Space Shuttle Hilfstriebwerke

Die Verwendung dieser Teile aus allen möglichen anderen Programmen bewirkt auch das etwas komische Aussehen der Sonde. Vor allem der zehneckige Elektronikteil wirkt deplatziert.

Die Experimente

Neben dem SAR gibt es noch eine zweite Antenne von 1.5 m Länge welche neben der HGA montiert ist. Diese Antenne des Altimeter hat eine nutzbare Antennenfläche von 0.6 × 0.3 m und wird für Abstandsmessungen benutzt. Sie wiegt 6.8 kg. Sie beleuchtet auf der Venus ein Gebiet von 10 × 30 km und misst in diesem die Laufzeit des Signals. Man erhält so ein Höhenrelief der Venus mit hoher Genauigkeit. Diese betrug 30 m und war damit 3 mal besser als die der Pioneer Venus Sonde. Die räumliche Auflösung war sogar um den Faktor 7 besser.

Die eigentliche Radarantenne besteht aus drei Teilen. Da ist zum einen die 3.7 m große Antenne. Da diese eine Kommunikationsantenne war, ist sie für SAR Aufnahmen nicht ideal. Dafür verwendet man normalerweise rechteckige Antennen die schwenkbar sind. So muss Magellan während eines Orbits zuerst rotieren um die Antenne der wechselnden Entfernung zur Venus nachzuführen und so den immer gleichen Winkel zur Venusoberfläche einzuhalten. Danach rotierte die Sonde um die Antenne zur Erde auszurichten und die Daten vom Band zur Erde zu überspielen.

Das zweite ist die Elektronik, die sich im rechteckigen Teil unterhalb der Antenne befand. Sie erzeugte die Radarimpulse und wertete die Echos aus. Die Elektronik wog 154 kg und befand sich in 17 Racks, die zusammen 1.5 × 0.9 × 0.3 Meter groß waren.

Zuletzt gab es den Radar Sender mit einer Spitzenleistung vom 325 Watt. Er sandte einen Radarimpuls zur Venus, die Echos wurden dann von der Antenne empfangen und auf Band gesichert. Die Sendefrequenz betrug 2385 MHz, dies entspricht einer Wellenlänge von 12.6 cm.

Aus dem Signal sind nicht nur die Signallaufzeiten ableitbar, sondern auch die Reflexionsfähigkeit der Oberfläche. Diese bestimmt auch die Bilder. Die hellen Stellen auf Magellanbildern sind nicht etwa Gesteine heller Farbe, sondern Gebiete hoher Reflexionsfähigkeit.

Ablauf der Kartierung

Karte der VenusDurch die elliptische Bahn der Sonde entfernte sich Magellan bis zu 8.543 km von der Venus und näherte sich der Venus bis auf 294 km. Wie bei optischen Instrumenten nimmt auch bei Radar die Auflösung ab, wenn man sich weiter von der Oberfläche entfernt. So wurde die Radarkartierung nur durchgeführt, wenn sich Magellan auf weniger als 2000 km genähert hat. Dies ist während 37.2 Minuten pro Orbit der Fall. Danach dreht sich die Sonde und sendet die Daten zur Erde zurück. Während der Radarerfassung werden diese mit 806 KBit/sec auf Band gespeichert. Das Zurückspielen dauert bei 268.8 KBit/sec dreimal länger. (Zwei Perioden von 56.6 und 57.2 Minuten Dauer).

Daraus ergibt sich für Magellan eine sehr hohe Inanspruchnahme des DSN Netzes, denn die Sonde belegt praktisch während 2/3 eines Orbits eine Antenne des DSN, dies 24 Stunden am Tag. Magellan verursachte damit die größte Last einer Einzelmission bis zu diesem Datum: Über 24 Monate jeden Tag 36 Antennenstunden (je zwei 34 m Antennen pro Standort. Verfügbar waren durch 12 Antennen (je 1 × 70 m und 26 m und 2 × 34 m an 3 Plätzen der Erde) insgesamt 288 Antennenstunden).

So lieferte Magellan mehr Daten als alle Raumsonden bislang zusammen. Alleine während des ersten Zyklus wurden so viele Daten gesendet, wie in 670.000 Aufnahmen der Voyager Raumsonden enthalten gewesen wären.

So wird pro Orbit ein Streifen erhalten der von 70 Grad Nord bis 74 Grad Süd reichte. Dieser 16.000 km lange Streifen war je nach Entfernung zwischen 20 und 28 km breit. Es sind pro Orbit 1.8 GBit an Daten. Die Venus bewegt sich am Äquator um 16 km pro Orbit weiter, so dass die Streifen sich überlappen.

Das Radar sendet dazu zwischen 150 und 800 Impulse von je 26.8 Mikrosekunden Dauer über einen Zeitraum von 25-250 ms. Nach jedem Impuls wird auf das Echo 150-220 µs lang gewartet, dann der nächste abgeschickt. Danach wird in den Altimeter Modus umgeschaltet. Nun sendet die Antenne des Altimeter 17 Impulse aus und man misst während der nächsten 50 ms deren Laufzeit. Diese beiden Zyklen wiederholen sich dann wieder.

Nach dem Aufzeichnen auf Band, dreht sich die Sonde und übermittelt die Daten zurück zur Erde. Beim nächsten Orbit wiederholt sich dieses Spiel. 8 Orbits gibt es so pro Tag, nach 243 Tagen hat sich Venus einmal unter der Sonde gedreht und man hat die Oberfläche erfasst. Dies ist ein Aufnahmezyklus.

Auf der Erde erfolgt dann die eigentliche Auswertung der Rohdaten des SAR Radars. Dies besorgen leistungsstarke Computer. Ziel war eine Kartierung mit mindestens 300 m Auflösung (am Pol). Die Auflösung nimmt vom Pol zum Äquator hin zu. Die Radardaten wurden auf der Erde zu einem Strip von 20 × 17000 km pro Orbit zusammengesetzt und diese Strips dann nach und nach zu einem Gesamtbild der Venusoberfläche. Die Auflösung variierte zwischen 100 und 250 m bedingt durch unterschiedliche Entfernung. Im ersten Zyklus erhält man so eine Auflösung von 250 m (Pol) - 101 m (Äquator) × 110 m pro Pixel. Durch mehrere überlappende Zyklen beträgt die Auflösung nach mehreren Zyklen mindestens 150 m, die besten Bilder nahe des Äquators haben 75 m Auflösung.

Wie funktioniert SAR? (Synthetic Apperature Radar)

Optische Sensoren haben Nachteile: Sie können nur bei Tag operieren und nur wenn keine Wolken den Planeten verhüllen. Nur mit speziellen Techniken bekommt man bei optischen Geräten auch Höheninformationen. Die meisten eingesetzten Sensoren können diese nicht liefern. (Dazu muss man ein Gebiet aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln erfassen).

Diese Nachteile haben RADAR Aufnahmen nicht. Grundlage dafür sind aktive Sensoren - Die Satelliten strahlen Radiowellen mit Wellenlängen im cm Bereich aus und fangen mit einer Antenne die Reflexionen wieder auf. Aus der Zeitdifferenz kann man die Höhe der Geländeform bestimmen, die Abschwächung lässt Rückschlüsse über den Boden (Gestein, Sand....) zurück. Mit RADAR erhält man so ein genaues, auch dreidimensionales Bild der Bodenoberfläche.

Es gibt jedoch einen gravierenden Nachteil: Die Auflösung ist wie bei optischen Sensoren von Wellenlänge abhängig. Nun operiert Magellan im S Band bei einer Frequenz von 2385 MHz. Das entspricht einer Wellenlänge von 12.6 cm und liegt um den Faktor 200.000 höher als die Wellenlänge von Licht. Da nützt es auch nichts wenn die Antenne 3.70 m Öffnung hat, während ein Teleskop wie bei den Mariner oder Galileo Sonden nur 15 cm Öffnung hat. - Mit normalem Radar liegt die Auflösung um den Faktor 10.000 schlechter als bei optischen Systemen. So kartierte die Raumsonde Pioneer Venus-1 die Venus mit einem normalen RADAR Gerät mit 75 km Auflösung, während Magellan mit einem SAR Radar 100 m erreichte.

Die Technik von SAR beruht darauf seitwärts mit dem RADAR zu schauen, man erhält dadurch nicht nur ein Signal einer bestimmten Bodenform, wenn man direkt darüber ist, sondern auch davor und danach aus leicht anderen Blickwinkeln. Die Datenmenge steigt dadurch rapide an, denn man bekommt von einem und demselben Bodengelände viele Echos aus unterschiedlichsten Blickwinkeln. Auf der Erde berechnet man aus den verschiedenen Signalen zurück, wie die Bodenform ausgesehen haben muss, die eine bestimmte Signalfolge erzeugt hat. Man kann dadurch erheblich kleinere Oberflächendetails auflösen, als es mit der Antennengröße eigentlich möglich wäre.

Der Nachteil: die Datenmenge die man an Bord verarbeiten muss ist erheblich größer. Bei Magellan wurden 10 mal mehr Daten übertragen, als ein optisches System mit derselben Auflösung gebraucht hätte. Für die Venus, die ständig in Wolken gehüllt ist - die oberste Smogschicht beginnt in 70 km Höhe und die vier Hauptschichten der Wolkenzone reichen bis in 48 km Höhe - war dies aber die einzige Möglichkeit den Boden zu erforschen. Der zweite Nachteil dieser Technik ist, dass man sehr leistungsstarke Computer auf der Erde zum Berechnen der "Bilder" braucht. Als die Technik 1978 bei Seasat eingeführt wurde brauchte ein Minicomputer eine Stunde um die Daten die der Satellit in einer Sekunde gewann zu verarbeiten. Als Magellan startete waren die Computer schon leistungsfähiger, zudem lieferte die Sonde 120 mal weniger Daten als Seasat, so dass es hier kein Problem gab die Daten aufzubereiten.

Die Bahn zur Venus

Aussetzen von MagellanAm 28.1.1986 explodierte 72 Sekunden nach dem Start die Raumfähre Challenger. Dies hatte einschneidende Folgen auf den Flugplan des Space Shuttles Dieser lag schon damals den Planung hinterher. Doch nun standen bis zum September 1988 die Space Shuttles am Boden. Danach galt es zahlreiche militärische Satelliten, Datensammelsatelliten des Typs TDRSS und wissenschaftliche Nutzlasten wie Hubble, Galileo, Ulysses und natürlich Magellan zu starten. Magellan hätte um zur Venus in der günstigsten Bahn zu gelangen im Oktober 1989 starten müssen. Dieser Starttermin war aber für Galileo Sonde vorgesehen, die ihren Start nicht verschieben konnte, da sie die Venus genau passieren musste, um durch zwei weitere Swing-Bys an der Erde zum Jupiter zu gelangen. Magellan hätte also auf das nächste Startfenster im Mai 1991 warten müssen oder mit einer energetisch ungünstigen Bahn vorlieb nehmen müssen.

So startete Magellan schon am 5.5.1989, fünf Monate vor dem Startfenster. Magellan war die erste Raumsonde die von einem Space Shuttle transportiert wurde. Das Space Shuttle Atlantis beförderte die Sonde mit einer IUS Oberstufe in den Orbit. Die zwei Stufen der IUS beschleunigten die Sonde zur Venus. Als Folge des frühen Starts war die Venus nicht an dem Punkt an dem die Bahn von Magellan die der Venus berührte. So flog Magellan eine Runde um die Sonne und die schnellere Venus überholte nun die Sonde. Als die Sonde nach einer Umkreisung 15 Monate später wieder die Venusbahn erreichte, war auch die Venus am richtigen Fleck. Diese Typ-3 Bahn zu den Planeten wurde von Magellan erstmals eingesetzt. Die europäische Raumfahrt erwägt eine solche auch für eine Marssonde, damit diese nicht den Mars dann erreicht, wenn sich Staubstürme bilden.

Nach einem Startabbruch am 28.4.1989, als der Start 31 Sekunden vor dem Abheben wegen eines technischen Problems abgebrochen wurde, startete die Raumfähre Atlantis am 4.5.1989 mit Magellan. Einen Tag später wurde die Raumsonde ausgesetzt.

Das erste Kurskorrekturmanöver fand am 21.5.1989 statt. Magellan zündete 4 seiner 8 Düsen für 5.6 Sekunden und beschleunigte um 10.6 m/s. Am 13.3.1990z gab es ein weiteres zur Feinkorrektur um 0.5 m/s und kurz vor dem Eintritt in den Orbit am 25.7.1990 das letzte, welches die Geschwindigkeit um 0.7 m/s veränderte. Zwischendurch gab es einige Probleme mit dem Sternensensorsystem, das bedingt durch starke Sonneneruptionen plötzlich zusätzliche Sterne sah und die Orientierung verlor.

Am 10.8.1990 wurde der Star 48B Motor gezündet und die Sonde erreichte eine erste Umlaufbahn um die Venus. 83 Sekunden lang brannte der Star 48B Feststoffantrieb und reduzierte die Sondengeschwindigkeit um 2648 m/s.

Sie hatte 15 Monate anstatt 5 Monate zur Venus gebraucht, da sie eineinhalb statt einer halben Sonnenumkreisung zur Venus unterwegs war. Es folgten 20 Tage im Orbit in der die Sonde und das SAR eingehenden Tests unterzogen wurde. Danach sollte die wissenschaftliche Arbeit beginnen. Doch gab es im August einen Kommunikationsverlust mit Magellan, weil wiederum der Sternensensor ausgefallen war.

Die Kartierungsorbits

Nun war Magellan in einem Mapping Orbit. In diesem kam die Sonde der Venus auf 294 km nahe (geplant 250 km) und entfernte sich auf 8543 km von der Venus (geplant 8021 km). Der Orbit hatte eine Neigung von 85.5 Grad und eine Umlaufszeit von 195.5 Minuten (geplant 185 Min). Der venusnächste Punkt lag bei 9.05 Grad Nord. (Geplant: 10 Grad). Im ersten Orbit wechselten sich Streifen von 90 Grad Nord - 56 Grad Süd mit Streifen von 60 Grad Nord und 74 Grad Süd ab. Während eines Venustages von 243 Erdtagen drehte sich die Venus einmal unter der Sonde hinweg und die erste Kartierung der Venus war erfolgt. Sie deckte 83.7 % der Oberfläche ab. Begrenzt wurde dies durch die Konjunktion mit der Sonne, Überhitzung der Elektronik und Ausfall eines der beiden Bandrekorder. Schon jetzt hatte Magellan die Kartierung der Venus entscheidend verbessert. Die vorher besten Karten der Venus waren von Venera 15+16 (Auflösung 1-2 km) von 35% der Oberfläche (Bis 30 Grad Nord) gekommen. Ergänzt um erdgebundene Beobachtungen zwischen 260 und 30 Grad Länge (Auflösung 1-16 km). Der Rest des Planeten war erst durch die groben Messungen von Pioneer Venus 1 mit einer Auflösung von lediglich 75 km bekannt. Zyklus 1 dauerte vom 15.9.1990 - 15.5. 1991.

Es gab zwischen dem 15-26.11.1990 Probleme mit Magellan als die Sonde zuerst den Kontakt zur Erde verlor und dann durch einen Kommandofehler in den Safemode ging. Am 22.12.1990 musste einer der Datenrekorder abgeschaltet werden. Die Datenrekorder zeigten eine ansteigende Fehlerrate und man wollte diese mit dem nun abgeschalteten Rekorder auf den Grund gehen. Dadurch entstanden 3 jeweils 40 km breite Lücken bei jedem Mapping Orbit die dadurch entstanden, dass man bislang den zweiten Rekorder nutzte um die Daten zu speichern wenn der erste Rekorder am Ende einer Spur das Band zurück spulen musste.

Der zweite Zyklus von weiteren 243 Tagen hatte die Aufgabe die Lücken die Orbit 1 hinterlassen hatte, zu füllen. Die Elektronik überhitzte nun öfters und es mussten Orbits eingeschoben werden in denen man keine Bilder machte. Im zweiten Zyklus wurden daher nur 54.5 % der Oberfläche erfasst. Die globale Kartierung deckte nun zusammen mit dem ersten Zyklus nun schon 96 % der Oberfläche ab. Ziel war es vor allem im südlichen Polgebiet die Kartierung zu ergänzen. Zum ersten Mal konnte man stereoskope Effekte untersuchen, wenn ein Gebiet das beim ersten Zyklus von links beobachtete wurde nun von rechts beobachtete wurde. Zyklus 2 dauerte vom 15.5. 1991 - 15.1.1992.

Krater der VenusIm Zyklus 3 versuchte man diese Technik weiter anzuwenden und mehr von der Oberfläche stereoskop zu erfassen. Da der Hauptsender ausfiel und der Reserveempfänger stark in der Leistung nachließ, gelang dies aber nur bei 21.3 % der Oberfläche. Daher war es wichtig die Lücken der letzten beiden Zyklen nun zu füllen. Die Gesamtabdeckung der Oberfläche, welche mindestens einmal erfasst wurde, stieg nun auf 98-99 % (Je nach Quelle) an. Zyklus 3 dauerte vom 24.1.1992 - 15.9.1992.

Es war nun absehbar, dass sowohl die Finanzierung von Magellan auslief, wie auch das SAR weitgehend an Leistung verlor. Von den 218 Millionen Dollar die man bis 1996 zur Fortführung der Mission brauchte, bekam man nur 130 Millionen Dollar. Dabei war die Datenverarbeitung der schon gewonnenen Daten schon enthalten. Man entschied sich für den letzten Zyklus für eine andere Untersuchung. Es sollten gravitative Einflüsse von Oberflächenformationen untersucht werden. Dazu sandte die Kommunikationsantenne die reine Trägerwelle zur Erde und auf der Erde wurde die Dopplerfrequenzverschiebung gemessen. Es gab keine SAR Tätigkeit mehr. Dies geschah im vierten Zyklus vom 15.9.1992 bis zum Mai 1993. Dabei konnten Veränderungen der Geschwindigkeit der Sonde in der Größenordnung von 0.1 mm/sec bestimmt werden. Brauchbar waren die Daten aber nur bei der Periapsis, also in der Zone rund um den Äquator.

Im Zyklus 5 erprobte man eine neue Technik die bei zukünftigen Planetensonden viel Treibstoff einsparen sollte. Zwischen dem 24.5.1993 und 3.8.1993 erreichte die Sonde durch Aerobraking fast einen kreisförmigen Orbit. Man erniedrigte dazu den planetennächsten Punkt und richtete die Sonde so aus, dass die maximalen Luftwiderstand hatte. Danach erhöhte man den Orbit wieder. Die Sonde hatte nun einen fast kreisförmigen Orbit von 180 km × 540 km Höhe mit einer Umlaufszeit von 94 Minuten. Im Zyklus 5 vom 3.8.1993-30.8.1994 wurden daher noch bessere Daten über das Gravitationsfeld erhalten, da sich nun die Sonde auch bei den Polen stark der Venus näherte. Über 95 Prozent der Oberfläche wurden Gravitationsdaten erhalten, mit einer räumlichen Auflösung von 700 km.

Im 30.8.1994 begann man mit dem letzten Experiment mit Magellan. Die Finanzierung, die nach Ende der SAR Kartierung nur noch 6 Millionen Dollar pro Jahr ausmachte, würde nun endgültig eingestellt werden. Nochmals senkte man die Bahn von 197 × 541 km Höhe durch eine Zündung des Triebwerks ab. Die neue Bahn von 172 × 390 km Höhe führte nun zur Bremsung der Sonde in der Hochatmosphäre. Hier führte man ein "Windmühlenexperiment" aus. Die Solarpanel wurden senkrecht zur Atmosphäre ausgerichtet. Diese versuchte diese nun zu drehen und das Drehmoment wurde durch Triebwerkszündungen ausgeglichen. Die Dauer dieser Manöver wurde gemessen und man erhielt so Daten über die Höhenschichtung und Dichte der Atmosphäre. Die Periapsis sank durch dieses Manöver auf 155 km Höhe ab. Am 10.10.1994 senkte man durch eine Zündung der Düsen die Periapsis nochmals ab. Diese lag nun bei 136 km Höhe und die Sonde wurde durch die Reibung der Atmosphäre nun stark erhitzt. Am 12.10.1994 fielen die Solarpanels aus und man verlor das Signal der Sonde. Man nimmt an, dass die Sonde am Tag 13 oder 14.10.1994 verglüht ist.

Dies war das einzige Mal in der Geschichte der amerikanischen Planetenforschung, dass eine funktionsfähige Raumsonde aus Geldmangel gezielt "terminiert" wurde (Originalton NASA, nicht A. Schwarzenegger!).

Die Hinterlassenschaft von Magellan sind 4225 aufbereitete SAR Bilder (Produkte), jedes mit einer Kantenlänge von 7168 × 8192 Pixels und einer Auflösung von bis zu 75 m. Abgedeckt wurden 98 % der Oberfläche zwischen 89 Grad Nord und 89 Grad Süd.

Zusammenfassung

Topografische KarteMagellan lieferte eine hochgenaue Karte der Venus. In der Tat kennen wir heute die Venusoberfläche besser als die Meeresböden der Erde. Magellan war für die Venuskartierung so wichtig wie Viking für den Mars. Während aber Viking nur der Auftakt zu neuen Missionen war, wird Magellan die letzte Sonde bleiben, welche die Venus mit Radar kartiert hat. Die spektroskopischen Untersuchungen die VOIR machen sollte, wird ab 2006 die europäische Sonde Venus Express nachholen.

Schon vor Magellan zeigte die Sonde Pioneer Venus, dass die Venus vulkanisch aktiv ist. Zwischen 1978 und 1984 nahm der Gehalt an Schwefeldioxid in der Atmosphäre um 90% ab. Magellan aber enthüllte die Oberfläche der Venus. Erstaunlicherweise zeigte sich keine Plattentektonik wie auf der Erde. Man fand zwar viele Vulkane aber keine Platten. Stattdessen zeigten Kraterzählungen, dass die gesamte Venusoberfläche sehr jung ist: Die gesamte Oberfläche muss sich vor 500-600 Millionen Jahren neu gebildet haben. Danach hat diese vulkanische Aktivität aber stark abgenommen.

Wichtig wäre es nun gewesen die Oberfläche auf Veränderungen durch vulkanische Tätigkeit zu untersuchen. Magellan war nicht lange genug im Orbit um Veränderungen der Oberfläche zu messen. Indirekt wird Venus Express vulkanische Aktivität über die Konzentration von Spurengasen nachweisen können. Er wird auch mit einem langwelligen Radar 1-2 km unter die Kruste blicken, allerdings mit sehr schlechter räumlicher Auflösung.

Die Gesamtkosten von Magellan lagen bei 680 Millionen Dollar. Davon entfielen 287 Millionen auf die Sonde, 120 Millionen auf das Radargerät, 49 für den Start und die ersten 30 Tage Operation (Die Startkosten bestanden vor allem aus den 31 Millionen für die IUS Stufe, die NASA berechnete nie den Start des Space Shuttles als Startkosten, sonst wären dies sicher über 400 Millionen USD gewesen). 95 Millionen USD entfielen auf die Mission und Datenanalyse bis zur Mitte des zweiten Zyklus am 29.10.1991. Auf 130 Millionen Dollar wurden die Kosten für die Mission bis zum Ende am 14.10.1994 und die Datenauswertung geschätzt. Zum Vergleich: Die beiden anderen Planetensonden jener Zeit, der Mars Oberserver und Galileo lagen bei 980 beziehungsweise 1354 Millionen Dollar, wobei bei beiden Sonden aber nur die Primärmission von knapp 2 Jahren enthalten war.

Die Hinterlassenschaft von Magellan ist eine Oberflächenkarte der Venus mit 110-75 m Auflösung durch das SAR und eine topographische Karte mit 30 km horizontaler Auflösung und 30 m Höhenauflösung durch das Altimeter. Dieses alleine lieferte 4.2 Millionen Messungen die jeweils 10.2 km auseinander lagen: 10 mal mehr als die letztem sowjetischen Missionen und 30-mal mehr als Pioneer Venus. (Bild rechts). Der größte Teil der Oberfläche wurde mit mindestens 100 m/Bildpunkt erfasst, nur an den polanahen Gebieten ist sie durch den elliptischen Orbit etwas geringer.

Quellen

NSSDC Query: NASA's Katalog der Raumsonden und Satelliten

Magellan Homepage

Enzyklopädie Astronautica

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