Mit dem Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) wird die Rückkehr bemannter Raumschiffe auf den Erdtrabanten vorbereitet: Neben einer genauen Untersuchung der Oberfläche auf mögliche Gefahren und wissenschaftliches Potenzial steht die Suche nach Wasser im Vordergrund. Die Zweitnutzlast LCROSS wird den bisher stärksten künstlichen Impakt auf dem Mond erzeugen, um lange gesuchtem Wasser auf die Spur zu kommen.
Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: NASA.
Die japanische Sonde Kaguya hat ihre Mission seit acht Tagen erfolgreich zum Abschluss gebracht, da startet vom Cape Canaveral bereits die nächste ambitionierte Raumsonde Richtung Mond. Eine Atlas V-Trägerrakete bringt gleich zwei Raumfahrzeuge auf den Weg: Während die Hauptnutzlast LRO den Erdtrabanten mindestens ein Jahr lang umkreisen wird, soll der Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) einen rund zwei Tonnen schweren Impaktor auf der Oberfläche zum Absturz bringen, um aus der aufgewirbelten Staubwolke mehr über die Zusammensetzung der Mondkruste zu erfahren.
LROs schärferer Blick
LRO wird direkt auf eine Transferbahn zum Mond und nach etwa vier Tagen in einen Mondorbit mit einer periselenen Höhe von 100 Kilometern gebracht. Danach wird die Bahn kontinuierlich abgesenkt, so dass sie in einer Höhe von etwa 50 Kilometern auf einem zirkulären Orbit für rund ein Jahr arbeiten kann.
An Bord des Orbiters befinden sich 92 Kilogramm Instrumente, die über 10,7 Quadratmeter Photovoltaikmodule mit maximal 1,85 Kilowatt Energie versorgt werden. Eine Ka-Band-Antenne ermöglicht einen Datenstrom von 100 bis 300 MBit pro Sekunde zur Erde, eine S-Band-Antenne regelt den Austausch von Telemetriedaten und Kommandos.
Sechs an Bord befindliche reguläre Instrumenttypen waren zum Teil schon auf früheren amerikanischen Mondmissionen mit dabei, können ihre Messungen aber mit gesteigerter Genauigkeit fortsetzen. Die militärische Sonde Clementine hatte mit wesentlichen Einschränkungen in ihren Bahnparametern zu kämpfen und konnte für die Forscher interessante Polregionen nur sehr eingeschränkt in Augenschein nehmen. Der Lunar Prospector (1998) machte diese Nachteile unter anderem durch seine polare Umlaufbahn wett und bewies mit seinem Neutronenspektrometer, dass an den Mondpolen Wasserstoff in größeren Mengen vorkommt. Ob dieser Wasserstoff in wenigen, ständig im Dunkeln liegenden Kratern vorkommt oder lediglich in Hydratmineralen im Mondgestein eingebaut vorliegt, konnte aber nicht abschließend geklärt werden.
Das Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) wird dem Namen nach die Auswirkungen kosmischer Strahlung auf die Mondoberfläche untersuchen. Daraus möchte man die biologischen Auswirkungen eines längerfristigen Mondaufenthalts ableiten und Schutztechnologien für die Mondstation weiterentwickeln.
Das Diviner Lunar Radiometer Experiment (DLRE) wird die thermische Abstrahlung der Mondoberfläche messen. Damit sollen mögliche Kältefallen und damit verbundene Eisablagerungen an den Polen gefunden und Gefahren für die Landemissionen besser eingeschätzt werden können.
Das Lyman Alpha Mapping Project (LAMP) wird sein Augenmerk vor allem auf die permanent im Dunkeln liegenden Krater legen. In ihnen könnte eventuell vorhandenes Eis Sternenlicht im fernen Infrarot reflektieren.
Ein zum Lunar Exploration Neutron Detector (LEND) ähnliches Instrument war bereits an Bord von Lunar Prospector installiert und hatte hohe Wasserstoffkonzentrationen an den Polen nachgewiesen. Die höhere Auflösung von LEND kann Indizien für vorkommendes Eis, die von DLRE und LAMP gefunden werden, verifizieren. Daneben soll das Strahlungsniveau besser untersucht werden.
Zuletzt setzt die NASA einen Technologiedemonstrator eines miniaturisierten Single Aperture Radars (Mini-SAR) ein, der in ähnlicher Form bereits an Bord der indischen Mondsonde Chandrayaan-1 erprobt worden ist. Mit je einem Kanal im X-Band (8-12 GHz) und S-Band (2 GHz) sollen damit ebenso die ständig beschatteten Krater auf mögliche Eisvorkommen untersucht werden. Zudem enthalten die reflektierten Radarwellen Informationen über die Oberflächenrauheit. Die Auflösung soll bei 30 bzw. 150 Metern in den Frequenzbändern liegen.
Obwohl der Mond zu den am häufigsten von irdischen Sonden besuchte Körper ist, ist die Vermessung seiner Oberfläche erst seit kurzem möglich. Laseraltimeter an Bord von Clementine und Lunar Prospector hatten dreidimensionale Geländemodelle ermöglicht, die durch die japanische Sonde Kaguya in den letzten eineinhalb Jahren deutlich verbessert wurden. LRO wird diese Messungen mit dem Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) nochmals übertreffen. Die polare Umlaufbahn ermöglicht eine Intensivierung der Messpunktdichte in den besonders interessanten Polregionen. Hier wird man in der Lage sein, jeden ständig verdunkelten Krater zu identifizieren. Beteiligt an dem Instrument ist auch Prof. Jürgen Oberst von der TU Berlin.
Die Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC) soll sowohl Weitwinkel- als auch Nahaufnahmen der Mondoberfläche erstellen und wird je nach Orbithöhe eine maximale Auflösung von 50 Zentimetern erreichen. Andere Quellen sprechen lediglich von einem Meter. In leitender Rolle gehört Prof. Hiesinger von der Uni Münster zu den Mitentwicklern des Instruments. Damit ist auch geplant, ein genaues Augenmerk auf bisherige Landestellen irdischer Objekte auf der Mondoberfläche zu richten. So können neben den Apollo-Landestellen (5 x 5 Meter bzw. 9 x 9 Meter mit Landegestell) auch Rover wie der sowjetische Lunochod (2 x 3 Meter) und diverse auf der Mondoberfläche abgestürzte Raketenstufen abgebildet werden.
Nach Ende der regulären Missionszeit soll der Orbiter auf eine wartungsärmere polare Umlaufbahn mit einem Periselen von 30 Kilometern und einem Aposelen von 70 Kilometern gebracht werden, von wo er vor allem Datenübertragungsaufgaben späterer Landemissionen übernehmen könnte.
Impakt im Dienste der Wissenschaft
Im Rahmen des NASA-Programms Vision for Space Exploration war 2004 entschieden worden, die geplante Wiederaufnahme bemannter Mondflüge durch eine breite sondengestützte Beobachtungskampagne vorzubereiten. Der ursprüngliche Plan, den LRO mit einer Delta II zu starten wurde fallengelassen, da diese keine spinstabilisierte Oberstufe besitzt. So fiel 2006 die Entscheidung, stattdessen mit einer Atlas V (401) zu starten. Da diese über eine rund 1.000 Kilogramm höhere Nutzlastkapazität verfügt, entstand der Spielraum, ein zweites Raumfahrzeug zum Mond starten zu können.
LCROSS besteht aus einer Leitsonde, die mit rudimentären Instrumenten ausgestattet ist. Nach dem Start wird sich LRO von der verwendeten Centaur-Oberstufe trennen. LCROSS aber wird gemeinsam mit dieser in Richtung Mond aufbrechen. Nachdem LRO auf sicherem Abstand fliegt, wird der Rest der Treibstoff-Kombination Sauerstoff und Wasserstoff abgelassen. – Denn genau deren Vorkommen direkt unterhalb der Mondoberfläche soll LCROSS untersuchen.
Das Raumschiffduo wird schließlich in eine exzentrische Erdumlaufbahn eintreten, in der es bis zu vier Monate lang verbleiben wird. In dieser Zeit wird ein unbeschienener Krater in den Polregionen gesucht, der ein treffliches Ziel abgeben könnte. Schließlich wird sich die Centaur-Oberstufe von LCROSS trennen und kontrolliert zum Absturz gebracht. Der Aufprall der 2,4 Tonnen wiegenden Raketenstufe mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Kilometern pro Sekunde wird eine Fontäne aus mindestens 350 Tonnen Mondgestein und vermutlich Wasserbestandteilen aufwirbeln und dabei einen 20 Meter durchmessenden und 4 Meter tiefen Krater hinterlassen. Die erzeugte Staubwolke wird rund 10 Kilometer über die Mondoberfläche aufragen und von Teleskopen an Bord von LRO, LCROSS und auf der Erde beobachtet. LCROSS wird direkt nach der Abtrennung seine Triebwerke zünden, um den eigenen unvermeidlichen Aufprall um mehrere Minuten zu verzögern. So kann das Raumfahrzeug seine primäre Aufgabe, die Analyse der erste Fontäne aus nächster Nähe, erfüllen. Danach werden die 640 Kilogramm der Sonde eine weitere Impaktfontäne erzeugen.
Die nur 79 Millionen US-Dollar teure LCROSS-Sonde besitzt zwei Infrarot-Spektrometer, ein Spektrometer für sichtbares Licht, zwei Infrarotkameras, eine Kamera, die im sichtbaren Licht arbeitet und ein Photometer. Die gesammelten Daten werden im S-Band mit einer Rate von bis zu 1,5 MBit pro Sekunde zur Erde gesendet, bevor die Sonde auf der Mondoberfläche aufschlägt. Zuvor werden die Spektrometer die herausgeschleuderten Stoffe, darunter Wassereis, Kohlenwasserstoffe oder organische Verbindungen, untersuchen. Die Infrarotkameras sollen Vorkommen und Verteilung von Wasser in der Wolke feststellen, während die optische Kamera den genauen Einschlagort sowie das räumliche Verhalten der Wolke im Blick behalten wird. Schießlich soll der Photometer die Einschlagsenergie der Centaur-Stufe messen.
(Bild: NASA)
LRO und LCROSS erst der Anfang?
LRO und LCROSS setzen als erste Mondmissionen der Amerikaner seit einem Jahrzehnt neue Akzente: Es steht nicht explizit nur die Sammlung wissenschaftlicher Daten im Vordergrund. Vielmehr soll die wissenschaftliche Auswertung die Rückkehr des Menschen auf den Mond ermöglichen, der dort an einem optimalen Landestandort deutlich tiefer gehende wissenschaftliche Untersuchungen vornehmen kann, als dies in der Apollo-Ära möglich gewesen ist. Die deutsche Beteiligung an dem insgesamt 680 Millionen US-Dollar teuren Orbiter beläuft sich auf rund 600.000 Euro.
Die permanente Versorgung einer Mondstation erfordert genaueres Wissen über einen potenziellen Landestandort, als dies für die Kurzlandungen der Apollo-Ära notwendig gewesen war. Im Vordergrund steht die Sicherheit der Menschen, für die ein genaues Verständnis der Hangneigung und der Untergrundstabilität nötig ist. Die pulverartige Regolith-Schicht der Mondoberfläche entsteht durch das ständige Bombardement mit Teilchen und kann leicht ins Rutschen geraten oder bei zu großer Auflast einsinken.
Die Versorgung der Mondstation sollte zum Teil autark erfolgen, wofür die Verwendung von Sauerstoff und Wasser aus Mondressourcen angedacht wird – zumindest wenn sich diese effizient fördern ließen. Die NASA versucht mit LCROSS nicht zum ersten Mal, Informationen über oberflächennahes Wasser aus dem Impakt eines Raumfahrzeugs zu gewinnen. Auch der Lunar Prospector wurde in einen aussichtsreichen Südpolkrater zum Absturz gebracht – mit geringem Erfolg. LCROSS wird jedoch eine vielfach größere Fontäne erzeugen und kann diese sogar aus nächster Nähe in Augenschein nehmen. Die Hoffnung nutzbaren Wassers an den Mondpolen wird mit LRO und LCROSS bestätigt – oder sterben.
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