Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. April 2024.

12. April 2024 – Im Vorbeiflug an der Venus hat die europäisch-japanische Doppelraumsonde Bepi Colombo erstmals Kohlenstoff-Ionen gefunden, die aus der Atmosphäre des Planeten ins All entweichen. Davon berichtet eine Forschergruppe unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. Um auf dem Weg zum Merkur abzubremsen, hatte Bepi Colombo am 10. August 2021 zum zweiten Mal die Venus passiert. Ausgestattet mit Messinstrumenten, die denen früherer Venus-Reisenden überlegen sind, durchflog die Raumsonde dabei eine bisher unerforschte Region auf der Nachtseite des Planeten. Untersuchungen der Ionenverteilung helfen zu verstehen, welche Prozesse die Atmosphäre unseres Nachbarplaneten geformt haben und warum sie sich stark von der Gashülle der Erde unterscheidet. Ideengeber für die neuen Messungen war ein seltenes kosmisches Ereignis, das sich vor 25 Jahren ereignete – und einen Hauch der Venus bis zur Erde brachte.

Eigentlich sollte das Messinstrument MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) den Venus-Vorbeiflug von BepiColombo am 10. August 2021 „verschlafen“. Um auf dem Weg zum Zielplaneten Merkur Flugrichtung und -geschwindigkeit anzupassen, führte die Flugroute der Raumsonde zum zweiten Mal nah an der Venus vorbei. Den wissenschaftlich-technischen Teams der einzelnen Messinstrumente an Bord bieten Stippvisiten dieser Art nicht nur die Gelegenheit, ihr Instrument unter echten Weltraumbedingungen zu testen. Oft enthalten die Messdaten auch wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse. Für MPPE war jedoch nicht mit optimalen Messbedingungen zu rechnen. Während der Anreise zum Merkur fliegen beide Teilsonden von BepiColombo „aufeinandergestapelt“ durchs All; in dieser Konfiguration schränken einige Hardwarekomponenten die Sicht von MPPE ein. Das Instrument sollte ausgeschaltet bleiben.

Forscher des MPPE-Teams drangen dennoch darauf, während des Vorbeiflugs die Verteilung geladener und ungeladener Teilchen in der Umgebung des Planeten so gut es geht zu bestimmen. „Seit mehr als zwei Jahrzehnten treiben uns Messungen der Raumsonde SOHO um“, begründet dies MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, einer der Koautoren der neuen Studie. 1996 entdeckte SOHO in der Nähe der Erde Kohlenstoff-Ionen von der Venus. Damals lag die Erde genau im Sonnenwindschatten der Venus. Unter diesen seltenen Bedingungen konnten Ionen aus der sonnenabgewandten Umgebung der Venus weit ins All vordringen und sogar die Erde erreichen. Vor Ort an der Venus war der Nachweis von Kohlenstoff-Ionen in größerer Entfernung vom Planeten bisher nicht geglückt. „Dem wollten wir unbedingt nachgehen“, so Fränz weiter.

Kein Wasser, schwaches Magnetfeld
Die Forschenden interessiert besonders, warum Venus und Erde seit ihrer Entstehung so unterschiedliche Entwicklungswege eingeschlagen haben und heute völlig verschiedene Bedingungen bieten. Während unser Heimatplanet eine lebensfreundliche Welt mit viel Wasser und sauerstoffreicher Atmosphäre wurde, hat die Venus ihr einstiges Wasser weitestgehend verloren. Der hohe Anteil an Kohlenstoffdioxid in ihrer Lufthülle begünstigt zudem einen extremen Treibhauseffekt und erzeugt so hohe Oberflächentemperaturen von im Schnitt mehr als 450 Grad Celsius. „Die Prozesse, die sich noch heute in der Ionosphäre der Venus abspielen, liefern wichtige Hinweise darauf, wie sich der Planet entwickelt hat“, so MPS-Wissenschaftler und Koautor Dr. Norbert Krupp.

Anders als die Erde erzeugt die Venus in ihrem Innern nicht selbst ein Magnetfeld, das Teilchen aus der Atmosphäre an den Planeten bindet. Die geladenen Teilchen des Sonnenwindes, des stetigen Teilchenstroms von der Sonne, induzieren lediglich ein schwaches Magnetfeld. Leichte oder schnelle Teilchen können deshalb den Einflussbereich des Planeten mühelos verlassen. Schwere Ionen und Moleküle hingegen wie etwa Kohlenstoff-Ionen müssten – wie auch auf der Erde oder dem Mars – eigentlich gebunden bleiben. Oder nicht?

Höhere Auflösung als Vorgänger
Beim Vorbeiflug ist es nun erstmals gelungen, die SOHO-Messungen von 1996 in unmittelbarer Nähe zur Venus zu bestätigen. „Offenbar erhalten Kohlenstoff-Ionen in der Venus-Magnetosphäre genug Energie, um ins All zu entweichen“, fasst MPS-Wissenschaftler und Koautor Dr. Harald Krüger zusammen. Das zeigen Messungen der MPPE-Sensoren Mass Spectrum Analyzer (MSA) und Mercury Ion Analyzer (MIA), die Mitglieder des MPPE-Teams unter Leitung des Pariser Observatoriums heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlichen. Vergleichbare Untersuchungen älterer Venus-Sonden wie etwa Venus Express waren nicht in der Lage gewesen, Kohlenstoff-Ionen von anderen Ionen und Molekülen mit ähnlichen Massen verlässlich zu unterscheiden. Erst die Instrumente von BepiColombo boten dafür jetzt die notwendige Massenauflösung.

„In der Atmosphäre der Venus ist offenbar eine komplexe Atmosphären-Chemie am Werk, die sich von der von Erde und Mars grundlegend unterscheidet“, so Fränz. Neben den Kohlenstoff-Ionen fanden die Forscher*innen zudem etwa dreimal so viele entweichende Sauerstoff-Ionen. Der Überschuss an Sauerstoff-Ionen deutet auf Wasser-Moleküle oder -Ionen als mögliche Quelle hin.

Flugroute durch unerforschtes Gebiet
Beim Vorbeiflug näherte sich BepiColombo der Venus von der Nachtseite. Dort ist die Venus-Magnetosphäre typischerweise schweifförmig langgezogen und ragt weit ins All hinaus. Die aktuellen Messungen gelangen in einem Abstand von etwa 36.000 Kilometern vom Planeten. Diese Region hatte zuvor noch keine andere Weltraummission durchquert: Die Flugbahnen der ESA-Raumsonde Venus Express, die den Planeten ab 2006 etwa acht Jahre lang umrundete, führten auf der Nachtseite des Planeten näher an der Oberfläche vorbei; der in den späten 70er Jahren gestartete Pioneer Venus Orbiter der NASA hielt hingegen einen größeren Abstand.

Weitere Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen, die sich in der Atmosphäre der Venus abspielen, erhoffen sich die Wissenschaftler*innen von künftigen Venus-Besuchern. Auf ihrem sehr langgestreckten Orbit um die Sonne wird die ESA-Raumsonde Solar Orbiter den Planeten in den nächsten Jahren mehrfach passieren; voraussichtlich in den 30er Jahren startet zudem die ESA-Venus-Mission EnVision ins All.

MPS-Beteiligungen
Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung ist an insgesamt vier Instrumenten der Mission BepiColombo beteiligt. Zum Instrumentenpaket MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) haben Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen des Instituts Komponenten des Sensors MSA (Mass Spectrum Analyzer) entwickelt und gebaut. Zudem war und ist das Institut an Venus-Missionen beteiligt. Zu der ESA-Raumsonde Venus Express hatte das Institut das Messinstrument ASPERA-4 (Analyser of Space Plasmas and Energetic Atoms) beigesteuert. Für die künftige ESA-Mission EnVision zur Venus entwickelt das MPS Komponenten des Spektrometers VenSpec.

Originalveröffentlichung
L.Z. Hadid, D. Delcourt, Y. Saito, M. Fränz et al.:
BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus
Nature Astronomy, 12. April 2024
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02247-2
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2.pdf

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• Planet Venus

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 18. Juli 2023.

18. Juli 2023 – Die Polarlichter des Merkurs sind nicht wie die der Erde mit dem bloßen Auge sichtbar, sondern strahlen ausschließlich Röntgenlicht aus. In der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications beschreibt eine Forschergruppe, zu der auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen zählen, wie Sonnenwind-Elektronen auf dem Planeten prasseln und so das hochenergetische Leuchten auslösen. Dafür wertete das Team Daten aus, welche die europäisch-japanische Raumsonde BepiColombo bei ihrem Vorbeiflug am Merkur Anfang Oktober 2021 aufgenommen hatte. Die Auswertungen zeichnen erstmals detailliert nach, wie die Polarlichter des sonnennächsten Planeten entstehen. Zudem legen die Daten nahe, dass trotz unterschiedlichster Bedingungen im Sonnensystem, Polarlichter immer auf denselben Prozess zurückzuführen sind.

Neben der Erde schmücken sich auch andere Planeten im Sonnensystem mit einem auffälligen Leuchten über ihren Polarregionen. Die gewaltigen Polarlichter des Jupiters etwa erstrecken sich über eine Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 40.000 Kilometern. Dass am Nord- und Südpol des Merkurs extrem energiereiche Röntgenpolarlichter auftreten können, hatten bereits die amerikanischen Raumsonden Mariner 10 in den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts und MESSENGER in der Zeit von 2011 bis 2015 beobachtet. Wie auf der Erde lösen geladene Teilchen des Sonnenwinds, die im Magnetfeld des Planeten eingefangen werden, das Phänomen aus. Während auf der Erde die Sonnenwind-Teilchen jedoch auf die Atmosphäre treffen und dort Moleküle ionisieren, bietet der Merkur keine solch schützende Hülle. Ihn umgibt nur eine so genannte Exosphäre, eine ausgesprochen dünne Gasschicht. Die Sonnenwindteilchen treffen deshalb direkt auf die Oberfläche des Planeten.

Vorbeiflug mit guter Sicht
„Wie genau die Polarlichter des Merkurs entstehen, war bisher nicht geklärt“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, Koautor der aktuellen Studie und Mitglied im Team des BepiColombo-Instruments Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE). Die Flugbahnen von Mariner 10 und MESSENGER ließen lediglich einen Blick auf die Nordhalbkugel des Planeten zu. Zudem konnten beide Missionen nicht die Elektronen in der Umgebung des Merkurs untersuchen. Ein vollständiges Bild des Entstehungsprozesses konnte sich so nicht ergeben. Die neuen Messdaten von BepiColombo schaffen nun eine völlig neue Situation.

Im Oktober 2018 startete die Merkursonde BepiColombo ins All und wird 2025 in eine Umlaufbahn um den Merkur einschwenken. Bis zur Ankunft stehen insgesamt sechs Vorbeiflüge am Zielplaneten im Missionsplan; der erste ereignete sich im Oktober 2021. Aus einer Entfernung von etwa 200 Kilometern hatte dabei das Instrument MPPE Gelegenheit, Verteilung und Energien der Teilchen in der Umgebung des Merkur genau zu bestimmen. Das Instrument besteht aus mehreren Sensoren, von denen jeder auf Teilchen einer bestimmten Sorte und Geschwindigkeit spezialisiert ist. Das MPS hat zu Entwicklung und Bau des Massenspektrometers von MPPE beigetragen.

Ein „Regen“ aus Elektronen
Beim Vorbeiflug vor 21 Monaten konnte MPPE erstmals Messungen über der nördlichen Nachtseite sowie erstmals über der Tagseite der Südhalbkugel durchführen und so die Struktur der Magnetosphäre, des Einflussbereichs des planetaren Magnetfeldes, und ihrer Grenze, der Magnetopause, bestimmen. Wie bei der Erde ist die Merkur-Magnetosphäre auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schwanz verzerrt; auf der sonnenzugewandten Seite zeigte sie sich stark gestaucht. „Der Sonnenwind muss zum Zeitpunkt der Messungen besonders kräftig gewesen sein“, folgert MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp, ebenfalls Koautor der Studie und Mitglied des MPPE-Teams.

Zudem konnte MPPE den Entstehungsprozess der Merkur-Polarlichter genau nachverfolgen. Aus dem Schwanz der Magnetosphäre kommend bewegen sich hochenergetische Elektronen entlang der Magnetfeldlinien auf den Planeten zu. Dort „regnen“ sie auf ihn hinunter und wechselwirken so an den Polen mit dem Material an seiner Oberfläche. Dabei werden Moleküle ionisiert, die ihrerseits als Folge hochenergetische Röntgenstrahlung abstrahlen.

„Zum ersten Mal konnten wir beobachten, wie Elektronen in der Magnetosphäre des Merkurs beschleunigt und auf die Planetenoberfläche geschleudert werden. Obwohl die Magnetosphäre des Merkurs viel kleiner ist als die der Erde und eine andere Struktur und Dynamik aufweist, haben wir die Bestätigung, dass der Mechanismus, der Polarlichter erzeugt, im gesamten Sonnensystem der gleiche ist“, so Erstautorin Dr. Sae Aizawa vom Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie im französischen Toulouse. Seit Kurzem forscht die Wissenschaftlerin am Institute of Space and Astronautical Science der japanischen Weltraumbehörde JAXA und an der Universität von Pisa in Italien.

In den nächsten Jahren wir BepiColombo noch dreimal dicht am Merkur vorbeifliegen. Die nächste Begegnung ist für September nächsten Jahres (2024) geplant.

Originalveröffentlichung
Sae Aizawa et al.: Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury, Nature Communications, 18. Juli 2023, dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39565-4,
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39565-4,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-39565-4.pdf.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

2. August 2021 – Die Venus ist in den nächsten Tagen ein gefragtes Etappenziel: Auf ihrem Weg ins innere Sonnensystem statten gleich zwei Weltraummissionen unserem Nachbarplaneten einen kurzen Besuch ab. Am Montag, 9. August, nutzt die ESA-Sonde Solar Orbiter den Vorbeiflug, um auf eine neue Umlaufbahn um die Sonne einzuschwenken; nur einen Tag später fliegt BepiColombo ein ähnliches Manöver, bevor sich die Doppelsonde der europäischen und der japanischen Weltraumagenturen ESA und JAXA auf den letzten Teil ihrer Reise zum Merkur macht. Aus wissenschaftlicher Sicht passieren beide Missionen die Venus sozusagen im Halbschlaf: Während einige Instrumente zu ihrem eigenen Schutz ausgeschaltet sind, sammeln solche, die Teilchen und Magnetfelder in der Umgebung der Venus messen können, wertvolle Daten. Dazu gehören auch Instrumente, an denen das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen beteiligt ist.

Die ESA-Raumsonde Solar Orbiter erreicht die Venus als Erste. Knapp 8000 Kilometer werden den Sonnenspäher, der sich seit Februar 2020 unserem Zentralgestirn auf immer engeren Umlaufbahnen nähert, am Montag, 9. August, gegen 6.42 Uhr (MESZ) von dem Planeten trennen. Einen deutlich kleineren Abstand zur Venus gibt die Flugroute der europäisch-japanischen Doppelsonde BepiColombo vor: Am Dienstag, 10. August, gegen 15.58 Uhr (MESZ) wird er nur etwa 550 Kilometer betragen.

Für beide Missionen ist dies bereits die zweite Begegnung mit der Venus. Da einige ihrer Messinstrumente leistungsstärker sind als die früherer Venus-Besucher, bietet auch dieser Vorbeiflug die willkommene Möglichkeit, ganz genau hinzuschauen. Dass beide Sonden unseren Nachbarplaneten in enger zeitlicher Abfolge passieren, ist doppelt gut: So sind gleichzeitige Messungen an zwei verschiedenen Orten in der Umgebung der Venus möglich. Dies kann beispielsweise helfen zu verstehen, wie sich Teilchen und Magnetfelder dort ausbreiten.

Eintauchen in die Ionosphäre

Anders als die Erde und den Merkur umgibt die Venus kein starkes, stabiles Magnetfeld. Allerdings induziert der Sonnenwind, der fluktuierende Strom geladener Teilchen von der Sonne, elektrische Ströme in der Venus-Ionosphäre und erzeugt so ein schwaches, ebenso fluktuierendes Magnetfeld. Zudem verformt der Strom aus Sonnenteilchen die Hülle der Venus so, dass sie an der sonnenabgewandten Seite wie ein Schweif bisweilen viele Millionen Kilometer weit ins All ragt.

Diesen komplexen Vorgängen wollen Solar Orbiter und BepiColombo beim Vorbeiflug nachspüren. Dabei taucht die Merkur-Sonde sogar in die untere Ionosphäre ein; die Instrumente SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundance), SIXS (Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer), MPO-MAG (Mercury Planetary Orbiter Magnetometer) und MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) werden Messungen durchführen.

Die Teilchen und Magnetfelder in der Umgebung der inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars geben Hinweise darauf, warum sie sich seit ihrer Entstehung so unterschiedlich entwickelt haben. Während unsere Heimat eine wasserreiche Gashülle umgibt, wurde der Mars zu einem trockenen Wüstenplaneten, der nur Reste einer Atmosphäre aufweist. Und die Venus versteckt sich unter einer dichten, giftigen Atmosphäre, die für einen dramatischen Treibhauseffekt sorgt. Forscherinnen und Forscher interessiert deshalb, durch welche Prozesse Teilchen aus der unteren Atmosphäre der jeweiligen Planeten in ihre Ionosphäre und von dort ins Weltall entweichen.

In den Messdaten von MPPE beispielsweise hoffen Forscherinnen und Forscher, Hinweise auf ungebundene Kohlenstoff-Ionen, so genannten atomaren Kohlenstoff, zu finden. Seine Existenz in der Ionosphäre würde darauf hindeuten, dass in der daruntergelegenen Atmosphäre nicht nur ultraviolettes Licht einzelne Moleküle spaltet und somit Voraussetzungen für ihr Entweichen ins All schafft, sondern dass möglicherweise auch heftige Zusammenstöße mit Elektronen am Werk sind. Bereits 1996 konnte das Weltraumobservatorium SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) atomaren Kohlenstoff aus einer Entfernung von etwa 40 Millionen Kilometern im damals ungewöhnlich langen Ionenschweif der Venus nachweisen; seitdem ist dies keiner weiteren Sonde gelungen.

Und nicht zuletzt ist der bevorstehende Vorbeiflug für BepiColombo eine wichtige Generalprobe. Bevor die Sonde Ende 2025 in eine Umlaufbahn um den Merkur einschwenkt, stehen auf dem Reiseplan noch mehrere Merkur-Vorbeiflüge. Die geplanten Messungen an der Venus bieten somit die Gelegenheit sicherzustellen, dass bis dahin alle Messinstrumente in Topform sind.

Zu den Missionen

Die Doppelraumsonde BepiColombo der europäischen und japanischen Weltraumagenturen ESA und JAXA startete am 20. Oktober 2018 ins All. Sie besteht aus den beiden Sonden Mercury Planetary Orbiter und Mercury Magnetospheric Orbiter, die während der Anreise zum Merkur aufeinandergestapelt fliegen. Das MPS hat zu den Instrumenten BELA (BepiColombo Laser Altimeter), MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer), MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) und SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances Experiment) Hardware beigetragen und ist wissenschaftlich beteiligt an dem Magnetometer MPO-MAG und dem Instrument MDM (Mercury Dust Monitor).

Die ESA-Sonde Solar Orbiter ist seit 10. Februar 2020 im Weltraum unterwegs. Sie wird sich in den nächsten Jahren der Sonne auf Ellipsen immer weiter nähern, bis sie nur noch 42 Millionen Kilometer trennen. Das MPS hat zu den Instrumenten PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager), EUI (Extreme-Ultraviolet Imager) und SPICE (Spectral Imaging oft he Coronal Environment) sowie zum Koronagraphen Metis beigetragen. Als Fernerkundungsinstrumente werden sie während des Venus-Vorbeiflugs ausgeschaltet sein.

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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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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

Der Beitrag Die lange Reise von BepiColombo zum Merkur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.