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Raumsonden welche den interplanetaren Raum und die Sonne erforschen

Einleitung

Unser Zentralgestirn die Sonne sowie der interplanetare Raum waren ebenfalls Ziel mancher Raumsonde. Die Sonne selbst kann man auch von der Erde oder dem Erdorbit aus erforschen, den Sonnenwind und den Staub und die Strahlung kann man nur in einem Orbit um die Sonne erforschen. Hier nicht besprochen werden daher Erdsatelliten, die auch die Sonne erforschen wie SMM, Solrad oder Trace.

Die meisten dieser Raumsonden sind nicht so bekannt, das liegt daran das die meisten keine Bilderzeugenden Experimente an Bord haben und daher nicht die für den Laien so eindrucksvollen Bilder liefern können. Weiterhin finden wir einen Unterschied zwischen den USA und der UdSSR: Letztere bevorzugte es die Experimente auf ihre Planetensonden zu montieren und als aktive Messzeit die Flugzeit von 6-10 Monaten zu Venus oder Mars zu nutzen. Man spart sich so eine eigene Sonde und nutzt die stärkeren Trägerraketen besser aus.

Pioneer 5 (11.3.1960)

Pioneer 5 Die ersten Pioneer Sonden (Nummer 0-4) waren gedacht als Mondvorbeiflugssonden. Später ging es bei Pioneer 5 um die Erprobung von der Technik für interplanetare Kommunikation. Es standen bald die Starts der ersten Mariner Sonden an, und man wollte auf die Bedingungen des Interplanetaren Raumes vorbereitet sein.

Pioneer 5 war ein einfacher Flugkörper mit einer Masse von nur 43 kg. Die Startmasse war limitiert durch die Trägerrakete Thor-Able. Die Solarpanel lieferten lediglich 16 Watt. Die Sonde erinnerte stark an die erfolglosen Mondsonden des Atlas Able oder Pioneer P Programms. Die Raumsonde war spin-stabilisiert. und auf eine Lebensdauer von 1 Monat ausgelegt, Die Sonde sollte ursprünglich zur Venus fliegen, doch entschloss man sich für eine Mission die nur das interplanetare Medium untersuchen sollte, wahrscheinlich weil man nicht glaubte die Sonde würde die Venus erreichen.

Am 30.4.1960 gab es Probleme mit der Funkverbindung und die Experimente fielen bis Mitte Mai 1960 aus. Man konnte aber den Funkkontakt aber über 106 Tage bis zum 29.6.1960 in 36.2 Millionen km Entfernung aufrecht erhalten. Die Sonde verfügte über 4 Experimente, welche das interplanetare Magnetfeld und die Teilchenemission der Sonne untersuchen sollte.

Pioneer 6 (16.12.1965)

Pioneer 6 Die erste richtige Sonde speziell zur Erforschung des interplanetaren Raums war Pioneer 6. Vier weitere baugleiche Sonden sollten dieser folgen. Pioneer 6 wurde in einen Sonnenorbit mit 311 Tagen Umlaufszeit eingeschossen. Die 63 kg schwere Sonde trug 6 Experimente zur Messung von Partikeln, Feldern, Magnetfeldern, Staub und Strahlung von der Sonne und dem interplanetaren Raum. Ausgelegt war die Sonde für eine Lebenszeit von 6 Monaten, doch noch Ende 2000 war die Sonde aktiv, über 35 Jahre nach dem Start. Ab und zu schaltete sich die Sonde ab, weil man nicht mehr mit ihr kommunizierte (wenn andere Programme Priorität hatten), doch konnte sie immer wieder reaktiviert werden. Die NASA kontaktiert auch heute noch Pioneer 6, wann immer man eine der großen Antennen des DS Netzwerkes entbehren kann. Pioneer 6 ist derzeit die älteste noch aktive Raumsonde. Seit 1995 arbeitet sie mit dem Reserveverstärker. Der letzte Kontakt war im November 2000.

Die Sonde selbst ist ein 94 cm breiter und 93 cm hoher Zylinder. Nach oben und unten ragen der Magnetometerausleger und die Richtantenne heraus. Die weiteren 5 Experimente im Gewicht von 15.9 kg befinden sich in einem zentralen Ring und auf zwei Auslegern die von der Sonde wegtragen. Alle Pioneers von 6-9 hatten denselben Aufbau, auch wenn die Anzahl der Experimente von 6 auf 8 stieg. Mehr über das Pioneer Programm in einem eigenen Artikel auf dieser Website.

Pioneer 7 (17.8.1966)

Pioneer 7 Da man bei Pioneer 6 nur von einer Lebensdauer von 6 Monaten ausging, folgte nach 8 Monaten die Schwestersonde Pioneer 7. Die Flugbahn von Pioneer 6 war in Richtung Venus ausgelegt, die von Pioneer 7 nun in Richtung Mars, wodurch man durch parallele Beobachtungen den Verlauf der Emission der Sonne (Teilchen, Strahlung, Radiowellen, Magnetfeld) über das Sonnensystem beobachten konnte. Die Flugbahn hatte eine 402 Tage Periode. Es ist nicht bekannt, ob die Sonde noch arbeitet, am 31.3.1995 war die letzte Kontaktaufnahme, damals war die Sonde und eines ihrer Experimente noch aktiv.

Pioneer 8 (13.12.1967)

Auch die nächste Sonde des Pioneer Programms folgte in einen Sonnenorbit Richtung Mars mit einer Periode von 393 Tagen. Die Startmasse stieg leicht um 2 kg auf 65 kg, da man zwei zusätzliche Experimente angebracht hatte. Startrakete wie bei Pioneer 6+7 war eine Delta E. Wie Pioneer 6+7 wird diese Sonde unregelmäßig kontaktiert. Beim letzten Kontakt am 22.8.1996, wurde nach Ausfall des primären Verstärkers auf den Reserveverstärker umgeschaltet.

Pioneer 9 (8.12.1968)

Die letzte erfolgreiche Sonde des Pioneer Programms startete wieder in Richtung Venus und erreichte mit 113 Millionen km die geringste Sonnenentfernung aller Sonden im Pioneer Programm. Wiederum 2 kg schwerer als der Vorgänger arbeitete auch diese Sonde bis 1983 in ihrem 298 Tage Orbit.

Pioneer E (27.8.1969)

Die letzte Sonde des interplanetaren Pioneerprogramms hatte einen Fehlstart, die Hydraulik der ersten Stufe der Delta L fiel aus Die Sonde wäre eine Schwestersonde zu Pioneer 9 gewesen. Nach dem Fehlstart wurde ihr der Name Pioneer E zugeteilt. Trotzdem war das Pioneer Programm sehr erfolgreich. Betrachtet unter dem Aspekt Kosten/Nutzen gilt es als eines der preiswertesten. Auch waren alle Sonden trotz einfacher Bauweise extrem langlebig. Experimentell konnte schon festgestellt werden, das eine sonnennahe Sonde rechtzeitig vor Strahlungsstürmen warnen kann, da sich die Pioneers aber nicht immer in der direkten Linie Erde-Sonne befanden, wie später SOHO konnte man dies nur selten nutzen.

Helios 1 (10.12.1974)

Helios 1+2 1966 vereinbarten Ludwig Erhardt und Präsident Johnson ein gemeinsames Raumfahrtprojekt um die deutsch-amerikanischen Beziehungen allgemein und in der Raumfahrt zu intensivieren. Die wissenschaftlichen Ziele waren Aufgabe der Wissenschaftler. Aus diesem ging das Projekt Helios hervor. Deutschland baute die beiden Sonden, Amerika stellte die Trägerraketen Titan 3E Centaur und die Bahnverfolgung. So verteilten sich die Kosten zu 180 Millionen USD (damals 450 Millionen DM für Deutschland) und 80 Millionen USD für die USA. Entsprechend verteilt waren auch die Experimente: 7 der 10 Experimente stellte Deutschland, 3 die USA. Das Gesamtgewicht der Experimente betrug 73.5 kg, die Sonde wog 371 kg.

Obgleich Helios die erste Raumsonde war, die nicht von den USA oder den UdSSR stammte war das Ziel sehr anspruchsvoll: Es galt den interplanetaren Raum zwischen Erde und Sonne in Sonnennähe zu erforschen. 5 Experimente dienten der Erforschung des interplanetaren Plasmas, dem Sonnenwind und dem Magnetfeld, 3 Experimente untersuchten die kosmische Strahlung und ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind und 2 Experimente dienten der Untersuchung des interplanetaren Staubs.

Was die Sonde besonders machte war aber ihre geringe Distanz zur Sonne - nur 46.5 Millionen km oder 31 % des normalen Abstandes, was eine 11 mal stärkere Sonneneinstrahlung zur Folge hatte. Deutschlands erste Planetensonde näherte sich also weitaus mehr der Sonne, als das Groß der US Raumsonden die maximal zur Venus flogen (doppelte Sonneneinstrahlung). Es waren also spezielle Vorrichtungen notwendig, das die Sondentemperatur trotz Außentemperaturen von 300°C niedrig blieb.

HeliosDazu entwarf man die Sonde in Form einer Garnrolle von 2.12 m Höhe und 2.77 m Breite (Kern 1.75 m). Die Sonde rotiert einmal in der Sekunde um die eigene Achse, um die Wärme abzuführen, lediglich die 4.12 m hohe Antenne wird dauernd bestrahlt. Nicht mit Solarzellenflächen belegte Teile sind verspiegelt, die Solarzellen geben in Erdnähe 260 Watt ab und sind damit sie sich nicht zu stark erwärmen um 32.5° zur Sonneinfaltsrichtung geneigt.

Man erwartete Außentemperaturen von 100°C bis 300°C (je nach Abstand) an der sonnenbeschienenen Seite der Sonde, trotzdem dürfte das innere nicht zu heiß werden. Dies gelang vollkommen. Obgleich im sonnennächsten Punkt die Antenne bis 410°C heiß wurde und die Solarzellenflächen bis 128°C (berechnet 140°C) wurde es im inneren max. 20°C warm. Das lag sogar unter den geforderten 30°C.

Die Sonde arbeitete bis zum 16.3.1986 über ein Jahrzehnt und übertraf damit die Design Life time von 18 Monaten um den Faktor 8. Mehr über die Helios Raumsonden in diesem Aufsatz.

Helios 2 (15.1.1976)

Die Schwestersonde von Helios 2 war mit 376.5 kg etwas schwerer. Da Helios 1 schon beim Start zweimal ohne Probleme den sonnennächsten Punkt passiert hatte und die Temperatur etwas niedriger war als erwartet legte man die Bahn noch um 3 Millionen km näher an die Sonde auf minimale 43.5 Millionen km Abstand. Die Temperatur an den Solarzellen stieg von 128° auf 154°C und im inneren auf max. 30°C.

Auch Helios 2 hat seine aktive Zeit weit über die Planung übertroffen. Erst Ende 1981 ging der Funkkontakt zur Sonde verloren. Beide Sonden haben sowohl wissenschaftlich wie auch technisch Glanzpunkte gesetzt, die bis heute bestehen. Keine andere Sonde hat sich seitdem und davor je soweit der Sonne genähert. Zudem war das Projekt im Finanzrahmen geblieben, für den Preis von 260 Millionen USD für Rakete und Sonden bekäme man heute nicht einmal mehr eine Titan Trägerrakete. Helios 2 stellt auch den bis zum Start von Ulysses den Geschwindigkeitsrekord für einen Start von der Erde aus. Keine andere Sonde hat die Erde so schnell verlassen wie sie. Die Mondbahn, zu der Apollo 3 Tage brauchte, wurde nach 8 Stunden passiert.

Ulysses (6.10.1990)

Ulyssus Ulysses ist der Rest einer amerikanisch-europäischen Doppelmission namens ISPM (International Solar Polar Mission). Zwei Sonden, eine europäische und eine amerikanische sollten simultan die Sonnenpole zur maximalen Sonnenaktivität 1989-1991 beobachten. Kürzungen bei den NASA zugunsten eines größeren militärischen Raumfahrtbudgets (SDI) führten aber bald zur Aufgabe der amerikanischen Sonde. Ein ähnliches Schicksal ereignete auch die Schwestersonde der Kometensonde Giotto.

Um die Sonnenpole zu erreichen ist es nötig die Bahnebene von der aus gestartet wird, nämlich die Erdbahn um beinahe 90° zu drehen. Der Energieaufwand ist so groß, das dies mit chemischen Raketentreibstoffen zu erreichen wäre. Man sendete daher die Sonde zuerst zu Jupiter, dessen Schwerfeld die Sonde um 90° umlenkte, daraus resultiert eine Bahn mit dem Sonnenächsten Punkt bei der Erde und dem entferntesten bei Jupiter und einer Umlaufszeit von 5 Jahren, wobei die Sonde sich jeweils für ein Jahr in der Nähe der beiden Sonnenpole befindet. Die Sonnenpole sind von der Erde aus nicht beobachtbar.

Ulysses besteht aus einer 1.65 m Antenne als Kommunikationsinstrument und einem quaderförmigen 367 kg schweren Sondenkörper. An Auslegern befinden sich sowohl die Experimente wie auch die RTG Elemente die 285 Watt Strom liefern. Die RTGs und der Start waren der amerikanische Teil der Mission, die Sonde selbst europäisch. So wurden auch die 9 Experimente geteilt in 4 amerikanische und 5 Europäische. Der Sondenbau fand vornehmlich bei Dornier in Deutschland statt. Die Experimente in einer Gesamtmasse von 55 kg dienten der Erforschung des Magnetfeldes, des Sonnenwindes und Sonnenplasmas, Ionen, und geladene Teilchen sowie der kosmischen Strahlung. Weiterhin wurde Staub detektiert und kosmische Gammastrahlung gemessen, zusammen mit erdgebundenen Instrumenten konnten so die Ort von Gammastrahlenburster erkannt werden.

Gestartet sollte Ulysses ursprünglich 1985, doch Startverzögerungen führten zu einem Start 1986 und nach dem Challenger Unglück auf 1990. Gestartet wurde die Raumsonde vom Space Shuttle als dritte und letzte Raumsonde. Ursprünglich ausgelegt auf eine Sonnenumkreisung hat die Sonde die Sonne inzwischen zweimal passiert und ist in so gutem Zustand das die Mission mindestens bis zur dritten Umrundung 2004/5 fortgesetzt wird. Dadurch hat die Sonde die Sonne sowohl bei niedriger wie hoher Aktivität über einen Sonnenfleckenzyklus (11 Erdjahre) beobachten können.

Die Ulysses Mission ist heute noch aktiv und sehr erfolgreich, wenn sie auch ein Manko hat wie ein Wissenschaftler in einem ESA Bericht ausführt: Die Sonde hat kein abbildendes Instrument und ist daher in der Öffentlichkeit weitgehend unbemerkt geblieben.

SOHO (2.12.1995)

SOHOSOHO spiegelt die moderne Sonnenforschung wieder und setzt dort an wo erdgebundene Missionen wie ATM und Solar Max aufhörten: Er beobachtet die Sonne mit Teleskopen in mehreren Spektralbereichen. 1984 als Programm vorgeschlagen begann, die Entwicklung 1991. Wie Ulysses ist es eine gemeinsame Entwicklung von NASA und ESA. Die NASA stellt die Trägerrakete Atlas II AS und die ESA die Sonde selbst

SOHO wiegt 1610 kg, wovon 650 kg auf die Instrumente und 240 kg auf die Treibstoffe zur Lageregelung entfallen. Die Sonde ist im Librationspunkt L5 stationiert. In 1.5 Millionen km Entfernung von der Erde zur Sonne hin umkreist SOHO die Erde in einem Jahr, da die Erde aber die Sonne in einem Jahr umkreist bleibt die Sonde praktisch ortsfest in 1.5 Millionen Km Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Die Instrumente sollen 3 Fragestellungen klären:

Die Forschung hat auch den Vorteil, das SOHO als eine Art Frühwarnsystem zirka 2 Tage vor Eintreffen eines Sonnensturmes auf der Erde warnen kann. Derartige Strahlungsstürme haben 1989/90 zahlreiche Kommunikationssatelliten lahm gelegt und die Stromversorgung von Quebec gestört. Im Jahre 2003 konnte SOHO dagegen rechtzeitig vor Sonnenstürmen warnen.

Die Instrumente bestehen aus Spektrometern, Radiometern und abbildenden Instrumenten wie Koronographen und Teleskopen, sowie Instrumenten zur Messung des Sonnenwindes und Sonnenstrahlung. Insgesamt 12 Instrumente liefern Daten. Vor allem die Abbildung der Sonne in verschiedenen Spektralfarben ist auch für Laien faszinierend. Als Nebeneffekt konnte SOHO zahlreiche Kometen entdecken, welche die Sonne passierten und teilweise sogar auf ihr aufschlugen.

Nach 3 Monaten Einpendeln in den Orbit begann der Routinebetrieb von SOHO. Kurz nach Ende der 30 Monate dauernden Primärmission im April 1998 beschloss die ESA das Programm zu verlängern. Kurz darauf verlor SOHO am 25.6.1998 die Orientierung Man konnte die Sonde bis Ende September 1998 wieder unter Kontrolle bringen, sie litt auch durch die extreme Kälte, arbeitet aber seitdem wieder ohne Probleme. Im Juni 2003 fiel der Elektromotor für die Ausrichtung der Hauptantenne aus. So kommt es nun alle 3 Monate zu 2-3 Wochen dauernden "Blackouts" in denen die Antenne nicht zur Erde zeigt. Man kann jedoch über die Niedriggewinnantennen mit mittlerer Datenrate Echtzeitdaten zur Erde übertragen, jedoch keine Aufnahmen vom Bandrekorder. Mehr über SOHO in einem eigenen Aufsatz.

Genesis (8.8.2001)

GensisGenesis soll lediglich 10-20 Mikrogramm Sonnenwind - Teilchen, aber auch feiner Staub einfangen und zurück auf die Erde bringen. Wie SOHO wird die Sonde dazu im Librationspunkt L5 stationiert. Diesen erreichte sie im November 2001 und soll dort bis zum April 2004 Sonnenwind sammeln, bevor die Sonde zur Erde zurückkehrt und die Probe am 8.9.2004 mit einem Helikopter in Utah eingefangen wird. Dies dürfte auch die Generalprobe für dieselbe Prozedur mit Stardust sein.

Die Sonde selbst wiegt beim Start mit einer Delta 7326 nur 636 kg, davon 142 kg Treibstoff. Sie enthält für die Rückführung eine 210 kg schwere Kapsel mit 1.5 m Durchmesser und 1.31 m Höhe. Das Sammeln erfolgt in Kanistern, wobei diese mit hochreinem Silizium und Saphir ausgekleidet sind. Die Fähigkeit der Halbleiterindustrie Silizium fast ohne Fremdatome zu gewinnen ist der Schlüssel für den Erfolg. Jeder der 55 hexagonalen Elemente hat 10 cm Durchmesser. Weiterhin wird mit einem Instrument Elektronen und Atomkernen im Sonnenwind registriert und mit einem zweiten die Konzentration von Sauerstoffatomen im Sonnenwind bestimmt.

Gesteuert wird die Sonde mit einem Bordrechner wie er ähnlich auch in anderen Sonden des Discovery Programms zum Einsatz gekommen ist. Er besteht aus einem RAD6000 Prozessor (Weltraumtauglicher PowerPC Prozessor) und 128 MB RAM sowie 3 MB ROM. Die Gesamtkosten der Mission betragen 209 Millionen US USD. Es ist die Batterie der Landekapsel überhitzt worden, so dass noch nicht feststeht ob die Landung glückt, da diese sich entladen haben könnte. Beim Wiedereintritt öffnete sich dann auch nicht der Fallschirm und die Kapsel wurde bei der Landung beschädigt. Mehr über Genesis in einem eigenen Artikel auf dieser Website.

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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