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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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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

Die von der ESA und der JAXA geplante Merkur-Mission BepiColombowird aus zwei Orbitern bestehen, welche den innersten Planeten unseres Sonnensystems zunächst für die Dauer von einem Jahr umlaufen sollen. Der Mercury Planetary Orbiter (MPO) wird von der ESA gebaut. Das Hauptaufgabengebiet des mit 11 Instrumenten bestückten MPO liegt in der Kartierung der Merkuroberfläche und in der Entschlüsselung von deren Zusammensetzung. Dabei wird der MPO den Merkur in einem Orbit zwischen lediglich 400 und 1.500 Kilometern Höhe umrunden.

Eine zweite Sonde, der Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), wird von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA geliefert und betrieben. Der MMO wird den Planeten in einem stark elliptischen Orbit in 400 bis 12.000 Kilometern Höhe umlaufen. An Bord werden sich fünf wissenschaftliche Instrumente befinden, welche in erster Linie die Interaktion zwischen der Magnetosphäre des Merkur und des Sonnenwindes untersuchen sollen.

Vor allem die extremen Temperaturen, bei denen die beiden Sonden ihre Mission erfüllen müssen, stellen die Ingenieure vor erhebliche technische Herausforderungen. In der Umgebung des Merkurs ist die Sonnenstrahlung bis zu zehnmal höher als in Erdnähe. Dadurch bedingt steigen die Temperaturen auf der Oberfläche des Merkur tagsüber auf einen Wert von bis zu 470 Grad Celsius. Während der Nacht sinkt die Temperatur dagegen auf bis zu minus 212 Grad Celsius ab. Aufgrund der niedrigen Orbits werden MPO und MMO nicht nur mit der direkt von der Sonne ausgehenden Wärmestrahlung sondern auch mit der von der Planetenoberfläche reflektierten Wärme zu kämpfen haben.

Die an der Mission beteiligten Ingenieure wollen die Elektronik der beiden Raumsonden und deren wissenschaftlichen Instrumente deshalb mit verschiedenen Maßnahmen vor einer Überhitzung schützen. Dazu gehört auch eine extra für diese Mission neu entwickelte mehrschichtige Isolierfolie. Diese besteht aus einer Deckschicht aus Keramikfasern und mehreren Metallschichten. Durch diese Isolierdecke soll ein Großteil der empfangenen Wärme zurück in den Weltraum reflektiert werden. Zusätzlich soll ein spezieller Radiator die Wärme aus dem Inneren der Raumsonden in den Weltraum abführen. Außerdem kommen eigens für diese Mission entwickelte Solarzellen zum Einsatz, die auch bei den hohen Temperaturen noch genügend Strom für den Betrieb der Raumsonden liefern können.

Im Verlauf der letzten Monate wurden die wichtigsten Komponenten des von der JAXA zu der Mission beigesteuerten MMO in Noordwijk/Niederlande in einer speziellen Testanlage, dem von der ESA betriebenen Large Space Simulator (LSS), ausführlich getestet. Um die erwarteten extremen Weltraumbedingungen möglichst realistisch zu simulieren, wurde die Testanlage des ESTEC sogar extra modifiziert. Durch eine Anpassung der im LSS eingesetzten Spiegel wurde der zur Simulation der Hitzestrahlung ausgesandte Lichtstrahl von ursprünglich sechs Metern Durchmesser auf einen Kegel von nur noch 2,7 Metern Durchmesser reduziert.

Der achteckige MMO und das mit der Raumsonde verbundene Sonnenschutzschild wurden im Rahmen dieser Tests Temperaturen von 350 Grad Celsius ausgesetzt. Dies entspricht den thermalen Bedingungen, auf welche der MMO im Merkurorbit treffen wird. „Dieser Sonnenschutz-Test verlief erfolgreich“, so Jan van Casteren, der ESA-Projektmanager für die BepiColombo-Mission. „Wir konnten dabei die Funktionalität der Schutzverkleidung des MMO während der Flugphase nachweisen.“

Bei den Tests konnte auch die Wärmeabstrahlleistung der neu entwickelten Isolierfolie bestimmt werden. Die Resultate der erfolgten Messungen werden jetzt in die Tests für den MPO einfließen, welche ab dem kommenden Sommer am LSS durchgeführt werden sollen.

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