Quelle: MPS.

Auf ihrer insgesamt siebenjährigen Reise zum sonnennächsten Planeten Merkur erreicht die europäisch-japanische Raumsonde BepiColombo am kommenden Karfreitag, 10. April, einen wichtigen Meilenstein. Durch einen nahen Vorbeiflug an der Erde ändert sie ihre Flugbahn und dringt so tiefer ins Zentrum des Sonnensystems vor. Während des Manövers werden einige der insgesamt 16 Messinstrumente eingeschaltet, darunter auch zwei, zu denen das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen beigetragen hat. Während das Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt den Vorbeiflug wegen der aktuellen Corona-Krise mit reduzierter Besetzung durchführt, verfolgen die MPS-Wissenschaftler die Ereignisse – anders als sonst – aus dem Homeoffice.

Nur 12.700 Kilometer werden BepiColombo am 10. April um 6.25 Uhr von der Erde trennen. Ziel der kosmischen Begegnung ist es, die Merkursonde abzubremsen und ihre Flugbahn auf diese Weise so zu krümmen, dass sie auf engere Umlaufbahnen um die Sonne einschwenkt. Nach acht weiteren Vorbeiflügen dieser Art, davon zunächst zwei an der Venus und dann sechs am Merkur selbst, erreicht BepiColombo Ende 2025 die angestrebte Umlaufbahn um ihren Zielplaneten.

Den beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bietet der bevorstehende Vorbeiflug schon jetzt eine wichtige Gelegenheit, ihre Instrumente im realistischen Messbetrieb zu testen. Bereits nach dem Start der Mission im Oktober 2018 wurden die 16 Messinstrumente nach und nach in Betrieb genommen. „Messungen im interplanetaren Raum bieten jedoch nur teilweise Bedingungen, die mit dem späteren Einsatz am Merkur vergleichbar sind“, erklärt Dr. Norbert Krupp vom MPS, der zu den Teams der Instrumente MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) und SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitting Natural Abundances Experiment) gehört. „Echte“ Messdaten ergeben sich nun erstmals beim Erdvorbeiflug. Bereits am Abend des Gründonnerstags, 9. April, beginnt das Manöver; am frühen Morgen des Karsamstags ist es abgeschlossen.

Um die Ansteckungsgefahr für ihre Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in der aktuellen Corona-Krise zu minimieren und die deshalb gebotenen Mindestabstände zwischen Personen einzuhalten, steuert die ESA den Vorbeiflug aus ihrem Kontrollzentrum in Darmstadt mit einer kleineren Mannschaft als sonst. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der einzelnen Instrumenten-Teams, die üblicherweise bei solchen Manövern die Messungen ihres Instrumentes ebenfalls im Kontrollzentrum begleiten, reisen dieses Mal nicht an. „Den Vorbeiflug vor Ort in Darmstadt zu verfolgen, wäre natürlich ein besonderes Ereignis gewesen“, so Dr. Markus Fränz vom MPS, ebenfalls Teammitglied von SERENA und MPPE. „Aber in der aktuellen Ausnahmesituation geht es auch anders.“ Die Befehle für die jeweiligen Messinstrumente sind bereits programmiert, Änderungen während des Fluges nicht vorgesehen.

Forscher des MPS tragen zu insgesamt vier der 16 Instrumente bei, von denen allerdings nicht alle beim Vorbeiflug zum Einsatz kommen. Grund dafür ist die Konfiguration während des siebenjährigen Anflugs zum Merkur. BepiColombo besteht aus zwei autonomen Sonden, dem europäischen Mercury Planetary Orbiter (MPO) und dem japanischen Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO, auch genannt Mio), die derzeit huckepack und auf einander gestapelt auf dem sogenannten Transfermodul reisen. Die obere Sonde MMO umgibt zudem ein Sonnenschutzschild. Am Merkur angekommen werden sich beide Sonden vom Transfermodul und voneinander trennen und dann den Planeten auf jeweils eigenen Flugbahnen umrunden.

Derzeit ist die Sicht einiger Instrumente jedoch verstellt oder zumindest stark eingeschränkt. Die Instrumente MIXS (Mercury Imaging X-Ray Spectrometer) und BELA (BepiColombo Laser-Altimeter) etwa, die das MPS mitentwickelt hat, befinden sich an der Unterseite von MPO. Diese ist in der aktuellen Konfiguration mit dem Transfermodul verbunden, so dass keines der Instrumente Messungen durchführen kann. Besser ergeht es den Instrumenten MPPE und SERENA. MPPE, für den das MPS das Massenspektrometer MSA (Mass Spectrum Analyzer) entwickelt hat, gehört zur wissenschaftlichen Nutzlast der japanischen Sonde MMO und thront somit sozusagen ganz oben auf dem Raumsonden-Stapel aus Transfermodul, MPO und MMO. Allerdings schränkt der Sonnenschutzschild die Sicht ein. Die Ionenkamera PICAM (Planetary Ion Camera) des Experimentes SERENA genießt von der Oberseite des MPO einen unverstellten Rundumblick.

Beide Instrumente sollen am Merkur die geladenen, hochenergetischen Teilchen untersuchen, die im Magnetfeld des Planeten gefangen sind. Neben der Erde ist der Merkur der einzige erdähnliche Planet, der ein Magnetfeld besitzt. Allerdings fällt es um einen Faktor 130 bis 340 schwächer aus als das irdische Feld. Eine weitere Besonderheit: Während starker Sonnenaktivität wird die Magnetosphäre zeitweise so stark zusammengedrückt, dass große Teile der Planetenoberfläche direkt dem Sonnenwind ausgesetzt sind. Durch diesen Sonnenwindbeschuss werden Sauerstoff-, Natrium-, Magnesium- und Calziumionen von der Oberfläche freigesetzt und gelangen in die Magnetosphäre des Planeten.

„Der bevorstehende Erdvorbeiflug bietet unseren Instrumenten völlig andere Bedingungen als der Betrieb am Merkur“, so SERENA- und MPPE-Teammitglied Dr. Harald Krüger vom MPS. So sind etwa die geladenen Teilchen im Strahlungsgürtel, dem Torus hochenergetischer Teilchen um die Erde, deutlich energiereicher und konzentrierter als es am Merkur zu erwarten ist. SERENA und MPPE sind zum Teil für diese extremen „Arbeitsbedingungen“ nicht ausgelegt. Um die Instrumente beim Flug durch den Strahlungsgürtel nicht zu schädigen, werden sie deshalb in dieser Phase ausgeschaltet.

Die anderen Abschnitte des Vorbeifluges jedoch werden genutzt. Da die Eigenschaften der irdischen Magnetosphäre von anderen Forschungssatelliten bereits gut untersucht sind, bieten die Messdaten die Möglichkeit, die Instrumente vor der Ankunft am Merkur unter Weltraumbedingungen zu kalibrieren. Der nächste Vorbeiflug, dann an der Venus, steht bereits im Oktober dieses Jahres an.

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Autor: Thomas Geuking, Quelle: ESA.

Mit dem Start von BepiColombo hat eine anspruchsvolle Mission zu einem außergewöhnlichen Planeten begonnen. Merkur, der innerste Planet unseres Sonnensystems, umkreist die Sonne mit gut 58 Millionen Kilometern Entfernung. Er gehört zum inneren Teil unseres Planetensystems, den sog. terrestrischen Planeten zu denen auch die Erde zählt. Mit einem Durchmesser von 4.878 Kilometern ist er der kleinste Planet im Sonnensystem und nur wenig größer als unser Erdmond. Eine der Besonderheiten Merkurs ist sein globales Magnetfeld, was ihn unter den terrestrischen Planeten zu einer Ausnahme macht. Zwar besitzt auch die Erde ein globales Magnetfeld, Mars und Venus jedoch nicht, obwohl diese sehr viel massereicher als Merkur sind. Das Magnetfeld der Erde wird durch den flüssigen Eisenkern erzeugt, eigentlich ist Merkur dafür aber zu klein. Hier soll die aktuelle Mission ebenso neue Erkenntnisse liefern, wie auch zur Entstehung des gesamten Sonnensystems.

Durch seine Nähe zur Sonne ist Merkur von der Erde nicht nur schwer zu beobachten, sondern auch schwer zu erreichen und zu erforschen. Im Vergleich zu anderen Missionen, wie z.B. zum Mars ist der Merkur für BepiColombo nur durch ein langwieriges Abbremsmanöver erreichbar. Um überhaupt in eine Umlaufbahn um Merkur einschwenken zu können verläuft der Flug nicht geradlinig, sondern in großen elliptischen Bahnen. Diese führen einmal an der Erde vorbei, dann zweimal an der Venus und gleich sechsmal am Merkur selbst. Insgesamt wird die Reise zum Merkur 7 Jahre in Anspruch nehmen. Läuft alles nach Plan erreicht die Mission im Dezember 2025 ihr Ziel. Die Verhältnisse am Merkur stellen eine weitere große Herausforderung an die Sonden dar. Aufgrund der Nähe zur Sonne herrschen auf Merkur extreme Temperaturen zwischen 430 Grad Celsius auf der Tagseite und minus 180 Grad Celsius auf der Nachtseite. Auch die Sonneneinstrahlung ist im Vergleich zu unserer Erde bis zu 10-mal stärker. Dies hat zur Folge, dass man zum Beispiel die Solarpaneele nicht direkt auf die Sonne ausrichten kann, wie man es im Erdorbit tut, sondern kippen muss sonst würden sie einfach schmelzen. BepiColombo ist die bisher aufwendigste Mission in der Geschichte der ESA.

Davor haben erst zwei Raumsonden den Merkur besucht. Im Jahre 1974 und 1975 gelangen Mariner 10 (NASA) drei Vorbeiflüge am Merkur. Von 2011 und 2015 untersuchte dann die Sonde MESSENGER (NASA) unseren Nachbarplaneten.

Benannt wurde die Mission nach dem italienischen Mathematiker und Ingenieur Giuseppe Colombo (1920 – 1984), Spitzname „Bepi“. Er gehörte zu den Initiatoren der Giotto-Mission zum Kometen Halley und erwarb sich besondere Anerkennung durch die Berechnung der Flugbahn der Sonde MARINER 10 zum Merkur, bei der zum ersten Mal ein sogenanntes Swing-by Manöver eingesetzt wurde um Kurs und Geschwindigkeit eines Raumfahrzeuges durch den nahen Vorbeiflug an einem großen Himmelskörper (z.B. einem Planeten) zu beeinflussen.

Missionsübersicht:
BepiColombo hat eine sehr lange Projektgeschichte, die bereits 1993 mit einem ersten Entwurf einer Mission zum Merkur begann. Die nun gestartete Mission ist ein Eckpfeiler des „Horizon 2000+/Cosmic Vision“- Programms der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und wird unter Ihrer Gesamtleitung als Gemeinschaftsprojekt mit der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und zahlreichen internationalen Institutionen und Universitäten durchgeführt.

Die Mission besteht in Flugkonfiguration aus vier Teilen:
Einer zentralen Antriebseinheit, genannt MTM (Mercury Transport Module). Darauf montiert sind die beiden Sonden, diese sind der europäische „Mercury Planetary Orbiter“ (MPO) und der japanische „Mercury Magnetospheric Orbiter“ (MMO). Sie sind übereinander montiert und durch ein Hitzeschild dem MMO-Sunshield-and-Interface-Struktur (MOSIF) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.

Das MTM besitzt zwei Antriebssysteme, ein chemisches mit 24 Treibwerken mit je 10 N Schub und vier elektrische Ionentriebwerke die eine Schubkraft von je 75 bis 145 mN liefern. Das chemische System ist für schnelle Bahnänderungen verantwortlich, während die Ionenantriebe für das Abbremsen der Gerätekombination in Richtung Merkurbahn zuständig sind. Zur Stromversorgung werden 2 Solarzellenpaneele am MTM mit einer Fläche von 42 Querdrahtmetern eingesetzt. Vor dem endgültigen Erreichen der Merkurumlaufbahn im Dezember 2025 wird das MTM dann abgetrennt. Das Gesamtpaket hat beim Start eine Masse von 4,1 t.

Die polaren Umlaufbahnen um den Merkur werden mit dem chemischen Antriebssystem des Mercury Planetary Orbiter (MPO) erreicht. Für den MPO ist ein polarer Orbit (Überflug über die Pole des Merkurs), der die Form einer Ellipse haben soll, vorgesehen. Dabei beträgt das Apoherm 1508 km (größter Abstand zur Merkuroberfläche) und das Periherm 400 km (kleinster Abstand zur Merkuroberfläche) Während des Einschenkens in die Umlaufbahn wird der „Mercury Magnetospheric Orbiter“ in einem lang gestreckten Orbit freigesetzt mit einem Periherm von 590 km und einem Apoherm von 11.640 km. Beide Umlaufbahnen sind aufeinander abgestimmt.

Daten der Raumsonden:

Mercury Planetary Orbiter (MPO)
Stabilisierung: 3-Achsen stabilisiert
Umlaufbahn: Polare Umlaufbahn, Dauer 2,3 h, 480 × 1500 km
Raumfahrzeug Masse: 1150 kg (im Merkurorbit)
Nutzlast Masse: 80 kg
Nutzlastleistung: 100-150 W
Datenvolumen (Downlink): 1550 Gbits/Jahr
Äquivalente durchschnittliche Datenrate: 50 kbit/s

Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO)
Stabilisierung: 15 U/min spin-stabilisiert
Umlaufbahn: Polare Umlaufbahn, Dauer 9,3 h 590 × 11 640 km

Raumfahrzeug Masse: 275 kg (im Merkurorbit)
Nutzlast Masse: 45 kg
Nutzlastleistung: 90 W
Datenvolumen (Downlink): 160 Gbits/Jahr
Äquivalente durchschnittliche Datenrate: 5 kbit/s

Wissenschaftliche Experimente:

Mercury Planetary Orbiter (MPO):

BepiColombo Laser Höhenmesser (BELA)
Erfassung der Topographie des Merkurs, um ein Modell des Geländes zu erstellen.

Italian Spring Accelerometer (ISA)
Beschleunigungsmesser, seine Daten dienen mit anderen Instrumenten zur Charakterisierung der inneren Struktur des Merkurs und zur Überprüfung Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

Magnetic Field Investigation (MPO-MAG)
Messung des Magnetfeldes des Merkur (seine Magnetosphäre und wie diese mit dem Sonnenwind interagiert) um zu verstehen wie dieses erzeugt und aufrechterhalten wird und damit die innere Struktur und Entwicklung des Planeten besser zu verstehen.

Mercury Radiometer and Thermal Imaging Spectrometer (MERTIS)
Infrarotdetektor und -spektrometer, dient der Erforschung der Oberflächenzusammensetzung und Mineralogie des Merkurs (wichtig für das Verständnis der Planetenentstehung).

Mercury Gamma-ray and Neutron Spectrometer (MGNS)
Das Hauptziel des Gamma und Neutron Spektrometers ist die elementare Zusammensetzung unterscheidbarer Regionen über die gesamte Oberfläche des Merkur zu bestimmen.

Mercury Imaging X-ray Spectrometer (MIXS)
Röntgenspektrometer zur Messung der Fluoreszenz-Röntgenstrahlung um die atomare Oberflächenzusammensetzung des Merkurs mit hoher räumlicher Auflösung abzubilden.

Mercury Orbiter Radio science Experiment (MORE)
Ka-Band-Transponder. Experiment um die Größe, die innere Struktur und den physikalischen Zustand des Kerns zu erforschen.

Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy (PHEBUS)
Ein Ultraviolett-Spektrometer, es soll dazu dienen die Zusammensetzung, Dynamik und Eigenschaften von Merkurs Exosphäre zu verstehen und nach möglichem Wassereis in Kratern an den Polen zu suchen.

Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundance (SERENA)
Ein Teilchendetektor und -spektrometer, es soll untersuchen wie Gas innerhalb und zwischen verschiedenen Regionen des Merkurs und seiner kosmischen Umgebung (Oberfläche, Exosphäre, Magnetosphäre, Sonnenwind) interagiert.

Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System (SYMBIO-SYS)
Kamerasystem für Stereo-, Hochauflösungs- und Multispektralaufnahmen um die Geologie, das Alter, die Geophysik und die Zusammensetzung der Merkuroberfläche abzubilden und spektral zu untersuchen und mögliche Anzeichen auf Vulkanismus und Tektonik zu erforschen.

Solar Intensity X-ray Spectrometer (SIXS)
Röntgen- und Partikeldetektoren um die Umgebung des Merkurs kontinuierlich zu überwachen und Partikel zu beobachten, die von der Sonne kommen (Röntgenstrahlen).

Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO)

Mercury Magnetometer (MMO-MAG)
Magnetometer zur Charakterisierung der magnetischen Umgebung des Merkurs und der Wechselwirkungen zwischen dem Magnetfeld, der Magnetosphäre und dem Sonnenwind.

Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE)
Plasmapartikel-Experiment (MPPE) um das Material in der Magnetosphäre des Merkurs zu erforschen (hochenergetische und niederenergetische Partikel).

Mercury Plasma Wave Instrument (PWI)
Instrument um die Struktur und Dynamik der Magnetosphäre zu analysieren.

Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager (MSASI)
Instrument um den Natriumgehalt der Atmosphäre des Merkurs in der Exosphäre zu untersuchen.

Mercury Dust Monitor (MDM)
Instrument um die Menge und Verteilung von Staub in der Umlaufbahn des Merkurs zu beobachten.

Zusammenfassung der Forschungsziele:
BepiColombo wird sich auf die Erforschung des Ursprungs und der Entwicklung des Merkurs konzentrieren, dies beinhaltet:
-die planetaren Eigenschaften: Form, Inneres, Krater, Struktur, Geologie, Zusammensetzung,
-die Restatmosphäre des Merkurs (Exosphäre): Zusammensetzung und Dynamik,
-das Magnetfeld des Merkurs (Magnetosphäre): Struktur, Dynamik und Ursprung
-und einen Test der einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie.

Dabei erwarten die Wissenschaftler Antworten auf folgende Fragen:
Ist der Kern des Merkurs flüssig oder fest?
Ist Merkur tektonisch aktiv?
Welche Materialien enthalten die permanent in Dunkelheit liegenden Krater an den Polen?
Wie setzt sich Merkurs Exosphäre genau zusammen?

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