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MESSENGERs Mission bei Merkur

Über die Raumsonde und ihre Instrumente informiert selbst ein eigener Artikel auf dieser Website. Über die Ereignisse auf dem Flug zum Merkur informiert sie dieser Artikel. In diesem Artikel erfahren sie die wichtigsten Ereignisse der Mission von Messenger in ihrem Orbit um Merkur.

Einschwenken in den Orbit

Abdeckung von Merkur durch MDIS

33 Stunden vor dem Orbit begannen die Antennen des DSN MESSENGER laufend zu verfolgen und Telemetrie zu empfangen. Am 18.3.2011 zündete die Raumsonde für 15 Minuten ihre Triebwerke, reduzierte ihre Geschwindigkeit um 860 m/s und schwenkte in einen Orbit um Merkur ein. Sie benötigte dazu nur 31% ihres Treibstoffs. Sehr viel mehr benötigte sie schon vorher für die zahlreichen Deep Space Manöver während der sieben Jahre dauernden Reise zum innersten Planeten. Der Beobachtungsorbit erstreckt sich nominell zwischen 200 und 15.192 km Höhe. Die Elliptische Bahn wurde gewählt, weil Merkur auf der sonnenbeschienen Seite 430°C heiß ist und wenn die Sonde sich ihm stark nähert so bekommt sie diese thermische Wärmestrahlung zu spüren. Man kann MESSENGER zwar gegen eine Strahlungsquelle (die Sonne) schützen, aber nicht gegen zwei. Der elliptische Orbit reduziert die Zeit in der sich die Sonde nahe der Oberfläche befindet. Die Urlaubsdauer beträgt 12 Stunden, das ermöglicht einen einfachen Betrieb der Sonde: Sie macht nahe des merkurnächsten Punktes die meisten Untersuchungen und nahe des merkurfernsten kann die Sonde die Daten zur erde senden. Eine Kommunikation gibt es so alle 12 Stunden, bzw. wenn man nur jedes zweite Fenster nutzt so hat man eine Datenübertragung pro Tag immer zur gleichen Uhrzeit.

Bis zum 23.3.2011 erfolgte das Durchchecken der Raumsonde im Orbit, danach stand die Inbetriebnahme der Experimente an. Am 29.3.2011 begann der Späher mit seinem Messprogramm und übermittelte in einer ersten Session 363 Aufnahmen der Kamera zur Erde.

Messenger soll mindestens ein Jahr im Orbit verbleiben. Die Lebensdauer im Orbit hängt von mehreren Umständen ab, so dem verfügbaren Treibstoff: die Sonne verändert die Bahn der Sonde laufend, erhöht vor allem den merkurnächsten Punkt. Mindestens einmal pro Merkurjahr muss die Raumsonde eine Korrektur durchführen um den nächsten Punkt des Orbits unter 500 km zu halten. Er würde sonst ansteigen. Dies wird um Treibstoff zu sparen jeweils bei maximaler Entfernung von der Sonne durchgeführt. Leider verkürzt die Senkung des Orbits auf 200 km aber die Umlaufsdauer um 15 Minuten, sodass im merkurnächsten Punkt ein Kompensationsmanöver geplant ist. Fünf Zündungen sind geplant, das zweite und vierte nahe am Perizentrum der Merkurbahn und die anderen drei jeweils am Apozentrum.

Die Umlaufbahn von MESSENGER muss mehreren Kriterien genügen. Zum einen muss sie regelmäßigen Funkkontakt mit der Erde erlauben. Daher hat er eine Umlaufdauer von 11:45 bis 12 Stunden. Zweimal pro Erdtag ist daher MESSENGER in einer Position in der er senden kann. Er muss elliptisch sein, weil die Sonde sich durch ihren Sonnenschutzschild zwar gut vor der Hitze der Sonne schützen kann, doch die bis zu über 400!C heiße Oberfläche des Merkurs emittiert ebenfalls viel Infrarotstrahlung. Sie beträgt alleine die vierfache Intensität der Sonnenstrahlung bei der Erde (die indische Mondsonde Chandrayaan 1 fiel in einem niedrigen Mondorbit aus, weil die Infrarotstrahlung des Mondes zur Überhitzung führte). So kann sich MESSENGER nur kurzzeitig der Planetenoberfläche nähern. Der Orbit hat daher eine Inklination von 82 bis 84° und nähert sich Merkur bis auf 200 km. Das Apozentrum liegt bei bis zu 15.200 km Höhe. Aufnahmen werden bis in 1.500 km Höhe gemacht.

Der nächste Punkt liegt bei 60 bis 75 Grad Nord. Aus diesem Orbit heraus kann die Raumsonde die Nordhalbkugel gut beobachten, die Südhalbkugel wird nur in niedriger Auflösung aufgenommen und die Gebiete nahe des Südpols sind nicht beobachtbar. Daher waren die Vorbeiflüge sehr wichtig, da nur sie die Gelegenheit boten die Südhalbkugel zu erfassen. Die europäische Raumsonde Bepi Colombo wird in einigen Jahren dann auch diese Regionen von Merkur fotografieren. Beim Vorbeiflug konnte MESSENGER schon 96 % der Oberfläche erfassen. Nur die polaren Regionen fehlten. Im Orbit wird dies nachgeholt und es entstehen Aufnahmen aus allen Belichtungssituationen (mit flachem und hohem Sonnenstand, sodass Details besser erkennbar sind.

Als anspruchsvoll gilt das sehr häufige Drehen der Raumsonde um einerseits die Instrumente auszurichten und andererseits die Schutzschilde so auszurichten, dass die Sonde nicht überhitzt. Geplant ist ein Betrieb über ein Jahr. Erwartet werden rund 80.000 Bilder.

Mitte Juni war MESSENGER ein Merkurjahr im Orbit, konnte also die Oberfläche einmal komplett erfassen. Einige Ergebnisse gibt es jetzt schon. So ist das bisher weitgehend unbekannte Nordpolgebiete von ausgedehnten weitgehend kraterlosen Ebenen geprägt. Die schon früher aufgestellte Theorie, dass Vulkanismus die Krustenbildung stark prägte konnte bestätigt werden. Schwefel ist in geringerer Konzentration als beim Erdmond vorhanden. Das ist aufgrund der höheren Dichte aber auch nicht verwunderlich. Die erste chemische Analyse mit dem Röntgenspektrometer ergab das die Zusammensetzung des Gesteins zwischen der des Mars und der Erde liegt. Der Laserhöhenmesser hat 2 Millionen Messungen gemacht, was für ein erstes Höhenmodell ausreicht. Die  Kartierung selbst erfolgte bislang mit einer Genauigkeit von 250 m/Pixel.

Das erste halbe Jahr

Ende September waren zwei Merkurjahre vergangen und Messenger ein halbes Jahr im Orbit. Zu diesem Zeitpunkt, der auch einem Sonnentag auf Merkur entspricht (das der Tag länger dauert als ein Jahr liegt an der Eigenheit der Rotation: da Merkur mit 59 Tagen um die eigene Achse rotiert, erfolgen nach 176 Tagen genau drei Rotationen um die Achse und zwei Umläufe um die Sonne - bleibt eine Rotation übrig und der Tag dauert 176 Tage: Wer's berechnen will: 1/59 - 1/88 = 1/176. In einer Konferenz am 6.10.2011 wurden 30 Artikel präsentiert, welche die bisherigen Ergebnisse zusammenfassen.

 Die Kartierung mit 250 m/Pixel (monochrom) und 1 km/Pixel (acht Farben) ist nun schon fast global. Es gibt lediglich einige Lücken die im nächsten Halbjahr ausgefüllt werden. Die Aufnahmen entstanden nun aus idealen Belichtungsbedingungen und zusammen mit den vorherigen Aufnahmen bei den Vorbeiflügen erlauben sie eine genauere Untersuchung von Merkurs Geologie. Eine der Beobachtungen war, das selbst in stark verkaterten Gebieten man deutliche Anzeichen von früheren vulkanischen Eruptionen fand. Vulkanismus spielt in der Geschichte Merkurs offensichtlich eine größere Rolle als angenommen, auf jeden fall mehr als beim etwa gleich großen Mond. Wo das Röntgenstrahlenspektrometer das Gestein untersuchen konnte, waren die vulkanischen Gesteine basaltischen Ursprungs, das auch auf der Erde von zahlreichen Vulkanen ausgespuckt wird.

Der VIRS Kanal des Kamerasystems hat bisher etwa 1 Million Spektren aufgenommen. Sie sind nicht flächendeckend, aber sie decken alle Oberflächenmerkmale ab. Es gab zwwei Überraschungen. Das eine sind nur sehr geringe Schwankungen in den Spektren, die Oberfläche hat eine sehr gleichmäßige Zusammensetzung ohne große Variationen. Das zweite war, dass die silikatischen Gesteine sehr eisenarm sind. Merkur ist sehr dicht. Berücksichtigt man, das Gestein im Inneren durch den Druck zusammengepresst wird, so hat er sogar die höchste Dichte im Sonnensystem, wenn dieser Effekt ausgeblendet wird. Er enthält daher sehr viel mehr Eisen als die Erde und es scheint als wäre dieses vor allem in den Kern gewandert und die Oberfläche daher verarmt an diesem häufigsten schweren Metall. Allerdings gibt es im UV-Bereich Hinweise auf Eisen, die jedoch stärkere regionale Schwankungen zeigen. Bisher ist noch nicht geklärt, warum im Infraroten Spektralbereich man kaum Eisen nachweisen kann, im UV-Bereich dagegen doch.

Eine Überraschung war, dass das Magnetfeld um 20% aus Merkurs Zentrum heraus verschoben ist. Es ist so auch auf der Nordhalbkugel um den Faktor 3,5 mal stärker als auf der Südhalbkugel. Wie es erzeugt wird, dass ist noch nicht geklärt. Aber es hat Folgen. Geladene Teilchen, vor allem aus dem Sonnenwind treffen vor allem auf der Südhalbkugel auf die Oberfläche, während das Magnetfeld auf der Nordhalbkugel mehr Teilchen ablenkt. Die Teilchen (Protonen und Alphateilchen) schlagen Natrium, Calcium und Magnesiumatome auf der Tagseite aus dem Gestein. Sie bilden eine Exosphäre und auf der Nachtseite einen Schweif. Dort wurde mehr Calcium und Magnesium gefunden, als nach den Modellen zu erwarten. Eine mögliche Erklärung wäre, das das Merkurmagnetfeld und das interplanetare Magnetfeld miteinander wechselwirken und so noch mehr Teilchen auf die Oberfläche lenken, wo sie wiederum Calcium und Magnesium herausschlagen. Allerdings kann auch dieses Modell noch nicht die beobachteten Konzentrationen erklären.

Das erste Jahr

Nach dem ersten Orbitjahr, entsprechend zwei Sonnentagen von Merkur erfolgt die nun größte Kurskorrektur. Sie sollte die Umlaufperiode von 11 h 36 min auf 8 h senken. Der erste Teil erfolgte am 19.4.2012 und verbrauchte den Rest des Oxydators des Haupttriebwerks, das dazu 188 s lang betrieben wurde. Es senkte die Umlaufzeit auf 9 h 5 Minuten ab. Danach wurde das Haupttriebwerk stillgelegt, weil es nun keinen Oxydator mehr hat. Den Rest der Anpassung der Umlaufzeit erfolgt dann mit den kleinen Steuertriebwerken, die nur Hydrazin katalytisch zersetzen. Sie brauchen dazu keine zweite Treibstoffkomponente.

Die neue Umlaufbahn führt nun Messenger bis auf 10.314 km von der Oberfläche weg. Der merkurnächste Punkt bleibt bei 276 km. Das Manöver markiert auch den Beginn der weiterten Missionsphase. Die einjährige Primärmission ist nun beendet. Ein Betrieb über ein weiteres Jahr war jedoch schon Beginn der Primärmission vorgesehen. Während der Primärmission und den Vorbeiflügen wurden 100.000 Bilder gewonnen, die 99% der Oberfläche unter idealen Lichtbedingungen abdecken. Die Laserhöhenmessung deckt den Planeten in 400 m Abständen ab, mit einer Genauigkeit von 25 bis 100 m.

Die Verlängerung

Nach einem Jahr hatte MESSENGER 88.745 Aufnahmen gemacht und bekam eine Missionsverlängerung. Am 6.3.2013 konnte das Team vermelden, dass nun 100% des Merkurs fotografiert sind - es fehlte noch genau eine Aufnahme der Nordpolregion die an diesem Tag die 99,99% auf 100% brachte. Allerdings ist dies nur die Abdeckung nur ein kleiner Teil ist aufgrund der Umlaufbahn von hochauflösenden Aufnahmen abgedeckt. Bis jetzt hat Messenger such schon 80.000 Bilder aufgenommen. Wenig später neigte sich auch die erweiterte Mission dem Ende. Sie wurde erneut um ein Jahr verlängert. Die erneut verlängerte Mission erlaubt es vor allem die Magnetosphäre genauer zu untersuchen, da derzeit die Sonnenaktivität stark ansteigt und diese vom Sonnenwind sehr stark beeinflusst wird.

Da es genügend Treibstoff nach einem Jahr gab wurde die Mission um ein weiteres Jahr verlängert.

Zwischen dem 14.6 und 15.9.2014 haben mehrere Zündungen des Antriebs den Orbit angehoben. Bis zu diesem Zeitpunkt war der merkurnächste Punkt der Bahn auf nur noch 24,3 km Höhe gefallen, nun liegt er in 115 km Höhe. Bedingt durch Störungen sinkt der merkurnächste Punkt laufend ab, sodass die Sonde auf die Oberfläche aufschlägt wenn man dies nicht korrigiert. Die Änderung erhöhte die Geschwindigkeit um 8,57 m/s und die Umlaufszeit um 3,2 Minuten auf 8 Stunden 2 Minuten. Messenger kann so bis in den frühen Frühling hinein im Orbit bleiben. Zwei weitere Bahnanhebungen sind Ende Oktober und Mitte Januar geplant.

Am 15.10.2014 wurde bekannt das Messenger mit Hilfe von reflektiertem Sonnenlicht (von den Kraterwänden) erstmals Eis direkt bei Merkur fotografieren konnte. Eis wird ja auch an den Polen des Mond vermutet konnte aber bisher weder beim Mond noch beim Merkur nachgewiesen werden. Eine Bestätigung ob dies auch Eis ist fehlt noch. Schlussendlich sollte das gleiche reflektierte Licht das eine Aufnahme ermöglich auch über Milliarden Jahre das Eis zum Verdunsten bringen. Um Treibstoff zu sparen erlaubte man das Absinken des Orbits in den letzten 12 Monaten der Mission.

Ende 2014 neigte sich der Treibstoff an Bord dem Ende zu. Nun ließ man die Bahn kontrolliert absinken um die Mission zu verlängern und hob dann den merkurnächsten Punkt an, wenn er zu tief sank durch das noch verbliebene Heliumdruckgas an, dass man durch die Düsen entlief. so wurden 2015 die TCM häufiger und erreichten im März/April Wochenabstand. Das vorletzte, TCM-17, am 16.4 hob den planetennächsten Punkt von 6,5 auf 13,5 km an. Doch auch der Heliumgasvorrat ist begrenzt und das Druckgas ist ineffektiver als der Treibstoff. Die Missionsleitung rechnete Mitte April 2015 mit genügend Gas für ein weiteres TCM am 24.4.2015. Wenige Tage später, um den 30.4.2015 sollte Messenger mit 3,91 km/s auf Merkur aufschlagen. Die Mission hätte dann vier Jahre gedauert. Geplant war nur eine Primärmission von einem Jahr. MESSENGER hat damit nicht so lange gearbeitet wie andere Orbiter z.B. Venus Express, die Mars Orbiter MRO, MGS, Odyssey und Mars Express oder die Raumsonden um Jupiter und Saturn Galileo und Cassini. Doch da Merkur der Sonne sehr nah ist, wird die bahn von Messenger dauernd durch die Sonne gestört. Kurskorrekturen sind daher viel häufiger und dadurch wird auch der Treibstoff an Bord schneller verbraucht. Immerhin war die Betriebszeit viermal so lang wie geplant.

Wie vorausberechnet zerschellte Messenger am 30.4.2015 auf der Merkuroberfläche. Die Sonde schlug einen schätzungsweise 16 m großen Krater bei 54,4 Grad Nord, 230,1 Grad Ost. Bis zum letzten Tag übermittelte die Sonde Daten. Der letzte Downlink erfolgte noch am Donnerstag (30.4) morgens.

 
Messengers Bilanz
Startdatum 3.8.2004
Ankunft am Merkur 18.3.2011
Anfang Primärmission 29.3.2011
Ende Primärmission 19.4.2012
Aufschlag auf dem Merkur 30.4.2015
Umläufe: 4105
Datenmenge: 10 Terabyte
Übermittelte Bilder: 277.000

Links

MESSENGER Website

MDIS Informationen vom PDS Knoten

NSSC Informationen MESSENGER

NSSC Informationen Mariner 10

NASA SP 424 Mariner 20 to Venus and Mercury

NASA SP-423 Atlas of Mercury

Mariner 10 Image Project

Messenger kalibrierte MDIS Daten

Messenger MDIOS Rohdaten

Artikel zuletzt geändert: 30.12.2016


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