DAWN erreicht Vesta

In wenigen Stunden wird die Raumsonde DAWN in einen Orbit um den Asteroiden Vesta eintreten und diesen anschließend für die Dauer von einem Jahr ausführlich untersuchen.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, DLR, MPS, NASA Science, DAWN Journal.

Der zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter gelegene Asteroidengürtel stellt für die Planetologen ein Zeitfenster in die frühe Entstehungsphase unseres Sonnensystems dar. Die dort befindlichen Objekte sind Relikte aus einer fernen Vergangenheit und jeder Asteroid hat den Wissenschaftlern seine eigene Geschichte über die Anfänge des Sonnensystems zu erzählen. Um diese Geheimnisse näher zu ergründen, entschloss sich die amerikanische Weltraumbehörde NASA dazu, die Asteroidenmission DAWN durchzuführen, in deren Rahmen der Asteroid (4) Vesta und der Zwergplanet (1) Ceres näher untersucht werden sollen. Die DAWN-Mission ist die neunte des Discovery-Programms der NASA, welches Wissenschaftlern die Möglichkeit bietet, die Rätsel unseres Sonnensystems mit relativ preisgünstigen und innovativen Missionen zu entschlüsseln. Nach mehreren Startverschiebungen hob am 27. September 2007 eine Delta II-Rakete von ihrem Startplatz in Cape Canaveral/ Florida ab und beförderte die Raumsonde DAWN ins Weltall (Raumfahrer.net berichtete).

Auf ihrer spiralförmigen Flugbahn durch das innere Sonnensystem wird die Raumsonde durch ein Ionentriebwerk angetrieben. Im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Antriebssystemen entwickeln die drei mit Xenon betriebenen NSTAR-Ionentriebwerke der Raumsonde DAWN einen eher geringen Schubeffekt von maximal 91 Millinewton. Dies entspricht in etwa der Kraft, welche ein herabschwebendes Blatt Papier auf eine Schreibtischfläche ausübt. Durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit der Ionen und eine deutlich längere Wirkdauer kann ein Ionentriebwerk die Flugbahn einer Raumsonde jedoch im Rahmen eines über Monate und Jahre erfolgenden durchgehenden Betriebes viel stärker und letztendlich effizienter verändern, als dies mit chemischen Triebwerken möglich ist.

Beim Betrieb der Ionentriebwerke werden die Atome des Edelgases Xenon durch elektrischen Strom angeregt, so dass sie durch den Verlust eines Elektrons ionisiert werden. Die positiv geladenen Xenon-Ionen werden durch ein elektrisches Feld auf die sechs- bis zehnfache Geschwindigkeit eines chemischen Raketenstrahls beschleunigt und der Ionenstrahl wird auf die Austrittsdüsen fokussiert. Dabei werden von den DAWN-Triebwerken pro Sekunde nur 3,25 Milligramm Xenon verbraucht. Zum Startzeitpunkt standen 425 Kilogramm Xenon zur Verfügung.
Auf dem Flug zu ihrem ersten Forschungsziel, dem Asteroiden Vesta, führte DAWN am 17. Februar 2009 ein Swing-By-Manöver am Mars durch. Durch dieses Manöver war es der Raumsonde möglich, zusätzlichen “Schwung” zu holen und so nochmals an Geschwindigkeit zuzulegen. Zusätzlich bot der nahe Vorbeiflug an unserem Nachbarplaneten eine willkommene Gelegenheit, um die wissenschaftlichen Instrumente an Bord der Raumsonde an einem vergleichsweise nahen Objekt zu testen und zu kalibrieren. Zudem konnte die Flugbahn der Raumsonde im Rahmen dieses Manövers um fünf Grad verändert und auf den angepeilten Rendezvous-Punkt mit Vesta ausgerichtet werden. Ein vergleichbares Manöver ohne die Unterstützung des Schwerkraft des Mars hätte einen zusätzlichen Treibstoffverbrauch von rund 104 Kilogramm Xenon zur Folge gehabt.

Der etwa 560 x 544 x 488 Kilometer durchmessende Asteroid (4) Vesta, welcher am 29. März 1807 von dem Astronomen Heinrich Olbers in Bremen entdeckt und nach der römischen Göttin von Heim und Herd benannt wurde, ist nach dem gegenwärtigen Erkenntnisstand der Wissenschaft ein einzigartiges Objekt in unserem Sonnensystem. Anders als alle anderen Kleinkörper, welche im sogenannten Asteroiden-Hauptgürtel zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter um die Sonne kreisen, weist dieser Asteroid eine differenzierte innere Struktur auf. Eine Kruste aus erkalteter Lava überdeckt dabei eine tieferliegende Gesteinsschicht und einen darunter befindlichen Eisen-Nickel-Kern. Ein solcher innerer Aufbau ist vergleichbar mit der Struktur der sogenannten terrestrischen Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars. Kurz nach seiner Entstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren muss der Asteroid vollkommen geschmolzen gewesen sein. In den folgenden 50 Millionen Jahren kühlte Vesta ab und die Gesteine trennten sich nach ihrer unterschiedlichen Dichte, wobei das schwerere Material nach innen wanderte und sich im Kern des Asteroiden ablagerte.

Nachdem die Raumsonde innerhalb von 43 Monaten rund 2,6 Milliarden Kilometer im Weltall zurückgelegt hatte, begann am 3. Mai 2011 die letzte Phase der Annäherung von DAWN an den Asteroiden Vesta. An diesem Tag konnte die Framing Camera, eines der drei wissenschaftlichen Instrumente an Bord der Raumsonde, erstmals den Asteroiden erfassen. In den folgenden Wochen und Monaten fertigte das Kamerasystem in regelmäßigen Abständen weitere Aufnahmen des Zielasteroiden an. Diese Aufnahmen dienten in erster Linie der Navigation der Raumsonde, da mit ihrer Hilfe die Flugbahn von DAWN und die relative Position zu Vesta bestimmt werden konnte. Durch die so gewonnenen Daten wurde die Steuerung von DAWN in der Folgezeit erheblich erleichtert.

Neben der Unterstützung der Navigation dienten die während der letzten Wochen angefertigten Bilder aber auch bereits rein wissenschaftlichen Zwecken. Neben einem ersten Überblick über die Oberflächenstrukturen auf Vesta werden die seit dem 9. Juli angefertigten Aufnahmen von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern dazu genutzt, um nach kleinen Monden zu suchen, welche sich eventuell in der Nähe von Vesta befinden.

“Sollte sich dort ein Mond befinden, so wird er in den Aufnahmen im Gegensatz zu den fest fixierten Hintergrundsternen als ein sich bewegender Punkt erkennbar sein”, so Mark Sykes, Direktor des Planetary Science Instituts. “Durch die Verwendung kurzer Belichtungszeiten sollte wir in der Lage sein, Monde mit einem Durchmesser von bis zu etwa 27 Metern zu identifizieren. Durch längere Belichtungszeiten könnten wir sogar Monde mit nur wenigen Metern Durchmesser erkennen. Hierbei besteht aber das Risiko, dass die Aufnahmen durch den hellen Schein des Asteroiden überbelichtet werden.” Bisherige Suchkampagnen mit verschiedenen erdgebundenen Teleskopen und dem Weltraumteleskop Hubble erbrachten keine Hinweise auf eventuelle Vesta-Begleiter. Durch die Suche mit dem Hubble Space Telescope sollte es theoretisch allerdings nur möglich gewesen sein, Monde mit einem Durchmesser von mehr als rund 44 Metern nachzuweisen.

Aber auch die beiden anderen Instrumente an Bord der Asteroidensonde, ein Mapping Spectrometer (VIR) und ein Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer (GRAND), haben während der Annäherungsphase Daten gesammelt, welche der Kalibrierung dieser beiden Instrumente und der Gewinnung von Vergleichsdaten dienten.

Während der gesamten finalen Anflugphase zu Vesta war der Ionenantrieb von DAWN fast durchgehend aktiv und bremste die Raumsonde relativ zu Vesta langsam aber stetig ab. Dieser Anflug erfolgte mit einer sehr geringen Relativgeschwindigkeit zum Asteroiden, so dass DAWN für die letzten 1,2 Millionen Kilometer der Annäherung rund zehn Wochen benötigte. Mittlerweile beträgt der Abstand zwischen Vesta und der Raumsonde nur noch rund 16.900 Kilometer. Der Asteroid und die Raumsonde bewegen sich dabei gegenwärtig mit fast identischen Geschwindigkeiten und in die gleiche Richtung. Sobald sich DAWN der Oberfläche von Vesta bis auf eine Distanz von etwa 16.000 Kilometer genähert hat, wird Vesta die Raumsonde schließlich durch die Gravitationskraft “einfangen” und in eine Umlaufbahn zwingen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Planetenmissionen muss DAWN also kein spezielles Bremsmanöver mit chemischen Raketentriebwerken durchführen, um zu einem künstlichen Begleiter von seinem Zielobjekt zu werden.

Dies hat aber auch zur Folge, dass der genaue Zeitpunkt des Orbiteintritts nicht minutiös vorhergesagt werden kann. Der endgültige Zeitpunkt hängt von den Masseverhältnissen von Vesta und den daraus resultierenden Gravitationskräften ab. Die für die Kontrolle der Raumsonde verantwortlichen Mitarbeiter des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/ Kalifornien gehen allerdings davon aus, dass DAWN am heutigen Samstag gegen 7:00 MESZ in den Vesta-Orbit eintreten wird. Zu diesem Zeitpunkt werden sich der Asteroid und die Raumsonde in einer Entfernung von rund 188 Millionen Kilometern zur Erde befinden. Eine Bestätigung dieses hoffentlich erfolgreichen Orbiteintritts wird frühestens am darauffolgenden Tag erfolgen. Der nächste Datentransfer von DAWN ist für den 17. Juli vorgesehen und wird um 8:30 MESZ beginnen. Erst nach der anschließend erfolgenden Auswertung der Telemetriedaten können wieder detaillierte Aussagen über den aktuellen Status von DAWN getätigt werden.

“Es hat fast vier Jahre gedauert, um an diesen Punkt zu gelangen”, so Robert Mase, der DAWN-Projektmanager des JPL. “Unsere letzten Tests und Überprüfungen haben gezeigt, dass sich DAWN genau auf Kurs befindet und einwandfrei funktioniert.” In den folgenden Wochen soll die Höhe der Umlaufbahn von DAWN noch weiter abgesenkt werden. Ab Anfang August 2011 soll dann die eigentliche wissenschaftliche Untersuchung von Vesta beginnen. Zu diesem Zweck wird die Framing Camera die Oberfläche von Vesta zuerst aus einer Höhe von 2.400 Kilometern vermessen.

“Dann schrauben wir uns langsam auf eine Höhe von 660 Kilometern hinunter”, erläutert der DLR-Wissenschaftler Dr. Thomas Roatsch, der für die Planung und Prozessierung der Vesta-Aufnahmen zuständig ist, die weitere Vorgehensweise. “Von dort aus können wir noch detailliertere Bilder mit einer Auflösung von 60 Metern pro Bildpunkt aufnehmen.” Zum Ende ihres Besuchs bei Vesta umrundet DAWN den Asteroiden dann in nur noch 200 Kilometern Entfernung zur Oberfläche. Während dieser Phase der Mission bestimmt der Gammastrahlen- und Neutronendetektor die chemische Zusammensetzung des Himmelkörpers. Parallel dazu wird das Schwerefeld von Vesta vermessen, um die innere Struktur des Asteroiden zu entschlüsseln.

Nach dem Abschluss der Untersuchungen von Vesta im Juli 2012 ist die lange Reise der Raumsonde allerdings noch nicht beendet. Vielmehr wird DAWN anschließend den rund 975 Kilometer durchmessenden Zwergplaneten Ceres ansteuern, welcher im Februar 2015 erreicht werden soll. Nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand stellt Ceres einen kompletten Gegensatz zu Vesta dar. Dieses größte Objekt im Asteroidenhauptgürtel ist bis zu 450 Millionen Kilometer – und somit deutlich weiter als Vesta – von der Sonne entfernt und besteht unter seiner Kruste, so die bisherigen Annahmen der Wissenschaftler, sehr wahrscheinlich aus Gasen und zu 25 Prozent aus gefrorenem Wasser.

Eventuell könnte Ceres sogar über eine extrem dünne Atmosphäre, eine sogenannte Exosphäre verfügen, wie sie auch in der unmittelbaren Umgebung des innersten Planeten unseres Sonnensystems, dem Merkur, zu finden ist. Über die Oberflächenstruktur von Ceres kann bisher noch keine Aussage getätigt werden. “Mit der Dawn-Mission werden wir uns ein Bild davon machen, was in den ersten Millionen Jahren nach der Entstehung der Planeten geschah”, so Prof. Ralf Jaumann. “Wir fliegen sozusagen in die Morgendämmerung des Sonnensystems.”

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Verwandte Internetseite:

• Missionsseite des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung

Technische Beschreibung der Framing Camera:

• MPS (engl.)