Quelle: Technische Universität Berlin.

Die Suche nach der „zweiten Erde“ im Weltall, nach einem bewohnbaren Planeten, beschäftigt Astrophysikerinnen weltweit. Bisher können diese sogenannten Exoplaneten, also Himmelskörper, die, wie unser Planet, um eine Sonne Lichtjahre von unserer entfernt kreisen, nur indirekt nachgewiesen werden. Die Wissenschaft geht derzeit davon aus, dass serielle Messungen von Helligkeit oder reflektiertem Sternenlicht Aufschluss über die mögliche Beschaffenheit der Planetenoberfläche, das Vorhandensein einer Atmosphäre oder den Zeitraum geben können, in dem ein Planet einmal seine Sonne umrundet. Die TU-Wissenschaftlerin Dr. Yeon Joo Lee und ihr Kollege Dr. Antonio García Muñoz, der auch Mitglied des Instituts für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist, haben jetzt Beobachtungs- und Messdaten des japanischen „Akatsuki Orbiter“ zur Venus ausgewertet. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass aus den Helligkeitsschwankungen nicht, wie bisher angenommen, Rückschlüsse auf die Atmosphäre des Planeten geschlossen werden kann. Die Studie entstand zusammen mit japanischen Kolleginnen, unter anderem von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA. Sie wurde jetzt in „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Bisher ging man davon aus, dass die häufig wechselnden Helligkeitsunterschiede auf die Rotations-Geschwindigkeit des Planeten und den Durchmesser der Atmosphäre hinweisen. Nach unseren genauen Messungen und Berechnungen ist das allerdings keineswegs zwingend“, erläutert Yeon Joo Lee vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik der TU Berlin (ZAA) ihre Beobachtungen. Diese hatten ergeben, dass die unterschiedlichen Helligkeitsmodulationen keineswegs auf die Rotation des Festkörpers der Venus schließen lassen, sondern vielmehr mit den in der Atmosphäre aktiven Winden zusammenhängen. Die Venusdaten seien also nicht zuverlässig für die Interpretation von Helligkeitsunterschieden anderer terrestrischer Exoplaneten verwendbar. Die Wissenschaftler*innen schlagen daher Berechnungsmodelle vor, die eher auf das Vorhandensein, nicht aber auf den Durchmesser einer Atmosphäre hinweisen könnten. Zudem können die Modelle für eine exaktere Analyse von Daten aus künftigen Beobachtungsmissionen herangezogen werden.

Auch in der größten europäischen Raumfahrtmission „BepiColombo“ steckt TU-Wissenschaft
Gespannt warten die Wissenschaftler*innen nun auf die aktuellen Daten der vierteiligen europäisch-japanischen Weltraumsonde „BepiColombo“, die vor zwei Jahren vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana startete. Auf ihrer bis 2025 dauernden Reise zum Merkur passierte sie die Venus Mitte Oktober 2020 ganz nah – in 10.000 Kilometer Entfernung. „BepiColombo“ ist eine Kooperation zwischen der ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA. Mit mehreren Experimenten sind die Astrophysiker*innen der TU Berlin ebenfalls an dieser bislang größten europäischen Planetenmission beteiligt. „Wir versprechen uns aus den Messdaten Aufschluss über die Komplexität der Venus-Atmosphäre“, erklärt Yeon Joo Lee. Denn die Atmosphäre der Venus ist besonders dicht. Sie besteht zu mehr als 90 Prozent aus Kohlendioxid, und eine 20 Kilometer dicke, stark schwefelsäurehaltige Wolkenschicht verhindert, dass man auf die Oberfläche schauen kann. Ein Thermal-Infrarot-Spektrometer und Radiometer an Bord der „BepiColombo“ soll nun Aufschluss über Dichte, Temperatur und chemische Zusammensetzung der mittleren Atmosphäre rund um die Venus geben. Ein UV-Spektrometer misst Reflexionen und Emissionen der oberen atmosphärischen Schichten und ein Magnetometer zeichnet die magnetische Umgebung auf. Weitere Instrumente studieren die Interaktion zwischen Sonne und der oberen Venus-Atmosphäre. „Mit einer von dem starken Treibhauseffekt hervorgerufenen Oberflächentemperatur von 470 Grad Celsius, die das Vorhandensein von Wasser auf der Oberfläche ausschließt, befindet sich die Venus momentan außerhalb der habitablen Zone“, erklärt Yeon Joo Lee. „Doch möglicherweise war sie in der Vergangenheit bewohnbar und wies ähnliche Bedingungen auf wie die Erde. Wann sie aus diesem Zustand abdriftete, weiß man nicht genau.“

Die beteiligten japanischen Kolleg*innen forschen an der University of Tokyo, des Planetary Exploration Research Center (PERC), des Institute of Space and Astronautical Science (ISAS/JAXA) sowie der Hokkaido Information University.

Publikation:
Y. J. Lee, A. García Muñoz, T. Imamura, M. Yamada, T. Satoh, A. Yamazaki, and S. Watanabe
Brightness modulations of our nearest terrestrial planet Venus reveal atmospheric super-rotation rather than surface features
in: Nature Communications 11 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-19385-6

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• Akatsuki / Venus Climate Orbiter PLANET-C auf H-IIA 202 F17
• BepiColombo auf Ariane 5 ECA
• Planet Venus

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA, Raumcon.Vertont von Peter Rittinger.

Das für den 7. Dezember ab 0:49 Uhr geplante Bremsmanöver hat entweder gar nicht stattgefunden oder war deutlich zu kurz. Vorgesehen war eine zwölfminütige Zündung. Durch die zu hohe Geschwindigkeit flog Akatsuki an der Venus vorbei.

Bemerkt hatte man recht schnell, dass die Bahn der Raumsonde nicht den geforderten Parametern entsprach. So gelang der Funkkontakt zwischen Sonde und Erde erst 76 Minuten später als vorgesehen. Genauere Vermessungen der Flugbahn erforderten allerdings einen längeren Messzeitraum. Heute gab die JAXA nun offiziell bekannt, dass der Versuch, Akatsuki in eine Umlaufbahn um die Venus einzubremsen, misslungen ist. Zur Untersuchung wird eine entsprechende Komission berufen.

Akatsuki verbleibt demnach auf einer Umlaufbahn um die Sonne, bei der sie etwa zwischen Erd- und Venusbahn weiterfliegt. Nach mehreren Umläufen gelangt sie 2016 wieder in die Nähe der Venus. Man will nun auch prüfen, ob und wie man die Funktionsdauer bis dahin erhalten und einen neuen Versuch wagen kann. Die geplante Missionsdauer lag allerdings bei viereinhalb Jahren.

Die japanische Raumfahrtbehörde JAXA hat Erfahrungen mit verpassten Chancen. Vor ziemlich genau 5 Jahren gelang es nicht, die Raumsonde Hayabusa auf den Rückweg vom Asteroiden Ikotawa zu starten, da zuvor der Funkkontakt verlorengegangen war. Außerdem bestanden Probleme im Energie-, Lageregelungs- und Antriebssystem. So begleitete Hayabusa den Asteroiden einen ganzen Umlauf um die Sonne. 2007 gelang der Rückstart. Im August dieses Jahres landete eine Rückkehrkapsel auf der Erde und brachte ein paar Körnchen Asteroidenstaub mit. Ob ein derartiges Happy End wiederholt werden kann, steht allerdings in den Sternen.

Raumcon:

• Venus Climate Orbiter Planet C
• Mission Hayabusa bei Itokawa

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA.

Der Kontakt nach Durchfliegen des „Funklochs“ war eigentlich für 2:12 Uhr MEZ geplant, gelang aber erst gut eine Stunde später gegen 3:28 Uhr. Dies könnte ein Zeichen dafür sein, dass sich die Sonde nicht auf der geplanten Bahn um die Venus befindet.

Heute Nacht sollte das Bremstriebwerk gegen 0:49 Uhr für etwa 12 Minuten gezündet werden und Akatsuki soweit verlangsamen, dass sie im Gravitationsfeld der Venus verbleiben würde. Sie befände sich dann in einem stark elliptischen Orbit, der durch weitere Antriebsphasen an die wissenschaftlichen Anforderungen angepasst werden soll.

Anhand der Verfolgung des Funksignals zur Erde will man in den nächsten Stunden feststellen, wo sich die Raumsonde befindet und ob der Eintritt in einen Venusorbit gelungen ist.

Währenddessen passiert auch die Sonde Ikaros, die mit einem 173 m² großen Sonnensegel ausgestattet ist, die Venus in gebührendem Abstand. Sie hat ihre Aufgabe bereits vollständig erfüllt. Erstmals ist es gelungen, den Strahlungsdruck der Sonne für geringfügige Beschleunigungen eines Raumfahrzeugs zu nutzen. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass man Segel und Sonde mit Hilfe schaltbarer Reflektoren steuern kann.

Raumcon:

• Venus Climate Orbiter Planet C
• Ikaros

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA.

Eine vorbereitende Lageänderung wurde bereits gestern vorgenommen. In der Nacht, gegen 0:49 Uhr MEZ soll das Bremstriebwerk der Sonde aktiviert werden und etwa 12 Minuten lang entgegen der Flugrichtung arbeiten. Damit soll Akatsuki so weit abgebremst werden, dass die Sonde im Gravitationsfeld der Venus bleibt. Aus der zunächst stark elliptischen Bahn wird dann durch weitere Manöver eine weniger exzentrische Zielbahn.

Die Venussonde Akatsuki startete am 21. Mai 2010 zusammen mit 2 weiteren Raumsonden und drei Erdsatelliten auf einer HII-A-Trägerrakete von Tanegashima aus ins All. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, zwei Jahre lang Daten über die Atmosphäre der Venus zu erfassen und zur Erde zu übermitteln.

Zur Erfüllung ihres Forschungsauftrags verfügt Akatsuki über je eine Infrarotkamera für den 1-µm- bzw. den 2-µm-Bereich. Mit jeweils 12 Grad Aufnahmewinkel und einem Megapixelchip werden Wellenlängen detektiert, die Auskunft über die Oberflächenbeschaffenheit, Wolkentemperaturen und Dampfkonzentrationen geben können. Die Long-Wave Infrared Camera (LIR) arbeitet im 10-Mikrometer-Bereich und sammelt Daten über Wolkenhöhen, Partikelgrößen und Kohlenstoffmonoxidgehalt. Der UV Imager (UVI) erfasst insbesondere Wellenlängen um 283 und 365 Nanometer und erlaubt damit Aussagen über die Verteilung von Schwefeloxiden und unbekannten Substanzen in der Venusatmosphäre. Aus deren Veränderungen lassen sich zudem Windgeschwindigkeiten berechnen. Die Lightning and Airglow Camera (LAC) beobachtet Leuchterscheinungen wie Blitze und Wetterleuchten. Insbesondere werden solche Wellenlängen untersucht, bei denen Leuchterscheinungen von molekularem und atomarem Sauerstoff auftreten.

Schließlich lässt sich mit einem speziellen Sendegerät mit hochstabiler Frequenz auch von der Erde aus Venusforschung betreiben. Die Sonde strahlt auf 8,4 GHz Radiowellen ab, welche die Atmosphäre der Venus durchdringen und hier verändert werden. Die auf der Erde empfangenen Veränderungen der Frequenz lassen Rückschlüsse auf die thermische Struktur der Venusatmosphäre sowie über Elektronendichte und Konzentrationen von Schwefeldämpfen zu. Diese Signale und weitere wissenschaftliche Daten werden von internationalen Empfangsstationen rund um die Erde aufgefangen.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA. Vertont von Peter Rittinger.

Der Start sollte am 17. Mai gegen 23:44 Uhr MESZ erfolgen, wurde jedoch aufgrund schlechter Wetterbedingungen verschoben. Das Startfenster für einen erfolgreichen Flug zur Venus reicht bis Anfang Juni.

Reichlich 2 Minuten nach dem Start sollen die Feststoffbooster abgeworfen werden, nach gut sechseinhalb Minuten die ausgebrannte erste Stufe. Die zweite Stufe beendet ihren ersten Betriebszyklus nach 11 Minuten und 37 Sekunden. Dadurch gelangen Nutzlast und Oberstufe auf eine Erdumlaufbahn um 300 Kilometer Höhe bei 30 Grad Bahnneigung gegenüber dem Äquator. Hier sollen mehrere Kleinsatelliten verschiedener japanischer Universitäten ausgesetzt werden.

Danach zündet die zweite Stufe der Trägerrakete erneut und beschleunigt die Nutzlast in Richtung Venus. Auf dieser Bahn werden neben Akatsuki auch die Raumsonden IKAROS und Unitec 1 abgetrennt.

Akatsuki soll im Dezember die Venus erreichen und hier in eine elliptische Umlaufbahn einschwenken. Die Bahn soll zwischen 300 und 80.000 Kilometern Höhe verlaufen bei einer Neigung von 172 Grad gegen den Venusäquator. Dabei soll die Sonde den Planeten in 30 Stunden einmal umlaufen.

Der quaderförmige Hauptkörper von Akatsuki hat eine Anfangsmasse von 500 Kilogramm, Abmessungen von 1,04 x 1,45 x 1,40 Meter und trägt zwei Solarzellenflächen, mehrere Antennen und Sensoren sowie 6 wissenschaftliche Instrumente. Die Solarzellen sollen während der auf 2 Jahre angesetzten Forschungsmission mindestens 500 Watt Leistung bereitstellen.

Die Sonde hat aber nicht nur wissenschaftliche Aufgaben zu bewältigen. Sie dient auch der Erprobung neuer Technologien. So wird die Energie in Lithium-Ionen-Batterien gespeichert, die Datenübertragung erfolgt über eine Hochgewinn-Flachantenne und das Triebwerk arbeitet mit einer Keramikdüse.

Wissenschaftliche Hauptaufgabe der Mission ist die Erfassung verschiedener Parameter der Venusatmosphäre. Deshalb wird Akatsuki auch als Venus Climate Orbiter oder erster interplanetarer Wettersatellit bezeichnet. Zur Erfüllung des Forschungsauftrags verfügt Akatsuki über je eine Infrarotkamera für den 1-µm- bzw. den 2-µm-Bereich. Mit jeweils 12 Grad Aufnahmewinkel und einem Megapixelchip werden Wellenlängen detektiert, die Auskunft über die Oberflächenbeschaffenheit, Wolkentemperaturen und Dampfkonzentrationen geben können. Die Long-Wave Infrared Camera (LIR) arbeitet im 10-Mikrometer-Bereich und sammelt Daten über Wolkenhöhen, Partikelgrößen und Kohlenmonoxidgehalt. Der UV Imager (UVI) erfasst insbesondere Wellenlängen um 283 und 365 Nanometer und erlaubt damit Aussagen über die Verteilung von Schwefeloxiden und unbekannten Substanzen in der Venusatmosphäre. Aus deren Veränderungen lassen sich zudem Windgeschwindigkeiten berechnen. Die Lightning and Airglow Camera (LAC) beobachtet Leuchterscheinungen wie Blitze und Wetterleuchten. Insbesondere werden solche Wellenlängen untersucht, bei denen Leuchterscheinungen von molekularem und atomarem Sauerstoff auftreten.

Schließlich lässt sich mit einem speziellen Sendegerät mit hochstabiler Frequenz auch von der Erde aus Venusforschung betreiben. Die Sonde strahlt auf 8,4 GHz Radiowellen ab, welche die Atmosphäre der Venus durchdringen und hier verändert werden. Die auf der Erde empfangenen Veränderungen der Frequenz lassen Rückschlüsse auf die thermische Struktur der Venusatmosphäre sowie über Elektronendichte und Konzentrationen von Schwefeldämpfen zu. Diese Signale und weitere wissenschaftliche Daten werden von internationalen Empfangsstationen rund um die Erde aufgefangen.

An Bord von Akatsuki befinden sich auch mehrere dünne Aluminiumplatten, in die Namen und Botschaften von etwa 260.000 Menschen eingraviert sind. Zwischen Oktober 2009 und Januar 2010 bot die japanische Raumfahrtbehörde JAXA Menschen weltweit die Gelegenheit, sich auf der Venussonde zu verewigen.

Die Venus wird oft als Schwesterplanet der Erde bezeichnet, da sie ein Gesteinsplanet ist, mit 12.100 Kilometern einen ähnlichen Durchmesser wie unser Heimatplanet hat und unser innerer Nachbar ist. Da enden allerdings die Gemeinsamkeiten. Die Venusatmosphäre ist erheblich dichter als die der Erde, am Boden herrscht etwa der zweiundneunzigfache Druck. Durch den hohen Treibhauseffekt herrschen an der Oberfläche Temperaturen um 460 °C. Die Venus rotiert sehr langsam. Eine Drehung um die eigene Achse dauert mehr als 243 Erdentage. Da ist ein Venusjahr, also die Zeit, welche die Venus benötigt, um die Sonne zu umrunden, mit nur 225 Tagen sogar kürzer als ein „Venustag“.

Die Venus ist ständig von einer dichten Wolkendecke verhüllt, die für normales Licht undurchdringlich ist. In der Vergangenheit wurden daher mehrere Sonden mit Radargeräten zur Venus geschickt. Akatsuki dagegen arbeitet überwiegend mit Sensoren im Infrarotbereich, der vor allem Erkenntnisse über die Venusatmosphäre zulässt. Auch heute noch rätselhaft sind beispielsweise die schnellen „Superwinde“, die ständig die Luft planetenweit antreiben sowie der hohe Gehalt an Schwefelverbindungen, der auf vulkanische Aktivitäten zurückgeführt wird. Genaueres dazu könnte die kleine japanische Sonde nach ihrer Ankunft bei der Venus liefern.

Raumcon:

• Venus Climate Orbiter Planet C (seit Mai 2009)

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