Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: ISAS, JAXA, NASA.

XARM steht für X-Ray Astronomy Recovery Mission und kennzeichnet damit die Fortsetzung der Bestrebungen zum Betrieb eines Röntgenastromiesatelliten unter anderem mit Instrumenten aus Japan und den USA. Das letzte derartige Projekt der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (JAXA), das unter maßgeblicher Unterstützung durch die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) realisiert wurde, scheiterte nur wenige Wochen nachdem der entsprechende Satellit, Astro-H oder Hitomi genannt, am 17. Februar 2016 in den Weltraum gebracht worden war.

Auf Grund von Schwierigkeiten mit dem Lageregelungssystems von Astro-H und in Folge eines inhaltlich fehlerhaften Datenupdates des Systems geriet das Weltraumteleskop in eine Flugsituation mit einer die Festigkeitsgrenzen der Konstruktion überschreitenden Rotation um die Hochachse. Solarzellenausleger und Anbauten an einem Instrumentenausleger brachen – dafür sprechen Beobachtungen des Raumfahrzeugs mit landgebundenen Teleskopen, Raumfahrer.net berichtete.

Astro-H versagte am 25. März 2016 gegen Ende seiner Inbetriebnahmephase, den sicheren Verlust des Teleskops erklärte die JAXA am 28. April 2016. Nur eine geringe Anzahl wissenschaftlich verwertbarer Aufnahmen entstanden, nachdem das Röntgenspektrometer SXS US-amerikanischer Herkunft an Bord von Astro-H für weiche Röntgenstrahlung ausreichend heruntergekühlt war. Für die Kühlung sorgte ein Kryostat ebenfalls US-amerikanischer Herkunft, dem eine gewisse Menge Helium als Kühlmittel zur Verfügung stand.

Wegen dem unplanmäßigen Verlust von Helium konnte das Beobachtungsprogramm des Vorgängers von Astro-H, Astro-EII alias Suzaku, nur unvollständig absolviert werden. Das ebenfalls in japanisch-US-amerikanischer Kooperation entstandene Röntgenteleskop war am 10. Juli 2005 als Ersatz für das bei einem Startversager am 10. Februar 2000 zerstörte Astro-E ins All gebracht worden.

Im Verlauf der Inbetriebnahmephase von Astro-EII stellte sich heraus, dass Helium in Folge eines Lecks nicht mehr zur Verfügung stand und eine bestimmungsgemäße Nutzung des US-amerikanischen X-ray Spektrometers (XRS) nicht möglich sein würde. Astro-EII wurde am 2. September 2015 endgültig deaktiviert, Raumfahrer.net berichtete.

Für XARM würde die NASA die gleiche Hardware zur Verfügung stellen, wie sie schon für Astro-H im Sinne einer „Recovery of Astro-E2/Suzaku-XRS science“ bereitgestellt worden war. Im Sommer 2016 wurden die Kosten für die Hardware für XARM auf einen Betrag zwischen 70 und 90 Millionen US-Dollar geschätzt, den man ab 2017 verteilt über einen Zeitraum von vier Jahren investieren könnte.

Im Juni 2017 soll im Rahmen eines Reviews verbindlich festgelegt werden, welche Aufgaben die NASA bei diesem Anlauf für ein gemeinsames Röntgenteleskop übernimmt. Innerhalb der NASA befürworten der NASA-Unterausschuss für Astrophysik, der NASA-Wissenschaftsausschuss und der NASA-Beirat das Projekt.

Auf japanischer Seite wurde XARM in das Budget für das Finanzjahr 2017 aufgenommen, das am 1. April 2017 begann. Die JAXA arbeitet derzeit auf einen Start des neuen Röntgenastronomiesatelliten am Ende des Finanzjahres 2020, also im Kalenderjahr 2021, hin.

In seiner Neujahrsansprache vom 4. Januar 2017 wies der Generaldirektor des Instituts für Weltraumwissenschaften und Astronautik (Institute of Space and Astronautical Science, ISAS) der JAXA, Saku Tsuneta, darauf hin, dass man nicht vergessen solle, dass die Unterstützung für XARM durch die Regierung Japans und durch die NASA auf der Annahme basiere, das ISAS werde ihre Prozesse bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen und ihrem Betrieb drastischen Reformen unterwerfen.

Für Astrophysiker hat ein im All über einen längeren Zeitraum einsetzbares hoch-empfindliches Teleskop für weiche Röntgenstrahlung eine besondere Bedeutung. Vom Röntgenspektrometer SXS hat man eine rund dreißigfach höhere Empfindlichkeit gegenüber für Beobachtungen im selben Wellenlängenbereich bisher an Bord von Satelliten verwendeten Instrumenten erwartet. Es war für Strahlung im Bereich von 0,3 bis 12 keV geeignet. Als Energieauflösung, die kleinste Energiedifferenz, die das SXS auseinanderhalten könnte, nannte die JAXA <7 eV (volle Halbwertsbreite).

Rund drei Jahre hätte die Primärmission des SXS – begrenzt durch den Heliumvorrat zur Kühlung – an Bord von Astro-H dauern sollen. Den bisherigen und künftigen Beteiligten kann man nur wünschen, dass es ihnen im dann vierten Anlauf gelingt, reichlich Daten zu ihren Fragen zur Entwicklung großräumiger Strukturen im Universum, dem eventuellen Einfluss Dunkler Materie auf diese Entwicklung, der Bildung und Entwicklung Schwarzer Löcher und ihrem Einfluss auf die Entwicklung von Galaxien zu gewinnen.

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• XARM (X-Ray Astronomy Recovery Mission)

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: JAXA.

Astro-H war dafür gedacht, Wissenschaftlern eine neue Durchmusterung des Himmels im Bereich der weichen und harten Röntgen-, sowie der weichen Gammastrahlung zu ermöglichen. Es war von der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) erst am 17. Februar 2016 gestartet worden.

Nach der Ausrichtung des Teleskops auf ein neues Beobachtungsziel am 25. März 2016 lief an Bord eine Folge von Ereignissen ab, die zu einer zu schnellen Rotation des Raumfahrzeugs und letztlich zu dessen Zerstörung führte.

Um die an Bord von Astro-H aufgetretene Anomalie zu untersuchen, hatte die JAXA eine Arbeitsgruppe unter der Leitung des JAXA-Präsidenten Naoki Okumura eingerichtet. Nach Angaben der JAXA tat die Arbeitsgruppe alles, um herauszufinden, was geschehen war, und um die Kontrolle über das Weltraumteleskop wieder zu erlangen.

Nach gründlichen technischen Untersuchungen musste die Arbeitsgruppe jedoch feststellen, dass das Weltraumteleskop Astro-H nicht mehr zu benutzen sein wird. Ausführliche Simulationen hinsichtlich von Astro-H abgetrennten Bauteilen förderten zu Tage, das es sehr wahrscheinlich ist, dass beide Solarzellenausleger an ihrer Basis vom Raumfahrzeug abgebrochen sind, da sie an den dortigen Befestigungspunkten besonders empfindlich für eine nicht vorgesehene Rotation des Raumfahrzeugs sind.

Anfänglich als Signale von Astro-H gedeutete Funksignale, die nach dem Schadensereignis aufgefangen wurden, stammen nicht vom Weltraumteleskop, ist sich die JAXA mittlerweile sicher. Eine genaue Untersuchung der Signale lässt nur den Schluss zu, dass sie wegen ihrer Frequenz nicht von Astro-H stammen können, meldete die JAXA.

Von zahlreichen Organisationen außerhalb Japans erhielt die JAXA ebenfalls Informationen, die eine Trennung der Solarzellenausleger vom Raumfahrzeug wahrscheinlich erscheinen lassen.

Unter Betrachtung aller erarbeiteten und erhaltenen Informationen kam die JAXA zum Schluss, dass es ihr nicht möglich ist, Astro-H wieder in Betrieb zu setzen. Daher verschiebt die JAXA den Schwerpunkt ihrer Bemühungen jetzt auf die Untersuchung der Ursachen und Faktoren, die zum Verlust des Weltraumteleskops geführt haben könnten.

Bei der Fehlersuche sollen alle Phasen der Realisierung des Weltraumteleskops betrachtet werden. Entwurf, Bau, Abnahme und begonnener Betrieb des Teleskops will man genau unter die Lupe nehmen.

Die JAXA bedauert es nach eigenen Angaben sehr, dass man die Mission von Astro-H nicht fortsetzen kann und entschuldigt sich bei allen, die Astro-H unterstützt und auf die erwartbar besonderen wissenschaftlichen Ergebnisse der Arbeit des Teleskops gehofft haben.

Den Organisationen innerhalb und außerhalb Japans, die der JAXA mit Beobachtungen des Teleskops und anderer Hilfe Unterstützung zukommen ließen, dankt die JAXA ausdrücklich.

Astro-H alias Hitomi – bzw. der Hauptkörper des Satelliten – war katalogisiert mit der NORAD-Nr. 41.337 und als COSPAR-Objekt 2016-012A. Zwischenzeitlich trug er die NORAD-Nr. 41.442.

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• ASTRO-H auf H-IIA

Der Beitrag JAXA stellt Bemühungen zur Rettung von Astro-H ein erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: JAXA, NASA.

Astro-H war dafür gedacht, Wissenschaftlern eine neue Durchmusterung des Himmels im Bereich der weichen und harten Röntgen-, sowie der weichen Gammastrahlung zu ermöglichen. Es war von der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) erst am 17. Februar 2016 gestartet worden und hätte Aufgaben erfüllen sollen, die bereits Astro-E, zerstört bei einem Fehlstart, und Astro-EII, das einen Monat nach dem Start sein Kühlmittel Helium verloren hatte, zugedacht waren.

Insbesondere der neuerliche Verlust eines gemeinsam mit der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur (National Aeronautics and Space Administration, NASA) entwickelten Spektrometers für weiche Röntgenstrahlung ist für die Wissenschaftsgemeinde eine herbe Enttäuschung.

Das hochempfindliche Spektrometer hätte Photonen der Röntgenstrahlung erfassen können, die im Universum von extrem heißer Materie abgestrahlt wird. Mit der Bestimmung der Energie dieser Photonen wollte man Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und die Geschwindigkeit der extrem heißen Materie ermöglichen, die insbesondere in der Umgebung von schwarzen Löchern vorkommt.

Die Nutzung der notwendigen Mikrokalorimetertechnik hatte die NASA schon für das Röntgenteleskop Chandra vorgesehen, wo sie aus Kostengründen schließlich keine Verwendung fand.

Für das Spektrometer für weiche Röntgenstrahlung von Astro-H stellte die NASA rund 54,9 Millionen US-Dollar bereit, inklusive der Missionskosten rechnete man bei der NASA mit einem finanziellen Gesamtaufwand von rund 130 Millionen US-Dollar.

Die JAXA steckte umgerechnet rund 280 Millionen US-Dollar in Entwicklung, Bau und Start von Astro-H. Nach dem erfolgreichen Transport des Teleskops ins All schien die Inbetriebnahme zunächst erfolgreich zu verlaufen.

Das Ausfahren des rund sechs Meter langen Masts der ausfahrbaren optischen Bank (Extensible Optical Bench, EOB) war wie vorgesehen erfolgt. Mit ausgefahrenem Mast erreichte das Weltraumteleskop mit einer Masse von rund 2,7 Tonnen eine Gesamtlänge von rund 14 Metern.

Am 17. Februar 2016 hatte man das Kühlsystem des Spektrometers für weiche Röntgenstrahlung aktiviert. Am 22. Februar 2016 erreichte es schließlich eine Temperatur von rund minus 273,1 Grad Celsius bzw. rund 50 Milligrad über dem absoluten Nullpunkt.

Anlässlich des begonnenen Beobachtungs-Testbetriebs erfolgte am 25. März 2016 die Ausrichtung des Raumfahrzeugs mit seinem Teleskop auf ein neues Beobachtungsziel. Vorher blickte das Teleskop in Richtung des Krebsnebels, anschließend wurde der Quasar Markarian 205 anvisiert. Unmittelbar nach Beendigung des Manövers zur erforderliche Lageänderung um 18:22 Uhr Weltzeit lieferte das Inertialsystem des Raumfahrzeugs, bestehend aus zwei sog. inertial reference units (IRUs), Daten über ein – in Wirklichkeit nicht existierendes – Rollen des Raumfahrzeugs um seine Z-Achse.

Fehlerhafte Daten des Inertialsystems sollten eigentlich keine Berücksichtigung bei der Steuerung von Astro-H finden. Die Software zur Lageregelung besitzt Algorithmen, die obskure Daten aussortieren soll. Bei besonderen Diskrepanzen zwischen vom Intertialsystem errechneter Lage und Bewegung und durch Sternensensoren erfassten Daten hätte der Bordcomputer die Daten des Inertialsystems ignoriert, und sich auf die Daten der Sternensensoren (Star Tracker, STT, Hersteller NEC) verlassen. Letzteres war allerdings nicht möglich: Es gab kein nutzbaren Daten von den Sternensensoren.

Wegen der vom Intertialsystem gemeldeten langsamen Rolle von 21,7 Grad pro Stunde versuchte der Bordrechner, die Situation mit Hilfe der Reaktionsräder an Bord zu korrigieren. Auf Grund der fehlerhaften Daten wurde schließlich gegen 19:10 Uhr Weltzeit am 25. März 2016 eine Rolle von rund 20 Grad pro Stunde in entgegengesetzter Richtung erreicht.

Reaktionsräder (momentum wheels, MWs), die Drehmomente erzeugen können, um ein Raumfahrzeug in der gleichen Achse wie die des Reaktionsrads, aber in Gegenrichtung zur Rotationsrichtung des Rades, zu drehen, bauen bei ihrem Einsatz aus einer Ruheposition heraus eine Drehzahl und damit einen Drehimpuls auf, die konstruktionsbedingt einen gewissen Wert nicht überschreiten darf. Deshalb müssen die Räder immer wieder angehalten werden, die dabei entstehenden Momente müssen kompensiert werden, was z.B. durch den Einsatz von Lageregelungstriebwerken oder durch elektromagnetische Ausrichtung am Erdmagnetfeld mit Hilfe der Spulen in sogenannten magnetic torque rods geschehen kann.

Zwischen 20:49 Uhr Weltzeit am 25. März 2016 und 1:04 Uhr Weltzeit am 26. März 2016 stieg das von den Reaktionsrädern erzeugte Moment immer weiter an, während Versuche des Raumfahrzeugs, der sogenannten Sättigung der Reaktionsräder bei 120 Nms mit Einsatz der magnetic torquers (MTQs) zu entgehen fruchtlos blieben.

Als seitens der Reaktionsräder ein erzeugter Drehimpuls im Bereich von 112 Nms erreicht war, und das Inertialsystem noch immer Daten über eine hohe Rollrate lieferte, versetzte der Bordcomputer Astro-H in einen Sicherheitsmodus (safemode). In diesem Sicherheitsmodus hätte ein spezielles Betriebsregime für eine Ausrichtung des Raumfahrzeugs mit seinen Solarzellenauslegern Richtung Sonne sorgen sollen, wobei Sonnensensoren zum Erfassen der Sonne und drei Newton starke Lageregelungstriebwerke zur Bewegung des Raumfahrzeugs dienen. Der Einsatz der Triebwerke führte allerdings zu einer Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit des Raumfahrzeug.

Die Software für die Steuerung der Lageregelungstriebwerke war nach dem Ausfahren des Masts der optischen Bank am 28. Februar 2016 aktualisiert worden, weil sich durch das Ausfahren des Masts die Massenschwerpunktlage verändert hatte. Eine Vermutung der JAXA ist, dass das Softwareupdate nicht wirklich passend ausgefallen war. Darüber hinaus gab es nach dem Ausfahren Überlegungen, ob der ausgefahrene Mast die Sonnensensor-Nutzung behindern könnte.

Einige Stunden nach dem Verlust einer stabilen Lage begannen sich verschiedene Teile vom Satelliten abzulösen. Die JAXA sprach zunächst von Beschädigungen unbestimmter Art, zwischenzeitlich gab die Agentur bekannt, dass es nicht unwahrscheinlich sei, dass sich hinsichtlich der sehr schnellen Rotation empfindliche Bauteile des Satelliten wie die Enden der Solarzellenausleger oder der ausfahrbare Mast von Astro-H gelöst haben.

Die Ablösung von Teilen vom Weltraumteleskop begann laut JAXA am 26. März 2016 gegen 1:42 Uhr Weltzeit. Die nächste geplante Kommunikationssitzung mit dem Weltraumteleskop kam nicht zu Stande. Die Bodenstation Mingenew in Australien konnte keine Signale des Raumfahrzeugs erfassen.

Vom 26. bis 28. März 2016 empfingen Bodenstationen vermutlich noch dreimal Funkwellen, die Astro-H zugeordnet werden können. Ihnen konnten jedoch keine verwertbaren Daten über den Status des Weltraumteleskops entnommen werden. Informationen über einen neuerlichen Empfang liegen bis dato nicht vor. Der Hauptkörper von Astro-H und fünf laut JAXA als zum Satelliten gehörig identifizierte Bruchstücke umkreisen seither stumm die Erde.

Das Teleskop und die abgetrennten Teile wurden zwischenzeitlich durch optische Teleskope von der Erde aus beobachtet. Das größte der beobachteten Objekte ist vermutlich der Hauptkörper und die Quelle der zuletzt empfangenen Funkwellen. Aus dem Verlauf der bei den Beobachtungen festgehaltenen Lichtkurven schließt die JAXA auf eine Rotationsgeschwindigkeit von 5,22 Sekunden pro Umdrehung am 31. März 2016. Darüber hinaus wurde gemeldet, dass die optischen Beobachtungen für ein Ansteigen der Rotationsgeschwindigkeit nach dem Entstehen der Bruchstücke sprechen.

Die JAXA untersucht die Situation weiter.

Astro-H alias Hitomi – bzw. der Hauptkörper des Satelliten – war katalogisiert mit der NORAD-Nr. 41.337 und als COSPAR-Objekt 2016-012A. Zwischenzeitlich trug er die NORAD-Nr. 41.442.

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• ASTRO-H auf H-IIA

Der Beitrag Japan: Weltraumteleskop Astro-H vermutlich zerstört erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Erstellt von Thomas Weyrauch. Quelle: JAXA, JSpOC, Kyodo News

Mit Datum vom 29. Februar 2016 hatte die japanische Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) gemeldet, dass im Rahmen der Inbetriebnahme des Weltraumteleskops Hitomi eine Reihe missionskritischer Operationen an Bord des Raumfahrzeugs erfolgreich abgewickelt wurden und damit die Critical Operation Phase (COP) beendet ist.

Der rund sechs Meter lange Mast der ausfahrbaren optischen Bank (Extensible Optical Bench, EOB) war erfolgreich ausgefahren worden. Mit ausgefahrenem Mast erreichte das Weltraumteleskop mit einer Masse von rund 2,7 Tonnen eine Gesamtlänge von rund 14 Metern.

Das Kühlsystem des Spektrometers für weiche Röntgenstrahlung (Soft X-ray Spectrometer, SXS) wurde am 17. Februar 2016 aktiviert. Am 22. Februar 2016 hatte es ein Temperatur von rund minus 273,1 Grad Celsius bzw. rund 50 Milligrad über dem absoluten Nullpunkt erreicht.

Zuvor hatte das Raumfahrzeug seine beiden Solarzellenausleger ausgefaltet, das Lageregelungssystem hatte für eine stabile Ausrichtung im Raum gesorgt, und eine stabile Kommunikationsverbindung zum Boden war hergestellt worden.

Eben diese Kommunikationsverbindung brach vergangene Woche aus nicht konkret bekannter Ursache ab. Mit Datum vom 27. März 2016 gab die JAXA bekannt, dass eine „Kommunikations-Anomalie“ aufgetreten sei und man nicht in der Lage ist, den Zustand des Satelliten zu ermitteln.

Aktuell geht man bei der JAXA davon aus, dass das Weltraumteleskop am 26. März 2016 seine stabile Ausrichtung im Raum verlor und ihm wegen erheblicher Eigenrotation keine stabile Funkverbindung zur Erde mehr möglich war.

Bahnverfolgungsdaten der US-amerikanischen Weltraumüberwachung sprechen dafür, dass der Orbit von Astro-H abgesenkt wurde. Ursache für die Flughöhenreduzierung von 564,6 × 580,5 km auf 561,0 × 580,1 km ist wahrscheinlich ein bisher nicht verstandenes Ereignis an Bord des Satelliten.

Einige Stunden nach dem Verlust einer stabilen Lage begannen sich verschiedene Teile vom Satelliten abzulösen. Laut JAXA erfuhr das Raumfahrzeug Beschädigungen unbestimmter Art, nachdem es nicht mehr in der Lage war, sich selbst zu stabilisieren.

Das Gemeinschaftliche Zentrum für Raumfahrtaktivitäten des US-amerikanischen Militärs (Joint Space Operations Center, JSpOC) berichtete über den Kurznachrichtendienst Twitter, man gehe nach Analysen eigener Daten davon aus, dass die Ablösung von Teilen vom Weltraumteleskop am 26. März 2016 gegen 1:20 Uhr Weltzeit (UTC) begann.

Am 1. April 2016 waren zehn Astro-H zugeordnete Teile mit eigenen Bahnparametern im Katalog der US-amerikanischen Weltraumüberwachung gelistet.

Die Kyodo News berichteten mit Datum vom 1. April 2016, dass die JAXA von einem Versagen von Ausrüstung an Bord des Teleskops ausgehe und eine Kollision des Teleskops mit Weltraumschrott als Ursache der Schwierigkeiten als unwahrscheinlich betrachte.

Ursache für die missliche Situation könnten ein Versagen des Helium-Behälters, ein Fehler eines Akkumulators zur Stromspeicherung oder ein Treibstoffleck im Antriebssystem sein, heißt es bei den Kyodo News mit Bezug auf Informationen der JAXA. Betankt war Astro-H beim Start mit rund 30 Kilogramm Hydrazin. Das Hydrazin war für die Nutzung durch acht je drei Newton starke Einstoff-Triebwerke gedacht, die es katalytisch zersetzen können. Nicht unmöglich also, dass beispielsweise eines der Triebwerke ein Treibstoffventil hat, das nicht mehr schließt.

Zwischenzeitlich wurden von geeigneten Bodenstadtionen vier Mal Signale empfangen, die sich Astro-H zuordnen lassen. Allerdings war es nicht möglich, den Signalen Informationen über den Zustand des Raumfahrzeugs zu entnehmen.

Sollte sich das Teleskop stabilisieren lassen, und sollte sich das Raumfahrzeug anschließend wenigstens noch teilweise in der beabsichtigten wissenschaftlichen Art und Weise nutzen lassen, wäre das für den Autor eine echte Überraschung. Möglicherweise sind auf Grund der Eigenrotation bereits Bestandteile der wissenschaftlichen Ausrüstung am ausgefahrenen Mast der optischen Bank verloren gegangen.

Astro-H war dafür gedacht, Wissenschaftlern eine neue Durchmusterung des Himmels im Bereich der weichen und harten Röntgen- sowie der weichen Gammastrahlung zu ermöglichen.

Die JAXA hat mitgeteilt, dass eine eventuelle Rettung der Mission eine Angelegenheit von Monaten sein wird. Japanische Ingenieure, Techniker und Wissenschaftler haben in der Vergangenheit bewiesen, dass sie in der Lage sind, lange für angeschlagene Missionen zu kämpfen. Dabei konnten sie bereits bemerkenswerte Erfolge aufweisen. Hoffen wir also auf einen positiven Ausgang!

Astro-H alias Hitomi ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 41.337 und als COSPAR-Objekt 2016-012A.

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