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Stardust

Einleitung

StardustIm Jahre 1992 wurde das Discovery Programm beschlossen, welches mehr Planetenmissionen schneller ermöglichen soll, indem die Kosten jeder Sonde auf maximal 150 Millionen USD (Preisbasis 1992) festgelegt wurden. Mit diesem Budget ist es nur möglich Sonden zu bauen, wenn man Einschränkungen hinnimmt. Es zeigte sich in der Vergangenheit, dass vor allem spezialisierte Sonden mit diesem Budget gebaut werden können. Eine solche Sonde ist Stardust. Sie hat nur einen Zweck: Proben aus der Koma des Kometen Wild/2 zu sammeln und zur Erde zurückzubringen.

Stardust gehört wie die Raumsonden Odyssey 2001, Deep Space 1 und Genesis zu den Raumsonden mit Namen die aus Science Fiction Filmen und Serien stammen. Damit erhofft sich die NASA wohl mehr Aufmerksamkeit. Der Name ist falsch und richtig: Natürlich ist jede Kometenmaterie irgendwann einmal von einem Stern erzeugt worden (zumindest die Elemente die schwerer als Helium sind). Doch um Sternenstaub zu bekommen muss man keine Sonde wegschicken. Es reicht den Staub vor dem eigenen Haus aufzunehmen, denn dieser hat denselben Ursprung, auch er wurde von einem Stern erzeugt. Aber eine Raumsonde mit dem Namen "Cometdust" klang wohl nicht aufregend genug.

Die Entwicklung von Stardust kostete 128.4 Millionen USD. Dazu kamen 40 Millionen USD für den siebenjährigen Betrieb. Kosten für die Trägerrakete wurden nicht angegeben, doch ein ähnliches Modell (Delta 7425 mit PAM D2 Oberstufe) kostete bei den Sonden Mars Polar Lander und Mars Climate Orbiter 44.5 Millionen USD. Die Gesamtprojektkosten liegen damit bei 212.9 Millionen Dollar. Bis zum Ende der Primärmission kamen mit der Missionsüberwachung, Bergung der Kapsel und der Kosten für die Präparation des Aerogels und der wissenschaftlichen Auswertung weitere Kosten hinzu, sodass sie dann bei 300 Millionen Dollar lagen, diesmal allerdings inflationskorrigiert.

Die Raumsonde

Stardust ElementeStardust ist mit einer Startmasse von 385 kg, davon 300 kg Leermasse, eine der leichtesten Raumsonden des Discovery Programms. Der zentrale Körper hat Abmessungen von 0.66 x 0.66 × 1.7 m, ist also so groß wie ein großer Schreibtisch. Er besteht aus Platten von Graphit in Polycyanatkunststoff eingepasst in einem Aluminiumstruktur. Mit den beiden Solarpanels erreicht die Raumsonde eine Spannweite von 4,80 m und Höhe von 5,20 m.

Zur Lageregelung gibt es zwei Sets von Düsen, die Hydrazin katalytisch zersetzen. 8 größere Düsen von je 4.4 N Schub sind für Kursänderungen zuständig, 8 kleinere Düsen von je 0.9 N Schub für die Veränderung der räumlichen Lage. Diese sind in je 4 Gruppen von 4 Düsen an den 4 Ecken gegenüber dem Aerogel Behälter angeordnet. Beim Start hat die Sonde 85 kg Hydrazin an Bord.

Die Kommunikation zur Erde geschieht über eine parabolische Hochgewinnantenne (HGA) von 0.6 m Durchmesser. Sie wird während der Datenübertragung beim Vorbeiflug benutzt und überträgt dann bis zu 22 KBit/sec an die 70 m Antennen des Deep Space Network (DSN). Während des größten Teils der Mission wird eine Mittelgewinnantenne benutzt. Diese muss nicht genau auf die Erde ausgerichtet werden, dafür sind die Datenraten geringer und können bis zu 40 Bit/sec zu den 34 m Antennen des DSN absinken. Benutzt wird für beide Systeme ein 15 W Sender, welcher ursprünglich für Cassini entwickelt wurde. Beim Kometenvorbeiflug beträgt die Datenrate 7.9 KBit/sec. Für Notfälle gibt es drei omnidirektionale Niedriggewinnantennen (LGA).

Die Solarpanels geben Stardust die Form eines "H". Die Panels haben eine Gesamtfläche von 6.6 m² und liefern je nach Sonnenabstand zwischen 170 und 800 W an Strom. Beim Kometenvorbeiflug sind es 330 W. Zum Abfangen von Zeiten in denen die Panels nicht beschienen werden, ist eine wiederaufladbare 16 Ah Nickelmetallhydridbatterie an Bord. Die niedrige Leistung im Apohel, also bei niedrigster Sonnenentfernung macht es nötig die Systeme weitgehend abzuschalten und die Sonde in einen Schlummermodus zu schicken.

Die Lage wird kontrolliert durch drei Systeme. Ein reines Backupsystem sind zwei Sonnensensoren die früher bei den Missionen die Lage festgestellt werden. Primäre Systeme sind eine Startrackerkamera und ein Set von 3 Ringlasergyroskope und 3 Beschleunigungsmesser. Diese stellen die Referenz zwischen zwei Messungen der Startrackerkameras. Die Sonde hat keine Reaktionsschwungräder, sondern benutzt Steuerdüsen die mit der katalytischen Zersetzung von Hydrazin arbeiten, um die Lage zu ändern. Dies ist ungewöhnlich, da das Hydrazin begrenzt wird, dagegen Reaktionsschwungräder nur Strom zum Betrieb brauchen. Wahrscheinlich wurde diese Lösung gewählt, weil die Sonde im sonnenfernsten Punkt ihrer Bahn sehr wenig Strom erhält.

Der Computer besteht aus dem bei Mars Pathfinder erprobten RAD6000 Prozessor, eine strahlengehärtete, weltraumtaugliche Version des 32 Bit Power PC Prozessors PPC 601. Er kann mit 5, 10 und 20 MHz getaktet werden und erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 22 MIPS. Für Programme stehen 3 MB EEPROM zur Verfügung und für Daten und Programme 128 MB RAM. Es gibt keinen Datenrekorder, stattdessen wird der Programmspeicher genutzt. Für die Ergebnisse des Vorbeifluges ist dieser folgendermaßen aufgeteilt:

LandekapselVor Staub aus dem Kometen muss die Raumsonde geschützt werden. Dies geschieht durch drei Schilde die sich am Fuß der Sonde und der beiden Solarpanels befinden. Erst wenn ein Partikel hintereinander alle drei Schilde durchschlagen hat kann es die Sonde treffen. Jedes besteht aus drei Einzelschilden die hintereinander geschaltet sind: Einem "Bumper" Schild der Partikel abbremst und einem keramischen Rückschild, welches die Energie der Staubkörner absorbiert und einer Folie um letzte Teilchen aufzufangen. Durch den Flug mit der Unterseite zum Kometen hin sind die Schilde sehr klein. Sie sollten Partikel bis zu einer Größe von 1 cm aufhalten.

Diese von Whipple erdachten Schilde basieren auf dem einfachen Prinzip, das es sich bei den Teilchen von den Kometen nicht um festes Gestein handelt, sondern um lockere Gesteinsbrocken die aneinander haften. Durchschlägt es den ersten Schild so wird die Kompression des Materials es im Zwischenraum auseinander trieben bzw. in kleinere Teile zerlegen, die dann mangels Masse den zweiten Schild nicht mehr durchschlagen können. Größere massivere Teile sollten dann vom zweiten Schild soweit in kleinere aufgeteilt werden, dass sie am dritten Schild hängen bleiben. Diese schilde haben sich schon bei der Raumsonde Giotto bewährt wo die Relativgeschwindigkeit und damit auch die kinetische Energie um ein vielfaches höher war.

Die Rückkehrkapsel und das Aerogel werden bei den Experimenten besprochen.

System Gewicht
Gesamtgewicht 385 kg
Raumsonde 254 kg
Treibstoff: 85 kg
Rückkehrkapsel 47 kg

Experimente

Die Sonde hat eine primäre Aufgabe: Mit einer Rückkehrkapsel Materie zur Erde zurückzubringen. Die weiteren Experimente sind mehr eine Ergänzung um auch beim Kometenvorbeiflug etwas Forschung zu betreiben. Doch dies ist ein sekundäres Missionsziel. Die Sonde ist daher nicht so ausgerüstet wie die Kometensonden VeGa 1+2, Giotto, CONTOUR oder gar Rosetta. So verfügt Stardust nur über drei Experimente im Gesamtgewicht von 24 kg. Das anspruchsvollste davon ist der Detektor CIDA aus Deutschland.

Navigationskamera

Die Sonde verfügt über ein Kamerasystem, allerdings nicht über eines, um hochauflösende Aufnahmen zu machen, sondern Aufnahmen des Kometen um die Region zu charakterisieren welche die Sonde durchflog. Weiterhin stellt Sie die Position des Kometen in den Tagen und Wochen vor der Begegnung fest und erlaubt so Stardust präzise an den Kometen heranzuführen.

Die Kamera benutzt weitgehend Komponenten aus anderen Programmen. Die Optik selbst ist ein von der Voyager Mission übrig gebliebenes Exemplar der Weitwinkelkamera. Sie ist vom Petzval Typ mit 6 strahlungsresistenten Linsen. Sie hat eine Brennweite von 202 mm und eine Öffnung von f/3.5. Der Verschluss erfolgt mechanisch mit Belichtungszeiten von 5,10 und 20 ms und beliebiger langer Zeit. Die Optik ist durchlässig für Wellenlängen von 380-1100 nm. Sie wurde mit einem neuen Thermalschutz und einem Radiator versehen, da sie bei höheren Temperaturen arbeiten soll als bei Voyager.

Stardust NavigationskameraAuch das Filterrad stammte noch aus dem Voyagerprogramm, wurde aber mit acht neuen Filtern versehen:

Name Zentrum Bandbreite Transmission
HIRES 590 nm 200 nm 85 %
NIR Kontinuum 880 nm 30 nm 70 %
Gelb Kontinuum 580 nm 4 nm 50 %
NH2 Emission 665 nm 15 nm 70 %
O[1] Emission 634 nm 12 nm 60 %
Rotes Kontinuum 712.8 nm 5.8 nm 70 %
Navigation 700 nm 440 nm 92 %
C2 514.1 nm 11,8 65 %

Der Sensorkopf der Kamera stammt aus dem Galileo Programm. Das eigentliche CCD mit 1024 × 1024 Pixeln war noch von Cassini übrig geblieben. Das CCD hat ein Gesichtsfeld von 3.5 × 3.5 Grad und eine Auflösung von 60 Mikrorad (60 m aus 1000 km Entfernung). Der CCD Sensor hat Abmessungen von 12.,2 × 12.2 mm und eine Pixelgröße von 12.0 µm. Die Quantifizierung des Lichtes geschieht mit 12 Bits (4096 Helligkeitsabstufungen), es ist jedoch eine Reduktion auf 8 Bits möglich.

Teile der Elektronik wurden für Deep Space 1 entwickelt. Neu ist das Design, das die Kamera vor Staub schützen soll. Die Kamera selbst ist an einen Spiegel gekoppelt, der in einem Winkel von 45 Grad das Licht auf die Kamera wirft. Dieser Spiegel ist um 180 Grad drehbar, 3.1 Drehungen pro Sekunde sind möglich. So kann die Kamera, obwohl fest installiert, die Umgebung in einem Halbkreis beobachten. Für die Aufnahmen des Kometenkerns kann der Spiegel durch ein Periskop neben den Schutzschilden beobachten. Dieses soll ihn auch vor Beschädigungen durch Staub beschützen.

Die Kamera wiegt insgesamt 12 kg, davon entfallen 2.5 auf das Periskop und 9.5 kg auf die Kamera mit der Mechanik und Elektronik. Die Leistungsaufnahme beträgt 18 W, davon 10 W für die Elektronik und der Rest für Motoren und Heizungen.

Cometary and Interstellar Dust Analyzer (CIDA)

CIDADieses Instrument stammt aus Deutschland vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Es basiert auf Vorläuferinstrumenten die an Bord der Sonden Vega 1+2 und Giotto flogen. Eine weiter verbessere Version dieses Instruments fliegt auch auf der Rosetta Mission mit. Es analysiert Staubpartikel und stellt ihre chemische Zusammensetzung fest.

CIDA ist ein Flugzeitmassenspektrometer. Staub prallt auf ein 50 cm² großes Ziel und erzeugt einen Blitz, der als Trigger für die Messung benutzt wird. Die Aufschlagsenergie führt dazu, das Teile des Staubkorns ionisiert werden. Das entstandene Plasma strömt nun in das Instrument. Elektronstatische Gitter lassen je nach Modus nur die Ionen oder Elektronen passieren. Sie werden durch ein Feld beschleunigt und durch ein Magnetfeld zum Detektor umgeleitet. Der Detektor misst die Atommasse (bis 350 Dalton genau, bis zu einigen 1000 Dalton als Abschätzung), die Ankunftszeit und die Energie. Die elektrischen und Magnetischen Felder dienen dem Auftrennen der Ionen nach Masse/Ladung. Dies äußert sich in einer unterschiedlichen Flugzeit.

Der Detektor ist ein Elektronen Photomultiplier mit einer Öffnung von 30 mm. Er verstärkt die Signale um den Faktor 100.000. Die Auflösung liegt bei m/Δm von 250 bei Atommasse 100. Die Digitalisierungsrate liegt bei 80 MHz, die Zeitauflösung liegt bei 10 ns. Gewonnen werden 400 Spektren pro Sekunde. CIDA soll beim Vorbeiflug die chemische Zusammensetzung des Staubs ermitteln sowie seine Geschwindigkeit bestimmen. CIDA ist das anspruchsvollste Experiment an Bord. Es wiegt 10.4 kg. Mit beteiligt ist auch Finnland, von dessen meteorologischen Institut die Software stammt.

Dust Flux Monitor Instrument (DFMI)

Stardust StaubmonitorDieses Experiment zählt einschlagende Teilchen des Kometen Wild 2. Sein Aufbau ist sehr einfach. Es sind am Whipple Schild zwei Scheiben aus Polyvinyldienflourid (PVDF) montiert. Eine Scheibe hat 15.94 cm Durchmesser und 0.028 mm Dicke und eine Fläche von 200 cm², eine zweite einen Durchmesser von 5.04 cm, eine Dicke von 0.06 mm und eine Fläche von 20 cm². PVDF ist ein piezoelektrisches Material, d.h. Druckänderungen durch einschlagende Teilchen verursachen eine Spannung.

Diese Ereignisse werden gezählt. Detektiert können Teilchen von 10-4 bis 10-11 g Masse und Raten von bis zu 10000 Einschlägen pro Sekunde werden. Der 0.332 kg schwere Sensor ist mit einem 1.5 m langen Kabel mit einer 1.2 kg schweren Elektronikbox an der Sonde verbunden. Sie speichert alle Daten zwischen und wird von der Sonde alle 100 ms - 1 Sekunde abgefragt.

Zwei weitere Sensoren sind an den Schilden des Whippleschildes angebracht. Sie messen die Schwingungen des Schilds als Schall und übersetzen diese in Ströme. Beide Sensoren habe zwei unterschiedliche Verzögerungsschwellen von 210 und 510 Mikrosekunden. Die Sensoren können Staub von weniger als 10-4 g Masse erfassen und wiegen nur 0.032 kg. Auch sie sind mit einem 1.5 m langen Kabel mit der Elektronikbox verbunden.

Das DFMI-Instrument wiegt nur 1.76 kg und hat einen Stromverbrauch von 1.8 Watt. Das DFMI Experiment stammt von der Universität von Chicago.

Einfang- und Rückkehrkapsel

AerogelZum Sammeln von Kometenmaterie besitzt die Sonde einen Kollektor, dieser ist mit Aerogel ausgekleidet. Das Aerogel stoppt ein Staubteilchen innerhalb von 3 cm Flugstrecke und wird dabei bis zu 1000 Grad Celsius heiß. Dies ist mit einem speziellen Verfahren aufgeschäumtes Silicagel, das zu 99.8 % aus Luft besteht, aber trotzdem sehr fest ist und Kometenpartikel mit über 6 km/s Geschwindigkeit schnell abbremst und einfängt. Das Aerogel ist dabei von unten so durchsichtig wie Wasser, so dass man die Teilchen am Ende ihres Einflugkanals mit einem Mikroskop lokalisieren und präparieren kann. Das Aerogel hält auch den Guinness Rekord für das leichteste feste Material: Es wiegt nur 3 mg/cm³. Ein Kubikmeter davon wiegt nur 3 kg. Das Aerogel ist auch zum Einsatz gekommen bei den Mars Landesonden Pathfinder, Mars Polar Lander und Mars Exploration Rovers. Hier diente es dem Abfangen von Stößen bei der Landung, da es auch eine große Last aushält.

Es gibt beim Aerogel Sammler zwei Seiten. Ein (B Seite) sammelt während der Reise Teilchen des Sonnenwindes ein (Teilchengröße kleiner als 0.1 µm) und die A Seite Teilchen des Kometen mit Teilchengrößen von 1 - 100 Mikrometer, wobei man mehr als 1000 Teilchen von mindestens 15 Mikrometern Größe einfangen will. Die Gesamtfläche des Aerogel liegt bei 1000 cm² bestehend aus 130 je 2 × 4 cm großen Blöcken. Die A Seite ist 3 cm dick und die B Seite 0.4 cm. Das Aerogel befindet sich in einer Kapsel von 81 cm Durchmesser. Für das Einfangen von Kometenmaterial wird es senkrecht gestellt, so dass es in die Flugrichtung schaut.

RückkehrkapselDie Kapsel tritt am 15.1.2006 in die Erdatmosphäre ein und wird geborgen. Sie verfügt für den Abstieg über einen Hitzschutzschild. Dessen äußere Beschichtung besteht aus Phenolharz imprägniertem Kohlenstoff. Diese ist auf einem Schild aus Graphit-Epoxydharz angebracht.  (PICA (phenolic-impregnated carbon ablator). Mit diesem Material sind auch die Hitzeschutzschilde der neueren Marssonden und das Dragon-Raumschiff von SpaceX beschichtet. Die Hitze soll von dem Innenteil durch eine Korkbeschichtung abgehalten werden. Der Hitzeschutzschild muss der Hitze beim eintritt mit 12.5 km/s (höher als bei Apollo) aushalten. Später wird ein Fallschirm entfaltet und ein UHF Peilsender erlaubt das Auffinden der Kapsel. Die Kapsel wiegt mit dem Aerogel 45.7 kg. Sie hat einen Durchmesser von 81 cm und eine Höhe von 50 cm. Nach dem Verlust der Genesis Kapsel bei der Landung im September 2004 gab es die Befürchtung, dass auch die Stardust Kapsel denselben Entwicklungsfehler haben könnte. Doch die Stardust Kapsel ist nicht identisch zur Genesis Kapsel und teilweise anders konstruiert. Da die Kapsel so gut arbeitete wurde ihr Design erneut verwendet. Sie nimmt die Bodenproben der OSIRIS-REx Mission auf.

Anders als bei ihr wurde auch das Fallschirmauslösesystem auf einem Drehteller getestet. Bei Genesis unterblieb dieser Test. Wie sich später herausstellte war die Ursache des Verluste vier falsch eingebaute Schalter die so nicht das Fallschirmsystem auslösen konnten. Das diese bei Stardust korrekt eingebaut wurden, dafür spricht der erfolgreiche Test der Elektronik der Auslösung vor dem Start.

Die Mission

Stardust startete am 7.2.1999 mit einer Delta 7426 Rakete. Es war der erste Einsatz dieser Konfiguration. Im Dezember 1998 und Januar 1999 schickte eine Delta 7425 allerdings die Planetensonden Mars Climate Orbiter und Mars Polar Lander auf die Reise. Die Version 7426 unterscheidet sich von dieser durch die Verwendung der Star 37 FM Oberstufe anstatt der etwa doppelt so schweren PAM D2 Oberstufe. Inzwischen setzt die NASA wieder mehr auf die normale Delta 7925, da die Einsparungen durch eine kleinere Trägerrakete minimal sind (etwa ein Viertel des Startpreises oder ein Zehntel der Missionskosten, dafür halbiert sich die Nutzlast).

Bahn von StardustZiel der Sonde ist der Komet Wild 2, der sich auf einer Umlaufbahn zwischen Mars und Jupiter befindet und sich alle 6.39 Jahre der Sonne nähert. In die Reichweite der Sonde kam der Komet erst als ihn ein naher Vorbeiflug (bis auf 900.000 km) an Jupiter umlenkte. Vorher lag seine Bahn zwischen Jupiter und Uranus. Seitdem hat er ein Perihel von 1.86 AE (Astronomischen Einheiten, die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne = 149.597 Millionen km). Er gilt als relativ frischer Komet, d.h. er hat die Sonne noch nicht häufig umrundet und enthält daher nahe der Oberfläche noch relativ viel Material welches von der Sonnenstrahlung noch nicht verändert wurde. Dies macht ihn auch für die Erkundung mit Stardust so interessant.

Die kleine Delta 7426 konnte Stardust nicht auf die nötige 2.5 Jahre Umlaufbahn befördern, sondern auf eine 2 Jahres Umlaufbahn. So machte Stardust zuerst eine Extrarunde Im Aphel der ersten Bahn korrigierte die Sonde ihre Geschwindigkeit um 160 m/s. Dies führte sie zwei Jahre nach dem Start am 15.1.2001 wieder zurück zur Erde. Die Erde wurde in einer relativ großen Distanz von 6008 km passiert. Sie änderte den Punkt des aufsteigenden Knotens der Bahn und erhöhte die Umlaufszeit auf 2,5 Jahre.

Auf dem Weg zur Erde stellte man zwei Defekte bei der über 20 Jahre alten Kamera fest. Der kleinere war Nebel auf den Bildern, der durch Ablagerungen entstand. Er konnte nahezu ganz durch Heizen der Kamera vertrieben werden. Lediglich ein kleiner Rest blieb, der sich vor allem bei den Komaaufnahmen bemerkbar macht.

Der schwerere Ausfall war das Filterrad. Es ließ sich nicht mehr bewegen. Es blieb in der Position für den Navigationsfilter stecken. Das hatte zwei schwere Auswirkungen: Zum einen war nun nicht mehr möglich den Kometen multispektral zu erfassen. Daneben hatte der Filter auch einen verschmierenden Effekt. Dieser lag bei dem Navigationsfilter bei 1.6 Pixeln und bei dem HIRES Filter bei 0.25 Pixeln. Damit werden die Bilder des Kometen nicht so scharf sein wie angenommen.

Asteroid AnnefrankAm 2.11.2002 näherte sich die Sonde bis auf 3000 km an den 4 km großen Asteroiden Annefrank. Durch die Weitwinkeloptik der Kamera und die große Distanz waren die Aufnahmen nicht sehr scharf (verschärft durch das Verschmieren des Navigationsfilters). Ein zweites Bahnmanöver mit einer Geschwindigkeitsänderung um 71 m/s brachte die Sonde 98 Tage vor dem Vorbeiflug auf den korrekten Kurs zu Komet Wild. Vorher war am 18.4.2004 die größte Entfernung von der Sonne mit 2.7 AE (404 Millionen km) erreicht worden. Dies war bis dahin die größte Entfernung von der Sonne für eine Raumsonde mit Solarpanels als Stromquelle. Stardust wird jedoch schon bald von Rosetta geschlagen werden, welche sich bis auf 5.3 AE von der Sonne entfernt.

Während der Sonnenpassage öffnete die Sonde von Februar bis Mai 2000 den Kollektor um Teilchen des Sonnenwindes einzufangen. Eine zweite Saison im Dezember 2002 folgte dieser. Zusammen sammelte die B Seite des Teilchenfängers 195 Tage lang solare Teilchen. Einen Großteil der Reise bei den drei Sonnenumläufen insbesondere im sonnenfernsten Raum verbrachte die Sonde allerdings im "Schlummermode" in dem Stardust weitgehend inaktiv ist und auf ein Signal von der Erde wartet.

De kometenkern von Wild /2Am 2.1.2004 näherte sich Stardust nach einer Reise von 3.2 Mrd. Kilometern dem Kometen Wild/2. Am 24.12.2003 war die A Seite des Kollektors ausgefahren worden und 6 Stunden vor der Annäherung wurde die Abdeckung abgenommen. Der Komet wurde in einer Distanz von 250 km passiert, (geplant 300 km). Wobei er bei einer Sonnendistanz von 1.85 AE wesentlich inaktiver als Halley war, der in 1.03 AE von Giotto passiert wurde. Auch die Vorbeifluggeschwindigkeit war mit 6.1 km/sec Zehnmal geringer als bei Giotto. Beide Faktoren führten zusammen, das die Sonde weniger stark von Teilchen getroffen wurde und bessere Bilder machen konnte. Nur 10 mal durchschlug ein Teilchen den ersten der drei Schutzschilde.

Die Navigationskamera machte 72 Aufnahmen mit einer Auflösung von 30 m oder besser. Sie zeigen einen weitgehend gleichmäßigen, 5 km großen Kometenkern mit zwei Gasjets. Es waren die bis dahin schärften Aufnahmen eines Kometenkerns. Danach wurde der Staubkollektor eingefahren und versiegelt.

Die Sonde befindet sich nun auf dem 1.14 Mrd. km langen Rückweg zur Erde. Am 15.1.2006 nähert sie sich wieder der Erde, die bis dahin die Sonne exakt 5 mal umrundet hat, während die Sonde seit dem Rendezvous am 15.1.2001 zweimal ihre Bahn durchlaufen hat. 3 Kurskorrekturen 13 Tage, einen Tag und 12 Stunden vor der Begegnung mit der Erde werden Stardust so ausrichten, das die Landekapsel in der Wüste von Utah niedergeht.

Das erste Kurskorrekturmanöver am 5.1.2006 änderte die Geschwindigkeit der Sonde um 2.4 m/s. Dazu zündeten alle achte 4.4 N Düsen für 107 Sekunden. Die Sonde verbrauchte dazu 0.385 kg Hydrazin. Ein zweites Manöver ist vor der Landung angesetzt. Das dritte kann entfallen, wenn die Abweichung vom Zielpunkt nach dem zweiten Manöver nicht zu groß ist.

VorbeiflugIn 110.782 km Entfernung wird die Kapsel durch Federn von der Sonde abgelöst und dabei auf Rotation mit 1.8 Umdrehungen pro Minute gebracht. Stardust wird dann ein Manöver durchführen um nicht selbst mit der Erde zu kollidieren und gelangt in einen Sonnenorbit. Die Kapsel tritt dagegen mit 12.8 km/sec in die Atmosphäre ein. In 61 km Höhe ist die maximale Hitzebelastung erreicht und die Kapsel so hell, dass sie mit bloßem Auge ausgemacht werden kann. In 30 km Höhe wird bei 1.4 facher Schallgeschwindigkeit ein erster Stabilisierungsfallschirm entfaltet. In 3 km Höhe wird dann der Hauptfallschirm geöffnet, der die Kapsel weiter abbremst, bis sie mit 16 km/h landet. Die Landeellipse von 84 × 30 km Größe liegt in der Halbwüste von Utah. Dort werden Helikopter der US Army nach der Kapsel suchen und diese bergen. Eine Bergung im Flug ist aber anders als bei Genesis nicht vorgesehen. Die Kapsel von Stardust sendet mit einem UHF Sender ein Peilsignal aus, dass man orten kann.

Gelandet !Vorgesehen ist auch eine Beobachtung von der Erde aus. Aus zwei Gründen. Zum einen ist das Materialverhalten raumfahrttechnisch interessant, schließlich wird es mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von 12.8 km/s die bislang höchste sein mit der eine Kapsel zurückkehrt. Das Material des Hitzeschutzschildes ist auch im Gespräch für das Crew Exploration Vehicle CEV der NASA. Zum zweiten kann man dadurch einen Meteor und vor allem die Reaktionen in der Atmosphäre genau untersuchen, den anders als bei natürlichen Meteoren weis man wo die Kapsel herkommt und kann dadurch Messinstrumente mit kleinerem Gesichtsfeld und besserer Auflösung genau ausrichten.

Vier Stunden vor der Landung um 6:57 GMT wurde die Kapsel abgetrennt. Sie traf um 10:57 auf die Atmosphäre und öffnete planmäßig um 11:00 und 11:05 den Stabilisierungsfallschirm und den Hauptfallschirm. Die Landung erfolgte um 11:10, 2 Minuten früher als geplant. 25 Stunden vorher hatte Stardust das letzte Kurskorrekturmanöver gemacht - Noch 706.000 km von der Erde entfernt zündeten die Düsen für 58.5 Sekunden und änderten die Geschwindigkeit der Sonde um 1.3 m/s. Die Sonde brauchte für die Strecke Erde-Mond nur 16.5 Stunden. Die Apollo Astronauten brauchten 3 Tage für den Rückflug. 20 Minuten nach Abtrennen der Kapsel um 7:18 GMT wurden die Triebwerke der Muttersonde erneut gezündet um sie in einen Sonnenorbit zu bringen. Vorher hatte Stardust eine Bahn die sie auf 22 km an die Erde brachte. Damit die Muttersonde nicht wie die Kapsel verglüht wurde der erdnächste Punkt auf 258 km angehoben. Der Vorbeiflug an der Erde veränderte Stardusts Bahn. Die alte Bahn hatte eine Neigung von 3.6 Grad zur Ekliptik und einen sonnennächsten Punkt von 0.98 Ae und einen sonnenfernsten Punkt von 2.58 AE. Der neue Orbit ist nicht ganz so elliptisch und verläuft zwischen 0.92 und 1.70 AE bei einer Bahnneigung von 1.9 Grad. Die Kapsel trat mit 12,9 km/s in die Erdatmosphäre ein und wurde Spitzenverzögerungen von 30 g und Temperaturen von 2900°C ausgesetzt.

Geborgen !Das Öffnen der Kapsel und das Herauspräparieren der Staubteilchen unter einem Stereomikroskop geschieht in einem 100 AA Klasse Reinstraum. Das ist ein Raum, in dem durch Maßnahmen die Anzahl der Staubteilchen von mindestens 0.5 Mikrometer Größe auf 100 pro Kubikfuß gesenkt worden ist. Man erwartet insgesamt 1 mg Material, das meiste in Teilchen von 1 Mikrometern Größe. Es ist das erste mal, dass eine Raumsonde Materialproben von einem Körper außerhalb des Erde-Mondsystems geborgen hat. Die japanische Raumsonde Hayabusa wird eventuell in einigen Jahren Material eines Asteroiden bergen. Mit den ersten Ergebnissen des Untersuchung wird frühestens 6 Monate nach der Landung gerechnet. Was mit der Muttersonde passiert ist noch offen. Doch wahrscheinlich wird sie eingemottet, da ihre Instrumentelle Ausstattung doch beschränkt ist und zudem die NASA derzeit sehr viele Sonden betreuen muss: 2 Tage nach Stardust's Landung sollte die New Horizons Raumsonde starten.

Die Auswertung

Eine erste visuelle Untersuchung des Aerogels zeigte, dass die Mission erfolgreich war. Die meisten Einschläge sind nur auf dem Mikroskop zu sehen, doch es gab auch größere Einschläge die kegelförmige Einschlagsspuren durch das Aerogel hinterlassen haben und diese kann man mit dem bloßen Auge sehen. Der Größte hinterließ eine Spur, die fast so groß ist, dass man den kleinen Finger hineinstecken könnte. Wenn es aber so große Einschläge gibt, dann gibt es noch viel mehr kleine Einschläge. Die großen Einschläge sind allerdings so energiereich, dass die das Aerogel wieder verlassen und so nur wenige Brocken hinterlassen. Für die Auswertung hoffen die Forscher auf 30000-65000 "Klickworker" die sich bei Stardust@home registrieren und die Mikroskopaufnahmen auf Einschläge untersuchen.

Sollten die Proben das halten, was sich die Wissenschaftler von ihnen versprechen, so hat die Sonde mit geringen Kosten zum ersten Mal Materie von einem Kometen zur Erde zurückgebracht. Dies wäre ein weiteres positives Beispiel für eine Discovery Mission mit eng begrenztem Aufgabengebiet.

Am 29.1.2006 wurde die Muttersonde in einen Schlafmodus versetzt bei dem nur noch wenige Systeme wie die Empfangsantenne und der Ausrichtungsmechanismus für die Sonnenzellen aktiv bleiben. So kann die Sonde mehrere Jahre betrieben werden, ohne dass man regelmäßig von der Erde aus Kontakt halten müsste. Die Stardust Muttersonde befindet sich nun in einem Orbit der sie am 14.1.2009 wieder auf 1 Million km an die Erde heranführen wird. Dies kann man dann nutzen um sie zu einem neuen Ziel umzulenken - sofern die Sonde dann noch in gutem Zustand ist und man die Mittel für die Finanzierung einer Missionserweiterung bekommt.

PartikelSchon 2 Monate nach der Landung gab es die ersten Ergebnisse der Auswertung. Was die Forscher verblüffte waren vor allem die große Anzahl an großen Teilchen. 45 mit bloßem Auge sichtbare gab es. Vor der Mission vermutete man aufgrund der Messungen bisheriger Sonden, dass man maximal ein Teilchen finden würde größer als 10 Mikrometer. Zwei Monate später hatte man schon 150 dieser großen Teilchen herausoperiert, dabei war das größte 45-mal größer als erwartet. Auch die Einschlagtrichter sind viel größer als genommen, bis zu 100 mal voluminöser. Man erklärt dies mit einem größeren Anteil an verdampfbaren Substanzen wie Eis oder gefrorene Gase. Beim Aufschlag verdampfen dieses und erzeugen das große Volumen. Teilweise konnte man Miniexplosionen erkennen.

Nach dem Herauspräparieren der großen Teile beginnt nun die systematische Auswertung. Dazu werden die 2 x 3 x 4 cm dicken Zellen in wenige Millimeter dicke Scheiben geschnitten. Diese werden mit Digitalkameras als ganzes fotografiert und dann nochmals einzelne Felder in zehnfacher Vergrößerung. Diese Felder sollen dann die Klickwörker nach Partikeln absuchen. Sie zoomen dadurch durch die Schnitte und sollen ein gefundenes Staubteilchen melden. Wird in er Originalprobe eines gefunden, so wird es nach dem Entdecker benannt.

Ende März beginnt auch die Arbeit an der Rückseite. Diese sammelte während des Fluges interstellare Staubteilchen. Diese sollten kleiner als 1 Mikrometer sein und nur auf diesem Weg erkennbar.

Die ersten Ergebnisse waren auf jeden Fall sensationell. 50 besonders große Partikel hat man schon untersucht und alle waren erhitzt worden. Die meisten bis zur Rotglut, doch einige auch auf bis zu 1500 K. Zuerst vermutete man eine Verunreinigung mit irdischem Material, doch bei so vielen Proben scheidet dies aus. Das steht aber im Widerspruch zu dem bisher gültigen Entstehungsmodell für Kometen, wonach sich diese in großer Entfernung von der Sonne gebildet haben. Man fand Olivin, ein typisches Hochtemperaturmaterial und Verbindungen die man bislang noch nicht kannte, aber die auch unter hohen Temperaturen entstanden sein müssen. Zumindest diese Teilchen können nicht dort entstanden sein, wo der Kometenkern aus Eis und Gas sich bildete. Wie diese Mineralien mit dem Rest des Kometen, der aus gefrorenen Gasen und Wasser besteht vermischt wurden ist noch ungeklärt.

Nach einiger Verzögerung begann am 1.8.2006 das Projekt "Stardust@Home". Insgesamt 115.000 User hatten sich registrieren lassen und einen Test bestanden und sollen nun an einem virtuellen Mikroskop die Bilder nach Partikeln untersuchen. Bislang sind 40.000 Filmaufnahmen erstellt worden, insgesamt 700.000 sollen es werden.

Am 25.9.2008 wurde die Landekapsel dem Smithsonian Museum übergeben und wird nun öffentlich ausgestellt.

Komm schon!

NExT

Im April 2006 wurde ein Konzept für die weitere Nutzung der Stardust Muttersonde beim Komitee des Discovery Programms eingereicht. Die Stardust NExT Mission soll die bestehende Sonde nutzen um einen weiteren Vorbeiflug an Tempel-1 durchzuführen und diesen erneut zu untersuchen, nachdem Tempel-1 schon Ziel der Raumsonde Deep Impact war. Zwei weitere Vorschläge die eingingen befassten sich mit der Nutzung dieser Sonde, bei der auch die Muttersonde noch funktionsfähig ist, nachdem der Impaktors im Juli 2005 auf Tempel 1 aufschlug.

Inzwischen macht die Auswertung der gefundenen Partikeln Fortschritte, man entdeckte eine neue Klasse von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK). PAK's selbst sind noch so eine große Sensation: PAK sind durch ihre Benzolringe in Resonanzstruktur chemisch sehr stabil, werden also erst bei hohen Temperaturen zerstört und gleichzeitig haben die Bindungen geringe Energien sie sind also das energieärmste Kondensationsprodukt. Daher entstehen sie natürlich auch bei vielen Prozessen auf der Erde z.B. beim Grillen oder Bränden  Neu ist, dass diese PAK größere Mengen an Stickstoff und Sauerstoff enthalten. Derartige Verbindungen kennt man zumindest in Kometen noch nicht. Sie müssen auch näher charakterisiert werden.

Auch die Untersuchung der anorganischen Bestandteile der Partikel brachte Überraschungen. Die Staubpartikel wurden bei sehr unterschiedlichen Distanzen gebildet. Nach der gängigen Vorstellung entstanden die Kometen in sehr großer Sonnendistanz, wo es sehr kalt ist, die meisten Theorien vermuten ihren Ursprung in einer Wolke weit jenseits des Kuiper Gürtels, wo die im inneren Sonnensystem gasförmigen  Substanzen auskondensieren konnten.

Doch eine Klasse der größeren Partikel (größer als 1 Mikrometer Durchmesser) stammt definitiv aus dem inneren Sonnensystem. Sie ähneln den Calcium-Aluminium Einschlüssen die man von interplanetarem Staub und Meteoriten kennt und sie wurden auf mindestens 1300 °C aufgeheizt. Neben Calcium und Aluminium als Hauptmetallen findet man dort typische Hochtemperaturverbindungen wie Titannitrid (TiN) und Vanadiumnitrid (Vn).

Bei der Erprobung der Kameras im Oktober 2007 fiel die Sonde in einen Safemode als ein Nachrichtenbuffer überlief. Sie konnte aus diesem reaktiviert werden und die Übertragung der Bilder wurde fortgesetzt.

Verschiedene kleine Kurskorrekturen führten seitdem zu einer Anpassung des Passagezeitpunktes von Tempel 1 am 24.2.2011. Geplant ist mit der Raumsonde den von dem Impaktor von Deep Impact verursachten Krater zu untersuchen. Der Vorbeiflugsonde von Deep Impact gelang dies nicht, weil so viel Material ausgeworfen wurde, dass dieses den Blick auf den Krater selbst verdeckte.

Vor dem Erdvorbeiflug am 14.1.2009 wurde die Kamera mehrmals der Sonne ausgesetzt um durch das "Ausbacken" eventuelle Verunreinigungen vor der Linse beim Vorbeiflug zu verdampfen. Danach wurden Bilder des Mondes beim Vorbeiflug gemacht und dabei festgestellt, dass die Kamera frei von Fremdkörpern ist. Die Erde wurde in 9.200 km Entfernung über der Oberfläche passiert.

Am 18.10.2010 beginnt die Beobachtung von Tempel 1. Bis zum 4.1.2011 wurden zweimal am Tag Bilder aufgenommen. Danach schaltete die Sonde auf einen neuen Modus, der alle zwei Stunden ein Bild macht. Die Frequenz wird ansteigen bis zum Vorbeiflug am 14.2.2011. Dann wird Tempel 1 in einer minimalen Entfernung von 200 km mit einer Geschwindigkeit von 11 km/s passiert. Problematisch ist der geringe Resttreibstoff von lediglich 3,5 kg (von ursprünglich 84,8 kg Treibstoff). Doch er sollte noch bis zum Vorbeiflug reichen. Am 3.2. ist davon noch 2,6 kg übrig. Sie werden für ein letztes Kurskorrekturmanöver 18 Stunden vor dem Vorbeiflug aufgespart.

Die ersten veröffentlichten Bilder stammten vom 18.1 und 19.1. noch aus 25 Millionen km Entfernung. Die Raumsonde nähert sich mit 11 km/s dem Kometen. Geplant sind am 14/15.2.2011 (der Vorbeiflug findet 37 Minuten nach Mitternacht am 15. statt, aber in den USA ist es noch der 14.) 72 Bilder. Sie werden aus der Vorbeiflugdistanz von 200 km noch minimale Details von 12 m Größe zeigen, das ist etwas schlechter als die Bilder von Deep Impact die 33% der Oberfläche des Kometen mit 10 m Auflösung erfassten. Die Datenübertragungsrate ist durch Verbesserungen und eine etwas niedriger Distanz etwas höher als bei Wild 2 und erreicht 33.000 bit/s. Die Kosten für die gesamte erweitere Mission werden mit 29 Millionen Dollar beziffert und betragen damit nur 1/10 der Kosten der Primärmission.

Von Interesse werden vor allem die Staubmessungen durch das Massenspektrometer sein, da dies Vergleiche zu Wild zulässt.

Erwartet wird nach den Ergebnissen von Deep Impact ein etwa 100 m breites und 25 m tiefes Loch. Der Komet soll beim Einschlag rund 10.000 bis 100.000 t Masse verloren haben - der Einschlag war so wirksam, da die Dichte des Materials so niedrig ist: sie liegt bei nur 0,35 g/cm³. Dabei wird wenn alles klappt bei der nächsten Annäherung der Krater nahe der Bildmitte sein. Zusätzlich wird Stardust einen Bereich erfassen, den Deep Impact nicht sehen konnte. Interessant wird der Vergleich der Ergebnisse der beiden Staubdetektoren sein: CIDA maß 30 Einschläge beim Vorbeiflug an Wild/2 und DFMI dagegen 1.000 bislang geht man von Fehlmessungen des DFMI aus, die zusätzliche Einschläge signalisieren. Wird  dies erneut so sein?

Wie sich bei den Bildern zeigte war der von Deep Impact erzeugte Krater inzwischen weitgehend ausgefüllt. Wahrscheinlich ist Material das durch den Einschlag verflüssigt wurde von unten nach oben gequollen und hat das Loch ausgefüllt. Die Qualität der Bilder war recht gut, besser als die des defokussierten HRI Instrumentes von Deep Impact. Der minimale Abstand betrug 181 km, rund 10% kleiner als geplant. Es ist der geringste Vorbeiflugabstand an einem Kometen bisher, wenn man den Aufschlag des Impaktors von Deep Impact auf demselben Kometen ausnimmt. Auch konnten Staubeinschläge registriert werden. 72 Aufnahmen wurden angefertigt.

Am 25.11.2011 wurde Stardust durch Kommandos deaktviert.

Zusammenfassung der Ereignisse

Ziel Datum Vorbeiflugdistanz Bemerkung
Start 7.2.1999   2 Jahre Umlaufszeit
Erde 15.1.2001 6.008 km 2,5 Jahre Umlaufszeit
Annefrank 2.11.2002 3.000 km Asteroidenvorbeiflug
Wild 2 2.1.2004 250 km Sammeln von Proben und Aufnahmen
Erde 15.1.2006 258 kg (Muttersonde), Landung (Kapsel) Bergung der Proben
Erde 14.1.2009 9.200 km Neuer Kurs zu Tempel 2
Tempel 2 24.2.2011 181 km 782 Nahaufnahmen und Staubanalysen erhalten

Kostenaufstellung

Posten Kosten Bezugsjahr
Raumsonde 128,4 1999
Trägerrakete 44,5 1999
Missionsüberwachung Primärmission 40 1999
Erweiterte Mission 29 2010
Gesamtkosten 329 2010

Links

Stardust Homepage

NSSC Masterkatalog

von Hörner & Sulger (CIDA Hersteller)

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/Stardust-NExT-PressKit.pdf

 

Artikel zuletzt geändert: 17.9.2012

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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