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Missionen zu Merkur, Planetoiden und Kometen

Einleitung

In dieser Reihe sind schon die Artikel über Missionen zum Mond, Mars, Venus und den äußeren Planeten erschienen. In diesem Artikel geht es nun um den innersten Planeten Merkur und die kleinen Körper im Sonnensystem - Planetoiden und Kometen. Letztere haben erst seit Mitte der achtziger Jahre Aufmerksamkeit erhalten und verstärkt ab Ende der neunziger Jahre. Merkur ist ein Sonderfall, obgleich durch Swing-By Manöver relativ leicht zu erreichen ist, war ihm bisher nur ein Sondenbesuch vergönnt, bis MESSENGER ihn nach sieben Jahren Flug und mehr als dreißig Jahre nach Mariner 10 erreichte.

Mariner 10 (3.11.1973)

Mariner 10Mariner 10 war die letzte Sonde des Mariner Programms und in vielerlei Hinsicht etwas besonders. Der Flug zu Merkur machte eine stärkere Hitzeisolierung nötig, denn Mariner 10 näherte sich bis auf 67 Millionen Kilometer an die Sonne, dort empfing sie die fünffache Wärme wie in Erdnähe. Um zu Merkur zu gelangen musste die Sonde Venus sehr nahe passieren, in 5780 km Abstand mit einer maximalen Abweichung von 100 km. Die Sonde führte dabei nicht nur das erste Swing By Manöver in der Erforschung der Planeten aus, sondern erreichte dieses Fenster mit 20 km Abweichung. Damit die Sonde sehr viele Daten sammeln konnte, wurde erstmals ein X-Band Sender verwendet. Er steigerte die Datenrate auf 117000 Baud, damit konnte die Sonde bei einem Vorbeiflug mehrere Tausend Bilder aufnehmen und zur Erde senden, anstatt wie bisher etwa Hundert.

Die 503 kg schwere Sonde trug 7 Experimente an Bord: Ein Infrarotradiometer zur Temperaturmessung, einen Plasmadetektor zur Untersuchung von Plasma in den Magnetosphären und im interplanetaren Raum, Teilchenzähler, ein Magnetometer, mit dem ein relativ starkes Magnetfeld bei Merkur entdeckt wurde, Ultraviolettspektrometer zum Nachweis von Gasen und zwei Fernsehkameras mit 1500 bzw. 62 mm Brennweite und Blickwinkeln von 0.4 × 0.48 bzw. 11 x 14 Grad. Jedes Bild bestand aus 700 × 832 Punkten in 8 Helligkeitsabstufungen. Für Venusaufnahmen wurde ein UV Filter eingesetzt, die Merkur Aufnahmen erfolgte ohne Filter.

Erste Station war am 5.2.1974 die Venus die in 5780 km Entfernung passiert wurde und den Kurs von Mariner 10 so veränderte, das sie eine Bahn mit einem sonnennächsten Punkt von 67 Millionen km einschlug. Dort passierte sie Merkur am 29.3.1974 in 700 km Entfernung. Die Passage war so gewählt, das die Sonde von Merkur so umgelenkt wurde, das sie eine Bahn von 176 Tagen Umlaufszeit erreichte. Da Merkur in 88 Tagen die Sonne umläuft war er nach 176 Tagen am 21.9.1974 wieder an der selben Stelle und Mariner 10 passierte ihn erneut, damit die Bahn nicht verändert wurde, dürfte man sich dem Planeten nur auf 48000 km nähern. Konnte aber diesmal die Bahn so legen, das man vom Südpol genauere Aufnahmen machen konnte

Die letzte Begegnung Merkurs am 16.3.1975 führte wieder auf 327 km heran. Der Vorrat an Stickstoff zur Lageregelung neigte sich dem Ende zu und so nützte man die letzte Passage zu einer nahen Begegnung um das entdeckte Magnetfeld besser bestimmen zu können. Alle Detailbilder die wir heute von Merkur haben stammen aus diesen 3 Passagen. Die insgesamt etwa 9000 Bilder decken aber nur 45 % der Oberfläche ab, da Merkur in 59 Tagen rotiert und nach 176 Tagen sich genau dreimal um die eigene Achse drehte, man so immer die identische Halbseite von Merkur betrachtete. Am 24.3.1975 war der Stickstoff zur Lageregelung aufgebraucht und die Sonde wurde abgeschaltet.

Die gesamte Mariner 10 Mission war sehr erfolgreich, bei Gesamtkosten von nur 98 Millionen Dollar für die Mission. (Heute bekommt man nicht einmal die Trägerrakete Atlas-Centaur für diesen Preis). Mehr über Mariner 10 und ihre Mission in diesem Aufsatz.

ICE (12.8.1978)

ICE1986 sollte der Komet Halley wieder der die Sonne erreichen. Halley ist nicht nur der am besten bekannte Komet, so das seine Bahn genau bekannt war, sondern es ist auch ein junger Komet, der noch viel ursprüngliche Materie beinhaltete. So sah ein Abkommen der ESA mit der NASA vor zwei Raumsonden gemeinsam zu bauen und zu starten, um den Kometen zu erforschen. Mit dem Amtsantritt Reagans änderte sich die Situation für die Planetenerforschung aber völlig. Alle geplanten Missionen wurden gestrichen. Die Zusammenarbeit mit der ESA vertragswidrig gebrochen, worauf diese aus dem GEOS Satelliten eine eigene Kometensonde entwickelte - Giotto.

Ganz ohne Erforschung des Kometen Halley wollte die NASA aber nicht dastehen, man plante bei einer Shuttle Mission im März Observationen von der Erde aus, und sann auf eine Ersatzmission die möglichst nichts kosten sollte. Da traf es sich gut das man seit dem 20.11.1978 im L1 Librationspunkt der Erde die amerikanisch-europäische Sonde ISEE-3 stationiert hatte. Bestandteil von 3 Sonden die das Magnetfeld der Erde und die Wechselwirkung mit der Sonne erforschen sollten. Dazu hatte Sie Experimente an Bord die Teilchen, Wellen, Felder, Plasma und hochenergetische Partikel messen können. Man benannte die Sonde kurzerhand in ICE um (International Comet Explorer) und lenkte Sie zum Mond um. Nach 5 Passagen des Mondes, dem letzten am 22.12.1983 hatte die Sonde soviel Schwung bekommen, das Sie eine Bahn um die Sonne einschlug welche sie am 11.9.1985 in 7862 km Distanz am Kometen P/Giacobini-Zinner vorbei führte. Im März 1986 passierte Sie auch Halley. Durch die hohe Distanz von 31 Millionen km gab es aber kaum neue Ergebnisse.

2014 wird ICE von der Erde eingefangen werden, man überlegt ob man die Sonde dann bergen soll und auf kosmisches Material untersuchen und später ein einem Museum ausstellen soll. Schon vorher wird es aber Material von Kometen durch Stardust geben. Mehr über ICE in einem eigenen Artikel auf dieser Website.

Vega 1 (15.12.1984)

Vega 1+2Schon der Name dieser sowjetischen Raumsonden sagt ihr Ziel: Zuerst Venus dann Halley (russisch Galilei). Nach einer Passage an der Venus am 11.6.1985 schlug die Sonde einen Weg zu Halley ein. Auf der Venus setzte die beim Start über 4.5 t schwere Sonde ein 1.5 t schweres Landegerät ab.

Bei Halley lieferte die Sonde Daten über Temperatur, beide Sonden zusammen 1500 Bilder aus zirka 10.000 km Entfernung, die Schluss über die ungefähre Größe und die Rotation des Kerns lieferten. Insgesamt befanden sich 14 Experimente mit einem Gesamtgewicht von 64 kg an Bord. Die Datenrate betrug 64 KBaud. Ein 5 Megabit Recorder konnte Daten speichern die nicht sofort zur Erde gesandt werden konnten. Vega 1 näherte sich als erstes Halley am 6.3.1986 bis auf 8990 km.

Die Vega Mission war in zweierlei Weise besonders: Zum einen setzte Sie eine Betriebsdauer von mindestens 15 Monaten voraus - bisherige Planetensonden der UdSSR hatten nur eine kurze Lebenszeit (wenn auch manchmal ungeplant), zum anderen läutete sie eine intensive Zusammenarbeit nicht nur mit dem Ostblock (Interkosmos), sondern auch mit dem Westen ein. Das TV System stammte so von der französischen Weltraumorganisation CNES.

Vega 2 (21.12.1984)

Die identisch ausgerüstete Schwestersonde passierte Venus nach dem Start auf einer Proton am 15.6.1985 und Halley am 9.3.1986. Auch sie war erfolgreich, da der Kern etwa alle 54 Stunden rotiert konnten beide Sonden zusammen eine volle Kernrotation verfolgen. Die Ergebnisse der Vega Missionen gingen in der Öffentlichkeit unter, denn nun stand die Mission von Giotto unmittelbar bevor, die sich 5 Tage nach Vega 2 Halley bis auf 500 km Entfernung nähern sollte und dadurch 20mal schärfere Bilder des nur 14 km großen Kernes lieferte. Ohne Vega wäre diese Annäherung aber nicht möglich gewesen, denn die Daten der Raumsonden lieferten erst die genaue Position des Kernes, der von der Erde aus durch eine 10.000-100.000 km große Dunstschicht verborgen war. Mehr über VEGA 1+2 in einem eigenen Artikel.

Sakigake (8.1.1985)

SakigakeÄhnlich wie Giotto die erste europäische Planetensonde war, war Sakigake die erste japanische Planetensonde. Sakigake heißt im japanischen Pioneer und dies war auch der Sinn der Sonde, es war ein Testexemplar, dem bald die erste richtige Planetensonde Susei folgen sollte. Mit Ausnahme der Nutzlast war die 138.1 kg schwere Sakigake identisch mit Susei. Es trug drei Experimente mit, die den Sonnenwind, das interplanetare Magnetfeld und Plasma messen sollten. Sakigake sollte nur die Interaktion der ausströmenden Gase mit dem Kometen messen, mehr war angesichts der Vorbeiflugdistanz von 6.99 Millionen km nicht möglich. Bald nach dem Rendezvous am 11.3.1986 diente Sakigake als Referenzsystem für Giotto. Durch die Schwankungen des Funksignals konnte man die Störungen der Erdatmosphäre beim Funkverkehr berechnen und so für Giotto den Funkverkehr sicherer machen.

Sakigake machte danach eine Reihe von Erdvorbeiflügen am 8.1.1992, 14.7.1993 und 3.7.1995. Man hoffte dadurch die Sonde zu den Kometen P/Honda-Mrhos-Pajdusakova in naher Entfernung und P/Giacobini-Zinner in größerer Entfernung zu passieren. Nach dem letzten Erdvorbeiflug hatte die Sonde aber zu wenig Treibstoff und diese Rendezvous mussten ausfallen. Die Vorbeiflüge an der Erde lieferten aber Daten über das irdische Magnetfeld und die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind. Mehr über Susei und Sakigake in einem separaten Artikel.

Giotto (2.7.1985)

GiottoGiotto war in vielerlei Hinsicht ein Novum unter den Raumsonden. Es war nicht nur die erste Raumsonde Europas, es war mit Sicherheit die riskanteste Raumfahrtmission in der jüngeren Vergangenheit. Ziel war der Komet Halley, der 1986 sich nach 76 Jahren wieder näherte. Obgleich er auch von anderen Sonden besucht wurde, war keine so riskant wie Giotto. Sie sollte sich dem Kern bis auf 500 km nähern um die weite Korona (100.000 km Durchmesser) zu durchdringen und nahe des Kerns diesen abbilden, vor allem aber noch durch die Sonne unverfälschte Gase und Staubteilchen untersuchen und dadurch Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Kometen liefern.

Brisant war die Mission durch die große Nähe und die hohe Vorbeifluggeschwindigkeit - Bei 68 km/s hatten Staubteilchen die 100 fache Energie als die, welche in Erdnähe auf eine Sonde treffen. Das Design der 583 kg schweren Sonde war von dem schon erprobten Satelliten GEOS übernommen worden, aber durch zwei Schutzschilde aus Aluminium und Kevlar in 25 cm Abstand ergänzt worden. An Instrumenten trug die Sonde eine hochauflösende Kamera, Massenspektrometer zur Analyse von Ionen, Neutralteilchen und Staub, Staubdetektoren, Magnetometer, Photopolarimeter und verschiedene Plasmawellendetektoren.

Die Sonde wurde am 2.7.1985 von der letzten Ariane 1 in eine GTO Transferbahn gestartet. Von dort beförderte sie ein integrierter Oberstufenmotor zu Halley. Ariane hätte die Sonde wohl auch direkt dorthin bringen können, aber so musste man weder das bewährte Flugprofil von Ariane ändern noch den beim GEOS Satelliten integrierten Apogäumsantrieb ausbauen.

Am 14.3.1986 näherte sich Giotto Halley und alles funktionierte perfekt, bis 7.6 sec. Vor dem nächsten Punkt. Staubteilchen schlugen Teile von der Raumsonde ab und brachten so die Sonde ins Torkeln. Weitere Experimente wurden durch dieses Torkeln erst getroffen. Nach 30 min war die Sonde wieder unter Kontrolle. Die Sonde funkte 2110 Bilder zur Erde. Die besten gelangen aus 18000 km Abstand, weil die Kamera sich automatisch auf den hellsten Punkt ausrichtete, das war aber nicht der Kern, sondern ein Gasausbruch.

Doch damit war Giottos Mission noch nicht beendet. Genau 5 Jahre nach dem Start näherte sich Giotto am 2.7.1990 wieder der Erde. Tests hatten ergeben, das bis auf die Kamera die meisten Instrumente intakt oder nur leicht geschädigt waren, und so wurde der Vorbeiflug an der Erde genutzt um der Sonde ein weiteres Ziel zuzuweisen: Am 10.7.1992 passierte sie den Kometen Grigg-Skjellerup in 200 km Entfernung. Die Vorbeifluggeschwindigkeit war diesmal mit 14 km/s geringer und auch der Komet inaktiver, so das die Sonde keinerlei Schäden erlitt. Wegen der Beschädigung der Experimente konnten nur 8 der 11 Experimente in Betrieb genommen werden. Trotzdem wurde das zweite Rendezvous der 7 Jahre alten Sonde zum Erfolg. Besonders der Vergleich der Daten eines aktiven jungen Kometen mit einem alten ermöglichte neue Aufschlüsse. Obgleich sich die Sonde 1999 wieder der Erde näherte verzichtete man wegen des nahezu aufgebrauchten Treibstoffvorrates auf eine neue Mission. Mehr über Giotto in einem eigenen Aufsatz

Susei (19.8.1985)

SuseiDie zweite japanische Sonde hatte durch ihr Startfenster eine nähere Distanz zu Halley. Die Sonde ist technisch identisch zu Sakigake, trägt jedoch eine andere Nutzlast: Eine UV CCD Kamera und ein Instrument zur Messung des Sonnenwindes. Observationen begannen schon im November 1985 die Kamera lieferte 6 Bilder am Tag, am 6.3.1985 passierte Susei Halley in sicherer Entfernung von 151.000 km und bekam nur zwei kleine Staubeinschläge. Das Instrument zur Messung des Sonnenwindes delektierte Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser.

Ähnlich wie Sakigake wollte man Susei auch zum Kometen P/Giacobini-Zinner umleiten. Die Sonde wurde zu einem Erdvorbeiflug am 20.8.1992 umgeleitet, dabei wurde aber soviel Treibstoff verbraucht, das die Sonde am 22.1.1991 keinen Treibstoff mehr hatte und sich selbst abschaltete.

Clementine (25.1.1994)

ClementineClementine ist eine NASA/DoD Sonde. Für das SDI Programm war der Test von Navigationssensoren und anderen Techniken (z.B. Solarpanel mit über 20 % Wirkungsgrad) im Orbit nötig. Man erkannte das man anstatt Satelliten auch den Mond und den Asteroiden Geographos als Ziel nutzen konnte. So bot man der NASA an bei der Sonde mitzuwirken und für die Mitführung von Instrumenten das Deep Space Network zur Verfügung zu stellen.

Clementine wurde am 25.1.1994 mit einer Titan IIG Rakete mit einer zusätzlichen Oberstufe gestartet. Die Bahn wurde durch zwei Manöver so geändert, das man mit nur 550 m/s Abbremsung in eine hochelliptische Mondbahn von 400 x 2940 km gelangte. Die Sonde verblieb in dieser Bahn vom 21.2-3.5. Nach Verlassen des Orbits sollte die Sonde einige weitere Swing-By Manöver am Mond durchführen welche die Sonde schließlich zum Asteroiden Geographos bringen sollten.

Geographos gehört zu den Apollo Asteroiden, dies sind Asteroiden welche die Erdbahn kreuzen und so von Raumsonden bei ihren Vorbeiflügen leicht erreicht werden können. Geographos ist nur wenige Kilometer groß und eignete sich so als Ziel für die Navigationssensoren. Ein Fehler im On Board Computer am 7.5.1994 brachte die Sonde aber in rasche Rotation und führte zum Verbrauch fast allen Treibstoffs an Bord, so das dieser Teil der Mission entfallen musste.

Die Sonde selbst wiegt mit Treibstoff 458 kg, leer 235 kg. Die Abmessungen betragen 1.88 x 1.2 × 1.5 m. Die Sonde verfügt über einen MIPS R3000 Prozessor, als Massenspeicher kommen erstmals keine Bandlaufwerke sondern ein 1.9 Gigabit Speicher aus 4 MBit RAMs zum Einsatz. Alle Sensordaten werden mittels JPEG verdichtet durch einen Bildkompressorchip.

Die Sonde übermittelte über 1.6 Millionen Fotografien mit 128 Kilobit während der etwas mehr als 2 Monate im Mondorbit. Die gesamte Mission hat nur 80-100 Millionen USD gekostet. Auch wenn die Sonde hinsichtlich der Asteroidenerforschung ein Fehlschlag war, so hat sie doch die Mondforschung bereichert. Mehr über Clementine in einem eigenen Aufsatz.

NEAR (17.2.1996)

NEARNEAR (NEAR Earth Asteroid Rendezvous = Nahe Asteroiden Begegnung an der Erde) wurde die erste Mission die erfolgreich zu einem Asteroiden oder besser gesagt Planetoiden aufbrach. Nachdem Galileo auf seinem Weg zu Jupiter schon die Planetoiden Gaspra und Ida passierte waren diese erneut ins Interesse gerückt. Galileo konnte wegen der großen Entfernung, vor allem aber wegen der defekten Hauptantenne nur wenige Daten liefern. NEAR war auch die erste Raumsonde des Discovery Programms, welches sehr viele kleinere Planetensonden umfassen soll.

Für NEAR wurde der Asteroid Eros ausgesucht. Ein 33 × 13 km großer Asteroid welcher der Erde sehr nah kommt. Die meisten Asteroiden befinden sich jenseits von Mars in 300-400 Millionen km Abstand von der Sonne. Da NEAR nicht nur den Asteroiden passieren sollte, sondern in seine Bahn einschlagen sollte wäre ein Asteroid des Hauptgürtels nicht erreichbar, es fehlte an Treibstoff um die Bahn anzupassen. NEAR hat eine Bahn von 1.133 × 1.78 AE (AE bedeutet Astronomische Einheit: Abstand der Erde von der Sonne), kommt im nächsten Punkt der Erde also sehr nahe.

Zuvor musste aber NEAR erst diese Bahn einnehmen. Am 27.6.1997 passierte NEAR den Asteroiden Mathilda, durch die Entfernung von 2400 km waren nur Übersichtsaufnahmen möglich (NEAR hat keine Telekamera an Bord), andere Experimente mussten wegen der Sonnenferne abgeschaltet bleiben. Am 22.1.1998 passierte NEAR die Erde, welche die Bahn änderte und vor allem die Bahnneigung der von Eros anpasste. Am 22.1.1999 sollte NEAR durch ein Brennen des Haupttriebwerks die Bahn an Eros anpassen und so sich Eros nähern und dann in eine Bahn einschwenken, die stufenweise gesenkt worden wäre. Doch im passenden Augenblick fiel der Bordcomputer aus und NEAR musste eine extra Runde drehen bis die Sonde am 14.2.2000 den Planetoiden ein zweites mal erreichte und dann in einen Orbit einschwenkte.

Die Raumsonde selbst wog beim Start mit einer Delta 7925 818 kg, davon entfallen 316 kg auf den Treibstoff und 55 kg auf die Experimente. An Bord ist eine CCD Kamera mit 8 Filtern (2.25 × 2.9 Grad, 244 × 537 Pixels), ein Magnetometer, ein Gammastrahlenspektrometer, das erstmals seit Apollo wieder eingesetzt wird und die Zusammensetzung der Kruste untersucht, ein Infrarot Spektrograph der nach Mineralien sucht und ein Laserabstandsmesser der die Topografie vermisst. Die Daten werden mit 3 Kilobit zur Erde gesendet.

Die Sonde verwendet einen autonomen Bordcomputer (CPU Harris RTX2010 außer beim Flugdatensystem: Ein 1750A) mit je 256 KByte RAM. Als Massenspeicher kommen Halbleiterarrays aus 16 Megabit RAMs zum Einsatz, einmal 670 Megabit und einmal 1100 Megabit.

Die gesamte Mission liegt bei 224 Mill. USD, NEAR ist die erste Mission des Discovery Programms, bei der die Programmkosten bis zum Start nicht über 150 Millionen USD (1992 Preisbasis) liegen dürfen. Man landete die Sonde nach einjähriger Betriebszeit auf Eros. Danach war ein Betrieb des Gammastrahlenspektrometers (ein Experiment an der die DLR beteiligt war) noch über 2 Wochen möglich, wodurch erheblich bessere Spektren der Zusammensetzung des Bodens erhalten wurden. Die letzten Bilder vor der "Landung" wurden aus 120 m Höhe mit einer Auflösung im Zentimeter Bereich gemacht. Mehr über die Sonde in einem eigenen Artikel.

DS-1 (24.10.1998)

Deep Space 1DS-1 (Deep Space 1) ist die erste Raumsonde des neuen New Millennium Programms. Ziel war es eine neue Klasse von Raumfahrzeugen zu etablieren, die in ihren Kosten noch günstiger als die Discovery Missionen waren. Wie Clementine stehen auch bei DS-1 neben wissenschaftlichen Zielen technische Neuerungen im Vordergrund, die man ausprobieren will.

Die 486.3 kg schwere Raumsonde verfügt so über neue Solarzellen mit 23.4% Wirkungsgrad und 2300 Watt Maximalleistung und vor allem ein elektrisches Triebwerk mit 81.5 kg Xenon. Damit kann die Sonde ihre Geschwindigkeit um 5.5 km/s ändern, diese Leistung erforderte sonst ein Triebwerk welche die Sonde ca. 6 t schwer gemacht hat. Erprobt sollen neue Mikrochips, autonome und optische Navigation. Die Kommunikation verläuft zu Testzwecken im Ka Band mit 20 Kilobit über eine 0.27 m Antenne. Die Autonomie äußert sich auch darin, das von den "Gesundheitsdaten", der Telemetrie über die on Board Sensoren nur noch die gesendet werden die nicht im Normbereich sind, wodurch man kleinere Empfänger auf der Erde benötigt.

An Bord sind nur zwei Experimente, eine Miniatur Kamera mit integriertem Spektrometer und ein Plasmaexperiment welches den Sonnenwind untersuchen soll. Die Kamera welche auch für die optische Navigation verantwortlich versagte beim Vorbeiflug am 29.7.1999 am Kometen 1992 AD Braille. Zuvor hatte ein Softwarefehler die Sonde in einen Ruhezustand gebracht. Die Kamera nahm aus 14000 km Entfernung zwar einige Bilder auf, bei der nahen Begegnung (26 km an den 2.2 × 1 km großen Asteroiden) zeigte sie aber in die falsche Richtung. Infrarotspektren gelangen jedoch mit der Kamera.

Auch wenn der wissenschaftliche Nutzen so gering war, war die technische Qualifikation - die Hauptaufgabe der Sonde - voll erfolgreich. Da die Sonde nur 12 kg der 81 kg Xenon Gas verbrauchte bestand noch genügend Reserve um die Sonde zum Komet Borelly im September 2001 zu lenken. Dort machte die Kamera einige Bilder die in der Auflösung die von Giotto weit übertrafen (vor allem weil die Sonde einen weitgehend inaktiven Kometen besuchte, so das die Sicht erheblich besser war). Am 18.12.2001 wurden die wissenschaftlichen Experimente stillgelegt. Die Sonde hat jedoch noch genügend Treibstoff um einige Monate zu operieren. Mehr über Deep Space 1 in einem eigenen Artikel.

Stardust (7.2.1999)

Star DustAsteroid Anne FrankDie erste echte Mission der USA zu den Kometen ist Stardust. Sie wird am 2.1.2004 den Kometen Wild 2 in 150 km Entfernung passieren. Die Sonde wiegt nur 385 kg. 85 kg davon entfallen auf den Treibstoff und 46 auf die Landekapsel. Eine Delta 7426 brachte die Sonde in eine erste Umlaufbahn mit zwei Jahren Umlaufszeit. Am 15.1.2001 holte dann Stardust nochmals Schwung bei einem Erdvorbeiflug By in knapp 6000 km Entfernung. Das Apohel wurde gedreht und die Umlaufsdauer stieg auf 2.5 Jahre. Auf dem Weg zum Kometen machte die Sonde am 2.11.2002 einige Aufnahmen des 8 km großen Asteroiden Annefrank. Da die Aufnahmedistanz mit 3000 km relativ groß war, sind die Aufnahmen zwar sehr scharf ausgefallen, jedoch nicht sehr detailreich.

Primäres Ziel ist das Einsammeln von Kometenmaterie in einem Aerogel. Dieses wird aufgerollt und bei der zweiten Erdpassage am 15.1.2006 zur Erde zurückgebracht. Weitere Instrumente an Bord sind eine Navigationskamera mit 200 mm Brennweite und 1 Megapixel Auflösung. Die Kamera ist ein Reserveexemplar, das von den Voyager Missionen übrig blieb. Der CCD Sensor entspricht dem von Cassini. Diese soll zwar nicht primär zur Kometenbeobachtung dienen, aber beim Vorbeiflug trotzdem ca. 10 mal schärfere Bilder als Giotto liefern. Die Auflösung beträgt 0.2 Bogensekunden bei einem Bildfeld von 3.5 Grad. Die Sonde nähert sich Komet Wild auf nur 300 km und ist weniger Staub und Dunst als Giottos ausgesetzt, da die Passage in größerer Sonnenentfernung stattfindet als bei dem Kometen Halley.

Komet Wild 2Trotzdem ist die Zeit sehr knapp: Der Kometenkern ist klein und die Brennweite der Kamera gering. So wird der Kern 4 Minuten vor dem Vorbeiflug gerade mal 60 Pixel groß sein. Das beste Bild beim Vorbeiflug wurde rechts aus 500 km Entfernung gemacht. Der Kometenkern von Wild-2 hat einen Durchmesser von 5 km. Für die Analyse des Staubs sind zwei Experimente vorgesehen: Ein Staubeui0 und einen Staubanalysator - eine Weiterentwicklung des Experimentes von Giotto. Er stammt aus Deutschland. Geschützt ist die Unterseite der Sonde die dem Kometen zugewandt ist mit Schilden die ebenfalls auf den bei Giotto verwendeten aufbauen. Da die Sonde den Kometen mit 6.1 km pro Sekunde passiert ist die Gefahr von Beschädigungen geringer als bei Giotto, bei der Staubkörner mit 78 km/s aufschlugen.

Gesteuert wird die Sonde durch einen mit 20 MHz getakteten RAD6000. Dies ist eine weltraumtaugliche Version des Power PC Prozessors mit 128 MB RAM. 20 % werden von der Sonde benötigt, der Rest zum Speichern von Bildern (75 MB), 12.5 MB für den Staubanalysator, 2 MB für den Staubdetektor. Auf einen Massenspeicher hat man daher verzichtet. Das Computer-System ähnelt dem in Mars Pathfinder. Der Computer steuert die Sonde während Monate ohne Funkkontakt autonom. Die Datenrate beträgt max. 4000 Baud, der Transmitter mit 15 Watt Leistung entspricht dem von Cassini.

Zweimal soll der Staubfänger zudem Teilchen aus dem interplanetaren Raum auffangen, die erste Sammelphase erfolgte vom Februar-Mai 2000, die zweite war 2002. Dazu wird eine zweite Sammelfläche auf der Kometen abgelegen Seite benutzt. Beides Samples mit je 1000 cm2 werden auf einer Kapsel in Utah in der Nähe von Salt Lake City geborgen - die erste von Proben außerhalb des Erde-Mond Systems. Die Raumsonde selbst wird nach dem Abtrennen der Landekapsel ausweichen und nicht in die Atmosphäre eintreten. Die Gesamtkosten der Mission betragen 210 Millionen USD, davon 128.4 Millionen USD für die Sonde. Diese geringen Kosten konnten durch die wenigen Experimente und die kleine Version der Delta Trägerakete erreicht werden. Mehr über die Mission von Stardust in einem eigenen Artikel.

Die Bergung der Proben gelang problemlos. Danach absolvierte Stardust eine erweiterte Mission bei der sie

CONTOUR (2.7.2002)

CONTOURDie Sonde CONTOUR ergänzt Stardust. Während Stardusts primäre Aufgabe es ist Staub zu fangen, wird CONTOUR ähnlich wie Giotto vor allem genaue Aufnahmen des Kerns eines Kometen machen.

Die Sonde wiegt beim Start 960 kg, wobei 503 kg aber auf eine Raketenstufe entfallen. Der Start erfolgte mit einer Delta 7425, die Sonde verbliebt dann bis zum 15.8.2002 in einem hochexzentrischen Orbit mit 115000 km Erdferne und 200 km Erdnähe, der durch den Mond gedreht wird. Am 15.8.2003 wurde die Oberstufe gezündet, wobei die Sonde nach Teleskopaufnahmen wahrscheinlich in 3 Teile zerfiel, zumindest gibt es seitdem keinen Funkkontakt mehr. Die Mission ist damit gescheitert. Der Plan, sah ursprünglich so aus:

Wie Stardust wird auch CONTOUR vier Vorbeiflüge an der Erde am 15.8.2003, 14.8.2004, 10.2.2005 und 10.2.2006 machen. Diese finden aber in größerer Distanz statt (nächste Annäherung max. 30.000 km), so das damit die Bahn der Sonde nur leicht verändert wird. Die Sonde wird zwei Kometen besuchen und damit gezielte Vergleiche ermöglichen: Den "alten" Kometen Encke am 12.11.2003. Danach kann das Team die Sonde zu jedem beliebigen Kometen schicken, geplant war die Passage am 19.6.2006 am Kometen Schwassmann-Wachmann 3.

Herzstück der Instrumentierung ist eine kombinierte Kamera mit einem IR Spektrometer. Sie soll aus 100 km Entfernung Bilder mit bis zu 4 m Auflösung liefern. Sie wird autonom gesteuert und kann dem Kern des Kometen in einem Winkel von 30° automatisch folgen. Diese Kamera kann erst in Betrieb genommen werden, wenn die Sonde am Kometen vorbeifliegt, da sie an der Seite liegt, geschützt vom Staubschild. Eine zweite Kamera schaut durch den Schild und kommt zum Einsatz wenn die Sonde sich dem Kometen nähert. Sie hat einen austauschbaren Spiegel, der das Licht nach innen lenkt. Damit ist sie vor Beschädigungen geschützt und der Spiegel wird nach einer Begegnung gewechselt. Ein Massenspektrometer untersucht die Gase die der Komet freisetzt. Der Staubdetektor ist identisch zu dem von Stardust, er kommt wie dieser aus Deutschland. Die Gesamtmasse aller Instrumente beträgt 60.4 kg.

Die Sonde verwendet nur wenige bewegliche Teile, so gibt es z.B. keine Scanplattform, auch die Antenne die max. 85 KBaud sendet ist fest eingebaut. Gesteuert wird die Sonde durch einen 32 Bit "Mongoose V" Prozessor, der über zwei Massespeicher mit je 5 GByte verfügt. Er ermöglicht es die Sonde 65 % ihrer Missionsdauer im Schlafzustand zu halten, ohne Kontakt zur Erde. Zusammen mit dem einfachen Aufbau ermöglichte dies die Projektkosten auf nur 159 Millionen USD zu begrenzen. Ob die Sonde als CONTOUR 2 nachgebaut wird ist noch offen. Mehr über CONTOUR in einem eigenen Artikel.

Komm schon!

Hayabusa (9.5.2003)

HayabusaDiese erste japanische Asteroidenmission ist in erster Linie eine Mission zur Erprobung neuer Technologien. Wie die ESA bei Smart-1 (Mondmission) und die NASA bei Deep Space 1 geht es um die Erprobung eines Ionenantriebs. Daneben will man autonome Navigation und das Sammeln von Bodenproben und den Rücktransport zur Erde erproben. Die Sonde wiegt 500 kg, bei Abmessungen von 1.5 × 1.5 × 1.2 Meter. Die My-V Rakete beschleunigte die Sonde auf Fluchtgeschwindigkeit. Mit ihrem Ionentriebwerk wird sie dann den Planetoiden 1998 SF6 anfliegen. Dieser nur 300 × 700 km große Asteroid wird im Sommer 2005 erreicht. Vorher gibt es im Mai-Juni 2004 einen Erdvorbeiflug. In einem 20 km hohen Orbit wird der Asteroid 5 Monate lang untersucht. Kritische Entscheidungen soll Hayabusa alleine treffen durch Auswertung von Kamerabildern an Bord. Wie bei Japanischen Missionen üblich bekam diese Mission zuerst einen Codenamen (Muses-C) und wurde erst nach dem erfolgreichen Start umbenannt.

Der Landeanflug geschieht automatisch. In 10 km Höhe wird ein japanischer Hüpfroboter augesetzt. Ein amerikanischer Lander der ursprünglich auch mitfliegen sollte, war der NASA zu teuer. In 100 m Höhe wird ein Targetmarker abgeworfen, der mit einem Laserstrahl angepeilt wird. Die letzten Meter legt die Sonde im feien Fall zurück um den Boden nicht zu sehr aufzuwirbeln. Ein Geschoss wird mit 300 m/s abgefeuert und ein Sammelhorn fängt einige Zehntel Gramm aufgewirbelte Materie auf. Nach nur einer Sekunde startet die Sonde wieder. Dann kehrt Hayabusa (japanisch für Falke) wieder in 100 m Höhe zurück, wartet Instruktionen von der Erde ab und wiederholt dieses Spiel mindestens zweimal. Insgesamt sollen so einige Zehntel bis mehrere Gramm Asteroidenmaterie gesammelt werden. Im Winter 2005 beginnt der Rückstart. Im Juni 2007 wird die 20 kg schwere Probenkapsel bei Woomera in Australien in die Erdatmosphäre mit 12 km/s eintreten.

Der Asteroid Nr. 25'143 Itokawa (oder 1998 SF6) wurde gewählt, weil er als sehr primitiv gilt. D.h. das Material wurde seit seiner Entstehung wenig verändert und soll so der ursprünglichen Materie im Sonnensystem ähneln. Das Manöver ist möglich weil die Sonde nicht im eigentlichen Sinne auf dem Asteroiden landet - sie springt mehr über die Oberfläche, denn bei der kleinen Masse würde schon eine Geschwindigkeit von 1.3 km/h um das Schwerefeld dieses Himmelskörpers zu verlassen. Selbst wenn man die Bahn falsch bestimmt und die Sonde mit Orbitalgeschwindigkeit auf den Asteroiden auftrifft so sind dies nur 0.9 km/h - Wie wenn man einen Zusammenprall mit einer Schildkröte hat...

Nach dem Ausfall von zwei der drei Reaktionsschwungrädern war die Sonde allerdings im Juli 2005 in arge Bedrängnis geraten. Nun kann die Lage im Raum nur noch mit dem erschöpflichen Hydrazinvorrat aufrecht erhalten werden. Die Bodenprobennahme gelang erst im dritten  Anlauf, wobei nicht sicher war ob auch Proben gesammelt wurden. Der Lander ging beim ersten Anlauf verloren, als er bei zu großer Höhe abgetrennt wurde. Kurz nach der Bodenprobennahme ging die Sonde in einen Safe Modus weil sie Treibstoff verlor. Sie vereiste und dabei wurden mehrere Systeme beschädigt.

Mehr über Hayabusa in einem eigenen Artikel auf dieser Website.

Rosetta (2.3.2004)

RosettaRosetta ist die in dieser Rubrik wohl anspruchsvollste Mission. Ziel ist es einen Kometen auf deinem Weg zu begleiten. Dies war bei Rosetta zuerst der Komet 46P Wirtanen. Eine Startverschiebung erzwang eine neue Mission. Anstatt am 13.1.2003 zu Wirtanen zu starten, startete Rosetta am 2.3.2004 mit einer Ariane 5G+ zu dem Kometen 67P Churyumov-Gerasimenko. Nach einem Erdvorbeiflug am 3.3.2005 kommt es zu einem Mars-Vorbeiflug am 28.2.2007. Es schließen sich zwei weitere Erdvorbeiflüge am 15.11.2007 und 11.11.2009. Diese sind nötig um die Sonde zu beschleunigen, denn selbst einer Ariane 5 kann die 3065 kg schwere Sonde nicht bis zum Jupiter zu transportieren. Dort führt die Sonde ein Bahnangleichungsmanöver durch und wird sich ab Mai 2014 langsam dem Kometen 67P Churyumov-Gerasimenko nähern. Im Juli 2014 wird eine Umlaufbahn eingeschlagen und im November 2014 ein kleiner Lander namens Philae abgesetzt. Die Sonde begleitet dann den Kometen in einem Orbit bis zu seinem Perihel Mitte 2015. Schon 2008 gäbe es die Möglichkeiten auf dem Flug den Asteroiden Rhodia zu untersuchen und im Jahre 2010 den Asteroiden Lutetia.

Die Sonde ist deswegen so ungewöhnlich weil sie als einzige Sonde ist die nicht eine kleine Stippvisite bei einem Kometen macht sondern diesen über ein Jahr untersucht. Auf dem Orbiter gibt es 11 Experimente, welche ein breites Spektrum abdecken. Es gibt spektrale Untersuchungen vom UV bis in den IR Bereich, abbildende Instrumente im UV und Visuellen Bereich. Gas und Staub wird während des Flugs durch Massenspektrometer untersucht. Detektoren messen kosmische Teilchen und Staub. Es gibt sogar Rasterkraftaufnahmen des Staubes. Zum Schluss durchleuchtet ein Instrument mit Hilfe des Landers sogar das Innenleben des Kometen.

Lander PhilaeAuch der Lander, getauft "Philae" hat mit 10 Experimenten eine für seine nur 100 kg Masse üppige Ausstattung. Er wird Bodenproben nehmen und untersuchen, Mikroskopaufnahmen der Proben machen, die Landestelle fotografieren und beim Abstieg Bilder machen. Er wird Spektren der Oberfläche gewinnen und die Eigenschaften des Bodens durch Fühler bestimmen.

Das Hauptproblem beim Lander ist die geringe Schwerkraft des Kometen. Bei der Landung sorgen 3 Systeme, dass der Lander nicht wieder von der Stelle abprallt. Er ist nur für eine 65 Stündige Mission vorgesehen, doch ein Solarzellengenerator kann einen dauerhaften Betrieb zumindest mit reduziertem Messprogramm gewährleisten. Rosetta kostet als Gesamtmission ca. 1 Mrd. Euro, davon 770 Millionen von der ESA. Der Rest stammt von den Ländern welche die Experimente auf eigene Kosten entwickelt haben. Der Lander alleine kostet 70 Millionen Euro. Der Deutsche Anteil ist am größten und liegt bei 280 Millionen Euro, dafür stammen je 4 Experimente an Bord des Orbiters und Landers aus Deutschland. Mehr über die Rosetta Mission und den Lander Philae in eigenen Aufsätzen.

MESSENGER (2.8.2004)

MessengerMESSENGER (MErcury Surface Space ENvironment, GEochemistry and Ranging) ist die erste Raumsonde zu Merkur nach dem Vorbeiflug von Mariner 10 vor 30 Jahren. Anders als Mariner 10 soll MESSENGER in einen Orbit um Merkur einschwenken und diesen 12 Monate lang beobachten.

Die Sonde wiegt beim Start mit einer Delta 7925H (H für die Heavy Variante) 1130 kg, wovon 618 kg auf den Treibstoff entfallen. Sie ist bei Abmessungen von 1.27 m × 0.71 m × 1.05 m sehr kompakt und wird von einem halbzylindrischen Schutzschild vor der Hitze in bis zu 46 Millionen km Entfernung geschützt.

Die Sonde absolviert dabei einen Erdvorbeiflug und zwei Venusvorbeiflüge und drei Merkurvorbeiflüge, welche die relative Geschwindigkeit der Sonde soweit reduzieren, damit die Sonde am 18.3.2011 in einen hochelliptischen Orbit einschwenken kann. Die Verschiebung des Starts vom Mai 2004 auf den August 2004 führte zum Verpassen des Startfensters zur Venus und zu einer Verlängerung der Reisezeit um fast 2 Jahre vom Juli 2009 auf den März 2011.

In dem Orbit um Merkur in 200 × 15000 km Höhe soll die Sonde die Oberfläche und Umgebung von Merkur erforschen. Ein Partikelexperiment und Magnetometer untersucht die Wechselwirkung von Merkur mit dem Sonnenwind und detektiert freigesetzte Ionen von Merkur. Ein Laserentfernungsmesser bestimmt die Topographie der Nordhalbkugel. Die Südhalbkugel kann von Messenger nur während des merkurfernsten Punktes erfasst werden. Aus dieser Entfernung arbeitet der Laderentfernungsmesser nicht mehr. Ein UV/Vis Spektrometer untersucht die Zusammensetzung der dünnen Atmosphäre und bestimmt die mineralogische Zusammensetzung des Bodens.

Ein Gammastrahlenspektrometer / Neutronenspektrometer sucht nach Eis nahe den Polen und bestimmt die Konzentration der Elemente. Ergänzt wird es dabei von einem Röntgenstrahlenspektrometer. Zuletzt soll eine Weitwinkelkamera den ganzen Planeten mit mind. 1 km Auflösung in 10 Spektralfarben aufnehmen. Eine Telekamera wird eine monochromatische Karte mit 250 m Auflösung anfertigen. Die Primärmission der Sonde hat einer Dauer von 12 Monate. Eine Verlängerung hängt von dem Zustand der Sonde nach fast 8 Jahren im inneren Sonnensystem ab. Mehr über MESSENGER in einem eigenen Aufsatz.

Deep Impact (12.1.2005)

Deep ImpactDeep Impact wurde gleichzeitig mit MESSENGER beschlossen und startet auch kurz nach dieser Sonde, erreicht ihr Ziel aber viel früher, nämlich schon am 4.7.2005, also nach weniger als 6 Monaten. Die Sonde ist eine Vorbeiflugsonde, aber eine besondere. Es geht darum bei einem Kometen frische Materie zu untersuchen, also Materie die noch nicht von der Sonne verändert wurde. Dazu verfügt die Sonde über einen "Impactor", dies ist ein 372 kg schwerer Block der vorwiegend aus einem Kupferkern besteht, daneben aber auch über eine Kamera verfügt. Der Impaktor soll von der Sonde 1 Tag vor der Ankunft abgetrennt werden. Er fliegt dann auf den Kometen Tempel 1 zu und überträgt dabei Bilder zu der Vorbeiflugsonde. Diese ändert ihren Kurs um nicht selbst auf den Kometen aufzuschlagen. Der Impaktor soll einen Krater schlagen (mindestens 120 m im Durchmesser und 10 m tief, je nach Aufbau des Materials aber auch deutlich größer und tiefer). Dabei legt er frisches Material frei, welches sowohl von der Erde wie auch von der Vorbeiflugsonde beobachtet wird. Diese hat dazu nur 15 Minuten Zeit, danach passiert auch sie den Kometen. In den Tagen darauf sendet die Sonde die Daten zur Erde und wird dann im August 2005 stillgelegt.

Deep Impact ist eine sehr spezialisierte Sonde mit nur drei Instrumenten, einer hochauflösenden Kamera auf der Vorbeiflugsonde und eine Mittelauflösende Kamera jeweils auf dem Impaktor und der Vorbeiflugsonde. Die Gesamtkosten betragen 267 Millionen USD ohne die Startkosten beim Start. Sie stiegen auf 333 Millionen Dollar bis zum Vorbeiflug.

Der Impaktor schlug am 4.7.2005 pünktlich zum amerikanischen Unabhängigkeitstag auf und übermittelte dabei Bilder. Allerdings war die freigesetzte Gas- und Staubmenge so groß, dass die Vorbeiflugsonde keinen Krater entdecken konnte, zu dick war auch noch 15 Minuten nach dem Aufschlag die Wolke. Zahlreiche Observatorien auf der Erde, die Weltraumobservatorien Hubble, XMM und Spitzer und die Raumsonde Rosetta beobachteten den Aufschlag. Auch wenn man den Krater nicht sehen konnte war Deep Impact ein großer Erfolg. Da die Sonde noch über genügend Hydrazin verfügt um einige Jahre im Betrieb gehalten zu werden, plant man eine Weiterführung der Mission. Die Mission kam im Dezember 2007 zurück zur Erde. Sie wurde dann mit mehreren Fly-Bys an der Erde zum Kometen Hartley 2 umgeleitet den sie am 4.11.2010 erreichte. Aufgrund der schon beim Start vorliegenden Defokussierung des hochauflösenden Teleskops der Vorbeiflugsonde wurde nur das mittelauflösende Instrument zur Anfertigung von Aufnahmen eingesetzt. Die erweiterte Mission kostete lediglich 35 Millionen Dollar. Danach wurde Deep Impact abgeschaltet.

Dawn 27.9.2007)

Dawn ist die erste Sonde, welche die bei Deep Space 1 noch erprobten Ionentriebwerke in der Praxis einsetzt. Die Raumsonde wird mit fünf Triebwerken des Typs von DS-1 ihre Geschwindigkeit um mehr als 11 km/s im Laufe ihrer Mission ändern. Trotzdem ist nach dem Start auf eine Sonnenumlaufbahn mit einer Delta 2 noch ein Marsvorbeiflug nötig, der am 10.4.2010 stattfand. Die geplanten Aufnahmen vom Mars entfielen aufgrund eines Fehlers des Computersystems.

Die Mission startete um 14 Monate verspätet weil weniger als ein Jahr vor dem Start die NASA kurzzeitig das Projekt wegen Kostenüberscheitungen stoppte.

Dawn wird als primäres Ziel den Asteroiden Vesta besuchen, der im August 2011 erreicht wird. Sie wird sich dann einige Monaten in verschiedenen Umlaufbahnen aufhalten und den Asteroiden erkunden. Instrumente sind eine Stereokamera aus Deutschland (vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung), Ein Spektrometer für den sichtbaren und IR Spektralbereich, ein Gammastrahlenspektrometer und Neutronendetektor. Damit kann die chemische Zusammensetzung der Oberfläche auf molekulare und atomarer Basis festgestellt werden.

Vesta wird am 5-7.8.2011 erreicht. Die Sonde wird danach sich langsam der Oberfläche nähern und immer höher aufgelöste Spektren und Aufnahmen anfertigen. Die Zeitdauer ist variabel, da die Ionentriebwerke viel größere Zeitfenster erlauben als es bei chemischen Antrieben der Fall ist. Je nach Finanzierung und Zustand der Sonde (verbrauchtem Treibstoff) steht dann eine erweiterte Mission an, welche die Raumsonde im ersten Halbjahr 2015 zum größten Planetoiden Ceres führen würde.

Zukünftige Missionen

Eine Reihe der hier aufgeführten Missionen arbeiten noch oder haben noch ihr Ziel vor sich (Stardust, Hayabusa, Rosetta), doch neue sind schon geplant oder in Vorbereitung. 2006/2007 folgt Dawn. Dies ist eine Nachfolgesonde von DS-1 welche die Asteroiden Ceres und Vesta besuchen soll. Bei der ESA wird nun Merkur Orbiter (BepiColombo) gebaut werden, der einige Jahre nach Messenger startet, (geplant 2012) wissenschaftlich jedoch anspruchsvoller ist und auch einen kleineren Magnetosphären Orbiter als weitere Sonde enthält. Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger
© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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