13.05.2007 / Autor: Karl Urban Raumfahrt > Raumsonden

Der Merkur-Orbiter BepiColombo

Die europäisch-japanische Sonde soll den ersten Planeten des Sonnensystems besuchen - von der Sonne aus gesehen. Vielerlei Faktoren machen dies zu einer hoch anspruchsvollen Mission, deren wissenschaftliches Potential jedoch den Aufwand lohnt.

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Warum zum Merkur?
Alle Planeten wurden bereits z. T. bereits mehrfach von Raumsonden besucht. Obwohl der innerste Planet Merkur nur durchschnittlich 150 Millionen Kilometer von uns entfernt ist - ein interplanetarer Katzensprung also - wurde er erst von einer irdischen Sonde besucht.

Beim Flug zum Merkur stellen vor allem die eigenwilligen Bahneigenschaften große Anforderungen an die Missionsplanung. So konnte die 1973 gestartete NASA-Sonde Mariner 10 auch nur drei Vorbeiflüge an Merkur wagen, ohne in seine Umlaufbahn einzutreten. Obwohl die heutige Technik sehr viel weiter fortgeschritten ist als in den 1970er Jahren, ist eine Merkurmission noch immer ein schwieriges und aufwendiges Unterfangen. Die am 3. August 2004 gestartete NASA-Sonde MESSENGER braucht ganze sechs Jahre, ehe sie den Planeten erreicht. Die Neugier auf Merkur ist auch in Europa gewachsen: Die Europäische Raumfahrtagentur (ESA) plant mit BepiColombo seit einigen Jahren eine eigene Mission zum Merkur.

EADS Astrium

Bild vergrößernKünstlerische Darstellung von BepiColombo
(Bild: EADS Astrium)
Zusammenfassung: BepiColombo
Die Mission wird aus zwei Orbitern bestehen, die Merkur - anders als Mariner 10 - umkreisen sollen. Das Hauptraumfahrzeug Mercury Planetary Orbiter (MPO) wird von der ESA gebaut. Eine zweite Sonde, der Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), wird von der Japanischen Raumfahrtagentur (JAXA) geliefert. Während der MPO seinen Fokus auf die Erforschung der Oberfläche und der Zusammensetzung Merkurs legen wird, soll der MMO die Magnetosphäre des Planeten erkunden und vermessen. Denn eine der Besonderheiten Merkurs ist sein Magnetfeld, was ihn unter den terrestrischen Planeten zu einem Außenseiter macht. Zwar besitzt auch die Erde ein Magnetfeld, Mars und Venus jedoch nicht, obwohl diese sehr viel massereicher als Merkur sind. Dies lässt extreme Deutungen auf seinen Kern zu: Dieser müsste bei einem konstanten Magnetfeld einen großen und teilweise flüssigen Eisenanteil haben.

Der Namensgeber Giuseppe "Bepi" Colombo
Der Namensgeber - Giuseppe (Bepi) Colombo (1920-1984) - war ein äußerst erfolgreicher Mathematiker und Ingenieur, der sowohl in den Korridoren der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) als auch bei der NASA bekannt war. Er gehörte zu den Initiatoren der Giotto-Mission zum Kometen Halley und war auch derjenige, der ihren Namen vorschlug. Er starb jedoch vor dem Start des Raumfahrzeugs. Anerkennung erhielt Colombo aber vor allem wegen der Berechnung der Flugbahn von Mariner 10 zum Merkur.

Auf einem Treffen der ESA in Neapel (20. bis 23. September 1999) entschied das Science Programme Committee, die Leistungen Giuseppe Colombos an der Universität von Padua zu würdigen und ein Projekt zum Merkur nach ihm zu benennen, zu dem man sich gerade entschlossen hatte. Immerhin stammt der überwiegende Teil unseres heutigen Wissens über Merkur von der NASA-Sonde Mariner 10 aus den Jahren 1974 und 75, deren komplizierte Flugbahn von Colombo vorgeschlagen wurde. Er berechnete einen Orbit für das Raumfahrzeug, der einen mehrmaligen Vorbeiflug am Merkur ermöglichte. Er konnte außerdem erklären, wie die außergewöhnliche Rotationsperiode Merkurs funktioniert: Der Planet rotiert in zwei Sonnenumläufen dreimal um seine Achse.

Die Merkurmission, die nach Professor Colombo benannt wurde, gehört zu den Cornerstone-Missionen der ESA. Bereits 1994 wurde BepiColombo als eine der schwierigsten und aufwendigsten Missionen in der Erforschung des Sonnensystems angesehen. Jedoch ist Merkur der am wenigsten erforschte innere Planet. Allein sein Orbit, dicht an der Sonne, verhindert detaillierte Beobachtungen und macht ihn für Raumfahrzeuge schwer erreichbar. So verbleiben nach dem Ende der Mariner 10-Mission ein Vierteljahrhundert alte Fragen, die bis heute unbeantwortet sind. Die Mission BepiColombo ist ein Nachruf an den Wissenschaftler, dem wir einen großen Teil unseres heutigen Wissens über Merkur mit verdanken.

Technologische Herausforderungen
Die 1.500 Kilogramm schwere Sonde wird mit einem solar-elektrischen Antrieb - oder Ionenantrieb - ausgestattet sein, was eine stetige Beschleunigung ermöglicht und eine enorme Treibstoffeinsparung gegenüber einem konventionellen chemischen Triebwerk bedeutet. BepiColombo benötigt nach seinem Start, der voraussichtlich im August 2013 (Stand: Mai 2007) stattfinden soll, etwa 4,2 Jahre Flugzeit. Dabei wird die Sonde durch mehrere Swing-by-Manöver an Erde, Venus und Merkur auf die nötige Geschwindigkeit beschleunigt.

Die NASA hatte zuerst mit ihrer Mission Deep Space One bewiesen, dass der Einsatz eines solchen Antriebs funktioniert. Die europäische Mondsonde SMART-1 zündete nach ihrem Start am 28. September 2003 ein eigenes Ionentriebwerk für eine 14-monatige Reise zum Erdmond. Das Triebwerk der Sonde arbeitete danach gut und lässt somit den Einsatz auf zukünftigen interplanetaren Missionen wie BepiColombo zu.

Die aktuelle amerikanische Merkursonde MESSENGER arbeitet anders als BepiColombo mit einem chemischen Antriebssystem. Sie benötigt für dieselbe Strecke bei einem leicht ungünstigeren Startfenster mehr als sechs Jahre. MESSENGER ist rund 400 Kilogramm leichter als BepiColombo, jedoch wird aufgrund des verwendeten chemischen Triebwerks mehr als die Hälfte der mitgeführten Masse für Treibstoff verwendet.

Elemente der Mission

  • Die neun Instrumente des Mercury Planetary Orbiter (MPO) sollen Merkur aus niedrigem Orbit untersuchen. Der Satellit wird den Planeten in 400 bis 1.500 Kilometern Höhe in einer polaren ellipsenförmigen Bahn umlaufen und so eine genaue Kartierung der Oberfläche, die Erkundung ihrer Zusammensetzung und Rückschlüsse auf den Planetenkern ermöglichen.
  • Der Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) ist der kleinere der beiden Orbiter der Mission BepiColombo. Er wird von der JAXA gebaut und soll die Magnetosphäre Merkurs erforschen. Er wird den Planeten in einem stark elliptischen Orbit in 400 bis 12.000 Kilometern Höhe umlaufen. An Bord werden sechs Instrument auch die Interaktionen von Magnetosphäre und Sonnenwind untersuchen.

Vor der definitiven Ankunft am Merkur wird der elektrische Antrieb mit seinen großen Solarpaneelen abgetrennt, das Einbremsen in den Orbit erfolgt dann in zwei Schritten durch ein chemisches Zwei-Treibstoffkomponenten-Aggregat. Von einer initialen polaren 400 × 11.800 Kilometer-Umlaufbahn aus wird zunächst der Magnetosphärenorbiter freigesetzt. In einer zweiten Brennperiode wird die Umlaufbahn schließlich auf 400 × 1.500 Kilometer abgesenkt und anschließend das chemische Antriebsmodul abgetrennt. Die Bahnen beider Orbiter sind derart synchronisiert, dass sie sich regelmäßig auf Höhe des planetennächsten Punktes begegnen, wobei die Magnetosphärensonde ihre Daten an den Fernerkundungsorbiter übermitteln kann. Über dessen Hochgewinnantenne werden sie dann zur Erde transferiert. Das dreiachsenstabilisierte Gerät ist darüber hinaus mit einer breiten Phalanx an Instrumenten ausgestattet. Neben zwei bilderzeugenden Kameras sind dies Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen-, Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer mit denen Untersuchungen zur Mineralogie, zur chemischen Zusammensetzung der Oberfläche, flüchtiger Substanzen oberflächennaher Bereiche, der Zusammensetzung der Exosphäre sowie des potentiellen Vorhandenseins von Wassereis in unbeschienenen Kratern der Polarregionen durchgeführt werden können.

Der spinstabilisierte Magnetosphärenorbiter wird parallel dazu Untersuchungen zur Dynamik des Magnetfeldes Merkurs durchführen, dortige Plasma- und Elektronenströme messen sowie Quellen elektromagnetischer Strahlung ermitteln. Beim Landegerät schließlich, dessen Freisetzung bereits früh nach Erreichen des Merkur erfolgt, handelt es sich um einen Penetrator, ähnlich den beiden gescheiterten Deep Space-Geräten der NASA. Beim Auftreffen mit hoher Geschwindigkeit durchdringt ein konischer Vorderkörper die Oberfläche bis auf etwa einen Meter Tiefe, während der größere Hinterkörper auf der Oberfläche zurückbleibt. Der Vorderkörper übermittelt seine Messwerte über die physikalischen Eigenschaften der Merkuroberfläche durch ein Kabel an den Hinterkörper, der für die Übermittlung der Daten und die Energieversorgung zuständig ist und daneben noch ein Abbildungssystem zur visuellen Untersuchung des Landegebiets beherbergt. Die Landung soll auf einer polnahen Breite von 85° erfolgen, da dort mit einer Oberflächentemperatur um lediglich 50° C gerechnet werden kann, was die anvisierte Betriebszeit von einer Woche realisierbar macht. Der Orbiter wird seine Arbeit dagegen ein Jahr lang (etwa zwei Merkur-Tage) verrichten.

NASA

Bild vergrößernMerkur: Zusammenstellung von Einzelaufnahmen der NASA-Sonde Mariner 11
(Bild: NASA)
Ziele der Mission
BepiColombo verfolgt vielseitige wissenschaftliche Ziele. Im Vordergrund stehen dabei die ungewöhnlich hohe unkomprimierte Dichte und der innere Aufbau Merkurs.

Das Verhältnis von 3:2 zwischen der Umlaufzeit um die Sonne und der Eigenrotation Merkurs ist mit Hilfe der Gezeitenkräfte der Sonne erklärbar. Allerdings ist die Verlangsamung der Eigenrotation auf 59,6 Erdtage bisher nicht zu erklären gewesen, dürfte allerdings mit Prozessen im Planeteninnern zusammenhängen.

Die Planetenkerne von Merkur und Erde sind nach heutigem Wissen für die Induktion der planetaren Magnetfelder verantwortlich. Jedoch muss sich dafür ein Teil des Kerns in flüssigem Zustand befinden. Dies ist beim Merkur aufgrund seiner geringen Größe nur schwer vorstellbar. Die NASA-Sonde Mariner 10 konnte jedoch zweifelsfrei ein schwaches aber konstantes Magnetfeld nachweisen. Hingegen besitzen Venus und Mars keine globalen Magnetfelder, obwohl sie massereicher als Merkur sind. Die Frage nach dem Ursprung des Merkurmagnetfeldes ist also von entscheidender Bedeutung für das Verständnis aller terrestrischen Planeten und könnte durch BepiColombo aufgeklärt werden.

Merkur besitzt aufgrund der starken Einflüsse des Sonnenwindes selbst keine eigene Atmosphäre. Somit steht die Magnetosphäre in direktem Kontakt mit der Oberfläche und hat dort Einfluss auf deren Zusammensetzung. Sie begünstigt außerdem die Existenz der Exosphäre, einem extrem dünnen Gasgemisch aus Sonnenwindpartikeln und Natrium aus der Oberfläche. Die Phänomene, die zwischen Sonnenwind, Magnetosphäre und Merkuroberfläche auftreten, sind bisher noch vollkommen ungeklärt und dürften vor allem durch BepiColombo geklärt werden können.

Die so genannte Perihelbewegung der Merkurbahn konnte Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden. Eine exaktere Messung des Phänomens ist daher ideal dazu geeignet, Einsteins Theorie noch genauer zu überprüfen. Die Europäische Raumfahrtagentur (ESA) hat zusammenfassend folgende Fragen als Ziel künftiger Missionen zum Merkur formuliert:

  • Welche Auskunft kann uns Merkur über die Entstehung des Sonnensystems geben?
  • Warum ist die unkomprimierte Dichte Merkurs deutlich höher als bei allen anderen terrestrischen Planeten einschließlich des Mondes?
  • Ist der Kern Merkurs flüssig oder fest?
  • Ist Merkur heute tektonisch aktiv?
  • Warum hat ein so kleiner Planet wie Merkur ein konstantes Magnetfeld, während Venus, Mars oder Mond keines besitzen?
  • Warum zeigen spektrografische Untersuchungen Merkurs nicht die Existenz von Eisen an, obwohl das Element der Hauptbestandteil des Planeten sein müsste?
  • Was enthalten die permanent in Dunkelheit liegenden Krater an den Polen? Kann man in ihnen vielleicht Schwefel oder sogar Wassereis nachweisen?
  • Ist die bis heute unbekannte Hemisphäre Merkurs anders geartet, als die von Mariner 10 fotografierte?
  • Wie kann sich die Exosphäre Merkurs im Gleichgewicht halten?
  • Wie interagiert das Magnetfeld Merkurs mit dem Sonnenwind, während keine Ionosphäre existiert?
  • Gibt es im Bereich der Merkurmagnetfelds Erscheinungen wie Polarlichter, Strahlungsgürtel oder magnetosphärische Stürme wie auf der Erde?
  • Was ergeben die geplanten Versuche, Einsteins Relativitätstheorie anhand der Merkurbahn noch genauer als bisher möglich zu überprüfen?

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