Quelle: WWU (upm/kk) 14. September 2023.

14. September 2023 – Seit dem 20. Oktober 2018 ist das Raumschiff BepiColombo auf dem Weg zum Merkur. Mit an Bord ist das Infrarot-Spektrometer „MERTIS“, das ein Planetologen-Team um Prof. Dr. Harald Hiesinger von der Universität Münster mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin und Industriepartnern über viele Jahre entwickelt hat. Die Mission hat das Ziel, den sonnennahsten Planeten zu erkunden und Hinweise auf seine Geschichte sowie zur Entstehung des Sonnensystems zu liefern. Im September tagt das internationale Forschungsteam in Münster, um sich über den Stand der Mission auszutauschen. Kathrin Kottke sprach mit Harald Hiesinger über die Rolle der Universität Münster bei dieser jahrelangen Reise ins Weltall.

Seit über vier Jahren ist das Raumschiff BepiColombo im All unterwegs. Ende 2025 soll es in die Merkur-Umlaufbahn eindringen und damit seine finale Destination erreichen. Warum ausgerechnet zum Merkur?
Harald Hiesinger: Der Merkur ist ein Planet der Extreme, über den wir bislang wenig wissen, der uns aber sehr viel über die Entstehung unseres Sonnensystems verraten kann. Er umkreist die Sonne in einer Entfernung von ‚nur‘ 58 bis 69 Millionen Kilometern. Zum Vergleich: Bei der Erde beläuft sich die Distanz auf rund 150 Millionen Kilometer. Die Oberfläche der Merkurs erreicht daher Temperaturen von bis zu 430 Grad Celsius. Dennoch existieren vermutlich Krater, deren Böden aufgrund des Orbits im permanenten Schatten liegen und Temperaturen von bis zu minus 170 Grad Celsius aufweisen. Zudem ist er der kleinste Planet in unserem Sonnensystem, wobei er eine sehr hohe Dichte hat – was auf schweres Material im Inneren schließen lässt, etwa Eisen oder Nickel. Wegen seiner Nähe zur Sonne, kann er von der Erde aus nur schwer beobachtet werden. Wir erhoffen uns von der BepiColombo-Mission neue Erkenntnisse.

Mit an Bord ist das von Ihnen über viele Jahre entwickelte MERTIS-Instrument. Was genau ist das für ein Gerät?
Harald Hiesinger: MERTIS steht für ‚Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer‘, ein miniaturisiertes Infrarotspektrometer, das nur circa 37 Zentimeter lang und 20 Zentimeter breit ist und ein Gewicht von etwas mehr als drei Kilogramm hat. Die hochkomplexe Technik musste in kleinster Feinarbeit zusammengesetzt werden und extremen Bedingungen standhalten – etwa dem Start der Rakete, das Durchdringen der Erdatmosphäre sowie der kosmischen und extremen Sonnenstrahlung.

Wie funktioniert das Gerät?
Harald Hiesinger: MERTIS nutzt die emittierte Wärmestrahlung, das sogenannte thermische Infrarot, um Informationen über die Oberfläche des Planeten zu erhalten, etwa über die gesteinsbildenden Minerale. Die räumliche Auflösung beträgt dabei global etwa 500 Meter. Dadurch können wir die mineralogische Zusammensetzung der Merkuroberfläche sowie die gesteinsbildenden Minerale untersuchen. Gleichzeitig wird das integrierte Mikro-Radiometer die Temperatur und die thermische Leitfähigkeit messen. Wir wollen insbesondere Daten zur vulkanischen und tektonischen Evolution des Planeten und zu seiner Impaktgeschichte – also Einschläge von Himmelskörpern auf dem Merkur – sammeln und auswerten.

Gab es Probleme beim Zusammenbau oder während der bisherigen Zeit im All?
Harald Hiesinger: Beim Bau, der im DLR in Berlin erfolgte, mussten wir Teile immer mal wieder austauschen und neu justieren. Auch den Härtetest auf einer Rüttelplatte hat MERTIS zunächst nicht überstanden, weil das Material an einigen Stellen gebrochen ist. Nachdem die Probleme behoben waren und viele Komponenten doppelt verbaut wurden – falls zum Beispiel ein Netzteil ausfällt – wurde MERTIS mit den anderen Instrumenten an das Raumschiff gebaut. Im Weltraum ist bislang alles ohne größere Probleme verlaufen. Wir wissen auf die Sekunde genau, wo sich das Raumschiff befindet und wie es ihm geht. Beim Start der Ariane-5-Rakete in Kourou in Französisch-Guayana ist mir aber nochmal kurz das Herz stehen geblieben.

Was ist denn passiert?
Harald Hiesinger: Ich hatte die große Ehre, beim Start der Mission live vor Ort zu sein. In etwa fünf Kilometer Entfernung sahen wir, wie die Trägerrakete zündete. Da es schon dunkel war, nahmen wir zunächst nur einen großen Feuerball wahr, und es wirkte, als sei die Rakete explodiert. Zum Glück war dem nicht so. Kurze Zeit später erwischte mich die Druckwelle mit voller Wucht. Bei der Zündung wird eine gewaltige Energie freigesetzt. Das war ein Gänsehautmoment…

… den Sie vermutlich nicht so schnell vergessen werden!
Harald Hiesinger: Nein, sicherlich nicht. Für mich und meinem Kollegen Dr. Jörn Helbert vom DLR in Berlin, ist ein großer Traum in Erfüllung gegangen, Teil dieser Mission zu sein. Nun hoffen wir alle, dass die Mission erfolgreich weiterläuft und wir unsere Daten ab dem 5. Dezember 2025 erhalten – das ist der Zeitpunkt, an dem BepiColombo in die rund 430 bis 1.500 Kilometer von der Planetenoberfläche entfernte Umlaufbahn eintritt.

Im September findet die BepiColombo-Tagung in Münster statt. Wer kommt hier zusammen?
Harald Hiesinger: Wir erwarten Gäste aus Japan und ganz Europa – alle Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die an BepiColombo beteiligt sind. Besonders wichtig ist mir, dass Studierende an der Tagung teilnehmen, sich mit den Experten vernetzen und Teil dieses Forschungsabenteuers werden. Immerhin werden sie zukünftig solche Missionen leiten und begleiten. Die Tagung in Münster ist eine tolle Gelegenheit für den Nachwuchs mit den führenden Experten der BepiColombo-Mission ins Gespräch zu kommen.

Über welche Themen werden Sie sprechen?
Harald Hiesinger: Wie es dem Raumschiff geht, ob technisch alles funktioniert und ob wir im Zeitplan sind. Zudem tauschen wir uns über die Daten aus, die bereits gesammelt wurden – beispielweise bei den Vorbeiflügen an Erde, Venus und Merkur. Und auch zukünftige Strategien für den Betrieb des Raumschiffs und die exakte Durchführung der Mission werden diskutiert.

Informationen zur BepiColombo Mission
Die BepiColombo Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt der ESA (European Space Agency) und der JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Sie ist bis jetzt die dritte unbemannte wissenschaftliche Mission zum Merkur – benannt ist sie nach dem italienischen Mathematiker und Ingenieur Giuseppe Colombo (1920 – 1984), dessen Spitzname „Bepi“ lautet. Die Flugzeit beträgt bis zum Erreichen der Zielorbits etwa sieben Jahre. Während der „Reise“ wird die Stromversorgung über große Solarzellen sichergestellt. Die Kommunikation wird mit einer Hochleistungsantenne (high gain antenna, HGA) sowie einer Mittelleistungsantenne (medium gain antenna, MGA) aufrechterhalten. Sämtliche Kommunikation zwischen der Raumsonde und der Erde findet mittels TM/TC statt (Telemetrie/Telekommando, telemetry/telecommand) statt.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: DLR.

9. August 2021 – Für kosmische Verhältnisse kommt es in diesen Tagen im All beinahe zu einem Rendezvous: Gleich zwei Raumsonden passieren auf dem Weg zu ihren endgültigen Umlaufbahnen kurz nacheinander unseren Nachbarplaneten. Zunächst flog das europäisch-amerikanische Sonnenobservatorium Solar Orbiter am heutigen 9. August um 6.42 Uhr MESZ in knapp 8.000 Kilometern an der Venus vorbei. Einen Tag später, am Dienstag, dem 10. August um 15.48 Uhr MESZ, folgt die europäisch-japanische Merkurmission BepiColombo, die in nur 550 Kilometern Höhe quasi über die Oberfläche des Schwesterplaneten der Erde „schrammt“. Vor allem dieser Nahvorbeiflug ermöglicht einige so noch nie durchgeführte wissenschaftliche Untersuchungen der dichten Venusatmosphäre. Denn bereits während der Annäherung an die Venus wird das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickelte und betriebene Spektrometer MERTIS auf die Venus gerichtet sein und Messungen durchführen.

„Beim zweiten und letzten Vorbeiflug wird Bepi Colombo in ‚nur‘ 550 km Entfernung an der Venus vorbeifliegen; das ist deutlich näher an der Oberfläche als die LEO-Satelliten im Erdorbit,“ betont Anke Pagels-Kerp, Leiterin der Abteilung „Erforschung des Weltraums“ in der Raumfahrtagentur im DLR. „Da ein Großteil der Instrumente bereits in Betrieb sind, erwarten wir gerade von der Infrarotkamera MERTIS hervorragende Bilder der zum Teil heißen Schichten der Venusatmosphäre. In Hinblick auf die kürzlich ausgewählte Venus Mission EnVision, deren Start Anfang 2030er Jahre geplant ist, bekommen wir durch Bepi Colombo erste Daten, die uns bei der Konzeption und Umsetzung der Venusmission unterstützen.“

MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) ist ein abbildendes Infrarot-Spektrometer und Radiometer mit zwei unterschiedlichen Sensoren, die für Wellenlängen zwischen 7 und 14 Mikrometern beziehungsweise 7 und 40 Mikrometern empfindlich sind. MERTIS wurde für die globale Kartierung der mineralogischen Zusammensetzung und der Wärmeabstrahlung der atmosphärefreien Merkuroberfläche entwickelt, eignet sich aber auch ausgezeichnet für die Untersuchung der stofflichen Zusammensetzung und für Temperaturmessungen in der Atmosphäre der Venus.

16.000 hoch aufgelöste Spektren im thermischen Infrarot
„Für das MERTIS-Team ist das eine ganz hervorragende Möglichkeit, das Instrument vor seinem eigentlichen Einsatz am Merkur bei einer zusätzlichen, wissenschaftlich wichtigen Fragestellung einzusetzen. Außerdem können wir die Eichung und Funktionalität verfeinern“, freut sich Dr. Jörn Helbert vom DLR-Institut für Planetenforschung, der gemeinsam mit Prof. Harald Hiesinger vom Institut für Planetologie der WWU Münster für das MERTIS-Instrument verantwortlich ist. „Schon die beiden vorherigen Vorbeiflüge an Erde und Mond und zuletzt am 15. Oktober in größerer Entfernung an der Venus haben erstklassige Daten geliefert, die wir noch auswerten. Jetzt aber kommen wir der Venus ganz, ganz nahe. Dabei werden uns aus weniger als tausend Kilometer über der Oberfläche Spektrometer-Messungen in einer Auflösung gelingen, die so noch keine Raumsonde gemacht hat. Sie werden helfen, wichtige, ungeklärte Fragen zur Zusammensetzung und Dynamik der Venusatmosphäre zu beantworten“, gibt sich Hiesinger optimistisch. Gisbert Peter vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme ergänzt, dass „das Instrument nach fast drei Jahren im Orbit bisher sehr stabil arbeitet und beeindruckende Messungen liefert. Nun erwarten wir einzigartige Daten von der Venus mit sehr hochauflösenden optischen Eigenschaften.“

„Durch die geringere Entfernung zur Venus können wir ein anderes, noch besseres, viel detaillierteres Messprogramm mit MERTIS durchführen“, erklärt DLR-Forscher Dr. Alessandro Maturilli, der den Plan für die MERTIS-Beobachtungen vorbereitet hat. BepiColombo nähert sich der Venus von der Nachtseite und fliegt dann über die Tag-und-Nacht-Grenze, den Terminator, auf die von der Sonne angestrahlten Hemisphäre. „Das Instrument ist direkt auf die Atmosphäre gerichtet und wird vier Minuten vor der größten Annäherung angeschaltet und bis 23 Minuten nach dem Vorbeiflug messen. Wir werden 16.000 vollständige Spektren in hoher Auflösung erhalten.“ Kamera-Bilddaten in Wellenlängen des sichtbaren Lichts wird es nur von den Navigationskameras geben, nicht aber vom wissenschaftlichen Kamerasystem der Mission, da dessen Sicht durch den Magnetosphärenorbiter im Sondengespann blockiert ist.

Enge europäisch-japanische Zusammenarbeit
Die Gesamtleitung der Mission liegt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die auch für Entwicklung und Bau des Mercury Planetary Orbiter zuständig war. Der Mercury Magnetospheric Orbiter wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuert. Koordiniert und überwiegend finanziert wird der deutsche Beitrag zu BepiColombo von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wesentlich finanziert wurden die beiden Instrumente BELA und MERTIS, die zu großen Anteilen an den DLR-Instituten für Planetenforschung und Optische Sensorsysteme in Berlin-Adlershof entwickelt wurden, aus Mitteln des DLR für Forschung und Technologie. Das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme entwickelte das einzigartige Instrumenten-Design. Finanziell gefördert wird die Mission außerdem von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der Technischen Universität Braunschweig und vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Der industrielle Teil der Sonde wurde von einem europäischen Industrie-Konsortium unter der Federführung der Firma Airbus Defence and Space realisiert.

Venus wieder im Fokus der Forschung
Von hohem wissenschaftlichen Wert für die Planetenforschung ist dieser bahntechnisch notwendige Nahvorbeiflug von BepiColombo ferner aus zwei ganz unterschiedlichen Gründen. Zum einen können die neuen Instrumente Messungen aus kurzer Distanz vornehmen. Sie sind moderner, vielseitiger und genauer als ihre Vorläufer auf Venus-Raumsonden, die vor fast 20 Jahren (ESA-Mission Venus Express und JAXA-Mission Akatsuki) beziehungsweise 40 Jahren (sowjetische Venera Missionen) entwickelt wurden. Die NASA mit DAVINCI+ und VERITAS und die Europäische Weltraumorganisation ESA mit EnVision haben erst vor wenigen Wochen drei neue Venusmissionen für die späten 2020er und frühen 2030er-Jahre beschlossen.

Zum Zweiten ist dieser Venusvorbeiflug auch für die Erforschung von extrasolaren Planeten von hohem Interesse. Denn neben der nur etwas größeren und massereicheren Erde gilt die Venus ein wenig als der „Exoplanet nebenan“. Im bald 5.000 Einträge umfassenden Katalog von entdeckten Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne umkreisen – ist die Suche nach Planeten, die ähnliche Eigenschaften haben wie die Erde, eine der großen astronomischen Triebfedern. In letzter Konsequenz geht es um die Frage, ob sich auch auf Planeten an anderen Sternen mit vergleichbaren stofflichen Voraussetzungen und ähnlichen astronomischen Parametern wie bei der Erde Leben entwickeln kann.

Schwerkraft-Billard im inneren Sonnensystem
BepiColombo ist am 20. Oktober 2018 an Bord einer Ariane-5-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou gestartet. Das nun stattfindende sogenannte Gravity-Assist-Manöver an der Venus dient dazu, das Sondengespann weiterhin ohne den Einsatz von Treibstoff ein wenig abzubremsen, um die Bahnellipse der Raumsonde in Richtung einer Kreisbahn zu „stauchen“. Zuvor wurden ähnliche Manöver an der Erde und auch schon einmal an der Venus durchgeführt.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: DLR.

Von der Tagseite kommend, an der Venus vorbei, mit der Schwerkraft des Planeten abbremsen und auf der Nachtseite weiter auf Kurs zum Ziel Merkur: Am Donnerstag, den 15. Oktober 2020, wird die ESA-Raumsonde BepiColombo um 5.58 Uhr MESZ in etwa 10.720 Kilometer Entfernung an der Venus vorbeifliegen und unserem Nachbarplaneten ein wenig ihrer Bewegungsenergie übertragen, um selbst an Geschwindigkeit zu verlieren. Zwei Jahre nach dem Start ist der Zweck des Manövers eine weitere Absenkung des sonnennächsten Punktes des Orbits von BepiColombo in Richtung der Umlaufbahn des Planeten Merkur. Den werden die beiden zu einem Gespann verbundenen Raumsonden der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA nach einem weiteren Venusvorbeiflug im August 2021 erreichen und sechs Nahvorbeiflüge später schließlich Merkur Ende 2025 umkreisen. Für Planetenforscher und Ingenieure am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Institut für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster eine weitere Gelegenheit das Spektrometer MERTIS zu testen.

Blick in die Venus-Gashülle mit Infrarotsensoren
Als Raumflugmanöver werden die bahntechnisch notwendige Passage an der Venus wie auch schon der Erde-Mond-Vorbeiflug im Frühjahr dazu genutzt, die Funktionsfähigkeit einiger Experimente an Bord beider Orbiter zu testen und mit den dabei gewonnen Daten die Sensoren und Signalketten zu eichen. „Aber es werden während des An- und Abflugs und bei der höchsten Annäherung an die Venus auch wissenschaftliche Messungen durchgeführt“, freuen sich die zwei Hauptverantwortlichen des MERTIS Instruments, Dr. Jörn Helbert vom Institut für Planetenforschung in Berlin und Prof. Dr. Harald Hiesinger vom Institut für Planetologie in Münster. „Unser gemeinsam mit der Industrie und internationalen Partnern gebautes abbildendes Spektrometer MERTIS kommt dabei wieder zum Einsatz und wird neue Daten zur Zusammensetzung und Struktur der Venusatmosphäre liefern“, unterstreicht Helbert. In erster Linie wurde MERTIS entwickelt, um Spektren von gesteinsbildenden Mineralen auf der atmosphärenfreien Oberfläche des Merkur zu messen. Aber mit seinen Infrarotsensoren kann es auch bis zu einer gewissen Tiefe in die dichte Gashülle der Venus blicken. „Wir erwarten schon jetzt, noch viel mehr aber 2021, wenn wir der Venus viel näherkommen werden, ausgesprochen interessante Erkenntnisse“, ergänzt Hiesinger.

MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) ist ein bildgebendes Infrarot-Spektrometer und Radiometer mit zwei ungekühlten Strahlungssensoren, die für Wellenlängen zwischen 7 und 14 beziehungsweise 7 und 40 Mikrometern empfindlich sind. Während zweier Messzyklen, deren erster heute beginnt, werden fast 100.000 Einzelaufnahmen aufgezeichnet. Der erste Zyklus startet in einer Venusentfernung von etwa 1,4 Millionen Kilometer, dabei wird bis 23 Stunden vor dem Nahvorbeiflug und 670.000 Kilometer Entfernung gemessen. Nach einer Pause für die Überprüfung des Instruments beginnt 11 Stunden vor dem Venus-Vorbeiflug in 300.000 Kilometer Entfernung der zweite Zyklus, der bis fast 120.000 Kilometer Abstand zur Venus reicht, die vier Stunden vor dem Nahvorbeiflug passiert werden.

Die Venus im Blickpunkt der Planetenforschung
Die Venus ist fast so groß wie die Erde, hat sich aber ganz anders als diese entwickelt. Ihre Atmosphäre ist viel dichter, besteht fast ausschließlich aus Kohlendioxid und bewirkt dadurch einen sehr starken Treibhauseffekt, der zu einer dauerhaften Oberflächentemperatur von etwa 470 Grad Celsius führt. Die Existenz von Wasser und also auch Leben ist dort ausgeschlossen. Es ist gut möglich, dass es auf der Venus noch aktive Vulkane gibt. „Diese würden sich beispielsweise durch die von ihnen ausgestoßenen Schwefeldioxidgase verraten“, erklärt Helbert. „Wir haben nach den ersten Messungen in den 1960er- und 70er-Jahren vor etwa zehn Jahren mit der ESA-Sonde Venus Express eine massive Abnahme der SO₂-Konzentration um mehr als die Hälfte registriert. Das ‚riecht‘ förmlich nach aktiven Vulkanen! MERTIS könnte uns jetzt neue Hinweise liefern.“ Ergänzt werden die Experimente durch zeitgleiche Beobachtungen des japanischen Venusorbiters Akatsuki und von einem Dutzend professionellen Teleskopen sowie von Amateurastronomen auf der Erde.

Erst vor kurzem stand die Venus im Blickpunkt von Wissenschaft und Medien, als eine Gruppe von Astronomen mit Teleskopen auf Hawaii und in Chile zweifelsfrei das Spurengas Phosphin (oder auch Monophosphan, chemische Formel PH₃) nachweisen konnte. Phosphin wird auf der Erde durch industrielle Fertigung zur Schädlingsbekämpfung hergestellt, entsteht aber auch durch biologische Prozesse in Faulschlamm oder im Verdauungstrakt von Wirbeltieren. Phosphin ist ein sehr kurzlebiges Molekül, so dass es also dafür aktuell eine Quelle auf der Venus oder in ihrer Atmosphäre geben muss, die das Phosphin erzeugt.

Bisherige Modellierungen von natürlichen Phosphinquellen wie Vulkanismus, Meteoriteneinschläge oder chemische Reaktionen infolge von Blitzentladungen haben die gemessenen Konzentrationen nicht erklären können. Nicht zuletzt deshalb wurde eine immer wieder unter Planetenforschern diskutierte Möglichkeit ins Spiel gebracht, das Phosphin könnte von Mikroorganismen hoch in der Venusatmosphäre stammen. Das bedeutet nichts anderes, als dass dort in 40-60 Kilometer Höhe auf den ‚fliegenden Teppichen‘ der Schwefelsäurewolken bei moderaten Temperaturen Leben existieren könnte – was die Autoren der Studie allerdings selbst in Frage stellen und auf notwendige zukünftige Messungen verweisen. Bereits in den 2020er-Jahren wird die Venus wieder das Ziel von zwei Raumsonden der ESA und NASA sein. Die Chancen, bei den BepiColombo Vorbeiflügen Phosphin (PH₃) mit MERTIS sehen zu können, halten beide Forscher aufgrund der großen Vorbeiflugentfernung und der geringen Konzentration für sehr unwahrscheinlich.

Die Venus, ein Exoplanet vor der Haustüre
Der Flyby ist auch aus anderer Perspektive wissenschaftlich interessant, denn mit der Raumsonde kann die Venus gewissermaßen wie ein ferner extrasolarer Planet, ein erdähnlicher Exoplanet mit fester Oberfläche und dichter Atmosphäre, untersucht werden. „Beim Erde-Vorbeiflug haben wir den Mond untersucht und dabei MERTIS das erste Mal im Flug unter realen Experimentbedingungen charakterisiert. Dabei haben wir gute Ergebnisse erzielt“, erläutert Gisbert Peter, MERTIS-Projektmanager vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme, das für die Konzeption und den Bau von MERTIS verantwortlich war. „Jetzt richten wir MERTIS zum ersten Mal auf einen Planeten. Daraus können wir Vergleiche mit Messungen vor dem Start von BepiColombo zur Optimierung des Betriebs und der Datenprozessierung machen und Erfahrungen für die Auslegung von zukünftigen Experimenten sammeln.“ Der Schwerpunkt aller Experimente liegt auf Messungen zur Zusammensetzung, Struktur und Dynamik der Venusatmosphäre, der Ionosphäre des Planeten und – mit den Instrumenten des japanischen MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) – der induzierten Magnetosphäre der Venus.

Treibstoff sparen mit Planetenvorbeiflügen
BepiColombo ist am 20. Oktober 2018 an Bord einer Ariane-5-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou gestartet. Das nun stattfindende zweite sogenannte Flyby-Manöver von BepiColombo, dieses Mal an der Venus (das erste fand am Karfreitag an der Erde statt), dient dazu, das Sondengespann weiterhin ohne den Einsatz von Treibstoff ein wenig abzubremsen, um die Bahnellipse der Raumsonde in Richtung einer Kreisbahn zu „stauchen“, um am Ende vom Gravitationsfeld des Merkurs eingefangen zu werden und in den Merkurorbit einzuschwenken. Während die Sonde auf ihrer spiralförmigen Bahn durchs innere Sonnensystem mit einer Geschwindigkeit von 37 Kilometer pro Sekunde (133.500 km/h) in Richtung der Venus ‚fällt‘, verlässt BepiColombo den inneren Nachbarplaneten der Erde nach einem leichten Richtungswechsel mit einer Geschwindigkeit von nur noch etwa 3,25 Kilometer pro Sekunde (11.700 km/h). Der Vorbeiflug findet in einer Entfernung von 116 Millionen Kilometer statt: Die Venus läuft der Erde gegenwärtig voraus und ist vor Einsetzen der Dämmerung als ‚Morgenstern‘ im Osten sichtbar.

Wegen der starken Anziehungskraft der Sonne sind Planetenmissionen ins innere Sonnensystem nur mit sehr komplexen Flugbahnen zu meistern. Mit dem Manöver am Donnerstag wird die Relativgeschwindigkeit gegenüber Merkur auf 1,84 Kilometer pro Sekunde abgesenkt. Am Ende ihres Spiralflugs zwischen den Bahnen von Erde und Merkur wird BepiColombo mit fast derselben Geschwindigkeit wie der Merkur die Sonne umrunden und kann dann vom kleinsten Planeten des Sonnensystems am 5. Dezember 2025 leicht von dessen Schwerkraft eingefangen und mit etwas Düsenschub in eine polare Umlaufbahn einschwenken.

Zum ersten Mal wurden Flyby-Manöver entlang einer Planetenbahn bei der Mission Mariner 10 angewandt, um nach dem ersten Vorbeiflug am Planeten Merkur noch zwei weitere Nahvorbeiflüge zu ermöglichen. Die Berechnungen stellte der italienische Ingenieur und Mathematiker Giuseppe ‚Bepi‘ Colombo an. Colombo, Professor an der Universität seiner Heimatstadt Padua, war 1970 zu einer Konferenz zur Vorbereitung der Mariner-10-Mission an das Jet Propulsion Laboratory der NASA ins kalifornische Pasadena eingeladen. Dort sah er den ursprünglichen Missionsplan und erkannte, dass mit einem hoch präzise ausgeführten ersten Vorbeiflug zwei weitere Nahvorbeiflüge am Merkur möglich waren: Ihm zu Ehren wurde die nun fliegende große europäisch-japanische Merkur-Mission benannt.

Enge europäisch-japanische Zusammenarbeit
Die Gesamtleitung der Mission liegt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die auch für Entwicklung und Bau des Mercury Planetary Orbiter zuständig war. Der Mercury Magnetospheric Orbiter wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuert. Koordiniert und überwiegend finanziert wird der deutsche Beitrag zu BepiColombo vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wesentlich finanziert wurden die beiden Instrumente BELA und MERTIS, die zu großen Anteilen an den DLR-Instituten für Planetenforschung und Optische Sensorsysteme in Berlin-Adlershof entwickelt wurden, aus Mitteln des DLR für Forschung und Technologie. Finanziell gefördert wird die Mission außerdem von der Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster und der Technischen Universität Braunschweig und vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Der industrielle Teil der Sonde wurde von einem europäischen Industrie-Konsortium unter der Federführung der Firma Airbus Defence and Space realisiert.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: DLR.

Raumfahrt ist Maßarbeit in höchster Präzision: In den frühen Morgenstunden am Karfreitag, dem 10. April, fliegt die ESA-Raumsonde BepiColombo mit über 30 Kilometern pro Sekunde von der Tagseite kommend auf die Erde zu. Sie wird um 6.25 Uhr MESZ über dem Südatlantik in 12.677 Kilometer Höhe den Punkt der größten Annäherung passieren und dadurch auf der Nachtseite weiter in Richtung inneres Sonnensystem fliegen, nun etwas langsamer, als sie angekommen ist.

Für Planetenforscher und Ingenieure am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Institut für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster eine einmalige Gelegenheit zu einem besonderen Experiment am Erdtrabanten: Ohne Störungen durch die Erdatmosphäre wird die von der Sonne angestrahlte Vorderseite des Mondes mit dem am DLR entwickelten und gebauten Spektrometer MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) schon am 9. April erstmals in den Wellenlängen des thermalen Infrarot beobachtet und auf ihre mineralogische Zusammensetzung untersucht. Am Merkur wird MERTIS die Zusammensetzung und die Mineralogie der Oberfläche und das Planeteninnere des Merkur untersuchen. Die wissenschaftliche Auswertung der Daten wird dann gemeinsam an den beteiligten Instituten in Münster, Berlin, Göttingen und Dortmund sowie mehreren europäischen und amerikanischen Standorten stattfinden.

Das sogenannte Flyby-Manöver an der Erde dient vor allem dazu, BepiColombo ohne den Einsatz von Treibstoff ein wenig abzubremsen, um die Raumsonde auf einen Kurs zur Venus zu bringen. Während die Sonde auf ihrer spiralförmigen Bahn durchs innere Sonnensystem mit einer Geschwindigkeit von 30,4 Kilometer pro Sekunde auf die Erde zu fliegt, verlässt BepiColombo die Erde nach dem Richtungswechsel mit einer Geschwindigkeit von nur noch etwa 25 Kilometer pro Sekunde. Mit zwei nachfolgenden Nahvorbeiflügen an der Venus (der erste Vorbeiflug am inneren Nachbarplaneten der Erde wird bereits am 16. Oktober 2020 stattfinden) wird BepiColombo dann auf einer Flugbahn sein, die zum Ziel der sechsjährigen Reise führt, einer Umlaufbahn um den innersten Planeten des Sonnensystems Merkur. Wegen der enormen Anziehungskraft der Sonne und der begrenzten Transportkapazität der Trägerraketen sind Planetenmissionen ins innere und äußere Sonnensystem nur mit enorm komplexen Flugbahnen zu meistern.

Einmalige Beobachtungsmöglichkeit der Mondvorderseite
„Die Beobachtung des Mondes mit unserem Spektrometer MERTIS an Bord von BepiColombo ist eine einmalige Gelegenheit“, freut sich Dr. Jörn Helbert vom DLR-Institut für Planetenforschung, mitverantwortlich für das MERTIS-Instrument. „Wir werden die der Erde zugewandte Mondvorderseite spektroskopisch erstmals in den Wellenlängen des thermalen Infrarot untersuchen. Ohne die störende Erdatmosphäre ergibt die Perspektive aus dem Weltraum einen wertvollen neuen Datensatz für die Mondforschung. Außerdem ist dies eine hervorragende Gelegenheit zu testen wie gut unser Instrument funktioniert und Erfahrungen zu sammeln für den Betrieb am Merkur.“ Ein besonderer Praxistest ist auch die aktuelle Situation im Zusammenhang mit der Corona-Pandemie. „Unser Team wird aus dem Homeoffice das MERTIS-Instrument betreuen und die Daten prozessieren und auswerten“ ergänzt Helbert. „Dies wurde in den letzten Tagen schon einige Male getestet und die ‚Datenauswertung am Küchentisch‘ scheint gut zu funktionieren.“

MERTIS ist ein bildgebendes Infrarot-Spektrometer und Radiometer mit zwei ungekühlten Strahlungssensoren, die für Wellenlängen zwischen 7 und 14 beziehungsweise 7 und 40 Mikrometern empfindlich sind. Auf dem Merkur wird MERTIS im mittleren Infrarot die gesteinsbildenden Minerale mit einer räumlichen Auflösung von einem halben Kilometer identifizieren. „Eine so detaillierte Auflösung werden wir bei der Beobachtung des Mondes nicht erhalten können“, erläutert Gisbert Peter, MERTIS-Projektmanager vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme, das für die Konzeption und den Bau von MERTIS verantwortlich war. „Es ist ja zum Teil ein astronomischer oder geometrischer ‚Zufall‘ und vor allem gute Planung, dass wir am Tag vor dem Vorbeiflug an der Erde den Mond im Gesichtsfeld des Spektrometers haben werden. Und immerhin: MERTIS wird aus Entfernungen zwischen 740.000 und 680.000 Kilometern für vier Stunden den Mond beobachten. Hier wird das mit 3,3 Kilogramm sehr kompakte Instrument das erste Mal im Orbit seine einzigartigen optischen Eigenschaften demonstrieren können.“ Drei kleine Kameras an der Außenseite der ESA-Sonde werden zusätzlich Fotos der Erde bei der Annäherung von BepiColombo aufnehmen.

„Der Mond und der gar nicht mal viel größere Planet Merkur haben Oberflächen, die in vielerlei Hinsicht ähnlich sind“, erklärt Prof. Harald Hiesinger von der Universität Münster, wissenschaftlicher Leiter des MERTIS-Experiments. Er freut sich nach Jahrzehnten der Mondforschung ganz besonders auf die jetzt anstehenden Messungen. „Wir bekommen zum einen neue Informationen zu gesteinsbildenden Mineralen und den Temperaturen auf der Mondoberfläche und können die Ergebnisse später mit denen am Merkur vergleichen.“ Sowohl der Mond als auch der Merkur sind zwei fundamental wichtige Körper für unser Verständnis des gesamten Sonnensystems. Hiesinger ergänzt: Von den Beobachtungen mit MERTIS erhoffe ich viele aufregende Ergebnisse. Nach rund 20 Jahren intensiver Vorbereitungen ist es am Donnerstag endlich soweit – unser langes Warten hat ein Ende und wir erhalten die ersten wissenschaftlichen Daten aus dem Weltraum.“

Erst die dritte Raumsonde mit Ziel Merkur
BepiColombo ist am 20. Oktober 2018 an Bord einer Ariane-5-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou gestartet. Es ist das bisher umfangreichste europäische Projekt zur Erforschung eines Planeten des Sonnensystems. Die Mission besteht aus zwei Sonden, die den Merkur auf unterschiedlichen Umlaufbahnen umkreisen werden: dem europäischen Mercury Planetary Orbiter (MPO) der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem japanischen Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Zuvor hatten nur die beiden NASA-Raumsonden Mariner 10 Mitte der 1970er Jahre und MESSENGER von 2011 bis 2015 den kleinsten und gleichzeitig sonnennächsten Planeten untersucht.

Während MPO darauf ausgelegt ist, Oberfläche und Zusammensetzung des Planeten zu analysieren, erkundet MMO dessen Magnetosphäre. Weitere Ziele der Mission sind die Erforschung des Sonnenwindes, des inneren Aufbaus und des planetaren Umfeldes von Merkur sowie dessen Wechselwirkungen mit der sonnennahen Umgebung. Die Wissenschaftler erhoffen sich darüber hinaus Erkenntnisse zur Entstehung des gesamten Sonnensystems und der erdähnlichen Planeten im Besonderen. Bis zum Erreichen der Merkurumlaufbahn befinden sich die beiden Sonden an Bord des Mercury Composite Spacecraft (MCS), das die Orbiter mit Energie versorgt und sie mit Hilfe eines speziellen Schutzschildes, der MMO Sunshield and Interface Structure (MOSIF), vor den extremen Temperaturen zwischen 430 Grad Celsius auf der Tagseite und minus 180 Grad Celsius auf der Nachtseite des Merkurs schützt. Nach sechs Vorbeiflügen an seinem Ziel wird BepiColombo am 5. Dezember 2025 schließlich in eine Merkurumlaufbahn gelangen.

Jonglieren mit Geschwindigkeit und Gravitation
Flyby-Manöver, auch ‚Gravity-Assist-Manöver’ genannt, sind heute in der Raumfahrt zur Routine geworden. Sie dienen dazu, ohne den Einsatz von Treibstoff und unter Ausnutzung der Anziehungskraft von Planeten eine Änderung der Flugrichtung und Geschwindigkeit von Raumsonden zu bewirken. Wenn Raumsonden das Schwerefeld der Erde verlassen und ein fernes Ziel im Sonnensystem erreichen sollen, ist für die Beschleunigung, für Richtungsänderungen, aber auch für das Abbremsen am Ziel viel Energie erforderlich. Diese in Form von Treibstoff für Raketentriebwerke mitzuführen ist oft unwirtschaftlich und würde zwangsläufig den Umfang von mitgeführter Nutzlast verringern oder ist technisch schlicht unmöglich.

Nahvorbeiflüge an Planeten eröffnen eine elegante technische Lösung – durch die Kräfte der Natur: Bewegt sich eine Raumsonde auf einen Planeten zu, überwiegt ab einer bestimmten Entfernung dessen Anziehungskraft gegenüber der ansonsten alle Bewegungen beeinflussenden Sonne. Ein Flyby ist dann gewissermaßen das Jonglieren von zwei Energieformen – der Bewegungsenergie der Raumsonde und der Lageenergie des Planeten, der mit seiner um ein Vielfaches größeren Masse das kleine Raumschiff anzieht, wenn es in seine Nähe kommt. Bei diesem Jonglieren kann, je nachdem, wie schnell die Raumsonde ist und wie nahe sie dem Planeten kommt, Energie vom Planeten auf die Sonde übergehen: Dann wird sie schneller (und der Planet unmerklich langsamer). Oder aber Bewegungsenergie wird von der Sonde auf den Planeten übertragen, was diese abbremst (und den Planeten dafür unmerklich beschleunigt). Gegenüber dem Planeten ändert sich beim Flyby die Geschwindigkeit der Sonde vorher/nachher nicht, es wird nur deren Flugbahn um einen gewissen Winkel umgelenkt. Da sich aber der Planet auf einer Bahn um die Sonne befindet, bewirkt diese Winkeländerung der Sondenbahn eine Beschleunigung oder Abbremsung der Sonde (und minimal des Planeten) auf ihrer Bahn um die Sonne.

Die raffinierte Flugbahn-Lösung des Giuseppe ‚Bepi‘ Colombo
Zum ersten Mal wurden Flyby-Manöver entlang einer Planetenbahn bei der Mission Mariner 10 angewandt, um nach dem ersten Vorbeiflug am Planeten Merkur noch zwei weitere Nahvorbeiflüge zu ermöglichen. Die Berechnungen stellte der italienische Ingenieur und Mathematiker Giuseppe ‚Bepi‘ Colombo an. Colombo, Professor an der Universität seiner Heimatstadt Padua, war 1970 zu einer Konferenz zur Vorbereitung der Mariner-10-Mission an das Jet Propulsion Laboratory der NASA ins kalifornische Pasadena eingeladen. Dort sah er den ursprünglichen Missionsplan und erkannte, dass mit einem hoch präzise ausgeführten ersten Vorbeiflug zwei weitere Nahvorbeiflüge am Merkur möglich waren: Ihm zu Ehren wurde die nun fliegende große europäisch-japanische Merkur-Mission benannt.

Von den 15 Instrumenten, die sich an Bord der beiden Raumsonden befinden, wurden drei zu wesentlichen Anteilen in Deutschland entwickelt: BELA (BepiColombo Laser Altimeter), MPO-MAG (MPO Magnetometer) und MERTIS. Das DLR-Laserexperiment BELA wird erst an seinem Ziel, dem Merkur, eingesetzt werden. Das Magnetometer hingegen kommt beim Flug durch das weit ins All reichende Magnetfeld der Erde bereits jetzt für Messungen zum Einsatz. Gefördert vom DLR-Raumfahrtmanagement wurde es am Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik der Technischen Universität Braunschweig in Zusammenarbeit mit dem Weltrauminstitut Graz und dem Imperial College London entwickelt und gebaut.

Die letzte Gelegenheit, ‚Bepi‘ zu beobachten – aber nicht in Deutschland
Raumfahrtenthusiasten sind natürlich an der Frage interessiert, ob sie Gelegenheit haben, BepiColombo vor seinem Abschied auf dem Weg ins innere Sonnensystem während des Flybys ein letztes Mal am Himmel beobachten zu können: Die Frage kann tatsächlich mit Ja beantwortet werden. Der Wermutstropfen ist allerdings die Einschränkung, dass dies nur südlich von 30 Grad Nord über dem Atlantik, in Südamerika, in Mexiko und mit Einschränkungen über Texas und Kalifornien möglich sein wird. Mit am besten sichtbar werden die vom Sonnenlicht angestrahlten Solarpanele vermutlich über der Europäischen Südsternwarte in der klaren Luft der Anden Chiles sein. In Mitteleuropa bleibt der Trost, dass es in der Nacht vom 7. auf den 8. April einen außerordentlich großen Vollmond, populär gerne als ‚Supermond‘ bezeichnet, zu sehen geben wird.

Enge europäisch-japanische Zusammenarbeit
Die Gesamtleitung der Mission liegt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die auch für Entwicklung und Bau des Mercury Planetary Orbiter zuständig war. Der Mercury Magnetospheric Orbiter wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuert. Koordiniert und überwiegend finanziert wird der deutsche Beitrag zu BepiColombo vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wesentlich finanziert wurden die beiden Instrumente BELA und MERTIS, die zu großen Anteilen an den DLR-Instituten für Planetenforschung und Optische Sensorsysteme in Berlin-Adlershof entwickelt wurden, aus Mitteln des DLR für Forschung und Technologie. Finanziell gefördert wird die Mission außerdem von der Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster und der Technischen Universität Braunschweig und vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Der industrielle Teil der Sonde wurde von einem europäischen Industrie-Konsortium unter der Federführung der Firma Airbus Defence and Space realisiert.

Der Beitrag DLR: Bremsmanöver an der Erde mit Blick auf den Mond erschien zuerst auf Raumfahrer.net.