Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: NASA, JPL, SWRI, Raumcon.

Obwohl diese Zahlen zunächst eine große Erdentfernung Junos vermuten lassen, ist die Sonde derzeit unserem Planeten so nah wie seit kurz nach dem Antritt ihrer Reise nicht mehr: Nur 0,37 AE trennen sie noch von ihrem „Heimatplaneten“. Grund dafür ist die komplexe Flugbahn des Raumfahrzeugs, die nach einer anfänglich maximalen Distanzierung auf 2,3 AE Sonnenabstand im September 2012 eine vorläufige Rückkehr in das innere Sonnensystem vorsieht. Zweck dieses scheinbaren Umwegs ist die Durchführung eines sogenannten „gravity assist“, bei dem Juno am 9. Oktober diesen Jahres in nur 559 Kilometern Höhe die Erde passieren wird. Durch dieses Manöver wird, unter Ausnutzung der Erdgravitation, sowohl ihre Flugbahn in Richtung Jupiterumlaufbahn umgelenkt, als auch ein zusätzliche Beschleunigung der Sonde um 7,3 km/s erreicht. In der Phase der Erdannäherung, also noch vor dem gravity assist, wird am 31. August das Perihel, der sonnennächste Punkt der Flugbahn, mit einem Sonnenabstand von etwa 0,85 AE durchflogen.

Bis Ende November befindet sich Juno in der Missionsphase „Inner Cruise 3“, während der die wissenschaftlichen Bordinstrumente größtenteils abgeschaltet bleiben und statt der Hauptantenne (HGA) kleinere Sekundärantennen für den Datenlink zuständig sind. Hintergrund ist die große Winkelgeschwindigkeit der Erde aus Perspektive der Sonde und die konstruktionsbedingt starre Ausrichtung der HGA auf die Sonnenregion: Sie ist senkrecht zu den Solarpaneelen angebracht, welche während des Flugs kontinuierlich von unserem Zentralgestirn angestrahlt bleiben müssen.

Sollten keine unvorhergesehenen Pannen auftreten, wird Juno am 4. Juli 2016 den Jupiter erreichen. Nachdem beide planmäßig notwendigen Haupttriebwerks-Zündungen bereits erfolgreich absolviert wurden, sind die höchsten Hürden auf diesem Weg schon genommen.

Anspruchsvolle Steuer- und Bremsmanöver werden erst wieder kurz vor der Ankunft am Missionsziel erforderlich. Nach dem Einschuss in einen vorläufigen „capture orbit“ soll dann die Exzentrizität und Höhe von Junos Umlaufbahn auf einen 11-tägig umlaufenden, elliptischen Wissenschaftsorbit reduziert werden. Bis zum Abschluss der Primärmission sind 33 Jupiter-Umkreisungen vorgesehen. Nach deren Ende wird das Raumfahrzeug auf Kollisionskurs mit dem Riesenplaneten gebracht.

Von wissenschaftlichem Interesse sind ein besseres Verständnis des Jupiter hinsichtlich seiner Entstehung, Struktur, Atmosphäre und Magnetosphäre, aber auch ein weiterer Erkenntnisgewinn über die Vorgänge bei der Bildung des Planetensystems. Hierzu ist der größte Planet von besonderer Bedeutung, da er das mit Abstand meiste frühe Material der protoplanetaren Scheibe enthält, aus deren Resten sich dann auch die übrigen Planeten bildeten. Junos Sensoren-Arsenal wird aus der Nähe in der Lage sein, die Wolkenschichten des Gasplaneten zu durchdringen und entsprechende Daten zu sammeln.

Eines der mitgeführten Instrumente ist beispielsweise der Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVS), der sich dem beeindruckenden Phänomen der Nordlichter in der Atmosphäre des Jupiter widmen wird.

Juno ist Teil des New Frontiers-Programms der NASA zur Erforschung des Sonnensystems mit Missionen mittlerer Größenordnung im Kostenbereich zwischen etwa 500 und 800 Millionen Dollar. Vergleichbar mit dem europäischen Konzept Cosmic Vision (vgl. etwa Solar Orbiter, JUICE), werden bis Mitte des kommenden Jahrzehnts weitere Sonden und Satelliten die mittelfristige Erforschung des Sonnensystems fortführen.

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• Jupitermission Juno auf Atlas V (551)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Während des 254 Tage dauernden Fluges zum Mars sind für Curiosity insgesamt sechs Kurskorrekturmanöver vorgesehen. Das Ziel dieser „Trajectory Correction Maneuver“ (kurz TCM) besteht darin, die Raumsonde auf ihrem 567 Millionen Kilometer langen Flug auf einen genauen Kurs zum Mars zu bringen, diesen Kurs gegebenenfalls zu korrigieren und zudem das geplante Ankunftsdatum am 6. August 2012 zu gewährleisten. Speziell die ersten beiden Kurskorrekturen, welche laut der ursprünglichen Missionsplanung 15 beziehungsweise 120 Tage nach dem Start erfolgen sollen, dienen dazu, den Rover auch wirklich exakt in Richtung Mars zu dirigieren.

Der anfängliche Kurs einer interplanetaren Raumsonde zeigt unmittelbar nach dem Start von der Erde zunächst immer um mehrere zehntausend Kilometer neben das eigentlich angepeilte Ziel. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass die auf den gleichen Bahnen wie die Raumsonden fliegenden Oberstufen der Trägerraketen ebenfalls auf die angesteuerten Ziele treffen und diese eventuell mit irdischen Mikroben kontaminieren. Im Falle der Curiosity-Mission wollen die Mitarbeiter der NASA auf diese Weise ausschließen, dass die Centaur-Oberstufe der Atlas V-Trägerrakete den Mars trifft. Ohne Kurskorrekturmanöver würde Curiosity den Mars auf der gegenwärtigen Flugbahn um etwa 61.200 Kilometer verfehlen.

Laut der Pressemitteilung der NASA soll das erste, ursprünglich für den 10. Dezember 2011 vorgesehene Kurskorrekturmanöver jetzt erst Ende Dezember 2011 oder eventuell sogar erst im Januar 2012 erfolgen. „Der Start von Curiosity war einer der genauesten interplanetaren Injektionen, welche jemals durchgeführt wurden“, so Louis D’Amario, der für die Steuerung der Curiosity-Mission verantwortliche Navigations-Manager des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien.
Der Grund für die Verschiebung des Manövers dürfte allerdings nicht nur in der momentan nahezu perfekten Flugbahn der Raumsonde zu finden sein. Bereits am 29. November 2011 trat laut dem JPL bei Curiosity ein Computer-Reset auf, welcher durch einen Fehler in der Navigationssoftware der Raumsonde ausgelöst wurde. Zur Ermittlung der aktuellen Position und der Ausrichtung im Weltraum verfügt Curiosity über Sternsensoren, sogenannte Startracker, und Sonnensensoren. Erstere beobachten mehrere speziell ausgewählte Fixsterne, welche als Leitsterne für die Bestimmung der Orientierung dienen. Der Sonnensensor benutzt dagegen ausschließlich die Sonne als Referenzpunkt.

Der Computer-Reset stand im Zusammenhang mit einem nicht näher beschriebenen Problem mit der Startracker-Software und führte dazu, dass sich Curiosity automatisch in einen vorsorglichen Sicherheitsmodus versetzte. Die Raumsonde konnte von der Bodenkontrolle mittlerweile wieder in den normalen Operationsstatus versetzt werden und setzt den Flug planmäßig fort. Eine Lageregelung aufgrund der Daten des Sternsensors ist zur Zeit allerdings nicht möglich. Die Ingenieure des JPL arbeiten derzeit an einer Lösung des zugrunde liegenden Software-Problems.

Ebenfalls am 29. November wurden die Triebwerke der Cruise Stage von Curiosity kurz gezündet. Durch dieses Manöver wurde die Eigenrotation der Raumsonde von zuvor etwa 2,5 Umdrehungen pro Minute auf jetzt nur noch 2,05 Umdrehungen pro Minute reduziert. Die Kommunikation mit der Raumsonde ist stabil und erfolgt momentan mit einer Datenübertragungsrate von etwa 25 Kilobits pro Sekunde. Der Energieausstoß der Solarzellen, mit denen die Cruise Stage versehen ist, liegt bei 800 Watt.

Am heutigen 2. Dezember befindet sich die Raumsonde in einer Entfernung von rund 1,9 Millionen Kilometern zur Erde. Relativ zur Erde liegt ihre Geschwindigkeit momentan bei etwa 12.000 Kilometern pro Stunde, relativ zur Sonne bei etwa 118.700 Kilometern pro Stunde.

Raumcon-Forum:

• Aktuelle Diskussion zu Curiosity

Real-Time-Simulation:

• Realzeit-Simulation: Entfernung und Geschwindigkeit (Website von Daniel Müller)

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Ein Beitrag von meiklampmann. Quelle: ESA.

Ein neues Ziel für Rosetta soll, so ESA-Wissenschaftsdirektor David Southwood, bis Mai gefunden sein. Rosetta ist tot – es lebe Rosetta. Das ist die aktuelle Quintessenz eines der ehrgeizigsten und teuersten Weltraumvorhaben der Europäer. Mit Rosetta soll eine Raumsonde zum ersten Mal auf eine Umlaufbahn um einen Kometen gebracht und ein Lander auf ihm abgesetzt werden. Dabei geht es um die Urmaterie des Sonnensystems und die Frage, ob Kometen das Leben einst auf die Erde gebracht haben. Die 700 Millionen Euro teure Rosetta-Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA ist so einzigartig und bedeutsam wie die erste bemannte Mondlandung. Es steht deshalb außer Frage: Nach der schweren Ariane-Panne im Dezember wäre ein Start im Januar zu risikoreich gewesen. Doch nur ein pünktlicher Start bis zum Monatsende hätte Rosetta zu dem bisher vorgesehenen Kometen Wirtanen gebracht. Dieses Ziel, für das die Wissenschaftler über ein Jahrzehnt gearbeitet haben, ist damit unerreichbar geworden. Der Stopp bedeutet also lediglich ein „Aus“ für Wirtanen, nicht jedoch für die anspruchsvolle Mission.

Das Rosetta-Team ist gegenwärtig auf der Suche nach einem neuen Ziel für die Kometensonde. Als Starttermin wird ein Zeitraum zwischen 2004 bis 2006 anvisiert. Kriterien für die Auswahl sind der zu erwartende wissenschaftliche Ertrag, die Risiken für die Raumsonde (Flugroute) sowie die zusätzlichen Geldmittel. Beim nächsten Meeting des Science Programme Committee der ESA am 25./26. Februar 2003 will die Europäische Raumfahrtagentur die Liste geeigneter Ziel-Kometen vorstellen und entsprechende Vorschläge unterbreiten.

Bereits Ende Mai sollen Auswahl und Ausarbeitung der neuen Rosetta-Mission abgeschlossen sein. Die Kosten für die Startverschiebung werden auf etwa 50 bis 100 Millionen Euro geschätzt.

„Über ein Jahrzehnt haben wir bei der Entwicklung und beim Bau von Rosetta so manche Hürde genommen“, berichtete Gerhard Schwehm, Projektwissenschaftler für Rosetta. „Diese neue Herausforderung werden mit der gleichen Energie sowie mit dem gleichen Enthusiasmus angehen und sie so zum Erfolg führen.“ Bis zum neuen Starttermin wird die Sonde nun „in die Garage gefahren“ und sicher verwahrt. Dazu müssen die Batterien entnommen, der Treibstoff abgelassen und die Harpunen des Landers demontiert werden. „Dieselbe Sorgfalt, die wir beim Bau der Sonde aufgewandt haben, werden wir nun investieren, um Rosetta sicher zu verwahren, damit sie im allerbesten Zustand ist, wenn es soweit ist“, erklärte Rosetta-Projektmanager John Ellwood.

Zwar ist das Rendezvous zwischen Rosetta und Wirtanen geplatzt, aber in Kürze wird ein neuer Schweifstern gefunden sein, dessen Name den europäischen Kometenforschern bald ebenso geläufig sein wird wie Wirtanen.

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Ein Beitrag von Michael Stein, bearbeitet von Star-Light. Quelle: NASA.

Schon seit den Anfängen der interplanetaren Raumfahrt macht man sich bei der Planung von Flugrouten für Raumsonden durch unser Sonnensystem die Schwerkraft zunutze, um Richtung und Geschwindigkeit von Raumfahrzeugen auf ihrem Weg zum Ziel durch nahe Vorbeiflüge an Planeten und Monde zu ändern. Diese so genannten „Swing-by-Manöver“ sparen oft enorme Mengen von Treibstoff, was entweder Kostenersparnisse durch Gewichtsreduzierung (= Verwendung kleinerer und kostengünstigerer Raketen) oder aber längere Missionszeiten durch größere Treibstoffreserven bei der Zielankunft ermöglicht. So konnte beispielsweise die auf einem polaren Orbit um die Sonne kreisende Raumsonde Ulysses nur mit Hilfe der Gravitation des Jupiters die Bahnebene der Erde verlassen.
 
Der am Jet Propulsion Laboratory (JPL) beschäftigte Ingenieur Martin Lo hat nun ein System von Interplanetary Superhighways erarbeitet, was auf deutlich komplexere und raffiniertere Weise die Gravitationsfelder im Sonnensystem ausnutzt: Während bei der bisher üblichen Berechnung „einfacher“ Swing-by-Manöver nur das Schwerefeld eines Himmelskörpers berücksichtigt wurde, bezieht Lo in seine Berechnungen auch die gravitativen Wirkungen der Sonne auf die Planeten und der Planeten auf ihre Monde mit in die Berechnungen ein. Geht man so vor dann offenbart sich sehr schnell, dass Gravitationskräfte aus verschiedenen Richtungen auf ein Raumfahrzeug einwirken und sich verstärken, abschwächen oder sogar gegenseitig aufheben können. Lo hat nun eine Vielzahl von Gebieten berechnet, an denen sich die verschiedenen Gravitationskräfte gegenseitig annähernd neutralisieren, die zusammengenommen Pfade durch die Gravitationsfelder bilden – die von Lo so genannten Interplanetary Superhighways.
 
Zu jedem Planeten und jedem Mond unseres Sonnensystems gehören fünf Punkte im Weltraum, an denen die Gravitationskräfte dieses Himmelskörpers mit denen der anderen Himmelskörper ausbalanciert sind. Raumfahrzeuge können sich dauerhaft in einem Orbit um diese so genannten Lagrange’schen Punkte L1 bis L5 bewegen und benötigen dabei nur sehr geringe Treibstoffmengen für gelegentliche Kurskorrekturen. Lo hat nun alle möglichen Flugbahnen durch die Lagrange’schen Punkte berechnet und damit ein System „interplanetarer Autobahnen“ erstellt. Seine Theorie hat er zusammen mit Kathleen Howell, einer Professorin für Aeronautik und Astronautik an der Purdue University (Indiana, USA), in ein Tool zur Berechnung von Missionsverläufen namens „LTool“ umgesetzt.
 
Die erste Mission, bei der seine Berechnungen zum Einsatz gekommen sind, ist die zurzeit laufende Genesis-Mission der NASA, die um den Lagrange-Punkt L1 kreisend Partikel des „Sonnenwindes“ auffangen und am Ende der Mission zurück zur Erde bringen soll. Nach der Ankunft beim L1-Punkt soll die Raumsonde ihn fünf Mal umkreisen, anschließend von alleine den Orbit verlassen und an der Erde vorbei zu dem auf der gegenüberliegenden Seite unseres Planeten liegenden Lagrange-Punkt L2 fliegen, um von dort aus schließlich zur Erde zurückzukehren und einen Behälter mit der Sonnenwind-Probe über der Wüste von Utah (USA) abzuwerfen. „Genesis würde in einer perfekten Welt [für diese Manöver] keinen Treibstoff benötigen“, so Lo. „Aber da wir die vielen Variablen, die während der Mission auftreten, nicht kontrollieren können müssen wir einige [Kurs-]Korrekturen vornehmen, während Genesis seine Runden um einen der Lagrange-Punkte der Erde vollendet. Die Treibstoffersparnisse führen zu einer besseren und billigeren Mission.“
 
Ein weiterer Vorteil, den das von den beiden Forschern entwickelte „LTool“ mit sich bringt, ist die drastisch verkürzte Berechnungszeit des Missionsverlaufs für alle Missionen, deren Ziel ein Lagrange-Punkt ist. „Die Flugbahn von Genesis zu entwerfen benötigt mit traditionellen Methoden acht Wochen, aber nun können wir eine neue Flugbahn in weniger als einem Tag entwerfen – wir haben eine komplette Mission in einer Woche redesigned“, erläutert Lo. Eine mögliche Verwendung der Ergebnisse seiner theoretischen Überlegungen sieht Lo selbst in wissenschaftlichen Plattformen, die rund um einen der Lagrange-Punkte des Mondes stationiert werden könnten. Da sie sich auf den Interplanetary Superhighways befinden könnten Raumfahrzeuge die Forschungsplattformen einfach erreichen, um dort Wartungs- und Reparaturarbeiten durchzuführen.
 
Tatsächlich nutzen nicht nur Raumfahrzeuge den Interplanetary Superhighway: Auch Asteroiden und Kometen reisen entlang dieser Routen. Wissenschaftler vermuten sogar, dass der Asteroid, dessen Einschlag auf der Erde vor rund 65 Millionen Jahren das Ende der Dinosaurier herbeigeführt hat, sich auf einer Flugbahn wie die Genesis-Raumsonde bewegt hat. Ein Iridium-Vorkommen an der Einschlagsstelle belegt eine relativ geringe Geschwindigkeit des Asteroiden beim Auftreffen auf die Erde. Und genau das, so Lo, würde man von einem Asteroiden auf dem Interplanetary Superhighway erwarten.

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