Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA.

Aus diesem könnte die Raumsonde in einigen Monaten erwachen, wenn die Solarzellen am Sondenkörper wieder in einem günstigeren Winkel zur Sonne stehen. In den letzten Monaten war bereits die Datenrate der Informationsübertragung aufgrund der großen Entfernung zur Erde und des Energiemangels beträchtlich gesunken.

Zum Jahreswechsel hatte IKAROS eine Entfernung von knapp 140 Millionen Kilometern von der Sonne, war von der Erde 235 Millionen und von der Venus, die sie Mitte Dezember 2010 passierte, 237 Millionen Kilometer entfernt. Die Sonde mit aufgespanntem Sonnensegel rotiert um die Längsachse, was zu einer stabilen Lage im Raum führt, die auch durch Energiemangel nicht verlorengehen sollte.

Der Sonnensegeldemonstrator IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), benannt nach dem legendären Ikarus, startete am 21. Mai 2010 zusammen mit zwei weiteren Raumsonden und drei kleinen Erdsatelliten ins All und wurde auf eine Flugbahn in Richtung Venus gebracht.

Anfang Juni wurde das Sonnensegel in mehreren Etappen durch die Fliehkraft von vier Pilotmassen aus dem rotierenden Sondenkörper herausgezogen und am 10. Juni entfaltet. Seitdem wirkte der Lichtdruck der Sonne zur Beschleunigung der Sonde, allerdings mit sehr geringer Kraft um 1 Millinewton. Außerdem generierten Solarzellen, die einen kleinen Teil des 173 m² großen Segels bedecken, etwas zusätzliche elektrische Energie. 8 Staubdetektoren maßen die Dichte interplanetarer Partikel im inneren Sonnensystem und ein weiterer spezieller Detektor hatte Gammastrahlungsblitze erfasst. Ein neuartiges Messsystem zur Ermittlung der Entfernung der Sonde zu Erde und Venus funktionierte ebenfalls und zwei Mitte Juni ausgesetzte Kamerasonden hatten Bilder vom entfalteten Sonnensegel zur Sonde übertragen. Von dort aus wurden sie zur Erde übermittelt. Damit war die Mission bereits vor mehr als einem Jahr ein hundertprozentiger Erfolg.

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Raumcon:

• IKAROS (ab Juli 2008)

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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 (IKAROS-Blog).

Die zylindische Subsonde ist etwa kinderfaustgroß und verfügt neben einer Kamera über eine Batterie und eine kleine Sendeanlage. Sie wurde am 15. Juni von der Hauptsonde abgetrennt und entfernte sich langsam von dieser in Flugrichtung. Dabei wurden etwa 15 Minuten lang Bilder gemacht und zu IKAROS gesendet. Von dort aus gelangten die Daten dann zur Erde.

Die Bilder zeigen das vollständig ausgebreitete Sonnensegel, in dessen Zentrum die eigentliche Sonde, an Kabeln und Seilen mit der Folie verbunden, hängt. Das Sonnensegel hat quadratische Form mit einer Seitenlänge von 14,1 m und einer Fläche von etwa 173 m². In der quadratischen Aussparung in der Mitte mit einer Seitenlänge von 3,20 m befindet sich der Zentralkörper der Sonde. Auf der Folie erkennt man als äußeres Quadrat zwei Reihen schaltbare Reflektoren, die zur Steuerung des Segels eingesetzt werden sollen. Weiter innen befinden sich zwei Reihen Dünnschichtsolarzellen, die bräunlich wirken und zur Energieversorgung beitragen.

IKAROS startete am 21. Mai an der Spitze einer H2-A-Rakete, gemeinsam mit drei Erdsatelliten und zwei weiteren Raumsonden, darunter der Venussonde Akatsuki und ist mittlerweile mehr als 10 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Alle Phasen der Aktivierung der Sonde und der Ausbreitung des Sonnensegels wurden erfolgreich abgeschlossen. Die Solarzellen auf dem Segel liefern elektrische Energie.

In den nächsten Tagen soll nun die Rotationsrate des Satelliten auf etwa 1 Umdrehung pro Minute verringert werden. Durch die weitere Rotation wird das Segel straff gehalten, da sich an dessen Spitzen kleine Massestücke befinden, die von der Fliehkraft radial nach außen gezogen werden.

Wenn der Flug der Sonde stabil verläuft, sollen in Phase 2 die schaltbaren Reflektoren eingesetzt werden, um die Ausrichtung des Sonnensegels zu steuern. Dies wäre eine weitere wichtige Voraussetzung für den zukünftigen Einsatz größerer Sonnensegel bei Raumsonden zu anderen Planeten.

Raumcon:

• IKAROS-Thread seit dem 14. Juni

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA.

Außerdem liefern die auf einem kleinen Teil des 173 m² großen Segels aufgebrachten Dünnschichtsolarzellen elektrische Energie. Damit sind die grundlegenden Ziele bereits erreicht und die Mission kann als Erfolg angesehen werden. Etwa einen Monat lang will man nun das Verhalten von Sonde und Segel beobachten, bevor man versucht, aktiv zu steuern.

IKAROS war am 21. Mai gemeinsam mit 3 Kleinsatelliten und zwei weiteren Raumsonden an der Spitze einer H2-A-Trägerrakete ins All gebracht worden. Nachdem die drei Cubesats im Erdorbit abgesetzt worden waren, zündete die Oberstufe ein zweites Mal und brachte die weitere Nutzlast auf Fluchtgeschwindigkeit und auf den Weg in Richtung Venus. Die erste Sonde, Akatsuki, soll im Dezember in eine Umlaufbahn um die Venus einschwenken, während IKAROS diese nur passieren wird. Der dritte im Bunde ist die Studentensonde UNITEC 1, zu welcher der Kontakt allerdings kurz nach dem Start verlorenging.

Am 31. Mai hatte man die 4 Pilotmassen, durch deren Fliehkraft das zu Bändern zusammengefaltete Segel aus dem Sondenkörper von IKAROS gezogen werden sollte, gelöst. An den folgenden Tagen wurden Kameras sowie Abrollmechanismus getestet und das Segel anschließend in mehreren Schritten herausgezogen. Gestern klappte man schließlich die acht motorgetriebenen Rollen nach unten und gab damit das Segel zur Entfaltung frei. Der Sondenkörper ist mit diesem über mehrere Leinen und Kabel verbunden, durch die sowohl elektrische Energie als auch Daten zwischen beiden ausgetauscht werden.

Das Segel besteht aus vier identischen Trapezen Polymerfolie aus zwei unterschiedlichen Materialien. Die Folie hat eine Dicke von etwa 8 Mikrometern und trägt Solarzellen, schaltbare Reflektoren sowie Staubdetektoren. Das ganze Segel hat eine Masse von nur knapp 2 kg.

Hauptaufgabe der Sonnensegelmission ist die Erprobung neuer Technologien für zukünftige japanische Tiefraummissionen. So will man in einigen Jahren größere Sonnensegel nutzen, um mehr wissenschaftliche Nutzlast obendrein schneller ans Ziel zu bringen. Dazu dient nicht nur das Sonnensegel und seine ausgeklügelte Steuerung. Mit großflächigeren Dünnschichtsolarzellen will man ausreichend Energie für den Dauerbetrieb eines Ionentriebwerks gewinnen. Dabei dürfte der Ionenantrieb mehr Schub erzeugen als der auf das Segel wirkende Lichtdruck der Sonne. Dafür benötigt das Sonnensegel allerdings keinen Treibstoff, da der Antriebsimpuls ja von den Photonen des Sonnenlichts stammt.

Gesteuert werden soll das Sonnensegel über schaltbare Reflektoren, die ebenso wie die Solarzellen einige Prozent der Oberfläche des IKAROS-Segels bedecken. Ohne angelegte Spannung reflektieren sie diffus. Dabei wirkt ein Teil des ohnehin schwachen Impulses in verschiedene Richtungen und hebt sich gegenseitig auf. Wird das Licht dagegen direkt in die ankommende Richtung zurückgeworfen, so wirkt der Impuls genau senkrecht auf das Segel. Sind die Reflektoren auf einem Viertel des quadratischen Segels auf direkte Reflexion geschaltet, so wirkt hier eine stärkere Kraft. Das Segel und damit auch die mit diesem durch Kabel verbundene Sonde drehen sich langsam quer zur Flugrichtung.

Die Antriebwirkung ist allerdings in jedem Falle sehr gering. Bei maximaler Wirkung, also hundertprozentiger, senkrechter Reflexion liegt die Kraft bei knapp 1,6 Millinewton. Dies entspricht etwa dem Gewicht einer Briefmarke auf der Erde. Die rund 315 kg träge Sonde erreicht damit eine Beschleunigung von etwa 0,000.005 m/s². In einer Stunde würde sie also etwa 2 cm/s schneller, an einem Tag 43 cm/s, in einem Monat knapp 13 m/s. Erst mit sehr großen Segeln kann man deutlich höhere Werte erreichen. Dafür ist allerdings das Gelingen dieser Pilotmission von immenser Bedeutung.

Raumcon:

• IKAROS

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA (IKAROS-Blog).

Im Verlaufe des morgigen Tages soll der Mechanismus zum Herausziehen des zu Bändern zusammengefalteten Sonnensegels aktiviert werden. Schon jetzt rotiert die Sonde mit 24,5 Umdrehungen pro Minute um die Längsachse. Vier an den Ecken des Segels befestigte Pilotmassen ziehen aufgrund der Fliehkraft. Gegenwärtig sind die motorgetriebenen Walzen, über welche die Bänder ablaufen sollen, aber noch gesperrt.

Im Verlaufe des heutigen Tages wurde das System testweise aktiviert und hat bereits einige Zentimeter herausgezogen. Dies wurde erneut von den vier Horizontalkameras festgehalten.

Nach dem Ausrollen des gefalteten Segels an vier Ecken sollen die Walzen nach unten geklappt werden und damit das Segel zur vollen Entfaltung kommen lassen. Damit die nur etwa 8 Mikrometer dünne Folie nicht beschädigt wird, soll zuvor aber die Rotationsrate auf etwa 2 Umdrehungen pro Minute gesenkt werden. Der Entfaltungsvorgang wird dann etwas weniger als eine Stunde dauern. Danach soll das komplette, 173 m² große Sonnensegel straff gespannt sein.

Raumcon:

• IKAROS

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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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